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80年代美國國家標準局進行斷裂造成損失的綜合調研，1983年《國際斷裂》雜志發表該調查委員會給國會報告，當年美國一年斷裂損失1190億美元，占1982年國家生產總值4%，而斷裂損失最嚴重行業是汽車業，每年125億美元。故向工程技術人員普及斷裂和疲勞基本概念和知識可減少損失29%，應用現有成果，可再減少24%。汽車中有大量承受多次循環應力零件，疲勞破壞是汽車許多結構件失效基本模式。研究汽車材料和零件疲勞，須理解疲勞特點，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。

關鍵詞：汽車金屬；疲勞失效；延壽

導入：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重要。碳鋼占汽車用材總量的3/4左右。化油器和齒輪用鑄鋼，合金鋼在保險杠，氣門和氣門彈簧中應用；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度，尤其是彎曲疲勞；齒心應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：美國試驗與材料學會（ASTM）對疲勞下定義“在某點或某些點受到擾動應力，且在足夠多循環擾動作用后形成裂紋或完全斷裂材料中所發生的局部，永久結構變化的發展過程”；ISO1964年對疲勞所做的定義“金屬材料在應力或應變的反復作用下所發生的性能變化”，各種經典文獻對疲勞定義表達上有所差異，但本質基本相同，有交變拉應力；由疲勞引起的失效稱為疲勞失效或疲勞斷裂。金屬疲勞失效經歷裂紋萌生，擴展和聚合導致材料或構件失效或斷裂的過程。

（2）①高周疲勞，承受循環應力遠低于材料屈服應力，加載頻率較高，斷裂時疲勞壽命都高于105②低周疲勞 循環應力超過屈服應力，加載頻率低，斷裂壽命低于105③腐蝕疲勞 沿海地區的鹽霧氣候，冬季除雪后的汽車使用環境，化工機械零件的工作環境都可能發生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部產生循環應力或循環應變引起熱疲勞⑥接觸疲勞，材料和零件表面受法向和切向載荷重復作用產生，常見于汽車傳動齒輪，軸承。

⑶高周疲勞試驗及P-S-N曲線

疲勞壽命是指在一定應力幅或加載模式下，材料和零件承受疲勞應力或疲勞載荷的循環次數；疲勞極限是指在規定的疲勞循環次數下，材料所能承受的最大應力。通常如果材料和零件承受擾動應力或擾動載荷的次數大于107次而不發生破壞，材料和零件永遠不發生疲勞破壞。近年隨冶金質量提升和材料性能改進，疲勞極限有很大提升，但也發現材料疲勞極限高于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-試驗應力-疲勞次數曲線，考慮疲勞試驗數據的概率統計分布特性。不同材料的P-S-N曲線有明顯不同，有的有拐點，有的沒有明顯拐點，有拐點材料拐點后循環次數增加循環應力幅幾乎沒變，定義此時應力為疲勞極限；而無拐點材料疲勞極限只能用一定循環周次后所對應應力值確定，隨循環次數增加，此類材料疲勞極限仍會降低，測定這類曲線方法通常用成組法，即在每一個應力下，進行多個試樣試驗，試驗數必須是已達到符合概率統計要求為原則，因此完成一個P-S-N曲線測試往往需要進行大量試驗，然后根據每個點數據進行統計分析，才能繪制出P-S-N曲線。有時用升降法進行測試，根據經驗選取接近疲勞極限的應力，在此水平下進行疲勞試驗，如果達到107次仍不發生斷裂就停止試驗，下一個試樣就提高應力，當疲勞次數小于107時，下一個試樣根據經驗選取低于這個應力值再進行試驗，直到在某個應力下，疲勞次數接近或等于107次為止，依升降法試驗結果再用概率統計方法處理，求出大于等于107次所對應應力值，即所需疲勞極限。為滿足零件疲勞設計和疲勞失效分析需求，需要提供不同平均應力條件下的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已經總結平均應力疲勞強度，抗拉強度之間經驗關系bσa/σN+σm/σb=1，稱為Goodman線性方程，此方程可測一定循環次數下的疲勞強度。

二、提高疲勞強度，延長汽車金屬材料壽命

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度，而疲勞強度主要取決于三個環節：疲勞設計，零件設計和制造工藝。通過對零件失效的分析，得出疲勞失效原因，采取改進措施，使機械產品設計合理，選材恰當，制造工藝先進，使汽車零件具有較高疲勞強度和服役壽命。

⑴疲勞設計和零件選材：.影響程度最大是結構布局引起的應力集中，故在零件疲勞設計時需重點考慮，盡量采用合理結構設計以降低零件危險截面部位應力集中。通過合理結構設計，使零件某些部位應力集中得到緩解，疲勞破壞抗力得以提高，對于齒輪，油泵等零件要求具備接觸疲勞性能；傳動軸，彈性軸，彈簧，連桿等受力受力不高但壽命長零件，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，各類傳動軸，內燃機發動機零件加工工藝（冷加工和熱加工）尤其表面處理工藝是決定疲勞強度的重要環節。疲勞破壞始于表面，表面完整性決定性影響疲勞強度，故采用表面化學熱處理（滲碳滲氮碳氮共滲），表面淬火，表面形變強化（噴丸滾壓錘擊）表面拋光表面激光處理，改變表面殘余應力狀態組織機構粗糙度而提高疲勞強度。

經分析確認零件屬于某種類型疲勞失效后，為避免同類事件重復發生，須采取有效措施，查明疲勞失效原因：結構制作工藝設計（應力集中，循環載荷水平，尺寸）零件材質（化學成分，組織機構，力學性能）制造工藝（表面完整性，裝配，強化工藝）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工程，多學科的結合。具體分析路徑：得到失效零件后，首先對零件的設計因素，冶金工藝，加工制造工藝，使用因素進行調研，同時對失效零件進行系統分析檢驗，包括零件力學性能，宏觀組織，微觀組織，判斷熱處理工藝有無缺陷，根據所測力學性能數據，判斷材料零件可否滿足設計要求。

根據斷口情況，如起裂區位置和周圍組織判斷是否滿足使用環境要求，根據擴展區和最后斷裂區組織判斷整個零件疲勞過程和疲勞應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

[1]馬鳴圖 《汽車材料和典型零件失效分析與延壽》化學工業出版社

[2]徐榮政《汽車機械基礎》吉林大學出版社