汽車金屬材料疲勞失效與延壽研究

江冬梅

摘 要：疲勞斷裂是汽車零部件失效破壞的主要模式。20世紀(jì)80年代美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局進(jìn)行斷裂造成損失的綜合調(diào)研，1983年《國(guó)際斷裂》雜志發(fā)表該調(diào)查委員會(huì)給國(guó)會(huì)報(bào)告，當(dāng)年美國(guó)一年斷裂損失1190億美元，占1982年國(guó)家生產(chǎn)總值4%，而斷裂損失最嚴(yán)重行業(yè)是汽車業(yè)，每年125億美元。故向工程技術(shù)人員普及斷裂和疲勞基本概念和知識(shí)可減少損失29%，應(yīng)用現(xiàn)有成果，可再減少24%。汽車中有大量承受多次循環(huán)應(yīng)力零件，疲勞破壞是汽車許多結(jié)構(gòu)件失效基本模式。研究汽車材料和零件疲勞，須理解疲勞特點(diǎn)，提出材料和零件延壽方法和措施，提升材料與零件壽命及安全，減少損失。

關(guān)鍵詞：汽車金屬；疲勞失效；延壽

導(dǎo)入：金屬材料是汽車用材主體，金屬材料重量占全車65%-80%，故選用金屬材料疲勞失效與延壽問題至關(guān)重要。碳鋼占汽車用材總量的3/4左右?；推骱妄X輪用鑄鋼，合金鋼在保險(xiǎn)杠，氣門和氣門彈簧中應(yīng)用；飛輪，汽缸蓋用灰鑄鐵制造；球墨鑄鐵用作曲軸；汽車中常見的齒輪材料須具高疲勞強(qiáng)度，尤其是彎曲疲勞；齒心應(yīng)有足夠沖擊韌度以防齒輪受沖擊過載斷裂。故疲勞失效和延壽研究意義重大。

一、疲勞及汽車金屬材料疲勞分類

（1）疲勞：美國(guó)試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)（ASTM）對(duì)疲勞下定義“在某點(diǎn)或某些點(diǎn)受到擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多循環(huán)擾動(dòng)作用后形成裂紋或完全斷裂材料中所發(fā)生的局部，永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程”；ISO1964年對(duì)疲勞所做的定義“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化”，各種經(jīng)典文獻(xiàn)對(duì)疲勞定義表達(dá)上有所差異，但本質(zhì)基本相同，有交變拉應(yīng)力；由疲勞引起的失效稱為疲勞失效或疲勞斷裂。金屬疲勞失效經(jīng)歷裂紋萌生，擴(kuò)展和聚合導(dǎo)致材料或構(gòu)件失效或斷裂的過程。

（2）①高周疲勞，承受循環(huán)應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服應(yīng)力，加載頻率較高，斷裂時(shí)疲勞壽命都高于105②低周疲勞 循環(huán)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，加載頻率低，斷裂壽命低于105③腐蝕疲勞 沿海地區(qū)的鹽霧氣候，冬季除雪后的汽車使用環(huán)境，化工機(jī)械零件的工作環(huán)境都可能發(fā)生④微振疲勞，吊橋的鋼纜，汽車越野車中的牽引鋼纜受微振疲勞，疲勞和磨損交互作用，⑤熱疲勞，外部溫度漲落使零件內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變引起熱疲勞⑥接觸疲勞，材料和零件表面受法向和切向載荷重復(fù)作用產(chǎn)生，常見于汽車傳動(dòng)齒輪，軸承。

⑶高周疲勞試驗(yàn)及P-S-N曲線

疲勞壽命是指在一定應(yīng)力幅或加載模式下，材料和零件承受疲勞應(yīng)力或疲勞載荷的循環(huán)次數(shù)；疲勞極限是指在規(guī)定的疲勞循環(huán)次數(shù)下，材料所能承受的最大應(yīng)力。通常如果材料和零件承受擾動(dòng)應(yīng)力或擾動(dòng)載荷的次數(shù)大于107次而不發(fā)生破壞，材料和零件永遠(yuǎn)不發(fā)生疲勞破壞。近年隨冶金質(zhì)量提升和材料性能改進(jìn)，疲勞極限有很大提升，但也發(fā)現(xiàn)材料疲勞極限高于107次仍有下降可能，故疲勞極限概念在拓展。高周疲勞一種表征方法是P-S-N曲線，即概率-試驗(yàn)應(yīng)力-疲勞次數(shù)曲線，考慮疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計(jì)分布特性。不同材料的P-S-N曲線有明顯不同，有的有拐點(diǎn)，有的沒有明顯拐點(diǎn)，有拐點(diǎn)材料拐點(diǎn)后循環(huán)次數(shù)增加循環(huán)應(yīng)力幅幾乎沒變，定義此時(shí)應(yīng)力為疲勞極限；而無(wú)拐點(diǎn)材料疲勞極限只能用一定循環(huán)周次后所對(duì)應(yīng)應(yīng)力值確定，隨循環(huán)次數(shù)增加，此類材料疲勞極限仍會(huì)降低，測(cè)定這類曲線方法通常用成組法，即在每一個(gè)應(yīng)力下，進(jìn)行多個(gè)試樣試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)必須是已達(dá)到符合概率統(tǒng)計(jì)要求為原則，因此完成一個(gè)P-S-N曲線測(cè)試往往需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，然后根據(jù)每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，才能繪制出P-S-N曲線。有時(shí)用升降法進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取接近疲勞極限的應(yīng)力，在此水平下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，如果達(dá)到107次仍不發(fā)生斷裂就停止試驗(yàn)，下一個(gè)試樣就提高應(yīng)力，當(dāng)疲勞次數(shù)小于107時(shí)，下一個(gè)試樣根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取低于這個(gè)應(yīng)力值再進(jìn)行試驗(yàn)，直到在某個(gè)應(yīng)力下，疲勞次數(shù)接近或等于107次為止，依升降法試驗(yàn)結(jié)果再用概率統(tǒng)計(jì)方法處理，求出大于等于107次所對(duì)應(yīng)應(yīng)力值，即所需疲勞極限。為滿足零件疲勞設(shè)計(jì)和疲勞失效分析需求，需要提供不同平均應(yīng)力條件下的S-N曲線，再繪制疲勞壽命圖，繪制這種圖工作量非常大，且較麻煩。目前還查不到各種材料疲勞壽命圖，好在Goodman已經(jīng)總結(jié)平均應(yīng)力疲勞強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度之間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系bσa/σN+σm/σb=1，稱為Goodman線性方程，此方程可測(cè)一定循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度。

二、提高疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)汽車金屬材料壽命

交變載荷下工作的汽車金屬材料和零件，服役壽命很大程度取決于疲勞強(qiáng)度，而疲勞強(qiáng)度主要取決于三個(gè)環(huán)節(jié)：疲勞設(shè)計(jì)，零件設(shè)計(jì)和制造工藝。通過對(duì)零件失效的分析，得出疲勞失效原因，采取改進(jìn)措施，使機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理，選材恰當(dāng)，制造工藝先進(jìn)，使汽車零件具有較高疲勞強(qiáng)度和服役壽命。

⑴疲勞設(shè)計(jì)和零件選材：.影響程度最大是結(jié)構(gòu)布局引起的應(yīng)力集中，故在零件疲勞設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮，盡量采用合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以降低零件危險(xiǎn)截面部位應(yīng)力集中。通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使零件某些部位應(yīng)力集中得到緩解，疲勞破壞抗力得以提高，對(duì)于齒輪，油泵等零件要求具備接觸疲勞性能；傳動(dòng)軸，彈性軸，彈簧，連桿等受力受力不高但壽命長(zhǎng)零件，要求具備一定高周疲勞性能。

⑵制造工藝，通用零件如齒輪，彈簧，緊固件，各類傳動(dòng)軸，內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工工藝（冷加工和熱加工）尤其表面處理工藝是決定疲勞強(qiáng)度的重要環(huán)節(jié)。疲勞破壞始于表面，表面完整性決定性影響疲勞強(qiáng)度，故采用表面化學(xué)熱處理（滲碳滲氮碳氮共滲），表面淬火，表面形變強(qiáng)化（噴丸滾壓錘擊）表面拋光表面激光處理，改變表面殘余應(yīng)力狀態(tài)組織機(jī)構(gòu)粗糙度而提高疲勞強(qiáng)度。

經(jīng)分析確認(rèn)零件屬于某種類型疲勞失效后，為避免同類事件重復(fù)發(fā)生，須采取有效措施，查明疲勞失效原因：結(jié)構(gòu)制作工藝設(shè)計(jì)（應(yīng)力集中，循環(huán)載荷水平，尺寸）零件材質(zhì)（化學(xué)成分，組織機(jī)構(gòu)，力學(xué)性能）制造工藝（表面完整性，裝配，強(qiáng)化工藝）以及零件使用和服役的歷史。疲勞失效原因分析是一種系統(tǒng)工程，多學(xué)科的結(jié)合。具體分析路徑：得到失效零件后，首先對(duì)零件的設(shè)計(jì)因素，冶金工藝，加工制造工藝，使用因素進(jìn)行調(diào)研，同時(shí)對(duì)失效零件進(jìn)行系統(tǒng)分析檢驗(yàn)，包括零件力學(xué)性能，宏觀組織，微觀組織，判斷熱處理工藝有無(wú)缺陷，根據(jù)所測(cè)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，判斷材料零件可否滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)斷口情況，如起裂區(qū)位置和周圍組織判斷是否滿足使用環(huán)境要求，根據(jù)擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)組織判斷整個(gè)零件疲勞過程和疲勞應(yīng)力失效模式是否正常。斷口分析是上述諸多疲勞失效因素的綜合反映和旁證。

參考文獻(xiàn)

[1]馬鳴圖 《汽車材料和典型零件失效分析與延壽》化學(xué)工業(yè)出版社

[2]徐榮政《汽車機(jī)械基礎(chǔ)》吉林大學(xué)出版社