汽车金属材料疲劳失效与延寿研究

江冬梅

摘 要：疲劳断裂是汽车零部件失效破坏的主要模式。20世纪80年代美国国家标准局进行断裂造成损失的综合调研，1983年《国际断裂》杂志发表该调查委员会给国会报告，当年美国一年断裂损失1190亿美元，占1982年国家生产总值4%，而断裂损失最严重行业是汽车业，每年125亿美元。故向工程技术人员普及断裂和疲劳基本概念和知识可减少损失29%，应用现有成果，可再减少24%。汽车中有大量承受多次循环应力零件，疲劳破坏是汽车许多结构件失效基本模式。研究汽车材料和零件疲劳，须理解疲劳特点，提出材料和零件延寿方法和措施，提升材料与零件寿命及安全，减少损失。

关键词：汽车金属；疲劳失效；延寿

导入：金属材料是汽车用材主体，金属材料重量占全车65%-80%，故选用金属材料疲劳失效与延寿问题至关重要。碳钢占汽车用材总量的3/4左右。化油器和齿轮用铸钢，合金钢在保险杠，气门和气门弹簧中应用；飞轮，汽缸盖用灰铸铁制造；球墨铸铁用作曲轴；汽车中常见的齿轮材料须具高疲劳强度，尤其是弯曲疲劳；齿心应有足够冲击韧度以防齿轮受冲击过载断裂。故疲劳失效和延寿研究意义重大。

一、疲劳及汽车金属材料疲劳分类

（1）疲劳：美国试验与材料学会（ASTM）对疲劳下定义“在某点或某些点受到扰动应力，且在足够多循环扰动作用后形成裂纹或完全断裂材料中所发生的局部，永久结构变化的发展过程”；ISO1964年对疲劳所做的定义“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化”，各种经典文献对疲劳定义表达上有所差异，但本质基本相同，有交变拉应力；由疲劳引起的失效称为疲劳失效或疲劳断裂。金属疲劳失效经历裂纹萌生，扩展和聚合导致材料或构件失效或断裂的过程。

（2）①高周疲劳，承受循环应力远低于材料屈服应力，加载频率较高，断裂时疲劳寿命都高于105②低周疲劳 循环应力超过屈服应力，加载频率低，断裂寿命低于105③腐蚀疲劳 沿海地区的盐雾气候，冬季除雪后的汽车使用环境，化工机械零件的工作环境都可能发生④微振疲劳，吊桥的钢缆，汽车越野车中的牵引钢缆受微振疲劳，疲劳和磨损交互作用，⑤热疲劳，外部温度涨落使零件内部产生循环应力或循环应变引起热疲劳⑥接触疲劳，材料和零件表面受法向和切向载荷重复作用产生，常见于汽车传动齿轮，轴承。

⑶高周疲劳试验及P-S-N曲线

疲劳寿命是指在一定应力幅或加载模式下，材料和零件承受疲劳应力或疲劳载荷的循环次数；疲劳极限是指在规定的疲劳循环次数下，材料所能承受的最大应力。通常如果材料和零件承受扰动应力或扰动载荷的次数大于107次而不发生破坏，材料和零件永远不发生疲劳破坏。近年随冶金质量提升和材料性能改进，疲劳极限有很大提升，但也发现材料疲劳极限高于107次仍有下降可能，故疲劳极限概念在拓展。高周疲劳一种表征方法是P-S-N曲线，即概率-试验应力-疲劳次数曲线，考虑疲劳试验数据的概率统计分布特性。不同材料的P-S-N曲线有明显不同，有的有拐点，有的没有明显拐点，有拐点材料拐点后循环次数增加循环应力幅几乎没变，定义此时应力为疲劳极限；而无拐点材料疲劳极限只能用一定循环周次后所对应应力值确定，随循环次数增加，此类材料疲劳极限仍会降低，测定这类曲线方法通常用成组法，即在每一个应力下，进行多个试样试验，试验数必须是已达到符合概率统计要求为原则，因此完成一个P-S-N曲线测试往往需要进行大量试验，然后根据每个点数据进行统计分析，才能绘制出P-S-N曲线。有时用升降法进行测试，根据经验选取接近疲劳极限的应力，在此水平下进行疲劳试验，如果达到107次仍不发生断裂就停止试验，下一个试样就提高应力，当疲劳次数小于107时，下一个试样根据经验选取低于这个应力值再进行试验，直到在某个应力下，疲劳次数接近或等于107次为止，依升降法试验结果再用概率统计方法处理，求出大于等于107次所对应应力值，即所需疲劳极限。为满足零件疲劳设计和疲劳失效分析需求，需要提供不同平均应力条件下的S-N曲线，再绘制疲劳寿命图，绘制这种图工作量非常大，且较麻烦。目前还查不到各种材料疲劳寿命图，好在Goodman已经总结平均应力疲劳强度，抗拉强度之间经验关系bσa/σN+σm/σb=1，称为Goodman线性方程，此方程可测一定循环次数下的疲劳强度。

二、提高疲劳强度，延长汽车金属材料寿命

交变载荷下工作的汽车金属材料和零件，服役寿命很大程度取决于疲劳强度，而疲劳强度主要取决于三个环节：疲劳设计，零件设计和制造工艺。通过对零件失效的分析，得出疲劳失效原因，采取改进措施，使机械产品设计合理，选材恰当，制造工艺先进，使汽车零件具有较高疲劳强度和服役寿命。

⑴疲劳设计和零件选材：.影响程度最大是结构布局引起的应力集中，故在零件疲劳设计时需重点考虑，尽量采用合理结构设计以降低零件危险截面部位应力集中。通过合理结构设计，使零件某些部位应力集中得到缓解，疲劳破坏抗力得以提高，对于齿轮，油泵等零件要求具备接触疲劳性能；传动轴，弹性轴，弹簧，连杆等受力受力不高但寿命长零件，要求具备一定高周疲劳性能。

⑵制造工艺，通用零件如齿轮，弹簧，紧固件，各类传动轴，内燃机发动机零件加工工艺（冷加工和热加工）尤其表面处理工艺是决定疲劳强度的重要环节。疲劳破坏始于表面，表面完整性决定性影响疲劳强度，故采用表面化学热处理（渗碳渗氮碳氮共渗），表面淬火，表面形变强化（喷丸滚压锤击）表面抛光表面激光处理，改变表面残余应力状态组织机构粗糙度而提高疲劳强度。

经分析确认零件属于某种类型疲劳失效后，为避免同类事件重复发生，须采取有效措施，查明疲劳失效原因：结构制作工艺设计（应力集中，循环载荷水平，尺寸）零件材质（化学成分，组织机构，力学性能）制造工艺（表面完整性，装配，强化工艺）以及零件使用和服役的历史。疲劳失效原因分析是一种系统工程，多学科的结合。具体分析路径：得到失效零件后，首先对零件的设计因素，冶金工艺，加工制造工艺，使用因素进行调研，同时对失效零件进行系统分析检验，包括零件力学性能，宏观组织，微观组织，判断热处理工艺有无缺陷，根据所测力学性能数据，判断材料零件可否满足设计要求。

根据断口情况，如起裂区位置和周围组织判断是否满足使用环境要求，根據扩展区和最后断裂区组织判断整个零件疲劳过程和疲劳应力失效模式是否正常。断口分析是上述诸多疲劳失效因素的综合反映和旁证。

参考文献

[1]马鸣图 《汽车材料和典型零件失效分析与延寿》化学工业出版社

[2]徐荣政《汽车机械基础》吉林大学出版社