汽車零部件疲勞斷裂失效及其機理分析

摘 要：在當前我國經濟發展的新形勢下，汽車領域的研究創造工作也在不斷發展。汽車作為全球范圍內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定性。其中，金屬零部件作為汽車的一個重要組成部分，應該從現實出發，進一步對其全方位控制，從而在潛移默化的過程中，使加工生產的質量真正得到保障。與此同時，汽車零部件的疲勞斷裂破壞將對汽車質量產生很大影響。因此，當前汽車研究工作應著重對金屬零件的斷裂破壞特點和規律進行合理分析，已為汽車安全行駛工作做好充足的準備，并幫助我國汽車研究工作進一步拓展和延伸?；诖?，本文將針對汽車零部件疲勞斷裂失效及其機理加以探索分析。

關鍵詞：汽車零部件 疲勞斷裂失效 機理分析

近些年來，汽車金屬件斷裂故障占據大量的汽車質量評估案例，這主要是由于零部件斷裂失效對汽車的危害方式最為嚴重，一旦出現便有可能造成重大的經濟損失、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和規律，確定其產生的原因，從而為相關部門的行政執法工作提供理論基礎。同時，汽車零件在疲勞斷裂失效過程中，還將產生相應的配對斷裂面，稱為“斷口”，通常出現在材料的最弱處，真實記錄從裂紋萌生、擴展到開裂的整個過程。因此，需要進一步以斷口為切入點，從微觀形貌、微觀結構、力學性能等方面入手，針對零件的力學狀況、使用環境等因素進行判定，揭示其斷裂破壞的特點和規律，尋找其產生的原因，最終可以給出科學、公平的汽車零部件疲勞斷裂失效機理分析報告。

1 定義與特點

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

與此同時，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相當普遍的問題，其產生結果不但造成許多的交通事故，而且還將產生安全隱患問題。因此，需要相關研究人員針對現實情況進行合理分析，找出其發展規律，為接下來的應對之策打下基礎。當一根固定螺釘出現斷裂故障時，首先要對其進行觀測，并對花紋及圓弧進行分析。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。當裂紋擴大到一定程度后，便將出現斷裂。

對于汽車疲勞斷裂失效的特點，可以從三個方面加以闡述。即危害性大，疲勞斷裂失效通常發生在沒有預兆的情況下，駕駛員在該情況發生時沒法進行預知和判斷，因此將有可能導致十分嚴重的安全事故；受交變力作用。具體來說，汽車零部件所承受的載荷是循環動態的交變載荷，是導致疲勞斷裂的主要原因；斷裂前無明顯變形特點，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致汽車事故的案例中，可以發現零部件中的一根固定螺栓出現裂紋情況（如圖1所示），可以從中十分明顯看到“貝殼形”，也就是疲勞弧。通過用掃描電鏡進行顯微觀測，發現明顯的疲勞裂紋。同時，裂紋起自螺紋根表面，亞表層小面積，表現為貫穿式的多重裂紋。在廣展范圍表現為疲勞紋—凹坑交互作用的復合型裂紋，表明裂紋尖端呈斷續擴展狀態，在瞬斷區斷口呈韌窩型斷裂（如圖2所示）。綜合以上分析，可以判定該螺栓在較低負荷條件下發生的高應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非均勻滑移、非金屬夾雜以及材料內部應力集中狀況，都將導致汽車零部件疲勞裂紋產生。

通常情況下，汽車零部件經過一段時間的應力強化，材料內部將產生局部的損傷和孔洞，這是所有汽車都無法避免的，將使材料內部產生一條或多條滑移線，且呈現不均勻的規律。在疲勞荷載的作用下，原滑移線滑移量增大，同時新滑移線常在原滑移線附近形成滑移帶。在此基礎上，滑移帶將逐漸變寬、變深，并在表層形成擠出區及擠入槽。擠壓溝槽的出現，是產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域，也都有可能出現非均勻滑移情況，并最終形成裂紋[2]。

2.2 疲勞裂紋的擴展階段

當應力集中不存在時，裂紋擴展可以劃分為兩個階段。

對于第一階段來說，主要是基于交變應力的作用，導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，并沿最大剪切應力方向（與主應變方向）40°。對于第二階段來說，當裂紋擴展到一定程度時，其方向將發生一定程度的變化，并沿垂直于正應力的方向發展。在此過程中，裂紋以穿晶方式擴展，且速度很快，其全過程表現為滑移—細觀裂紋生成—細觀裂紋貫通—宏觀裂紋擴展，最后零部件疲勞斷裂失效情況的產生。

2.3 最終斷裂階段

當疲勞裂紋擴展到一定程度時，汽車零部件的剩余截面積便將無法承受外加應力，導致最終出現斷裂情況。通常情況下，最終斷裂都發生在很短的時間內，并且斷口呈現脆性斷裂的特征。斷裂調查時，斷裂面形貌和微觀結構可以提供有關疲勞斷裂過程的相關信息。

3 汽車零部件疲勞斷裂失效產生的主要原因

3.1 相關設計制造因素所引起的影響

汽車零部件出現疲勞失效的原因，如果其設計沒有達到標準化設計要求，便有可能在結構上出現一些有問題的缺陷，如零部件對應承載過渡半徑太小，而對應的臺階部分和鍵槽部分也將承受過多的預應力，有可能造成疲勞斷裂失效情況。

與此同時，在有關零部件的生產加工中，還有可能存在工藝技術水平和能力不足的問題，致使最終產品零件有一定的損壞或功能缺陷。例如，加工質量不高、產品表面粗糙、表面有細微劃痕、材料中含有一些雜質等[3]。

3.2 在具體運行維修過程中所產生的影響

（1）當汽車在實際行駛過程時，如果其出現違規使用的現象，例如超載、超負荷運行等，都將導致汽車的零部件長期處于過高壓力之下，從而導致出現一些初期的疲勞情況，初步形成一定程度上的裂紋，若沒有及時發現并加以處理，便將逐漸加快疲勞裂紋的發展，使所用零件出現不同程度的裂紋延伸。

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

（3）汽車駕駛員沒有進行及時、有效的維護和維修工作，將導致車輛的整體運行狀態逐漸降低，因此將很有可能出現卡缸爆缸、爆油和對應的零件卡滯等問題，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）在具體的維護建設過程中，維修人員常常忽略零件疲勞斷裂的檢查，從而導致對存在故障或損壞較大的部件沒有及時檢修和替換，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）當開展汽車零件檢查和維修工作時，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，進而對零件疲勞強度產生不同程度的影響。

（6）當進行汽車拆卸和運輸工作時，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生被擠壓碰撞的情況，進而造成整體零件出現不同程度的損壞，進而引起某些類型出現疲勞斷裂隱患[4]。

4 汽車零部件疲勞斷裂失效預防措施

4.1 強化材料選擇工作

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化零部件的材料選擇工作，從硬度高、精度準的角度出發，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，選用高疲勞強度的材料。具體而言，汽車制造廠商應該優先選用高強度、高韌性的金屬材料，如高強度鋼、鈦合金等，有助于提高零部件的疲勞強度。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生的原因，需要著重選擇具有細小、均勻晶粒性質的材料，以減少疲勞裂紋的萌生和擴展。同時，還應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[5-6]。

4.2 精確化汽車零部件設計方案

汽車零部件方案的設計也十分重要，需要制造廠商緊密結合自身經濟發展的實際情況，同時針對當前出現概率較大的零部件疲勞斷裂失效原因，充分制定出科學、合理、精確的設計方案。

在設計方案中，應該著重優化結構設計，主要是避免尖角、孔洞和突變截面等應力集中部位，能夠采用圓角、光滑過渡和合理的截面形狀，從而不斷降低應力集中系數的情況，以起到減少疲勞裂紋萌生的作用。同時，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能夠均勻受力。

除此之外，伴隨當前我國在相關領域研究工作的不斷創新，還可以進行相應的疲勞壽命預測工作，主要是依托新型技術手段以及工具，利用先進的疲勞壽命預測技術，從而對關鍵零部件進行疲勞壽命評估，以便及早發現潛在問題并加以優化，進一步加強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量。在此過程中，生產廠家與相關工作人員需要采用先進的加工工藝和設備，能夠確保零部件的加工精度和表面質量達到設計要求，以實現控制表面粗糙度的嚴格控制，避免過大的表面缺陷和劃痕，進而切實起到減少應力集中和疲勞裂紋產生的作用[7]。

其次，優化熱處理工藝。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，細化晶粒、消除內應力和提高材料的綜合力學性能。同時，強調熱處理過程中的溫度控制和冷卻速度，避免產生過大的熱應力和組織缺陷[8]。

最后，加強焊接質量控制。主要是對焊接接頭進行嚴格的質量檢查，采用合理的焊接工藝和參數，避免產生焊接缺陷和應力集中，確保焊縫質量符合要求。

4.4 開展使用和維護工作

對于駕駛員來說，在汽車行駛時必須正確操作規程使用，能夠充分遵循汽車制造商的使用說明和操作規程，避免超載、超速、急加速、急剎車等不良操作習慣，當面對惡劣路況時，應控制車速，避免零部件受到過大的沖擊和振動。與此同時，定期檢查易疲勞斷裂零件的工作情況，如曲軸、半軸、轉向節等，一旦發現異常應立即更換或維修。

除此之外，定期開展優良的維護工作也十分重要。對此，為保持發動機良好的工作狀態，應定期更換機油和濾清器，保持發動機的良好潤滑和清潔，避免其長時間在高溫、高負荷下工作，以減少酸、堿、鹽等腐蝕介質的生成，防止零件受到腐蝕與疲勞的聯合作用，針對易疲勞斷裂的零件進行定期檢查和無損探傷，及時發現并處理其中存在的潛在問題。

5 結論

綜上所述，伴隨當前我國新階段社會與經濟的不斷發展，人們對車輛的需求越來越大，而對于汽車的安全性、穩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較為普遍的問題。因此，為切實避免汽車出現事故問題，需要運用科學的方法對其加以判斷和分析，從大量的相關事故中深層次剖析，明確汽車零部件疲勞斷裂失效的機理，并從多角度開展預防工作，為我國汽車質量、預防事故、提高汽車安全水平等都提供良好的保障。

基金項目：2023年重慶市汽車輕量化工程技術研究中心項目；項目負責人：周佳；項目代號：011904.05。

參考文獻：

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[3]陳曉靜，黑中壘，王敏.應用體積元模型汽車零件加工過程邊部裂紋分析[J].機械設計與制造，2023（11）：93-96.

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