青岛理工大学教案课程名称：汽车维修工程授课教师宋年秀所在单位汽车与交通学院课程类别课堂理论教学授课时间2011～2012学年1学期第3周周四第3,4节，2学时授课内容第二章汽车零部件的失效理论授课对象交运081,交运082，选课68人教学内容提要预计时间分配及备注引言：本门课将要讲授的主要内容和目标、本章节内容概述、课程考核方式、考核时间、参考书目及文献介绍10分钟授课内容：本课程学习目的本书为汽车服务工程、交通运输和车辆工程等汽车类专业的规划教材，还可供从事汽车运输、物流、维修、服务的工程技术人员及管理人员学习和参考。

本章学习目的了解汽车零件失效类型和原因，熟悉磨损失效的形式和机理，掌握汽车零件磨损的原因和磨损规律；了解汽车零件的疲劳断裂失效和汽车零件的腐蚀失效，熟悉汽车零件的变形失效形式和机理；掌握失效模式影响及危害性分析和故障树分析的方法。

第三节汽车零件的疲劳断裂失效零件在交变应力作用下，经过较长时间工作而发生的断裂现象，称为疲劳断裂。

疲劳断裂是汽车零件中常见的失效形式之一，也是危害性最大的一种失效形式。

其特点为：（1）疲劳条件下的破断应力低于材料的抗拉强度bσ，而且低于屈服强度sσ。

（2）无论塑性材料或是脆性材料做成的零件，在交变应力的作用下，一般都在疲劳裂纹扩展到一定程度后发生突然破坏，而且疲劳断裂过程在宏观形貌上没有留下明显的塑性变形。

20分钟教学内容提要时间分配及备注（3）疲劳破坏的宏观断口有其独特的形貌，典型的宏观疲劳断口分为三个区域：疲劳源（或称为疲劳核心）、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。

一、疲劳断裂失效的分类疲劳断裂失效的分类如下表2-7所示。

表2-7疲劳断裂失效的分类列表按断裂性质塑性、脆性、塑-脆性，塑性又分为纤维状断口与剪切断口按断裂路径沿晶、穿晶、混晶按断裂机理解理、韧窝、准解理、滑移分离、疲劳、环境、蠕变、沿晶按应力状态静载、动载，静载分为拉伸、剪切和扭转断裂；动载分为冲击和疲劳断裂按断裂环境低温、室温、高温、腐蚀、氢脆而根据零件的特点及破坏时总的应力循环次数，疲劳失效可按图2-4所示分类。

对于不同类型的疲劳失效，其分析方法是不同的。

图2-4疲劳断裂失效的分类高周疲劳发生时，应力在屈服强度以下，零件的寿命主要由裂纹的形核寿命控制。

低周疲劳发生时的应力可高于屈服强度，其寿命受裂纹扩展寿命的影响较大。

汽车零件一般多为低应力高周疲劳断裂。

一、疲劳断裂失效机理金属零件疲劳断裂实质上是一个累积损伤过程，大体上可划分为滑移、裂纹成核、微裂纹扩展、宏观裂纹扩展、最终断裂几个过程。

1．疲劳裂纹的萌生在交变载荷下，金属零件表面产生的不均匀滑移是产生疲劳裂纹核心的策源地，金属内的非金属夹杂物和应力集中等也可能是产生疲劳裂纹核心的10分钟教学内容提要时间分配及备注在一定应力循环后，在应力硬化区内由于应力的增加出现局部损伤累积以及空穴集聚，这样在各晶粒内局部地区出现一个或几个分布不均匀的相对滑移线，且随着疲劳的加剧，原有滑移线的滑移量加大，新出现的滑移线也往往挨着原有的滑移线而共同组成滑移带。

滑移带随着疲劳的加剧而逐步加宽加深，在表面出现挤出带和挤入槽，如图2-5所示。

这种挤入槽就是疲劳裂纹策源地。

另外，金属的晶界及非金属夹杂物等处以及零件应力集中的部位（台阶、尖角、键槽等）均会产生不均匀滑移，最后也形成疲劳裂纹核心。

图2-5延性金属中由外载荷作用造成的滑移2．疲劳裂纹的扩展在没有应力集中的情况下，疲劳裂纹的扩展可分为沿晶和穿晶两个阶段。

在交变应力的作用下，裂纹从金属材料表面上的滑移带、挤入槽或非金属夹杂物等处开始，沿着最大切应力方向（一般和主应力方向成40º角的方向）的晶面向内扩展，这是裂纹扩展的第一阶段。

在这一阶段，裂纹的扩展速率很慢。

裂纹按第一阶段方式扩展一定距离后，将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展，这是疲劳裂纹扩展的第二阶段，如图2-6所示。

这一阶段裂纹扩展途径是穿晶的，扩展速率较快。

如在有应力集中的情况下，则不出现第一阶段，而直接进入第二阶段。

裂纹成核后的扩展过程主要包括微观和宏观两个裂纹扩展阶段。

因此，整个疲劳过程是：滑移—微观裂纹产生—微观裂纹连接—宏观裂纹扩展—断裂失效。

10分钟教学内容提要时间分配及备注图2-6疲劳裂纹扩展的两个阶段Ⅰ-第一阶段扩展；Ⅱ-第二阶段扩展；Ⅲ-最终断裂三、疲劳断口宏观形貌特征典型的宏观疲劳断口一般分为三个区域：疲劳源区或称疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图2-7所示。

这一特点在本节的开始部分就已提到，下面将其详细的介绍一下。

图2-7疲劳裂纹的宏观断口示意图1-前沿线；2-裂纹策源地；3-裂纹扩展区；4-最后断裂区１．疲劳源区疲劳源是疲劳破坏的起始点，一般位于零件表面，但如果内部存在严重缺陷时，也可能发生在零件内部。

疲劳源区的断面由于疲劳裂纹扩展缓慢及裂纹反复张开与闭合效应而磨损严重，且有光亮和细“晶粒”的表面结构。

疲劳源的数目可以不止一个，尤其是零件过负荷疲劳时，其应力幅度较大，此时断口上常会出现几个不同位置的疲劳源。

在断口表面同时存在几个疲劳源的情况下，可按疲劳线的密度来确定疲劳源产生的次序：疲劳线的密度越大，表示起源的时间越早。

10分钟教学内容提要时间分配及备注２．疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域。

此区域也较光亮、平滑，存在一些以疲劳源为中心，与裂纹方向相垂直的呈半圆形或扇面形的弧形线，称为疲劳弧线（由于外加载荷的改变或附近裂纹、材料缺陷、残余应力影响而发生的应力再分配，引起疲劳裂纹前沿区域局部地区的应力大小及状态的改变，从而使疲劳裂纹扩展速度及方向均发生变化，在断面上留下塑性变形的痕迹）。

疲劳弧线是金属疲劳断口宏观形貌的基本特征。

裂纹扩展区对衡量材料的性能很重要，这个区域大，表示材料的临界裂纹尺寸大，能较好地抵抗裂纹的扩展，即具有足够的断裂韧性。

有些金属零件在交变应力的作用下发生断裂失效，宏观断口观察不到疲劳弧线，则是由于断口表面多次反复压缩而摩擦，使该区域变得很光滑，呈细晶状的缘故。

在低周疲劳断口上一般观察不到疲劳弧线。

３．瞬时断裂区当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，剩余截面上的真实应力超过材料强度，零件发生瞬时断裂的区域为瞬时断裂区。

它的特征与静载荷下的快速破坏区相似，会出现放射区和剪切唇。

脆性材料的断口呈粗糙的“晶粒”状结构或呈放射线式；塑性材料的断口具有纤维状结构，在零件表面有剪切唇。

疲劳扩展区与瞬时断裂区所占面积的大小与材料的性质及所受的应力水平有关。

通常高强度材料塑性差，承受应力水平高，疲劳裂纹稍有扩展即导致过载静断，所以它的疲劳扩展区小，而瞬时断裂区大。

塑性材料承受应力水平低时，即使疲劳裂纹有较大扩展，其剩余截面上的应力仍不高，不会立即断裂，瞬时断裂区所占比例就小。

因此，可根据疲劳断口上两个区域所占比例，估计所受应力及应力集中程度的大小。

疲劳断裂因载荷类型不同，其断口形态也不一样，如在双向交变扭转应力作用下，断口多呈锯齿状。

这是因为轴在双向交变扭转应力作用下，轴颈尖角处将产生很多疲劳源。

这些裂纹将同时向与轴线呈40º交角的方向扩展，因为这个方向是最大拉应力方向，最后这些裂纹相交时，便形成锯齿状。

载荷的类型、应力集中和名义应力的大小对疲劳断口宏观形态的影响见表2-8。

10分钟教学内容提要时间分配及备注表2-8各种类型疲劳断口宏观特征载荷类型低名义应力高名义应力小应力集中.大应力集中小应力集中.大应力集中拉伸或单向弯曲双向弯曲旋转弯曲四、提高汽车零件抗疲劳断裂的方法提高金属零件疲劳抗力的基本途径有延缓疲劳裂纹萌生时间、降低疲劳裂纹扩展的速率和提高疲劳裂纹门槛值。

１．延缓疲劳裂纹萌生时间其方法有强化金属合金表面，控制表面的不均匀滑移（如表面滚压、喷丸以及表面热处理等）。

细化材料晶粒可提高疲劳强度极限；采用热处理方法使晶界呈锯齿状或使晶粒定向排列并与受力方向垂直，以防止晶界成为疲劳裂纹扩展的通道。

另外，提高金属材料的纯洁度，减小夹杂物尺寸以及提高零件表面完整性设计水平，尽量避免应力集中的现象等，都是抑制或推迟疲劳裂纹产生的有效途径。

２．降低疲劳裂纹扩展的速率其主要方法有：止裂孔法、扩孔清除法、刮磨修理法。

止裂孔法是在裂纹扩展前沿钻孔，以阻止裂纹继续扩展；扩孔清除法是在不影响强度的前提下，采用扩孔方法加大已产生疲劳裂纹的内孔直径，将疲劳裂纹清除；刮磨修理法是用刮磨方法将零件局部表面已产生的裂纹清除。

此外，还可以在裂纹处采用局部增加有效截面或补贴金属条等降低应力水平的方法，以阻止裂纹继续产生与扩展。

10分钟教学内容提要时间分配及备注３．提高疲劳裂纹门槛值金属零件裂纹扩展的门槛值是指疲劳裂纹不扩展（稳定）的最高应力强度因子幅。

其值一般由试验直接确定。

第四节汽车零件的腐蚀失效零件受周围介质作用而引起的损坏，称为零件的腐蚀。

按腐蚀机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，汽车上约20％的零件因腐蚀而失效。

一、腐蚀失效的类型及特点金属腐蚀失效的类型是多种多样的，但是无论是哪一种腐蚀，在腐蚀的过程中，都必须有一个化学或电化学反应过程。

因此，在表面或断口上会留下腐蚀产物。

腐蚀是从表面开始向内部扩展的。

金属腐蚀后造成金属重量损失，使金属有效面积减小或使金属强度大大降低。

按金属与介质的作用性质把腐蚀失效分为：化学腐蚀和电化学腐蚀。

化学腐蚀是金属表面与介质发生化学作用引起的，特点是腐蚀过程中无电流的产生。

电化学腐蚀是两个不同的金属在一个导电溶液中形成一对电极，产生电化学反应而发生腐蚀的作用，使充当阳极的金属被腐蚀，其特点是腐蚀过程中有电流产生。

化学腐蚀又分为气体腐蚀和在非电解溶液中的腐蚀；电化学腐蚀又分为大气腐蚀、土壤腐蚀、在电解溶液中的腐蚀及熔融中的腐蚀。

按照腐蚀的破坏形式把腐蚀失效分为均匀腐蚀和局部腐蚀。

均匀腐蚀是金属的腐蚀作用均匀的发生在整个金属表面上。

局部腐蚀是金属的腐蚀作用仅局限在一定的区域内。

局部腐蚀比均匀腐蚀的危害性大很多。

均匀腐蚀的腐蚀程度是用平均腐蚀速率来表示的，其中腐蚀速率可以由重量的变化来评定，也可由腐蚀深度来表示。

局部腐蚀的腐蚀程度则应根据情况用裂纹扩展速率或材料性能降低程度来表示。

二、腐蚀失效机理1．化学腐蚀失效机理化学腐蚀是金属零件与介质直接发生化学作用而产生的腐蚀，金属在干燥空气中的氧化及金属在不导电介质中的腐蚀等，均属于化学腐蚀。

化学腐蚀过程中没有电流产生，通常在金属表面形成一层腐蚀产物膜，如铁在干燥空气中与空气中的氧作用，则：10分钟教学内容提要时间分配及备注4Fe+3O2→2Fe2O3；3Fe+2O2→Fe3O4这层膜的性质决定化学腐蚀速度，如果膜是完整的，强度、塑性都很好，膨胀系数和金属相近，膜与金属的粘着力强等，它就有保护金属、减缓腐蚀的作用。