汽车零部件断裂失效分析.ppt

汽车零部件断裂失效分析 约束失控 约束（constraint）  对质点系中各“质点（结构件）”的位置和速度预先施加的几何学或运动学的限制。 常见的约束有柔性绳索或链条约束、光滑接触面约束、圆柱形铰链和球形铰链约束、铰链支座约束等。约束限制质点系中各质点的自由运动，故约束对质点系有作用力，称约束反力，简称约束力。  　 与结构件失效相关的约束 螺栓锁紧约束（压紧约束、摩擦约束） 刚性约束 间隙约束（轴承间隙、轴颈间隙约束） 机械结构中，结构件靠约束以驱使或保证其完成特定的功能，其特定的约束条件一旦破坏或丧失，会破坏其运行或运动状态，产生异常或是附加的工况 ，使得结构件承担了不应有、无法承受的载荷，产生异常的力学状态，引起疲劳开裂失效。 压板刚性约束 钢板弹簧中心孔断裂 案例1 多片簧中心孔疲劳断裂 失效特征及原因 为高应力低周疲劳开裂，疲劳源位于中心孔内角处，疲劳区很小，与板簧的冲击性载荷相对应； 在双驱动桥结构的板簧上更多见，而且多发生在最短的几片板簧上；（这可能主要与该类弹簧的刚性较大有关） 断裂的原因是由于U形螺栓未能有效地锁紧或是松动，引起中心孔承受附加弯矩。 案例2 少片弹簧中心孔疲劳断裂 失效特征及原因 少片弹簧疲劳断裂的性质与多片簧相同； 由于少片簧的结构特点，中间段的刚性相对较低（没有凸出的平直段），其平直段的刚度需要板簧压板协助予以保证。 该类型的疲劳开裂与弹簧压板的疲劳断裂和弯曲变形相伴发生； 板簧平直段和板簧压板抗弯刚性和强度不足，导致板簧平直段以及板簧压板承受异常的弯曲载荷是引起板簧中心孔疲劳断裂的原因。载荷过大也应该考虑。 4.1疲劳断裂形式 断口分析是疲劳分析的重要环节，包括结构、应力分布场、载荷形式、异常工况、应力的大小等因素特征都会有所体现； 也要关注断口或失效性质的转化及相关的条件。 疲劳断口形态 疲劳断口形态 贝壳纹形成机理 钢板弹簧中心孔疲劳开裂 关注约束的有效性； 断裂力学要素：简支梁弯矩最大部位、应力集中、应变集中。 同时也应考虑少片簧平直段的自身刚性和约束结构刚性。 钢板弹簧压板边缘处疲劳断裂 关注局部异常的表面异常硬化会增加疲劳裂纹萌生的敏感性。 考虑异常的擦伤、表面挤压磕碰伤与表面强力喷丸有什么差别或作用。 钢板弹簧疲劳断裂与磕碰伤 轧制过程中磕碰伤引起疲劳断裂。 板簧前卷耳疲劳开裂 关注冲击载荷的作用，关注车辆的动力和制动性能，道路情况，关注断裂的部位和结构特性； 关注对失效认识的不断深化和阶段性。 钢板弹簧盖板疲劳开裂 少片簧的中间段刚性不足，如果与板簧中心孔断裂有关则应该有异常接触印记； 压板的弯曲在先，实际的失效形式应该是弯曲，要点是弯曲的连续性，交通肇事的弯曲脆断中会有断裂件弯曲的一类问题。 钢板弹簧疲劳开裂 钢板弹簧早期高应力低周疲劳断裂； 裂纹源起源于材料内部的大块夹杂处，夹杂的主要成分是Al、Mg、Ca、O等元素 。 汽车零部件脆性断裂 零件的脆性断裂也较为常见，材料的性质是重要的条件之一，但实际情况中硬性应力状态更重要，即指双向拉应力状态。该应力状态限制了材料的塑性变形条件而产生脆性断裂。 脆性断裂不等于材料脆性，应力状态（平面应变）的影响更大。 脆性断裂断口 钢板弹簧脆性断裂 钢板弹簧脆性弯曲断裂，裂纹源区为萘状断口； 近表面处局部沿晶、粗大的微裂纹，并伴随有氧化脱碳现象； 为热处理过烧所致。 * 结构特性： 钢板弹簧由多片不等长和不等曲率的钢板叠合而成。 U形螺栓以内为“平直段”，装配后使板簧稳定，工作中不承受弯曲载荷。 中心孔为总成装配的工艺孔。 分析要点： 作为简支梁结构，如果板簧的平直段承受弯曲载荷，发生弯曲变形，其中心孔部位弯矩最大，有效截面最小，加之应力集中，该部位最大弯曲应力会数倍于其他部位的正常工作应力。 开裂特性： 为高应力低周弯曲疲劳断裂，疲劳源在孔边缘处，疲劳区很小； 分多片簧和少片簧两类，影响因素不同。 4 汽车零部件疲劳断裂分析 关注那些随机性冲击载荷、台架试验的连续不变的载荷和铸铁的疲劳断口，有时并不十分典型。 *