材料延寿与可持续发展--汽车材料和典型零件失效分析与延寿

《汽车材料和典型零件失效分析与延寿》一书全面介绍了汽车材料和零部件的失效分析技术和预防措施。

 

书中许多案例是作者实际经验的总结和提升，将会给读者解决汽车零部件失效问题提供全新的思路和有益的借鉴

 

本书全面介绍了汽车材料和零部件的失效分析技术和预防措施。重点介绍了汽车典型零件和系统的腐蚀失效特点和预防措施,包括汽车腐蚀磨损形式以及预防措施,汽车金属材料的腐蚀失效形式与预防,汽车镀层板腐蚀特点以及腐蚀措施,汽车排气系统的热端和冷端失效的评价方法和防腐性能提升的措施等。书中许多案例是作者实际经验的总结和提升,将会给读者解决汽车零部件失效问题提供全新的思路和有益的借鉴。本书可供从事汽车材料应用的科研、技术开发和零件制造的技术人员、管理人员阅读,也可供工科学校相关师生参考。

总前言

 

我国改革开放三十多年来, 材料的研究、开发、应用有了快速的发展,水泥、钢铁、有色金属、稀土材料、织物等许多材料的产量多年居世界第一,我国已经成为世界上材料的生产、销售和消费大国, 支撑着“中国制造” 的产品遍布世界、“中国建造” 的重大工程建设项目遍布全国, 促进了国家GDP连续高速发展, 中国已经成为世界上第二经济大国。但是, 我国还不是材料强国, 我国的材料多处于中、低档水平, 支撑起来的“中国制造” 的产品水平不高、价格太低、缘名牌; “中国建造” 的重大工程中的主要结构件、专用件、关键件和重要件许多还依赖进口; 我国在材料的选用、材料制成品的设计、加工、制造和材料保护等方面与先进国家相比还存在较大差距,导致材料制成品在制造环境、运行环境和自然环境的侵蚀下, 容易出现腐蚀、摩擦磨损磨蚀、断裂(疲劳), 引发“中国制造” 的产品和“中国建造” 的重

 

大工程项目出现种种问题。

 

材料寿命是人类所用材料的核心。材料性能优良, 质量稳定, 使用安全、可靠、经济, 是材料寿命的前提; 没有使用安全、可靠、经济, 就谈不上使用寿命。材料寿命的延长表达了上述性能的全面提升; 材料延寿, 就是提高材料制成品使用的可靠性、安全性、经济性和耐久性, 就是延长材料制成品的使用寿命, 就是节约了资源、能源、实施了低碳经济、减少了环境污染、支持了人类可持续发展。

 

我国建国以来材料研究取得了显著的成绩, 在满足经济建设需求的同时,一大批材料研究、材料应用研究、材料加工研究和材料保护研究相继发展壮大起来, 并为材料及其制成品的使用可靠性、安全性、经济性和耐久性做了大量的工作, 积累了丰富的理论和实践经验, 在材料全生命周期中凝炼出一些重要的原则、技术和措施。

 

“材料延寿与可持续发展” 有两方面的工作: 一是总结过去。总结系统控制材料提前损伤、提前破坏和提前失效的因素的理论、原则、技术和措施,使各个行业的产品设计师, 制造、使用和管理工程师有所启示、有所参考、有所作为、有所贡献; 尽可能地延长材料的使用寿命, 提高材料制成品的可靠性、安全性、经济性和耐久性。这项工作实质上是针对过去与现在, 总结现有成果, 及早服务于国家建设。

 

二是研究未来。面对未来, 材料的优质化、高性能化、高强化、长寿命化, 多品质、多规格化、标准化、传统材料的综合优化、新材料的不断创新,由此促进我国从“材料生产、销售、消费大国” 转变为“材料强国”。为此,我们组织了“材料延寿与可持续发展” 的战略研究, 在开展大量的调查研究基础上, 从国家长远发展的眼光提出一整套的理论、原则、政策和建议, 促使我国早日成为“材料强国”, 支持国家“节约资源、节能减排”、“可持续发展” 和“保卫地球” 战略。

 

目前, 在中国科协和中国工程院的领导与支持下, 一批材料科学工作者在努力地开展工作, 提出研究报告, 编写并出版发行《材料延寿与可持续发展》系列图书, 供相关方面领导和工作人员参考。

 

希望通过我们的努力, 既能为设计师、制造、使用和管理工程师提高其产品对环境抗力的理论、原则、技术和措施; 又为国家成为“材料强国”, 提出种种设想、原则、措施和政策建议。

 

由于我们水平有限, 不当之处, 敬请批评指正。

 

 

 

中国工程院 院士

 

中国工程院 副院长

 

 

 

 

 

前言

 

自2000年以来, 中国汽车工业发展进入“快车道”, 每年汽车产量几乎全以百分比两位数的速度增长, 并于2003年达到1364万辆, 超过美国, 居世界首位。此后, 多年来中国的汽车产销量一直居世界第一。2013年产量达到2211万辆, 汽车保有量超过1.2亿辆, 汽车工业的主营收入超过6.3万亿元人民币, 利税已接近8.5万亿元人民币。汽车工业已成为中国的支柱产业,汽车与人们日常生活密切相关, 而汽车产业对相关产业的带动作用以及由此产生的汽车文化: 汽车展览、汽车赛事、汽车旅游、汽车的现代科技等, 也是没有任何一个产业可与之相比; 对影响如此之大的一个产业, 其用材和组成零部件的失效分析、预防和延寿自然是人们关注的重大课题。任何一个零件的失效原因的准确分析, 特别是对一些关键零部件的分析, 并提出延寿的措施, 对于体量如此之大的汽车产业, 不是一个单纯的技术问题, 而是将会对整个产业的发展产生深刻的影响, 进而产生巨大的经济效益, 并给一个新车型的发展带来巨大的商机。这正是本书选择这一主题的重要原因所在。

 

早期系统的失效分析工作始于第二次世界大战后人们对自由轮的断裂分析, 由此产生了材料低温韧性的评价参量, 同时也使人们认识到失效分析不仅仅是寻找一个技术问题的解决方式, 同时还涉及相关技术产业的发展和影响产业发展的新的科学问题的产生; 随后美国金属学会组织编写了《金属手册———断口金相与断口图谱》, 该手册的第10卷为失效分析预防, 从而使失效分析成为一门新兴科学。20世纪60年代以后, 这门新兴学科迅速发展,对汽车零件的失效分析和材料的改进展示出了重要的意义。美国的这本手册已经出版到第9版, 足见这一系统的巨著对技术发展所起的重要作用和意义。我国曾于20世纪80年代中期, 由中国机械工程学会材料学会组织编写了《机械产品失效分析丛书》, 该套丛书反映和总结了我国当时的失效分析技术水平、主要成果和经验, 丛书的出版曾对我国失效分析预防工作发挥了重大作用, 为产品质量的提升做出了贡献。

 

《汽车材料和典型零件失效分析与延寿》全面论述了汽车材料和零部件的失效分析技术和预防措施, 全书共分七章。

 

第1章概述了汽车工业发展的趋势、汽车用材(包括高强度钢、先进高强度钢、铝合金、镁合金、复合材料等结构材料) 的新近发展和应用以及孕育中的第三次产业革命对汽车发展趋势的影响(即电动化、智能化和轻量化), 综述了汽车在服役过程中的材料和构件的失效模式和预防失效、延寿的重要意义。

 

腐蚀给国民经济尤其是汽车工业带来的巨大损失, 第2章基于本书编著者承担的中国工程院、国家科技部资助的社会公益项目以及重庆市的国际合作项目所进行的大量的观测, 收集了大量相关数据和试验结果, 展示了车辆材料在潮湿和酸雨的典型环境下的腐蚀研究成果, 并提出了在这类环境中提升材料和构件腐蚀抗力的措施。

 

第3章论述了镀层板的种类、特点、性能、未来的发展趋势, 以及对汽车防腐抗力提升的作用, 并通过大量的应用研究结果, 提出了应用镀层板提升汽车防腐抗力的设计方法。

 

第4章概述了排气系统的零件构成、用材演变和进展。基于排气系统的热端和冷端的失效模式, 尤其是对冷端冷凝腐蚀的研究和分析, 提出了排气系统的热端和冷端失效的评价方法和防腐性能提升的措施。本章由中信金属公司尚成嘉和张伟提出初稿, 编著者根据全书的撰写思路进行了修改和补充。

 

第5章首先论述了金属材料疲劳的特点、疲劳失效和断口特征、疲劳的种类及表征参量, 疲劳的试验方法和数据处理, 试图给读者关于疲劳方面的准确概念, 并概述了影响疲劳的因素和提高疲劳性能的措施。

 

第6章以大量的汽车零部件台架试验和使用中的失效案例的分析论述了汽车零部件的多种失效模式, 多因素的分析和认识方法, 希望能给读者进行汽车典型零部件进行失效分析时一个新的多维的思维; 本章由刘珂军和编著者共同完成。不少案例是实际经验的总结和提升, 可供读者在分析失效原因时进行借鉴。

 

汽车中的摩擦磨损是重要的失效模式之一, 摩擦不仅消耗汽车发动机的有效功, 磨损还会引起零件的早期失效, 第7章首先介绍摩擦磨损的类型、汽车中的典型零件的摩擦磨损失效的案例, 并提出了减少摩擦和降低磨损失效的途径。

 

现代的失效分析是一门新颖的多学科交叉的综合性技术。做好汽车材料和零件的失效分析工作, 涉及机械设计、力学、物理、材料、工艺、管理、材料试验和微观分析等多学科以及多学科交叉的专业知识, 同时还要了解零件的制造历史、服役历史, 准确地找出失效原因并提出预防措施, 是一项系统工程。本书正是本着这一思想对汽车构件的常见的失效方式(腐蚀、疲劳、磨损) 进行论述; 这三种失效模式又相互交叉和联系。因此书中各章也相互渗透, 互有联系, 但针对特定的失效模式, 又自成体系, 可独立阅读! 应该说明, 由于电动化、智能化和轻量化的发展, 汽车电器、电子、电控等技术迅速发展及其在现代汽车上的用量也迅速增加, 失效概率也较前增多, 有关这方面的失效与预防将另有专著论述, 不在本书涉及范围。

 

本书涉及多学科的广泛领域, 限于作者水平, 书中不当之处难免, 热情希望读者加以指正。本书初稿曾承总编委会李金桂研究员审阅, 化学工业出版社责任编辑刘丽宏、段志兵、王清颢为本书的出版付出了许多辛勤劳动,他们所提出的宝贵意见已经采用于书中, 中国工程院为编写此书专门立项并多次召开会议, 给予指导和支持, 编著者在此并致谢意。

 

 

 

编著者