1.2.4 汽车零部件失效模式的系统性

失效模式是指失效的外在宏观表现形式和过程规律，一般可理解为失效的性质和类型。失效分析技术则是分析失效模式，查找和判定失效原因或条件，提出改进措施的活动。

对于汽车技术来讲，由于其结构功能及使用工况的复杂性，导致其机械系统及构件的失效模式的条件相关性、多样性和复杂性。而且由于其规模化的开发、生产和应用，多年来在行业及相关产业内积累了数以万计的失效分析（废品分析）案例，它们从不同的技术方面和角度表现汽车技术的特性。其中，各个相关企业都用相同或不同的方式积累和管理着这些案例，而积累、管理的目的是为了借鉴和应用。但我们应该关注到企业里的失效分析工程师如何应用这些积累下来的文件，如何用其不断地提高自己的分析技术，答案应该是进行必要的系统性归纳整理，建立汽车失效模式分析技术体系，实际上就是能够系统性地认识失效模式。这个体系应该是由各种失效模式及其发生原理、发展过程条件、演变规律而组成的，并应建立各种基本的技术理念和合理的认知思维方式。

1.失效模式的多样性

金属构件的失效模式类型主要有断裂（开裂）、摩擦磨损、变形和腐蚀，通常我们接触最多的和比较复杂的主要是前两大类。而对于汽车零部件失效的最大特点则是失效模式的多样性，这其中表达的是失效要素和条件的多样性、随机性和复杂性。

图1-8给出了一组某曲轴连杆颈疲劳断裂的发生和发展过程，期间从轴颈的腐蚀逐渐过渡到表面的摩擦磨损，又因表面层摩擦热组织转变而发生淬火层延迟开裂，最终转换为轴颈和曲柄的疲劳断裂。这是一个包含多种失效模式相互转换的典型案例，它表达了机械系统或零部件工作环境、条件或状态的波动和变化的特性。这种变换可以分为两类，一类是条件或要素的发展性变换，性质是逐步地由量变到质变；另一类是相关要素的突变，比如常见的工况和载荷性质的变换。在失效分析过程中需要予以充分地考虑和认知。

图1-9给出了一组商用车驱动桥半轴的典型疲劳失效模式，而实际上半轴的失效模式远不止图中所列。半轴的主要功能是传递转矩载荷，杆部为典型的扭转杆，但两端的花键和法兰盘为不同的联轴器结构。而决定半轴失效模式的要素和条件包括强度匹配、表面状态、半轴的结构、工况及应力应变条件等，故在不同部位会表现出多种形式的疲劳断裂模式，也包括脆性断裂和疲劳断裂等，具体表述见表1-1所述。

上述的结构件疲劳开裂模型的多样性可以表达为如下技术特性：

1）失效模式的多样性的根本影响或决定性要素是失效条件，它包括机械系统内在的关系和状态、零件的结构及其力学模型、强度匹配和外界环境条件或工况等。

2）也可以说失效模式表达了失效的条件和过程，但这种表达有显性的，也有隐性的，需要大量的实践积累、建立模型和逻辑推理。例如，半轴的法兰盘旋转弯曲疲劳断裂问题。

3）失效模式具有转换特性，实际上也是影响要素的变化所致，可以有两种类型。

其一是要素的量变到质变的性质，比如表面磨损损伤诱发疲劳裂纹源；

其二是环境条件突变，比如台架试验规范中载荷或工作状态的变化，失效可能会表现出对某种规定或确定状态的敏感性。

4）多样性表现出的是矛盾的特殊性，也是我们区分和认知特殊失效模式要素的条件。比如半轴载荷扭转状态下，表面强度从低到高的变化过程中会表现出横向剪切向纵向剪切开裂的演变过程，但如果在表面淬火层绝对失去塑性能力条件下，将只能发生正应力疲劳。其中表达出横向剪切和纵向剪切并不是同一个剪切应力体系，而失去塑性变形能力的组织将不发生剪切疲劳开裂。

2.失效模式的必然性表达

必然性是指事物发展、变化中不可避免和确定无疑的趋势，偶然性是指事物联系和发展中不确定的趋向。必然性是由事物的本质决定的，认识事物的必然性就是认识事物的本质。而从不同的视角看待具体的“失效模式或现象”，也可以表现或表达出“必然性”的属性。在偶然性和必然性之间其实是从不同的层面、层次上看待和理解问题。

图1-10为一组经典的旋转弯曲疲劳断口模型的示意图，分别为单源性疲劳断口和多源性疲劳断口，图1-11为某齿轮轴的旋转弯扭结合的多源性疲劳断口。与多源的疲劳断口比较，单源断口表现出了某种“偶然性”或不确定性，即该裂纹源如果不是偶然出现，则该疲劳开裂不会发生；但是对于多源性疲劳模型来讲，在大量的疲劳源中已经无所谓某几个源的产生与否，即使某个不发生也会有新出现的补充，该性质断裂的发生具有确定的“必然性”属性。比照疲劳性能的数据分布曲线图（图1-12），多源疲劳相当于高应力阶段的正态分布样品组，单源疲劳模式则相当于低应力阶段的威布尔数据分布样品组，具有更多的偶然性。因此可以认为所谓的疲劳开裂的必然性所表达的敏感性要素，应该是“高应力水平”，而且应该认为这是具有普遍性规律的。

另外，图1-13中齿轮的多个相邻轮齿同时发生了形态相同的疲劳断齿现象，图1-14的拨叉在同组试验中相继发生形态相同的疲劳断裂，这两组样品均可等效地被认为属于多源性疲劳开裂的样品，导致这种开裂模式的影响要素，同样被认为是对高应力的敏感性。同样图1-15为一组某气泵泵轴的小批量低应力旋转弯曲疲劳断裂现象，但从“必然性”分析认知理念上讲，也可以归结为“多源性疲劳”敏感属性。图1-16给出了典型的不同种类缺陷构成应力集中而诱发疲劳开裂的案例组，每一个案例就个案讲都是具有偶然性的，但综合归纳起来从另外一个理念层次上讲，或是就应力集中结构特性讲，均具有“必然性”，而且同样是表达了对高应力的敏感性。

汽车金属零部件的失效，特别是断裂失效的数量非常大，模式多样且影响因素复杂。因此，在失效模式与影响要素之间归纳、建立起来具有必然性的关系至关重要，这才能为合理地观察分析问题提供必要的技术支持。

1）多源性疲劳断口作为一种失效模型，其中每一个单个裂纹源都是独立萌生的。众多裂纹源构成了一组寿命随机、标准差很小的疲劳样本组，其疲劳应力应该处于高水平状态，从而表达出开裂的必然性。

2）而各种偶发或小批量断裂失效事件，实际上也是机械系统技术状态波动的一种表达，属于非稳定性要素，对其失效模式进行系统性归类比较、综合归纳，同样可以看作多源性的疲劳样本。

3）建立多源性或是“集合型”的失效模式与“必然性”之间的关联关系，实际上其核心理念是表达“失效模式第一”的理念，这种失效模式是以宏观的、结构性的、运行及环境条件为主体的。而对于各种断裂、变形失效则强调“力学模型第一”，力学模型决定了相关的失效模式，是最活跃的要素。而且相关的力学条件是非常宽泛的，包括系统及结构件的结构和运行条件及状态等诸多方面。但是，很多异常力学模型是隐性的，需要通过失效模式来分析推论，这需要长时间和大量的案例来积累、整理和归纳。

3.失效模式系统的层次性

失效模式系统是一个矩阵式的非线性的交互体系，层次性是该系统的一种基本特征。而这种技术上的层次包括各种宏观和微观的形态，以及逐步建立的一些应用理论、技术理念和认知思维方式等。而且，技术理念性的层级往往具有概括性、主导性的高层级技术属性，用以统领失效分析的主体思路。但也需要强调，这种技术体系并不是一成不变的，是在实践和认知中不断迭代更新的。

图1-17为一组输出齿轮的组合疲劳失效模式。图中失效性质分别为接触疲劳剥落（图1-17a）、齿顶疲劳压溃（图1-17b）和轮齿弯曲疲劳（图1-17c），分属于三种不同类型的疲劳失效模式，有着各自不同的失效机理和形态，这是属于失效机理和轮齿结构力学两个技术层面的。但在实际分析和解决问题的过程中，应该关注到另外一个具有共性的失效模式形态，那就是偏载问题，所有的失效均偏向轮齿的一端，而且是固定的一端。在齿轮疲劳失效的体系中，这种表现在交错轴斜齿轮副的主齿轮中共性的失效模式，相比直观的、机理性的失效模型具有更高的层级。它来自于轴齿系统的运行稳定性，及其相关的结构和试验方法问题。对于该类问题首先需要解决的并不是具体的疲劳问题，而是轮齿的偏载问题。如果是整个轮齿均匀的载荷对应失效，则需要另外分析对待。

从上述案例中可以看出，失效模式体系中多元化交互的构架模式，具有不同层面的表现形式，而其中共性的，或是带有普遍性的模型表达具有高层级，需要归纳和重点关注。

圣维南原理指出，点载荷（单点或多点）作用在物体上，分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的载荷所引起的物体中的应力，在离载荷作用区稍远的地方，基本上只同载荷的合力和合力矩有关；点载荷的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布（图1-18）。该原理提出了弹性力学中的一个力学局部效应结构问题，即关注载荷点附近的应力不均匀性分布及其作用，就是说可以发生与这种结构相关的开裂失效，这是我们关注该原理的核心之处。在汽车的结构件关系中，与其相关的结构是大量存在的，诸如常见的铆接、螺接、点焊接等，实际上包括销轴及花键连接等，也均可以等效为这种结构。

作为一种典型的结构形态，圣维南结构效应引出并涵盖了一大类的系统性失效模型。下面以图1-19和图1-20为例，引用一些钢板支架或支撑类且为螺栓锁紧连接结构的失效模式，来说明这种失效模式的系统性构成。

图1-19中板类零件的疲劳开裂裂纹源均发生在螺栓或是垫片压紧接触的根部，该部位的疲劳应该属于典型的圣维南原理结构失效模式，发生在疲劳应力分布的最大部位。而且，这种失效模式也说明螺栓锁紧功能处于稳定状态。这类失效大多是支架结构件或是支撑结构。而在载荷性质层面，大多属于机械振动或是惯性载荷性质，疲劳开裂的影响要素主要是结构与载荷之间的适应性问题，更多是相关要素的状态异常。

在疲劳断口层面，可以看到这类疲劳断口中经常性地表现出双向弯曲疲劳属性，其中双向弯曲应力固然存在，但对于塑性非常良好的薄板类结构件，会出现“刚性不对称”结构的现象，即单侧的裂纹首先开裂，裂纹扩展后的板材减薄会使该侧面的刚度明显降低，应力下降，加上低碳钢对应力集中不太敏感，则裂纹扩展速率降低；但反面的刚性不变，会接续地萌生裂纹而发生双向弯曲疲劳。

图1-20中结构件的疲劳开裂形式不同于图1-19的开裂情况，裂纹源均发生在螺栓孔的内孔边缘棱角处，属于“开放”形式。这种失效模型，究其总体结构模型讲，同样属于圣维南原理结构失效模式，但其附加了另一种结构模型，或可被称为“压边不稳”问题。而压边不稳可以包括两种情况，其一是螺母松动带来的锁紧结构失稳，其二是中厚板的情况（板厚相当于压边的尺寸）。总之是这些部位的应力分布变异，最大应力出现在螺孔的边缘处。但作为载荷来源，除去螺栓松动外，同样需要关注载荷性质的异常问题，而且后者的影响往往更大。

综上所述，对于各种失效模式的分析应该不仅仅是失效的性质，还要对失效模式进行详细解读，这种解读来自于多方面的技术要素，而且是在不同的层面上展开的。比如回答失效为什么是这个部位？为什么是这种表现形式？

例如，圣维南结构原理范围非常宽泛，涉及失效模式远不止这些，应该作为结构件断裂失效的一个大的类型、模式分析系统的一个层次或一种理念存在。其结构原理是应力分布的不均匀性，因而构成了断裂为主体的失效模式的重点区域或部位，是以一种特定的结构力学模型决定了失效模式。在这个模型系统中相互的关联又有区别，但作为指导性的分析理念和关注点是类同的。而作为螺栓连接或支撑的零件，究竟开裂是发生在螺孔内或外，则分别与构件的厚度或螺栓结构的稳定性有关，这个层次的要素决定了开裂的具体模型。再有就是载荷的形式等作为一个层面需要考虑，其性质可能来自于机械振动、惯性冲击或其他某种异常的载荷，而且各种力学模型或力学条件的异常是构成这类失效的主要原因。

构成失效模式体系矩阵式模型中各种要素的主线、层次均是相对的，比如在归纳、考虑结构稳定性要素时，作为一个层面（或是一条主线），其所涉及模型也是相当宽泛的。例如，图1-17中的几种失效模式同样来自于机械结构系统的“结构稳定性”问题，这同样也属于抽象及概括性的、具有较高级别的技术理念范畴。实际上对于结构件的各种断裂（开裂）分析，包括失效分析和废品分析，“力学要素第一”是一个基本的理念，涉及面很广，包括各种相关的应力应变场，构件的力学条件、机械系统的内外状态等，表现出多维技术属性，为最高的理念层级，而这个层面分析的基础就是错综复杂的综合性失效模式。

在汽车零部件失效分析这个庞大及综合性的失效分析系统中，一些基本的或是高层级的技术理念来自于大量的实践认知及归纳，同时也主导着各种具体分析工作，成为我们看待问题的基本思路或认知方式，并在实践中不断地完善和提高。这也是遵循了钟群鹏院士提倡的失效分析技术的“先系统，后部分；先宏观，后微观；先综合，后分析”的理念。