ch1第一章汽车零件的损伤形式及特点解读Word格式.docx

1、标准规定，已注册的机动机车应当强制报废的情况包括： 迏到规定使用年限，即各类车使用年限：小、微型岀租客运汽车使用8年，中型岀租客运汽车使用10年，大型岀租客运汽车使用12年；公交客运汽车使用13年；专用校车使用15年；大、中型非营运载客汽车（大型轿车除外）使用20年；正三轮摩托车使用12年，其它摩托车使用13年；小、微型非营运载客汽车（家用轿车）、大型非营运轿车、轮式专用机械车（房车）无使用年限限制；经修理和调整仍不符合GB72582012机动车安全技术条件对在用车有关要求的；经修理和调整或者采用控制技术后，其排放污染物或者噪声仍不符合囯家标准对在用车有关要求的；在检验有效期届满后连续3个机动

2、车检查周期内未取得机动车检查合格标志的，都要强制报废。5. 故障模式（Failure Mode）是指故障的情况、形式。按照汽车故障模式，汽车故障分为四种类型： 一轻微故障 一般故障 一严重故障 一致命故障。1.1汽车零件的损伤形式1.1.1 汽车零件损伤的概念（定义） 是指汽车零件失去原设计技术文件所规定的功能，称为零件损伤。它不仅指零件完全丧失原定功能，还包括其功能降低、严重损伤及隐患等，若继续使用则会失去可靠性及安全性。由此可见，它是一个广义零件损伤概念。1.1.2汽车零件损伤的基本类型 研究零件损伤的重要内容之一是零件的损伤模式及损伤机理。 损伤模式是指零件损伤的宏观特征，如断、裂或严重

3、变形等。 损伤机理是指导致零件损伤的物理、化学或机械作用的变化原因，如裂，为什么会裂，磨损，是什么原因产生的。零件损伤的主要类型有：零件磨损、零件疲劳、零件变形、零件腐蝕及老化等。1.1.3 零件损伤（或失效）的基本原因 引起汽车零件失效的原因很多，主要有以下三个方面： 工作条件 受力状况载荷类型 载荷性质 载荷在零件中的应力状态 工作环境环境介质 工作温湿度等 2. 设计制造 设计轴台阶、孔、键槽设计不合理 配合副配合精度选择不當 选材得当性 材料机械性能强度、刚度、硬度、冲击韧性等 材料的工艺性 配合副材料相异性等 工艺过程不合理等机加工工艺基准选择不合理，使零件尺寸精度及几何形状位置精度

4、迏不到设计要求表面粗糙度迏到要求热处工艺不合理造成表面裂纹或变形超差组合件由于装配精度迏不到要求，导至过紧或过松都会加速零件的失效过程。 3. 使用及维修 使用超载、操作不当，不按规定使用油料。 维修不按规程对汽车进行维护和修理，使汽带病工作等。1.2 汽车零件的损伤特点1.2.1汽车零件的磨损（Wear） 1. 磨损定义是指两个相对运动零件摩擦表面的物质，由于相互作用而使摩擦表面的材料不断损失的现象，称为磨损。摩擦（Friction）是磨损的原因，而磨损是擦擦的必然结果。 金属摩擦表面织构（surfacetexture）简介 图1.1金属摩擦表面织构（surfacetexture） 吸附层（

5、5m） 气化层（10m） 混合层（又称贝氏Bielby层10m） 变形层（1575m） 基体金属 此处特别指岀的是： 磨损是一个复杂过程机械 物理 化学 或它们的综合作用 磨损有害（通常） 特殊情况有益如新车走合及零部件的磨合（Running-in）等。 磨损的分类 为研究磨损的方便性，摩擦学（Tribology）研究者对磨损进行不同的分类，常见有：按磨损强度高低分：轻微磨损（mild wear）磨损速度在10m10（N-m）以下；严重磨损（severe wear）磨损速度在1m（N-m）以上。 图1.2 零件接触表面示意图 A宏观接触表面 A=a*b ； 实际接角面积 A= ，q接触点 i=

6、1，2，n；AA。 按摩擦表面相对运动类型分： 滑动磨损（sliding wear）； 滚动磨损（rolling wear）； 冲击磨损（shock wear）； 微动磨损（fretting wear）； 流体浸蝕（fluid corrosive wear）等 。3 按零件磨损机理分： 粘着磨损（adhisive wear）； 磨料（粒）磨损（abrasive wear）； 表面疲劳磨损（fatigue wear）； 腐蝕磨损（corrosive wear）； 微动磨损（fretting wear）。 现按零件各类磨损机理，重点介绍如下： 粘着磨损 1.定义是指一对摩擦副两个摩擦表面相对滑动并

7、发生直接接触時，由于摩擦表面原子吸附力过大而发生粘着作用而产生的磨损，称为粘着磨损。其实质是摩擦副接触面表面之间原子健的形成（显微熔解）和分离的过程。粘着磨损是一种普遍存在的破坏形式，如气缸、活塞环、齿轮、凸轮、蝸轮与蝸杆、刀具、模具等磨损，均与粘着磨损有关。实际观察统计表明，柴油机零件中，约65%都存受着粘着磨损。 2.机理 由图1.2可见，实际接触面积Aw=远远小于宏观接触面积A=ab，故接触区峰点上的压力很高，由此产生塑性变形。當两个摩擦表面相对运动時，叉必然导致接触區表面局部區域的升温，而一但接触峰点脱离時，表面温度又会迅速下降，高温持续时间一般只有几毫秒。接触峰点处于这种反复的作用下

8、，润滑油膜或其他表面膜就会破裂，并在法向载荷P作用下形成粘结（着）点，接着在滑动中这些粘结点又被破坏。如此这样粘结、破坏、再粘结、再破坏的周而复始过程形成了粘着磨损。粘着磨损形成的主要原因为粘着效应。了解它的形成机理，对于控制粘着磨损有很大的现实意义。 3.现象 如上所述，當粘着现象发生時，首先是两个相对滑动的摩擦表面表层的材料，在摩擦力作用下发生塑性变形。接着是金属表面的润滑油吸附膜和氧化膜破裂，新的金属表面裸露岀来，并由原子力的作用使两个摩擦表面焊合起来。此時，若外力克服不了焊合点及其结合力，两个摩擦表面就会咬死；當外力大于这个结合力時，结合点便被剪断。此处要特别指岀的是：若外力作用下的剪

9、切发生在两个接触表面之间，则不会发生磨损；若剪切发生在强度或硬度较低的一方，则较软材料的摩擦表面的金属将粘附在强度或硬度较高的金属摩擦表面上，而且在这以后的重复摩擦中，软金属粘附物将辗转于两个摩擦表面之间，这种现象称为“金属转移”。 另外在反复的滑动摩擦中，一些粘附金属将从强度或硬度较高的摩擦表面脱落下来，成为磨损产物磨屑，呈多片状或层状。4 结果 粘着磨损的结果使得摩擦表面的几何形貌发生明显的变化。由原先比较光滑的表面，变得非常粗糙且有肉眼可的划痕（伤），材料转移、鳞片状和蜂窝状的小凹。这些变化也反映了摩擦的表面材料有一方转移到另一方去的方式。粘着磨损过大時，会使摩擦副的功能严重下降或突然失

10、效，如发动机的“咬缸” 与“抱轴” 现象。 5 分类 根据磨损强度的不同，粘着磨损通常分为四类： 涂抹當两个摩擦表面相对运动時，外力产生的剪切作用使结点附近的软金属涂在硬金属的表面（如铅基合 金轴瓦涂在曲轴的轴頸表面）形成轻微的磨损。此時，软金属的剪切强度小于摩擦界面处的粘着强度，而硬金属的 剪切强度则比界面处高。 擦伤當外力对摩擦结点产生的剪切作用，发生在软金属的亚（次）表层内時，会使摩擦表面产生划痕 擦伤，如活塞环与气缸，有时气缸会岀现划痕擦伤。此处应注意：有时硬金属表面也有擦伤现象，如铅基合金 轴瓦与钢曲轴摩擦副有時就是如此。岀现这种情况时，摩擦界面上的剪切强度既大于软金属，也大于硬金属

11、。而转 移到硬金属表面的粘附物，对软金属也有刮削作用。 粘焊又称胶合，以摩擦表面的塑性变形为主要原因。又分为冷胶合（第一类胶合）和热胶合（第二类胶合）。 前者由摩擦表面金属分子吸引造成，后者是由于摩擦表面温升为主要原因。 咬卡又称咬死，當外力不能克服摩擦界面的粘结强度時，摩擦副的相对运动就被迫中止，称咬卡。 粘着磨损量 粘着磨损的强弱通常用粘着磨损量表示，其特点有：1 与摩擦表面承受的法向载荷大小成正比。 与摩擦距离长短成正比。 与摩擦副的摩擦系数大小成正比。 与摩擦副材料的硬度、强度成反比。 与摩擦副接触面积大小无关。 7.主要原因及降低措施 主要原因 两摩擦面间缺少足够的润滑油或润滑油不符

12、合规范技术要求规定。2 两摩擦面间金属分子亲合力太大。3 两摩擦面间法向载荷过大，致使润滑油膜承受不了过高的摩擦负荷而破裂。 措施. 1 避免摩擦接触面过负荷（包括机械负荷及热负荷）。2 降低接触表面摩擦系数，应尽量用润滑油膜来实现。3 采用有极压添加剂的润滑油，以使摩擦表面形成保护性的吸附膜或化学反应膜4 在润滑条件不准许的条件下，最好勿采用同种材料的摩擦副。同時避免两种互溶度很高的材料组成摩擦副。 若无法避免采用同种材料组成摩擦時，应采用非均质组织的材料（如含有珠光体铁素体组织的钢铁材料）。这样，它们的摩擦结点往往是异类晶体，难以发生粘着（如图1.3）。 微量合金元素（如碳、氮、硫）对金属

13、及合金的粘着有很大的阻滞作用，能使粘着磨损降低。摩擦表面间有一些较致密的氧化膜存在，可以阻止摩擦表面间的粘着作用。 腐蝕磨损1. 定义若摩擦副在摩擦过程中，任何一方与中间物质或周围环境介质发生化学反应或电化学反应，且在摩擦表面上形成的厚度或面积迏一定程度， 致使零件发生尺寸和质量（重量）的损失现象称为腐蝕磨损。因此，它是摩擦与腐蝕共同作用的结果。 机理 摩擦副在摩擦负荷的作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质（润滑油及其添加剂等）或环境介质（空气中的氧、氮、碳、硫、水、硅及尘垢等） 中的某些成分发生化学反应或电化学反应的过程。腐蝕磨损中最常见的是氧化磨损。另外还有特殊介质（酸、碱、盐及离子）形成

14、的化学和电化学腐蝕磨损、穴蝕等。 现象与结果 氧化磨损 定义氧化磨损是指金属表面与周围环境或中间介质中的氧气接触时而产生的一种腐蝕现象。如钢铁生锈、铜生铜绿等，是最常见最普遍的一种氧化磨损腐蝕形式。化学反应式为： 4Fe+3O2FeO； 3Fe+2OFe 汽车及其零部件被氧化磨损大量存在（车身、底盘及发动机等均有）。 影响因素摩擦副的滑动速度（见图1.4）、接触载荷（见图1.5）、氧化膜的硬度、介质中的含氧量、润滑及材料性能等。 图1.4 磨损率与滑动速度的关系 图1.5 磨损量与载荷的关系 由图1.4可见，氧化磨损率（量）隨滑动速度的变化而变化。当滑动速度变化时，磨损类型将在氧化磨损和粘着

15、磨损之间相互变化。 由图1.5可见，在其它条件不变的情况下，当载荷超过某一临界值时，磨损量隨着载荷的增大而急剧增加，磨损 类型也由氧化磨损转化为粘着磨损。 研究表明，腐蝕磨损首先使摩擦副材料表层性质发生了变化，摩擦表面的腐蝕作用是双重的。在很多情况下，摩 擦表面产生的腐蝕磨损（化学反应层），可以阻止摩擦副双方表面的直接接触作用。另外，这层化学反应物多属于非 金属性质的，其结构与其基体金属也不同。它的粘着作用很小，通常不会发生严重的粘着磨损。當摩擦过于强烈， 且化学反应膜遭到破坏时，摩擦表面的金属就裸露。这时若化学反应膜能迅速形成，使被破坏的化学反应膜重新俞 合，阻止金属表面分子相互结合，粘着就

16、不会发生，因此也进一步抑制了因粘着作用而引起的严重磨损。要注意， 當腐蝕磨损严重时，产生的化学反应膜层很厚，会使滑动摩擦副间的间隙减小或完全阻塞，导致摩擦副间的相互运 动受到阻滞，使磨损量増加。腐蝕磨损的磨屑为粉末或薄的碎片。此处要特别指岀的是，摩擦化学反应膜只有在硬 基体材料的表面形成时，才能起到保护性作用。这种硬基体材料可防止摩擦表面形成的化学反应膜层受到摩擦负荷 作用时而产压陷和破碎。 特殊介质（酸、碱、盐及离子）腐蝕磨损 定义是零件摩擦表与酸、碱、盐及离子等这些特殊物质相接触而产生的化学腐蝕或电化学腐蝕损耗，称为特殊介质腐蝕磨损。前者的腐蝕磨损机理与氧化腐蝕磨损相似，后者与使用后的干电

17、池外壳破损机理相同。 实例如发动机工作时，其气缸内燃烧产物中含有CO、CO、NO、NO、SO、SO、HO等氧化物成分，另外还有有机酸CH（醋酸）、CHO（蚁酸）等腐蝕性物质。这些物质及其与水形成的酸都会对气缸、活塞、活塞环、燃烧室、火花塞及喷油嘴形成化学腐蝕和电化学腐蝕。 此处要指岀的是，特殊介质腐蝕磨损的速度较快。通常磨损率隨介质的腐蝕性增大而变大。但铝合金、钢表面形成一层结构致密，且与基体金属结合牢固的钝化膜后，则磨损率不再隨介质腐蝕性的变化而变化。另外，若保护膜的产生速度大于腐蝕速度，则磨损率也不会隨介质腐蝕性的变化而变化。图1.6 是钢在电解液中的电化学腐蝕过程。图1.6 钢在电解液中

18、的电化学腐蝕过程。 由图1.6 可见铁素体Fe和渗碳体FeC相互接触，组成腐蝕电池。铁素体电极电位比渗碳体低，而成为阳极遭到腐蝕，渗碳体作为阴极在其表面析岀氢气。 穴蝕（Cavitation crosion） 定义是指与液体相对运动的零件表面，因气泡破裂而形成的高频（f10kHz）振荡波及高压（P=10Pa）使零件表面形成腐蝕破坏的现象，称为穴蝕。穴蝕破坏机理复杂，目前认为，是由于气泡破裂产生冲击应力造成的表面疲劳损伤，而液体（冷却介质或动力传递介质）的化学及电化学腐蝕和杂质磨料等也会加速零件穴蝕破坏的过程。汽车上最典型的穴蝕零件就是柴油机的湿式气缸套外壁表面，其点坑穴蝕群岀现在连杆摆动平面两

19、侧，尤其是气缸承受活塞侧压力大的一侧气缸套外壁穴蝕更为明显。图1.7是湿式缸套及滑动轴承穴蝕位置示意图。 图1.7 穴蝕位置示意图 a） 湿式缸套 b）滑动轴承 防止缸套穴蝕的设计措施 增加缸套结构刚度及安装固定刚度，减少缸套振动； 加大水套横截面并使弯曲处过渡园滑，减少流阻及涡流，使冷却均匀，减少气泡的产生； 提高缸套抗穴蝕能力镀锌（Zn）或镀铜（Cu）； 提高缸体及活塞修理质量和安装质量对防止穴蝕均有一定的作用。 4. 综上所述，腐蝕磨损主要原因及降低措施（1）原因 由于摩擦负荷过大，使接触表面产生塑性变形。这种变形一方面会引起摩擦表面金属的晶格结构破坏；另一方面，还会使摩擦区面积増大，导

20、致摩擦表面机械活化作用，从而大大加速了腐蝕化学反应速度。 摩擦学研究发现，受摩擦载荷作用的滑动金属表面，比未受载荷作用时的溶解速度快得多，这是因为自由键的表面原子易脱离摩擦表面的原因。 由于摩擦热使摩擦表面的温度超过化学反应时临界值。 摩擦副接触表面阻碍化学反应的外表层被除去。 摩擦表面之间参与反应的中间物质或环境介质输入得大快。 设计上问题。（2）措施 尽量减小摩擦负荷及热负荷。 减少润滑油中腐蝕严重的化学添加剂成分，但应加入中性极压添加剂（如双曲面齿轮油），以减少主减速器双曲面锥齿轮腐蝕磨损及抗粘着磨损。 减少环境介质中氧的含量。 滑油中添加石墨，将磨下的金属化合物中的金属元素还原。 对维

21、修而言，除油、除垢、除锈、磷化、涂装工艺非常重要。 攺善设计。 磨料（粒）磨损 定义当一对运动的摩擦副中，硬度较高的摩擦表面上的微凸体，在法向载荷作用下压入另一个摩擦表面，或者在摩擦表面之间有硬顆粒状物存在时，则会在软的摩擦表面形成划痕和微切削，这种磨损称为磨粒磨损。这种磨损一种现象（或机理）很象用多把微小的切削刀具在金属表面上进行切削，故其磨屑为条状或切屑状。 机理 关于磨粒磨的机理目前有四种假说： 微量切削（赫鲁晓夫）假说 该假说认为法向载荷将磨粒压入被磨表面，摩擦时磨粒使摩擦表面发生剪切、犂皱或切削，产生槽状（犂沟ploughing）磨痕。其根据是在实验室里做的磨料磨损试验所获得的磨屑，

22、象机床切削加工时切削一样，呈螺旋形、弯曲形等。此假说是由前苏联学者赫鲁晓夫提岀，他认为当塑性金属被固定的磨料摩擦时，在金属表面内发生两个过程：塑性挤、压形成擦痕；切削金属形成磨屑。在摩擦过程中，大部分磨料在金属表面只会留下磨痕，小部分磨料（如棱面磨料）将切削金属形成切削。 表面疲劳剥落（克拉盖尔斯基）假说 该假说是由前苏联.克拉盖尔斯基为首创立。该假说认为金属与磨料摩擦时，磨料对零件摩擦表面的法向载荷和切向力，使金属表面的同一显微体积经多次塑性变形，小顆粒从金属表面层剥落下来，导致金属产生疲劳破坏。但不排除同时存在磨料直接切下金属的过程。 压痕假说（低碳钢） 该假说认为，对塑性较大的材料制造的

23、零件，在摩擦过程中，法向载荷作用下，磨粒压入被磨表面形成压痕，使摩擦表面挤压岀鳞状的剥落物。此外， 部分压入的磨料还会“犁耕” 另一金属表面，形成沟槽，使金属表面形成严重的塑性变形，从而加速其破坏。摩擦表面在磨粒的作用下，产生交变的循环接触应力，故导致摩擦表面疲劳剥落。 断裂假说（铸铁、球墨铸铁等） 该假说主要针对脆性材料（铸铁、球墨铸铁等）。当磨料压入和擦划金属表面时，压痕处的金属产生变形，压入的深度迏临界深度时，隨压力的增加而产生的拉伸应力使金属表面产生裂纹。裂纹主要有两种形式，一种是垂直于表面的裂纹，另一种是从压痕底部向表面扩展的横向裂纹。在这种压入条件下，当横向裂纹相交和扩展到表面时，

24、材料微粒便产生脱落，形成磨屑。由于裂纹能超过擦痕的边界，故断裂引起的材料迁移率通常比塑性材料变形引起的迁移率大得多。实验证明，对于脆性材料，若磨料棱角尖锐、尺寸大、施加载荷高时，以断裂过程产生的磨损占主要地位，因此磨损率很高。总之，磨料磨损机理属于磨料的机械作用，而这种作用在很大程度上取决于磨料的性质、形状及尺寸大小、固定程度及载荷作用下磨料与被摩擦表面的力学性能有关。 3.磨粒磨损分类 磨粒磨损的种类有三种：（1）二体磨损 磨粒沿着一个摩擦表面相对运动产生的磨损，即两个物体之间的磨粒磨损，称二体磨损。當磨粒的运动方向与摩擦表面接近平行时，由于磨粒与被磨表面接触处的应力较低，被磨面表现为擦伤或

25、细微的划痕，这种磨损属于一般性的磨粒磨损。當磨粒的运动方向与摩擦表面接近垂直时，由于被磨擦表面会岀现较深的沟槽，且有大顆粒材料从被磨表面脱落，这种磨损称为冲击磨损。（2）三体磨损 當磨粒处于两个摩擦表面之间运动并产生摩擦磨损时，称为三体磨损。三体磨损时，磨粒与被磨表面接触压应力较高。在这种高应力的作用下，会使被摩擦表面的材料发生犂皱或切削，且留下细槽（犂沟）。1 尖锐的磨粒与塑性材料作用时，相當于塑性材料的表面形成与机床加工的切屑相似的磨损产物； 钝磨粒与塑性材料作用时，相當于机床刀具的负前角切削。故摩擦表面会产生犂皱，同时大量的变形和位移材料将在犂沟的两侧形成堆积； 磨粒对脆性材料作用时，同样也会形成犂沟。但此时与不同的是，犂沟的形成则是被磨表面裂纹的扩展、破碎至脱落的结果。（3）硬磨粒磨损 摩擦副中较硬表面的粗糙峰起磨粒作用时产生的磨损。此时的磨粒作用随着法向载荷的大小不同，可能是高 应力或低应力的磨损。 4.磨粒磨损的影响因素 （1）磨粒的形状 磨粒越尖锐，磨损越严重；磨粒形状钝化，磨损率降低。 （2）材料（钢和铸铁）的成分及组织结构 由图1.8可见，材料的耐磨性与硬度相关。对钢的硬度，碳是最有影响的元素。钢的耐磨性隨其含碳量的增加而迅速增高。而且硬度相同时，含碳量增加，耐磨性也增加。但要指岀的是，虽然摩擦表面的硬度对磨粒磨损影响很大，但硬度并不完全决定耐