摘 要：在當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新形勢下，汽車領(lǐng)域的研究創(chuàng)造工作也在不斷發(fā)展。汽車作為全球范圍內(nèi)人們出行的主要交通工具，需要注重提升其行駛的安全性和穩(wěn)定性。其中，金屬零部件作為汽車的一個(gè)重要組成部分，應(yīng)該從現(xiàn)實(shí)出發(fā)，進(jìn)一步對其全方位控制，從而在潛移默化的過程中，使加工生產(chǎn)的質(zhì)量真正得到保障。與此同時(shí)，汽車零部件的疲勞斷裂破壞將對汽車質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。因此，當(dāng)前汽車研究工作應(yīng)著重對金屬零件的斷裂破壞特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行合理分析，已為汽車安全行駛工作做好充足的準(zhǔn)備，并幫助我國汽車研究工作進(jìn)一步拓展和延伸?；诖?，本文將針對汽車零部件疲勞斷裂失效及其機(jī)理加以探索分析。

關(guān)鍵詞：汽車零部件 疲勞斷裂失效 機(jī)理分析

近些年來，汽車金屬件斷裂故障占據(jù)大量的汽車質(zhì)量評估案例，這主要是由于零部件斷裂失效對汽車的危害方式最為嚴(yán)重，一旦出現(xiàn)便有可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失、人身傷亡。針對此種情況，針對汽車零部件的疲勞斷裂失效問題，以及機(jī)理分析工作十分重要。在此過程中，能夠針對疲勞斷裂的特點(diǎn)和規(guī)律，確定其產(chǎn)生的原因，從而為相關(guān)部門的行政執(zhí)法工作提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)，汽車零件在疲勞斷裂失效過程中，還將產(chǎn)生相應(yīng)的配對斷裂面，稱為“斷口”，通常出現(xiàn)在材料的最弱處，真實(shí)記錄從裂紋萌生、擴(kuò)展到開裂的整個(gè)過程。因此，需要進(jìn)一步以斷口為切入點(diǎn)，從微觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等方面入手，針對零件的力學(xué)狀況、使用環(huán)境等因素進(jìn)行判定，揭示其斷裂破壞的特點(diǎn)和規(guī)律，尋找其產(chǎn)生的原因，最終可以給出科學(xué)、公平的汽車零部件疲勞斷裂失效機(jī)理分析報(bào)告。

1 定義與特點(diǎn)

從汽車零件的角度來看，疲勞斷裂是汽車發(fā)生事故的最常見問題，其原因是其在交變應(yīng)力的影響下，零部件不停往復(fù)移動，在一段時(shí)間之后便有可能產(chǎn)生斷裂的問題。一旦出現(xiàn)裂紋狀況，將對汽車行駛安全性、穩(wěn)定性造成巨大威脅。汽車零部件疲勞斷裂失效由裂紋萌生、擴(kuò)展、再到不穩(wěn)定的破壞階段形成。在整個(gè)過程中，不同階段都將產(chǎn)生不同的破壞狀況，無論是汽車零部件材料性質(zhì)，還是大小形狀，都將造成很大的影響。在這種情況下，汽車金屬零件發(fā)生損壞時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對其進(jìn)行合理歸類。一般而言，可將其劃分為高周疲疲勞斷裂和低循環(huán)疲勞斷裂兩種形式。在低循環(huán)疲勞過程中，材料的應(yīng)力一般都大于材料屈服強(qiáng)度，其使用壽命與裂紋的發(fā)展速率密切相關(guān)；而高周疲勞時(shí)，則可以通過對屈服強(qiáng)度作用控制裂紋形核時(shí)間，從而保證較長的使用壽命。從這點(diǎn)可以看出，汽車零件中有70%～80%是由于低應(yīng)力和高循環(huán)疲勞斷裂引起的[1]。

與此同時(shí)，在車輛的使用過程中，螺栓類金屬零件的斷裂故障也是一個(gè)相當(dāng)普遍的問題，其產(chǎn)生結(jié)果不但造成許多的交通事故，而且還將產(chǎn)生安全隱患問題。因此，需要相關(guān)研究人員針對現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行合理分析，找出其發(fā)展規(guī)律，為接下來的應(yīng)對之策打下基礎(chǔ)。當(dāng)一根固定螺釘出現(xiàn)斷裂故障時(shí)，首先要對其進(jìn)行觀測，并對花紋及圓弧進(jìn)行分析。如果將這些螺栓放入顯微鏡下，能夠清楚看見疲勞裂紋情況，這種裂紋被稱為疲勞斷裂。一般來說，裂紋都是從螺旋的最底部開始，然后再向更小的范圍蔓延。當(dāng)裂紋擴(kuò)大到一定程度后，便將出現(xiàn)斷裂。

對于汽車疲勞斷裂失效的特點(diǎn)，可以從三個(gè)方面加以闡述。即危害性大，疲勞斷裂失效通常發(fā)生在沒有預(yù)兆的情況下，駕駛員在該情況發(fā)生時(shí)沒法進(jìn)行預(yù)知和判斷，因此將有可能導(dǎo)致十分嚴(yán)重的安全事故；受交變力作用。具體來說，汽車零部件所承受的載荷是循環(huán)動態(tài)的交變載荷，是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要原因；斷裂前無明顯變形特點(diǎn)，與靜載荷下的斷裂不同，疲勞斷裂在斷裂前通常沒有明顯的塑性變形，因此無法對其安全性加以判斷。

在某汽車零部件疲勞斷裂失效導(dǎo)致汽車事故的案例中，可以發(fā)現(xiàn)零部件中的一根固定螺栓出現(xiàn)裂紋情況（如圖1所示），可以從中十分明顯看到“貝殼形”，也就是疲勞弧。通過用掃描電鏡進(jìn)行顯微觀測，發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞裂紋。同時(shí)，裂紋起自螺紋根表面，亞表層小面積，表現(xiàn)為貫穿式的多重裂紋。在廣展范圍表現(xiàn)為疲勞紋—凹坑交互作用的復(fù)合型裂紋，表明裂紋尖端呈斷續(xù)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，在瞬斷區(qū)斷口呈韌窩型斷裂（如圖2所示）。綜合以上分析，可以判定該螺栓在較低負(fù)荷條件下發(fā)生的高應(yīng)力集中軸向拉伸疲勞斷裂情況。

2 汽車零部件疲勞斷裂失效機(jī)理分析

2.1 疲勞裂紋的萌生階段

基于汽車交變載荷作用的影響，金屬部件的表面有可能出現(xiàn)非均勻滑移、非金屬夾雜以及材料內(nèi)部應(yīng)力集中狀況，都將導(dǎo)致汽車零部件疲勞裂紋產(chǎn)生。

通常情況下，汽車零部件經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)力強(qiáng)化，材料內(nèi)部將產(chǎn)生局部的損傷和孔洞，這是所有汽車都無法避免的，將使材料內(nèi)部產(chǎn)生一條或多條滑移線，且呈現(xiàn)不均勻的規(guī)律。在疲勞荷載的作用下，原滑移線滑移量增大，同時(shí)新滑移線常在原滑移線附近形成滑移帶。在此基礎(chǔ)上，滑移帶將逐漸變寬、變深，并在表層形成擠出區(qū)及擠入槽。擠壓溝槽的出現(xiàn)，是產(chǎn)生零部件疲勞裂紋的根源。除此之外，在材料的晶界和非金屬夾雜物區(qū)域，也都有可能出現(xiàn)非均勻滑移情況，并最終形成裂紋[2]。

2.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展階段

當(dāng)應(yīng)力集中不存在時(shí)，裂紋擴(kuò)展可以劃分為兩個(gè)階段。

對于第一階段來說，主要是基于交變應(yīng)力的作用，導(dǎo)致裂紋起始于金屬材料表面的滑移帶、擠壓槽或其他非金屬夾雜，并沿最大剪切應(yīng)力方向（與主應(yīng)變方向）40°。對于第二階段來說，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，其方向?qū)l(fā)生一定程度的變化，并沿垂直于正應(yīng)力的方向發(fā)展。在此過程中，裂紋以穿晶方式擴(kuò)展，且速度很快，其全過程表現(xiàn)為滑移—細(xì)觀裂紋生成—細(xì)觀裂紋貫通—宏觀裂紋擴(kuò)展，最后零部件疲勞斷裂失效情況的產(chǎn)生。

2.3 最終斷裂階段

當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，汽車零部件的剩余截面積便將無法承受外加應(yīng)力，導(dǎo)致最終出現(xiàn)斷裂情況。通常情況下，最終斷裂都發(fā)生在很短的時(shí)間內(nèi)，并且斷口呈現(xiàn)脆性斷裂的特征。斷裂調(diào)查時(shí)，斷裂面形貌和微觀結(jié)構(gòu)可以提供有關(guān)疲勞斷裂過程的相關(guān)信息。

3 汽車零部件疲勞斷裂失效產(chǎn)生的主要原因

3.1 相關(guān)設(shè)計(jì)制造因素所引起的影響

汽車零部件出現(xiàn)疲勞失效的原因，如果其設(shè)計(jì)沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求，便有可能在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)一些有問題的缺陷，如零部件對應(yīng)承載過渡半徑太小，而對應(yīng)的臺階部分和鍵槽部分也將承受過多的預(yù)應(yīng)力，有可能造成疲勞斷裂失效情況。

與此同時(shí)，在有關(guān)零部件的生產(chǎn)加工中，還有可能存在工藝技術(shù)水平和能力不足的問題，致使最終產(chǎn)品零件有一定的損壞或功能缺陷。例如，加工質(zhì)量不高、產(chǎn)品表面粗糙、表面有細(xì)微劃痕、材料中含有一些雜質(zhì)等[3]。

3.2 在具體運(yùn)行維修過程中所產(chǎn)生的影響

（1）當(dāng)汽車在實(shí)際行駛過程時(shí)，如果其出現(xiàn)違規(guī)使用的現(xiàn)象，例如超載、超負(fù)荷運(yùn)行等，都將導(dǎo)致汽車的零部件長期處于過高壓力之下，從而導(dǎo)致出現(xiàn)一些初期的疲勞情況，初步形成一定程度上的裂紋，若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以處理，便將逐漸加快疲勞裂紋的發(fā)展，使所用零件出現(xiàn)不同程度的裂紋延伸。

（2）當(dāng)駕駛員正常行駛時(shí)，如果出現(xiàn)汽車異常情況，如針對不同程度的異常噪聲、震動等沒有給予重視，同時(shí)其自身也沒有充分地警惕和發(fā)現(xiàn)、停車，將導(dǎo)致裂紋程度逐漸加深，最終徹底斷裂導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

（3）汽車駕駛員沒有進(jìn)行及時(shí)、有效的維護(hù)和維修工作，將導(dǎo)致車輛的整體運(yùn)行狀態(tài)逐漸降低，因此將很有可能出現(xiàn)卡缸爆缸、爆油和對應(yīng)的零件卡滯等問題，將對各零件造成不同程度的損傷，從而容易引起一些斷裂狀況。

（4）在具體的維護(hù)建設(shè)過程中，維修人員常常忽略零件疲勞斷裂的檢查，從而導(dǎo)致對存在故障或損壞較大的部件沒有及時(shí)檢修和替換，從而在以后的使用過程中，很可能留下一些疲勞斷裂的隱患。

（5）當(dāng)開展汽車零件檢查和維修工作時(shí)，可能存在維修人員自身能力較差的問題，造成零件表面粗糙度增加，進(jìn)而對零件疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響。

（6）當(dāng)進(jìn)行汽車拆卸和運(yùn)輸工作時(shí)，有可能存在不能采用良好工作方式的問題，造成一些零件很容易發(fā)生被擠壓碰撞的情況，進(jìn)而造成整體零件出現(xiàn)不同程度的損壞，進(jìn)而引起某些類型出現(xiàn)疲勞斷裂隱患[4]。

4 汽車零部件疲勞斷裂失效預(yù)防措施

4.1 強(qiáng)化材料選擇工作

由于汽車零部件材料對疲勞斷裂失效具有很大影響，因此汽車制造廠家需要強(qiáng)化零部件的材料選擇工作，從硬度高、精度準(zhǔn)的角度出發(fā)，降低零部件材料選擇對汽車疲勞斷裂失效的影響狀況。一方面，選用高疲勞強(qiáng)度的材料。具體而言，汽車制造廠商應(yīng)該優(yōu)先選用高強(qiáng)度、高韌性的金屬材料，如高強(qiáng)度鋼、鈦合金等，有助于提高零部件的疲勞強(qiáng)度。另一方面，注意材料的微觀組織。針對汽車零部件疲勞斷裂產(chǎn)生的原因，需要著重選擇具有細(xì)小、均勻晶粒性質(zhì)的材料，以減少疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。同時(shí)，還應(yīng)避免使用含有大量非金屬夾雜物或氣孔的材料，主要是由于具有這些缺陷的材料十分容易成為疲勞裂紋的起點(diǎn)[5-6]。

4.2 精確化汽車零部件設(shè)計(jì)方案

汽車零部件方案的設(shè)計(jì)也十分重要，需要制造廠商緊密結(jié)合自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際情況，同時(shí)針對當(dāng)前出現(xiàn)概率較大的零部件疲勞斷裂失效原因，充分制定出科學(xué)、合理、精確的設(shè)計(jì)方案。

在設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)該著重優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是避免尖角、孔洞和突變截面等應(yīng)力集中部位，能夠采用圓角、光滑過渡和合理的截面形狀，從而不斷降低應(yīng)力集中系數(shù)的情況，以起到減少疲勞裂紋萌生的作用。同時(shí)，合理分布載荷狀況，以避免局部過載，確保零部件在承受交變載荷時(shí)能夠均勻受力。

除此之外，伴隨當(dāng)前我國在相關(guān)領(lǐng)域研究工作的不斷創(chuàng)新，還可以進(jìn)行相應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測工作，主要是依托新型技術(shù)手段以及工具，利用先進(jìn)的疲勞壽命預(yù)測技術(shù)，從而對關(guān)鍵零部件進(jìn)行疲勞壽命評估，以便及早發(fā)現(xiàn)潛在問題并加以優(yōu)化，進(jìn)一步加強(qiáng)對零部件的檢測工作。

4.3 控制零部件制造工藝

首先，提高加工精度和表面質(zhì)量。在此過程中，生產(chǎn)廠家與相關(guān)工作人員需要采用先進(jìn)的加工工藝和設(shè)備，能夠確保零部件的加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以實(shí)現(xiàn)控制表面粗糙度的嚴(yán)格控制，避免過大的表面缺陷和劃痕，進(jìn)而切實(shí)起到減少應(yīng)力集中和疲勞裂紋產(chǎn)生的作用[7]。

其次，優(yōu)化熱處理工藝。零部件自身的硬度與使用壽命十分重要，可以通過淬火、回火等熱處理工藝，細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力和提高材料的綜合力學(xué)性能。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)熱處理過程中的溫度控制和冷卻速度，避免產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力和組織缺陷[8]。

最后，加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制。主要是對焊接接頭進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，采用合理的焊接工藝和參數(shù)，避免產(chǎn)生焊接缺陷和應(yīng)力集中，確保焊縫質(zhì)量符合要求。

4.4 開展使用和維護(hù)工作

對于駕駛員來說，在汽車行駛時(shí)必須正確操作規(guī)程使用，能夠充分遵循汽車制造商的使用說明和操作規(guī)程，避免超載、超速、急加速、急剎車等不良操作習(xí)慣，當(dāng)面對惡劣路況時(shí)，應(yīng)控制車速，避免零部件受到過大的沖擊和振動。與此同時(shí)，定期檢查易疲勞斷裂零件的工作情況，如曲軸、半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即更換或維修。

除此之外，定期開展優(yōu)良的維護(hù)工作也十分重要。對此，為保持發(fā)動機(jī)良好的工作狀態(tài)，應(yīng)定期更換機(jī)油和濾清器，保持發(fā)動機(jī)的良好潤滑和清潔，避免其長時(shí)間在高溫、高負(fù)荷下工作，以減少酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)的生成，防止零件受到腐蝕與疲勞的聯(lián)合作用，針對易疲勞斷裂的零件進(jìn)行定期檢查和無損探傷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理其中存在的潛在問題。

5 結(jié)論

綜上所述，伴隨當(dāng)前我國新階段社會與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對車輛的需求越來越大，而對于汽車的安全性、穩(wěn)定性要求程度也越來越高。其中，汽車零部件疲勞斷裂失效是一個(gè)較為普遍的問題。因此，為切實(shí)避免汽車出現(xiàn)事故問題，需要運(yùn)用科學(xué)的方法對其加以判斷和分析，從大量的相關(guān)事故中深層次剖析，明確汽車零部件疲勞斷裂失效的機(jī)理，并從多角度開展預(yù)防工作，為我國汽車質(zhì)量、預(yù)防事故、提高汽車安全水平等都提供良好的保障。

基金項(xiàng)目：2023年重慶市汽車輕量化工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目；項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：周佳；項(xiàng)目代號：011904.05。

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