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1、汽车零部件断裂失效分析简述 200910中国第一汽车集团公司技术中心1、基本概念n失效失效：国家标准GB3187-82中定义：“失效（故障）-产品丧失规定的功能。对可修复产品，通常也称为故障。”规定的功能：规定的功能：是指国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定的对产品适用、安全和其它特性的要求。它既是产品质量的核心，又是产品是否失效的判据。n失效分析：失效分析：是判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效对策的技术活动和管理活动。因此，失效分析的主要内容包括：明确分析对象，确定失效模式，研究失效机理，判定失效原因，提出预防措施(包括设计改进)。n失效模式失效模式：是指失效
2、的外在宏观表现形式和过程规律，一般可理解为失效的性质和类型。n失效原因失效原因：失效原因通常是指酿成失效甚至事故的直接关键性因素。n 失效机理失效机理：失效机理是指失效的物理、化学变化本质和微观过程，可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出一系列宏观（外在的）的性能、性质变化和联系。失效机理是对失效的内在本质、必然性和规律性的研究，它是人们对失效内在本质认识的理论提高和升华。失效分析在工程中的地位和作用失效分析在工程中的地位和作用n失效分析是可靠性工程的技术基础之一，失效分析是可靠性工程的技术基础之一，可靠性是产品的关键质量指标，可靠性技术是质量保证技术的核心。可靠
3、性技术从宏观统计入手，可以得到产品可靠性的各种特征参数和宏观规律，但不能回答产品怎样失效或为什么失效。n失效分析是安全工程的重要技术保证之一失效分析是安全工程的重要技术保证之一,安全工程以事故为研究对象，很多事故是由产品失效所致。失效分析可以找出薄弱环节，查明不安全因素，发现事故隐患，预测由失效引起的危险，提出优化的安全措施。是安全工程强有力的技术保证。关于灰色系统关于灰色系统n是对内部结构可以部分了解或可以综合运用逻辑推理的方法进行分析的系统。n从人类实践的绝对性来看，人类可以穷尽对机电失效规律及其预防的认识，但从对失效分析的个别实践和认识来看，又总是在有限的空间内进行的。因此，对失效特点和
4、规律的认识又往往是有限的和相对的，这就决定了失效分析的研究和发展总是处于一个这就决定了失效分析的研究和发展总是处于一个灰色系统内。灰色系统内。（失效分析的持续性、阶段性、可认知性和无止境性）（失效分析的持续性、阶段性、可认知性和无止境性）（失效分析的病理学研究方法和流行病学研究方法）（失效分析的病理学研究方法和流行病学研究方法）2 2、汽车零部件及断裂失效特性汽车零部件及断裂失效特性n总成总成发动机、离合器、变速器、传动系统、前桥、发动机、离合器、变速器、传动系统、前桥、驱动桥、前后悬架系统、车身车架、转向系统、压力及驱动桥、前后悬架系统、车身车架、转向系统、压力及容器系统等，又可以分为若干子
5、系统和零部件。容器系统等，又可以分为若干子系统和零部件。2.1 总成、零件、结构、载荷总成、零件、结构、载荷n零件零件齿轮类、轴杆类、弹簧类、轴承类、壳体类、支架类、齿轮类、轴杆类、弹簧类、轴承类、壳体类、支架类、紧固件类、油气管路、垫片类、轮带类、其它等；紧固件类、油气管路、垫片类、轮带类、其它等；n结构结构弯曲梁（悬臂、简支梁）、扭转杆、拉压杆、组合状态弯曲梁（悬臂、简支梁）、扭转杆、拉压杆、组合状态等；等；n配合配合间隙或过盈配合、锁紧及摩擦配合、定位性配合、啮合间隙或过盈配合、锁紧及摩擦配合、定位性配合、啮合性配合、支撑和约束等；性配合、支撑和约束等；n结构特性结构特性刚性件、弹性件、
6、柔性件、吸能件、平衡性件等；刚性件、弹性件、柔性件、吸能件、平衡性件等；n载荷特性载荷特性脉动载荷、冲击或多冲载荷、振动、约束、动平脉动载荷、冲击或多冲载荷、振动、约束、动平衡载荷、热应力件、耐腐蚀件等。衡载荷、热应力件、耐腐蚀件等。2.2 零部件失效特性n失效的批量性失效的批量性 与汽车的大规模生产方式有关，也与材料工艺的不稳定和异常的使用工况有关；n失效形式的多样性失效形式的多样性 汽车是一个结构和功能相对复杂的行走机械，零件零部件的结构和工艺种类繁多、工况和载荷形式不尽相同，带来的多样性；n失效的阶段性失效的阶段性 这与设计、材料、工艺制造 水平等因素有关。2.3 失效分析要点n鉴于“灰
7、色系统”的原理，对于各种失效和问题的认知是一个持续、不断变换和深入的过程。对于实际的问题认知具有阶段性。是一个不断地积累、归纳和理性认识地过程。n掌握理论，尊重实际，符合逻辑，失效是一个思维过程。要能够自我否定，不要盲目追求“结果”，承认总会有一些说不清的问题。n认识需要实践验证，宗旨在于解决问题。要熟知和掌握标准和技术条件及其意图，熟悉零部件功能和工作条件，同时关注各种技术条件与具体失效形式的关系。2.4 2.4 可靠性原理及评价可靠性原理及评价 结构功能设计、产品质量、使用工况的关系结构功能设计、产品质量、使用工况的关系n设计的使用应力（各种指标）和强度（各种指标）技术条件；设计的使用应力
8、（各种指标）和强度（各种指标）技术条件；n关注实际的使用应力（工况）及制造质量分布的偏移和变化；关注实际的使用应力（工况）及制造质量分布的偏移和变化；n两者分布曲线相交则产生失效。两者分布曲线相交则产生失效。n目前的失效分析和认知程度、评价主要还是在定性的水平上。目前的失效分析和认知程度、评价主要还是在定性的水平上。使用应力、工况设计应力技术条件制造质量 2.5 2.5 断裂分析要素断裂分析要素n从可靠性理论中断裂的应力模型得知，应力和强度是断裂分析的两大要素，两个要素中哪一个贡献较大？最为活跃？如何地感知和评价是断裂分析中的一个焦点；n其中力学要素是断裂失效分析的第一要点。因为力学因素的变换
9、、波动、属性远比强度属性要活跃得多。例如占开裂问题绝大部分的疲劳断裂（含脆性断裂）基本上是一个力学属性的表征；n结构和配合的特性、载荷的性质和幅值、大多的内在质量缺陷、工作和运行的状态、应力状态等等，都属于力学分析的范畴。他们不仅决定了是否开裂，还总体上决定了以什么形式或在什么部位开裂。n材料内在质量要素，要在技术条件和标准的基础上和对寿命影响的能力上的角度评价，其余延迟开裂和形变开裂等关系更密切。三种开裂形式疲劳断裂的强度、应力、寿命要素分析疲劳断裂的强度、应力、寿命要素分析n疲劳寿命是有限的，但零部件早期的疲劳断裂的实际寿命一疲劳寿命是有限的，但零部件早期的疲劳断裂的实际寿命一般表现为成倍
10、或是数量级的变化和降低，这是通常考虑疲劳般表现为成倍或是数量级的变化和降低，这是通常考虑疲劳断裂分析的一个基点；断裂分析的一个基点；n对于疲劳强度和疲劳应力均可以产生不同原因和幅度上的波对于疲劳强度和疲劳应力均可以产生不同原因和幅度上的波动；两者相交时产生疲劳断裂，各自的贡献度如何及如何评动；两者相交时产生疲劳断裂，各自的贡献度如何及如何评价是我们断裂分析的关注点；价是我们断裂分析的关注点；n这些看法具有阶段性，适应于目前机械工业的国情，包括设这些看法具有阶段性，适应于目前机械工业的国情，包括设计、制造和使用等各方面的状态。计、制造和使用等各方面的状态。汽车零件类型、强度的基本状况及波动幅度汽
11、车零件强度和疲劳强度（）的实际波动状况（经验）是：跨过汽车零件强度和疲劳强度（）的实际波动状况（经验）是：跨过一个强度级别，强度的波动应该一个强度级别，强度的波动应该10%左右。左右。某渗碳钢多阶疲劳强度比值某渗碳钢多阶疲劳强度比值 疲劳寿命的强度疲劳寿命的强度“阶比阶比”系数为：系数为：1.36 零部件的强度零部件的强度“级比级比”系数：系数：1.10 材料或零部件疲劳寿命每降低一个数量级，需要工作应力提高1.36 倍，或者材料强度降低25%倍。以降低一个疲劳寿命“阶”为条件，材料强度降低25%，零部件的疲劳强度可能需要降低23个强度级别这在实际上是很少见到的，但应力的成倍提高是很容易达到的
12、。注：注：本分析尽供定性的参考，旨在说明应力的波动将更活跃，在疲劳断裂分析中应该引起更多的关注。3 断裂分析n开裂和断裂失效占汽车零部件失效的绝大部分；n主要的类型包括有:疲劳断裂、延迟断裂、脆性断裂、工艺裂纹等；疲劳断裂n断口分析是疲劳分析的重要环节，包括结构、应力分布场、载荷形式、异常工况、应力的大小等因素特征都会有所体现；n也要关注断口或失效性质性质的转化及相关的条件。疲劳断口形态疲劳断口形态3.1 疲劳断裂案例1、车轮的腐蚀疲劳开裂车轮的腐蚀疲劳开裂n过程：充气凝结水、腐蚀坑、应力集中、疲劳开裂；n结构：工作中车轮失圆，槽型结构在椭圆的短轴方向张口，包括轮胎的外张力。在槽根部结构处有应
13、变集中趋势，产生弯曲疲劳开裂。n关注防腐的工艺质量，这是原因。疲劳断裂案例案例2、变速器输入轴套管旋转弯曲疲劳断裂、变速器输入轴套管旋转弯曲疲劳断裂n离合器分离轴承与输入轴套管的同心定位有问题，使其承受了旋转弯曲应力，也称作附加弯矩；n要重点观察分析套管表面的接触摩擦痕迹；n同时产生的失圆现象还引发了管口的失圆疲劳裂纹。疲劳断裂案例案例3、半轴圆角旋转弯曲疲劳开裂、半轴圆角旋转弯曲疲劳开裂n法兰盘承受的旋转弯曲应力应该与轮毂轴承间隙过大有关，也有考虑变形等因素影响了桥壳和轮毂的垂直度的；n关注约束的丧失对相关件的受力形式的影响。疲劳断裂案例案例4、后桥壳弯曲疲劳开裂、后桥壳弯曲疲劳开裂n局部焊
14、接支架垫块，堆焊过于靠近底平面而引起应力集中，引发疲劳裂纹。危险的部位的焊接要谨慎，考虑离开危险截面，减小应力集中因素。疲劳断裂案例案例5、后桥壳疲劳开裂、后桥壳疲劳开裂n焊接桥壳的三角区拉应力疲劳开裂；n原因是内部焊接未焊透，强度不足和应力集中引起该部位疲劳开裂；n关注减壳口处的弹性变形和三角区的变形及应力场；过渡圆R处承受着弯曲和拉直的两种载荷的正应力，拉直应力受到了三角板的约束。n关注疲劳开裂部位和形式以及开裂性质的转化。疲劳断裂案例案例6、后桥壳后盖疲劳开裂、后桥壳后盖疲劳开裂n桥壳后盖疲劳开裂，后转为桥壳弯曲疲劳开裂；n桥壳的后盖有三种，螺栓连接的、焊接的和铸造一体的，具有一定的刚性
15、，均需要有效连接，以支撑和协调桥壳的刚性。均可以在连接部位发生各种开裂问题；n本案是该部位较为薄弱，加上后盖的弯曲结构而局部弯曲疲劳开裂，裂纹扩展后转为桥壳的弯曲疲劳。疲劳断裂案例案例7、前轴疲劳开裂、前轴疲劳开裂n裂纹产生与打磨痕迹产生的应力集中有关；n一是关注打磨的方向，再有是打磨面的处理；n抛磨后会提高寿命一倍以上。n另外关注贝纹线的产生条件。贝壳纹形成机理疲劳断裂案例案例10、钢板弹簧中心孔疲劳开裂、钢板弹簧中心孔疲劳开裂n关注约束的有效性；n断裂力学要素：简支梁弯矩最大部位、应力集中、应变集中。n同时也应考虑少片簧平直段的刚性。疲劳断裂案例案例11、钢板弹簧压板边缘处疲劳断裂、钢板弹
16、簧压板边缘处疲劳断裂n关注局部异常的表面异常硬化会增加疲劳裂纹萌生的敏感性。n考虑异常的擦伤、表面挤压磕碰伤与表面强力喷丸有什么差别或作用。疲劳断裂案例案例12、板簧前卷耳疲劳开裂、板簧前卷耳疲劳开裂n关注冲击载荷的作用，关注车辆的动力和制动性能，道路情况；n关注对失效认识的不断深化和阶段性。疲劳断裂案例案例13、钢板弹簧盖板疲劳开裂、钢板弹簧盖板疲劳开裂n少片簧的中间段刚性不足，如果与板簧中心孔断裂有关则应该有异常接触印记；n弯曲在前，实际的失效形式应该是弯曲，要点是弯曲的连续性，交通肇事的弯曲脆断中会有断裂件弯曲的一类问题。疲劳断裂案例案例14、减震器支架疲劳断裂、减震器支架疲劳断裂n关注
17、减震器的作用和冲击载荷性质；。n铸铁支架作为一个类型，大多承受冲击载荷的作用。n铸铁的疲劳断口比较难分析。疲劳断裂案例15、传动轴支架疲劳断裂n关注传动轴不平衡造成的振动应力。疲劳断裂案例案例16、斜齿轮轮齿弯曲疲劳、斜齿轮轮齿弯曲疲劳n关注接触区的偏移，齿向问题，会使得局部工作应力大幅度提高；n影响因素包括热处理变形、轴的刚度和变形、轴承间隙的调整等。疲劳断裂案例案例17、中间轴齿轮疲劳开裂、中间轴齿轮疲劳开裂 变速箱缺油或同步器烧蚀，引起齿轮灼烧并疲劳打齿；关注短悬臂梁的裂纹扩展方向问题。疲劳断裂案例18、制动盘、制动鼓热疲劳开裂n关注热应力的产生条件、大小。全约束条件下加热到500时热膨
18、胀压应力可以达到700兆帕以上。n关注结构的约束，关注材料的性质（灰铁、球铁、蠕铁、合金铸铁）。n热疲劳的典型零件还有离合器压盘、汽缸盖和排气歧管、涡轮增压器壳等。疲劳断裂案例案例19、微动磨损引起的疲劳开裂、微动磨损引起的疲劳开裂n由于载荷过大、刚性不足、装卡方式等原因引发局部产生微动磨损现象，导致疲劳开裂。这类问题在轴孔配合结构中最多体现。疲劳断裂案例案例20、某连杆销孔疲劳开裂、某连杆销孔疲劳开裂n在挤压载荷作用下的疲劳开裂；n表现出了对油孔边缘处应力集中的敏感性。疲劳断裂案例案例22、剪切应力疲劳开裂、剪切应力疲劳开裂n半轴、钢板弹簧等零件，产生在高强韧性的零件中；n属于应变疲劳的性质
19、，也称为高应力低周疲劳；n扭转的应力状态更有利于这种失效形式的产生。3.2 延迟开裂延迟开裂5.1 延迟开裂（第二类氢脆）三大因素：氢、组织（硬度）、应力。延迟开裂定义，也称静疲劳。“链接”5.2 氢制开裂是成型的机理，有广泛和成功的应用。5.3 组织的敏感性问题应引起高度的重视。首先是标准的理解问题，“链接”关注的要素：关注的要素：最低回火温度；最低含碳量；最低合金量；淬火马氏体的含量；再回火试验。核心问题：核心问题：充分回火的问题，组织敏感性的问题，第一要素。5.4 关于低温蠕变机理，关于氢的因素。关于低温蠕变机理，关于氢的因素。5.5 关于结构件的的延迟开裂的范畴：关于结构件的的延迟开裂
20、的范畴：高强度螺栓、弹簧及弹性件、齿轮及感应淬火件、淬火裂纹、高强度螺栓、弹簧及弹性件、齿轮及感应淬火件、淬火裂纹、磨削裂纹等。磨削裂纹等。5.5 确认的方法：正应力的存在、延迟性的表现、沿晶或沿晶倾向确认的方法：正应力的存在、延迟性的表现、沿晶或沿晶倾向的微观断口、硬度和金相检验、再回火试验。的微观断口、硬度和金相检验、再回火试验。5.6 关于应力问题：关于应力问题：恒定（持续）性正应力的存在，包括内在和外在的两种。恒定（持续）性正应力的存在，包括内在和外在的两种。应力场的属性分析，包括来源和分布。应力场的属性分析，包括来源和分布。5.7 问题的解决方案问题的解决方案 充分淬火和回火方案、技
21、术条件的合理化；充分淬火和回火方案、技术条件的合理化；降低和改变应力分布和幅度方案；降低和改变应力分布和幅度方案；控控“氢氢”方案。方案。5.8 以以380400再回火温度的充分回火状态，作为划定回火马氏再回火温度的充分回火状态，作为划定回火马氏体和回火屈氏体的界限，回火屈氏体原则上没有延迟开裂的组织体和回火屈氏体的界限，回火屈氏体原则上没有延迟开裂的组织敏感性。敏感性。3.3 脆性断裂n零件的脆性断裂也较为常见，材料的性质是重要的条件之一，但实际情况中硬性应力状态更重要，即指双向拉应力状态。该应力状态限制了材料的塑性变形条件而产生脆性断裂。n脆性断裂不等于材料脆性，应力状态（平面应变）脆性断
22、裂不等于材料脆性，应力状态（平面应变）的影响更大。的影响更大。脆性断裂断口脆性断裂案例案例1、差速器十字轴和半轴行星轮的脆性断裂、差速器十字轴和半轴行星轮的脆性断裂n与巨大的冲击作用有关，多倾向于产生在重载倒车的过程中。n关注脆断断口终断区的转弯形态，关注动态应力场的变化。脆性断裂案例案例2、半轴脆性开裂、半轴脆性开裂n在静扭和疲劳断裂中均有发生，表现出各种形态的断口。是一个系统内能量蓄积、转换和释放的过程；n脆性断口（碎裂）可以理解裂纹扩展速度，与弹性变形的速度相当。脆性断裂案例案例3、横拉杆接头弯曲脆性断裂、横拉杆接头弯曲脆性断裂n密封失效导致润滑失效，工作中回转阻力过大，引起弯曲并脆性断
23、裂。脆性断裂案例案例4、轴承盖板装配开裂、轴承盖板装配开裂n结构问题，螺栓孔长而薄；n装配问题，注意装配顺序；n密封垫的的问题，刚性小。脆性断裂案例案例5 剪切下料中的弯曲脆断剪切下料中的弯曲脆断n下料模具间隙调整的不合理，压料不稳定，局部承受了过大的弯矩，首先产生弯曲变形（含端头失圆的变形），然后是开裂。n开裂纹方向的应力场分析，断口与应力场n拉压、弯曲、扭转、剪切是结构的几种基本力学状态；拉压、弯曲、扭转、剪切是结构的几种基本力学状态；n弯矩、扭矩、剪矩是材料力学中的三个结构应力分布基本模型；弯矩、扭矩、剪矩是材料力学中的三个结构应力分布基本模型；n、是是两种基本应力，三个应力分布的应力矢
24、量叠加决定了主应两种基本应力，三个应力分布的应力矢量叠加决定了主应力的分布情况；力的分布情况；n叠加后应力矢量和裂纹扩展过程中应力场的动态变化影响着裂纹的叠加后应力矢量和裂纹扩展过程中应力场的动态变化影响着裂纹的走向。走向。、脆性断裂案例案例6、转向螺杆和主销脆性断裂、转向螺杆和主销脆性断裂n车辆及相关的部位受到了严重的冲击，通过机械动作传递载荷，在适当的条件下和部位产生断裂；n是一个能量释放和转换过程，不同的机械状态，开裂的零件和部位不一样。要求我们系统地考虑问题。扭矩为主弯、剪结合弯矩为主脆性断裂案例案例7、轴杆类零件矫直断裂、轴杆类零件矫直断裂关注矫直工艺过程，矫直形变过大。脆性断裂案例
25、案例8、飞轮齿圈脆性断裂、飞轮齿圈脆性断裂n起车试验5、6个循环发生脆断，发生在在焊口处；n裂纹源在心部，菊花状断口，表达对焊接变形组织的敏感性；n装配张应力、工作冲击载荷；n淬火层过深的问题，焊接后回火的问题；n延迟开裂的可能性，冲击载荷的作用，性能有问题。脆性断裂案例案例9、半轴杆部螺旋裂纹、半轴杆部螺旋裂纹n从断裂韧性的理论解释，图中给出了40CrNiMo钢的断裂韧性（K1c）和经淬火、回火热处理成不同屈服强度后的相互关系。n从图得知随硬度的升高，材料的断裂韧性大幅度下降，即硬化层内的组织断裂韧性极低，裂纹会优先扩展。n实际上可以理解为裂纹扩展所需要的能量的差异问题和弹性变性能的多少，能
26、量的分布，裂纹扩展速率等 问题。n均发生在层深较大的半轴上。韧性断裂案例案例10 弧形剪切开裂弧形剪切开裂n发生在高能量冲击的情况下，结构是短悬臂梁，韧性良好的基体组织。n弯矩和剪矩两个剪应力矢量和构成的弧形最大剪应力场，产生弧形韧性剪切开裂。yyx4、小结（几个考虑问题的基点）n汽车失效技术的基本技术状况汽车失效技术的基本技术状况n汽车是数量最大的行走机械，涉及的面最广，具有社会性，汽车零部件的失效分析技术也是失效行业中最具有社会化的技术之一。n国内汽车制造产的技术水平，包括产品开发、工艺技术、管理、供应商等，在过去20年里以及目前的水平，处在从无到有的改进和上升阶段，是暴露问题和对问题认识
27、和提高阶段；n汽车零部件的失效分析技术也处在发展过程中，总体讲是处在认识的积累和定性分析的阶段；n目前的失效问题最大的对产品技术的认识不足、制造质量及一致性不良、不满足使用工况等方面，这包括零件和总成及整车。n定量的失效分析需要材料、零件、总成等制造有良好的一致性；材料性能、道路载荷谱、零件设计条件三者统一的技术；同时能够进行系统的试验。n一句话要能够达到失效的“一致性”，这样的问题好分析或“解决”。任何的不一致性都有可能具有相关性，影响因素太多且复杂。小结（几个考虑问题的基点）n失效分析的要点和思路失效分析的要点和思路n失效分析的“目的”是要认清和解决问题，不是要追求得出什么“结论”，没有分
28、析结果的不要勉强。n失效分析具有“阶段性”，需要不断地认识，需要时间，需要客观条件的不断收集和比对，会有许多问题说不清楚，但应该明确或深知“还不明白或说不清的问题”，而且注意积累。n认识问题的过程中应该能够“自我否定”。n理解和灵活地应用可靠性理论中的“应力强度”模型，深入地考虑各种零部件及系统的内在和外在技术条件、上下限要求与具体的失效形式之间的关联性。n要注意归纳和系统地认识问题，抓主要矛盾，把复杂的问题简单化。小结（几个考虑问题的基点）n失效分析的要点和思路失效分析的要点和思路n失效形式的认知是第一位的，断裂的各种失效形式和力学因素（包括结构、配合、载荷等）关系密切（也含材料），但一般讲材料因素能够影响到开裂性质发生变化的是很具体的；n结构、应力分布、断口是第一教材，所谓“分析”就是一个观察、鉴别、比较、评价的过程；n关注不同的失效形式的差异和影响因素，在众多的失效形式中逐步地理解“失效形式的预期”的概念；n要和相关技术人员多交流，逐步熟悉汽车结构和工作原理及使用工况；n失效报告中的编写，注意图片的表达问题，要从“结论”开始写，要注意结论的编写，要弄清出报告的对象。2009、10谢谢