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(diào)研，1983年《國際斷裂》雜志發(fā)表該調(diào)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(chǎn)總值4%，而斷裂損失最嚴重行業(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可減少損失29%，應用現(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，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?；推骱妄X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(huán)擾動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(fā)生的性能變化”，各種經(jīng)典文獻對疲勞定義表達上有所差異，但本質(zhì)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(jīng)歷裂紋萌生，擴展和聚合導致材料或構(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(huán)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(qū)的鹽霧氣候，冬季除雪后的汽車使用環(huán)境，化工機械零件的工作環(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)應力或循環(huán)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(chǎn)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(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力。通常如果材料和零件承受擾動應力或擾動載荷的次數(shù)大于107次而不發(fā)生破壞，材料和零件永遠不發(fā)生疲勞破壞。近年隨冶金質(zhì)量提升和材料性能改進，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-試驗應力-疲勞次數(shù)曲線，考慮疲勞試驗數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)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(huán)次數(shù)增加循環(huán)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(huán)周次后所對應應力值確定，隨循環(huán)次數(shù)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(shù)必須是已達到符合概率統(tǒng)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(jù)每個點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(jù)經(jīng)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(fā)生斷裂就停止試驗，下一個試樣就提高應力，當疲勞次數(shù)小于107時，下一個試樣根據(jù)經(jīng)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(shù)接近或等于107次為止，依升降法試驗結(jié)果再用概率統(tǒng)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(jīng)總結(jié)平均應力疲勞強度，抗拉強度之間經(jīng)驗關系bσa/σN+σm/σb=1，稱為Goodman線性方程，此方程可測一定循環(huán)次數(shù)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(huán)節(jié)：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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計以降低零件危險截面部位應力集中。通過合理結(jié)構(gòu)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(nèi)燃機發(fā)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(huán)節(jié)。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(tài)組織機構(gòu)粗糙度而提高疲勞強度。

經(jīng)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(fā)生，須采取有效措施，查明疲勞失效原因：結(jié)構(gòu)制作工藝設計（應力集中，循環(huán)載荷水平，尺寸）零件材質(zhì)（化學成分，組織機構(gòu)，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(tǒng)工程，多學科的結(jié)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(diào)研，同時對失效零件進行系統(tǒng)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(jù)所測力學性能數(shù)據(jù)，判斷材料零件可否滿足設計要求。

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)擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)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(yè)出版社

[2]徐榮政《汽車機械基礎》吉林大學出版社