汽车零部件失效
- M.Heyes
高级工程和测试服务，科学与工业研究中心，专用邮袋 X28， 奥克兰公园 2006
南非共和国
摘要：
汽车零部件失效是一个可能会在一个阶段或另一个阶段影响我们所有人的方面。在本文中，讨论了汽车零部件失效的分布，以及其原因。并提出了四个案例研究，进而了解汽车零部件故障分析的方法，并从中获得了有价值的信息。
关键词：事务调查；汽车故障；脱碳；疲劳；焊缝疲劳
1.介绍
汽车零部件失效是一个可能会在一个阶段或另一个阶段影响我们所有人的方面。车辆中的零部件经常在恶劣的条件下工作，并且在许多时候，需要在没有任何形式的汽车寿命检查的情况下持续使用车辆。通常，零部件的失效不会导致需要更换该部件的麻烦。然而，一些部件的失效可导致车辆的失控，具有造成交通事故和汽车寿命损失的可能性。这些部件被称为安全关键部件，并且如果有一批正在使用中的此类零部件发生故障，通常将导致所有受影响的车辆的召回以及损失相关的成本和不良的宣传影响。因此，在汽车故障分析中通常的情况是，必须确定故障是独立的情况还是可能发生在更多的车辆中。
基于对接收的七十个汽车部件故障的分析，调查部件故障的分布和原因的分布如图1和2所示。从图中可以看出，最常见的发生故障的部件是发动机（41％），最常见的故障原因是滥用（29％）。然而，对制造或设计失误，原材料缺陷和存储程序的失败这类原因的总占有率为33％。还可以认为，当汽车保持更长时间，一部分是由于经济压力和一部分由于底盘技术的改进，其他部件应设计为更长的使用寿命。将寿命相关的失效作为制造责任的结果增加至43％。这代表了制造商的一个重要改进方面。同样，由于修理失败（18％）造成的高比例失效代表了一个方面，在翻修和翻新行业增加培训可能产生重要的红利。
本文提出了汽车零部件故障的四个总结案例研究，目的是论证通过故障分析获得的有价值的信息。
2.案例研究1-制造缺陷
2.1背景
制造商接到投诉，他们销售的一些新模型车辆正在生产油烟。虽然制造商最初认为冒烟与发动机的磨合期有关，但发现一旦发动机已经磨合，冒烟并没有消失。发动机的拆分没有显示任何明显的油进入源。提供由于冒烟而从车辆上移除的发动机用于调查。发动机已经使用了大约20,000公里。
悬架 13%
发动机 41%
转向系统 7%
底盘/车身 7%
油泵 3%
制动系统 3%
传动系统 26%
图1 零件失效分布
滥用 29%
事故损坏 7%
存储过程 3%
修理错误 18%
改进错误 3%
原材料 9%
生产制造/设计 21%
寿命 10%
图2 失效原因分布
2.2目视检查
在拆分发动机时，发现其中一个燃烧室显示出指示油燃烧的重碳质沉积物（图3）。三个气缸的孔中在不同高度处发现周向黑色痕迹。可见的珩磨模式被认为是令人满意的。在这个阶段没有明显的油进入源。
图3 燃油燃烧后的积碳留在燃烧室
2.3尺寸测量
孔的椭圆度和锥度以及环间隙的测量都显示出了良好的结果。这与令人满意的珩磨模式一起使得油泄漏通过环不大可能。铝头的密封面和块体平台的平面度的测量仅显示可忽略的（0.05mm）偏差，并且由于头部垫片没有泄漏迹象，因此油通过头部进入到密封的块体的情况排除。
2.4磁粉检测（MPI）
受影响的圆柱体中的圆周标记由MPI表示为裂纹状缺陷。然而，在剖开气缸孔时，发现标记事实上是由镀铬的活塞环与气缸壁接触所产生的浅的腐蚀和磨损痕迹。这些标记的存在解释了这样的事实，即发动机是进口的，并且在运输之前试运行过，很可能在气缸中留下了燃烧冷凝物。可以排除这些冷凝物是作为油直接进入所产生的，因为它们没有穿透气缸壁并且深度不足以保持大量的油。
2.5荧光染料渗透检查和气缸盖泄漏试验
由于气缸盖的非磁性性质，进行了荧光染料渗透剂测试，但未能在头部显示任何明显的缺陷。包括对入口加压和将头部浸入水中的替代测试程序显示，油是从已插入阀导承的头部中的裂纹中进入的（图4）。荧光染料渗透测试之所以未能显示缺陷，是因为它已隐藏在钢制弹簧座下。
2.6结论
这种裂纹通向受影响的气缸的入口，并且导致发动机会在每个进气冲程将油吸入发动机。其他受影响的进气口的检查也显示同样的缺陷。缺陷的原因与制造公差有关，其中阀引导件和头部的过盈配合太紧，导致相邻引导件的头部开裂。
图4 由于阀导向件的插入导致气缸盖中的裂纹
3.案例研究2 - 扭杆中的原料缺陷
3.1背景
扭杆用于一些车辆的悬架中，以替代常规弹簧或形成防摇动系统的一部分。当车辆的操作受到任一故障的严重影响，扭杆就会变成关键安全部件，如第1节所述。
在这种情况下，扭力杆在完成100,000公里的服务后失效，并由车辆制造商提交调查。要求确定故障原因，以及是否可以预测其他车辆的故障。
3.2视觉和立体显微镜检查
用于检查的扭杆的截面涂满了黑色涂料涂层，其在局部斑点处剥落，其中发生轻微的锈蚀。断裂面（图5）显示了典型的拉伸型扭转断裂的螺旋形状[1]，断裂面在性质上表现为脆性。雪佛龙标记清楚地指出裂缝起源是某种形式的纵向缺陷。
在通过三氯乙烯蒸气浴除去涂层之后，再次目视检查该条，但没有任何进一步的显著细节。
图5 钢筋扭转失效，可能的断裂起源是纵向缺陷（箭头）
3.3荧光磁粉检测
荧光磁粉检查显示，距离断裂位置另外200mm处存在接缝或搭接缺陷（图6）。这种缺陷通常是由不正确的轧制过程形成的褶皱或由钢缺陷（夹杂物）引起的接缝。此外，还发现两个接缝，但是尺寸非常小。
3.4化学分析
发现该棒是满足AISI 5150钢（0.53％C，0.82％Mn，0.81％Cr）的组成要求的铬钢。该组合物即高淬透性钢。
图6 荧光MPI突出的扭力棒接缝缺陷
3.5硬度测试
硬度测试给出的硬度为508HV30，这等于约1740MPa的极限抗拉强度[2]。需要这种高抗拉强度以防止在操作期间杆产生屈服或疲劳变形。依靠添加非增韧强化添加剂例如碳、锰和铬的钢的缺点是强度和韧性是互相对立的，即高强度水平导致低韧性。
3.6扫描电子显微镜（SEM）
将断裂表面从棒的其余部分切片，并在SEM中检查。图7清楚地显示出了如何从接缝缺陷处长出疲劳裂纹。当裂纹已经长到大约3.5mm的尺寸时，棒不能承受该尺寸的裂纹并开始了快速断裂。这种相对小的缺陷公差与上述的低韧性有关。图8示显出了2000倍放大倍率下的疲劳裂纹区域的外观。表面的形态是钢疲劳断裂面的典型特征。断裂表面在较高放大倍率检查下未能显示单个条纹，这对于高强度钢是常见的。
图7 低放大率断面图显示了接缝缺陷（S），疲劳面积（F）和脆性断裂面积（B）
应力集中的存在通常可以将扭转断裂模式从剪切变为拉伸断裂（如在这种情况下：裂纹）。这是由于极限剪切应力和极限拉伸应力之间的关系。对于极限剪切应力大约是极限拉伸应力的一半的钢，将可能产生剪切破坏。然而，在应力集中的情况下，在达到极限剪切应力之前就有可能可以超过极限拉伸应力，导致拉伸破坏[1]。
图8 图7中标记为F的断裂面，即典型的高强度钢的疲劳断裂面
3.7金相和能量分散光谱（EDS）
在与断裂相邻的横截面上制备微型试件。在光学显微镜下的初步检查显示深度为1.22mm的缝合缺陷上，发现其与沿着缺陷的侧翼的多个内含物相关联。为了允许对缺陷的更详细分析（包括EDS），在SEM中检查样品。
图9显示出了接缝的SEM显微照片以及所选区域的更高放大倍率的显微照片。夹杂物在高倍放大显微照片中清晰可见。注意到，夹杂物仅发现在0.84mm的深度。接缝和夹杂物的高倍放大显微照片如图10所示。
图9 接缝的SEM显微照片（未腐蚀）。注意，夹杂物仅延伸到0.84mm的深度
为了帮助更好地识别图中所示区域的夹杂物EDS映射，通过对四个随机夹杂物的斑点分析来确定选择用于作图的元素。 EDS图如图11所示，其中可以看出接缝填充有氧化铁，并且离散的内含物包含硅，氧，铬和锰。进一步的EDS点分析表明，夹杂物可能是锰铁硅酸盐和铬铁矿的混合物。
图10 接缝和周围夹杂物（未腐蚀）的SEM显微照片
在2％Nital蚀刻剂中的微结构的蚀刻显示沿着接缝的侧翼的脱碳区域（图12）。注意到这延伸到夹杂物的深度，即0.84mm。这意味着在炼钢的热轧操作期间形成缺陷。毫无疑问，虽然钢筋进行淬火和回火热处理，但是在热处理期间发生这种裂化的唯一环节是淬火循环，这之后将在不可能导致脱碳的温度下回火。还应当注意，高温氧化解释了在裂纹内发现的氧化铁（主要是FeO和Fe3O4）。从脱碳的深度也可以推断，接缝缺陷在其形成之后有所增长。
图11 图9中的能量色散光谱（EDS）
图12 沿着焊缝侧面的脱碳，表明高温氧化（在2％Nital中蚀刻）
3.8结论
由于来自接缝缺陷的小的疲劳裂纹的生长，扭杆发生故障。一旦疲劳裂纹达到临界尺寸，钢筋由于脆性断裂而失效。
确定接缝缺陷是由硅酸锰铁和铬铁矿夹杂物的偏析混合物的存在引起的，其存在与炼钢过程中的问题有关。这些夹杂物可能导致棒在热轧期间裂开，通过接缝的侧翼的脱碳可以证明。
由于故障与炼钢问题有关，因此可能影响多个车辆。因此，建议更换受影响车辆（即由该特定铸钢件制造）的扭杆。还建议对部件供应商的非破坏性测试程序进行审核，因为通过标准的非破坏性技术可以容易地检测到缺陷。
4.案例研究3 - 失效的乘用车传动轴
4.1背景
包括两个恒速（CV）接头和实际轴的驱动轴几乎普遍地用于前轮驱动（FWD）车辆中以将动力从齿轮箱传输到从动轮。尽管存在形式（即实心或管状）和材料类型的变化，但大多数是实心钢棒品种（其也可以被认为是扭杆）。通常，减振器附接在沿着较长的两个驱动轴。
在这个特定的案例研究中，驱动轴从FWD两厢车在失效后提交检查，这导致汽车突然右拉并撞向雨水排水管。对车辆造成显着的冲击损伤。当车辆修理时，发现驱动轴已经靠近轮毂断裂。该车辆被用作一家小公司的运输车辆，并有许多司机，但都是轻轻装载，因为它只用于运送食品。据报道该车辆大约两岁。
4.2视觉和立体显微镜检查
接收到的用于分析的驱动轴部分的长度为大约60cm，并且在截面逐渐变化之后失效。对轴的断裂端的仔细检查显示出明显的擦痕（图13），在该区域中可见浅蓝色干涉膜氧化物。在两个驱动轴上的刻痕区域的测量显示刻痕约为30mm宽。
图13 驱动轴的断裂端，注意断痕
断裂表面在图14中的接收状态中示出。 其中故障可以看出是由于旋转弯曲疲劳引起。在这种情况下，许多周向裂纹开始并一起生长以形成一个周向裂纹前部，导致在该断裂表面上观察到的棘轮标记。随着裂纹增长（阶段II疲劳裂纹扩展），驱动疲劳裂纹扩展的应力强度范围（Delta;K）增加。这导致从阶段II到阶段III裂纹生长的转变，通过朝向驱动轴的中心的疲劳断裂表面的增加的粗糙度可以证明。在某一点，增加的裂纹长度导致大于材料的断裂韧性（Kc）的最大强度强度（Kmax），并且发生快速断裂。据估计，当快速断裂发生时，仅有42％的横截面积保留，表明轴具有显着的快速断裂的安全因子。
图14 驱动轴的断裂面，显示疲劳引起的故障。（R-棘轮标记，II-阶段II疲劳生长，III-阶段III疲劳生长，F-快速骨折）
4.3显微镜检查
诸如驱动轴的部件通常显示出比车辆的寿命大得多的疲劳寿命。这表明疲劳过程主要由裂纹发生过程控制而不是裂纹扩展过程。因此，这些部件的故障与异常高应力，降低了疲劳裂纹（例如脱碳）开始的材料强度或消除裂纹开始阶段的某些形式的缺陷有关。
在这种情况下，驱动轴表面的刻痕已经有效地消除了疲劳裂纹过程的开始阶段。图15所示为垂直驱动轴的刻痕部分截取的纵截面的显微照片。可以看出许多疲劳裂纹从刻痕中延伸出来。
图15 通过驱动轴的刻痕区域获得的纵向显微照片（未刻蚀）
4.4结论
驱动轴的疲劳裂纹已经被发现从表面的刻痕开始。在
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