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车用塑料零件失效分析概论
随着乘用车的产销量快速增长,在车辆的生产、使用等环节,会出现各种各样的零件失效情况,其中包括塑料零件.特别是由于汽车轻量化发展趋势,以塑代钢的零件越来越多,对塑料件的要求也随之越来越高.因此,对该类失效件的分析势必会增多,难度也更大.对失效的塑料件进行系统、有效的分析,并找出失效的真正原因、制定正确的措施,是避免失效再次发生、解决客户抱怨的必要手段.本文将对车用塑料零件的失效分析方法、失效可能原因及分析工具进行探讨.
塑料零件失效的可能原因主要分为3类：材料原因、零件生产工艺原因以及使用环境原因.
材料原因分类及分析工具
其一,材料种类选择错误,即零件设计选材不当,可能是材料强度、耐某种介质、耐温等不能满足使用要求.分析手段包括：机械性能测试、耐介质存放测试、高低温存放等.比如,摇窗机缓冲块开裂,通过分析零件使用环境,发现该零件会接触到摇窗机用润滑油脂,而该缓冲块并不耐该油脂,从而出现膨胀、强度下降、导致最后开裂.
其二,零件未使用规定的材料,即批量零件使用的材料与认证阶段的材料不一致.这可以从3个方面进行分析,即基材、填料、添加剂.基材的分析工具包括：IR、DSC；填料的分析工具包括：TGA、灰分测试；添加剂的分析工具包括：GC、HPLC、OIT.比如,在某车门护板发白缺陷分析中,首先分析零件表面发白物质是什么,由于析出比较明显,可以使用FT-IR进行直接测试,得到发白表面的FT-IR图谱,然后对图谱进行解析,而发白表面的FT-IR图谱显示是某一类型的抗氧剂,因此可以判断表面发白物质是来自基材中的抗氧剂.找到了发白原因,也就明确了整改方向,需要调整基材配方中的抗氧体系种类及含量,确保不出现抗氧剂出现过量.
零件生产工艺原因分类及分析手段
工艺不良主要体现在3个方面：烘料工艺不良、注塑工艺不良、模具温度不合理.
烘料工艺不良主要是指未采用合理的烘料工艺.如果烘料过度,则会导致零件变色；而烘料不足,材料中的水分未充分挥发,则可能会导致零件出现孔洞或材料出现水解等,从而使零件机械性能、耐热性能等下降.主要分析工具包括：目视、光学显微镜、氧化诱导时间、GC、HPLC、IR.
注塑工艺不良主要包括不合理的注塑温度、速度、压力或时间.如注塑温度高,则可能导致材料降解,从而零件强度下降,高的注射速度可能会导致材料降解,如背压不足则可能导致缩孔.主要分析工具包括：光学显微镜、OIT、流变仪、GC、HPLC、IR.
模具温度不合理是指在注塑过程中模具表面温度过高或过低.模具温度过高可能导致零件内部出现孔洞；而模具温度过低有可能导致零件表面出现流痕.主要分析工具包括：目视、光学显微镜、X射线、工业CT等.
使用环境原因及主要分析工具
使用环境对零部件的影响主要包括化学介质腐蚀、热冲击、光照射以及机械负载.
化学介质腐蚀可能导致零件出现膨胀、材料降解或应力开裂；化学介质分子深入高分子材料内部,会破坏大分子之间的次价键,与大分子发生溶剂化作用,导致高聚物溶胀、软化,使强度显著降低.
热冲击可能导致材料降解,因为在高温状态下,高分子链段运动加剧,一旦超过化学键的离解能,就会引起高分子链段的热降解或基团脱落.在分析过程中,可以通过TGA测试分解温度,也可以通过流变仪测试分子量情况,来判断材料是否出现降解现象.主要分析工具包括：光学显微镜、OIT、流变仪、GC、HPLC、IR、DSC.
光照射会导致零部件表面变色、失去光泽、出现银纹、侵蚀、龟裂、也可能导致拉伸强度、断裂强度、伸长性等性能下降.粉化、甚至出现开裂.光照后出现这些问题的原因是太阳光紫外线具有打断聚合物化学键的能量,从而发生光氧化降解反应.主要分析工具包括：目视、OIT、流变仪、HPLC、IR、DSC.
机械负载导致零件出现失效,主要表现为零部件在使用过程中出现过载开裂或断裂,该类失效模式通常采用光学显微镜进行断面观察进行判断.主要分析工具包括：REM、EDX.案例分析
某车型外后视镜自动折叠功能失效,经过拆解发现该零件电机内部齿轮失效,失效模式为牙齿部位局部被压溃（见图1）.
齿轮失效部位呈现塑性变形（见图2）,可以初步判断牙齿部位强度不能承受所受压力,从而导致被压溃.接下来就是通过分析来验证这种判断.
首先,需要分析齿轮材料,该齿轮材料设计为PA66+CF20,该材料的强度及模量都很高.通过傅立叶红外光谱及DSC分析结果,发现该齿轮材料为PA66,并含有碳纤维,无异常.
通过TGA测试,发现失效齿轮不同部位的碳纤维含量有很大差别,失效的牙齿部位碳纤维含量偏低,只有大约1.6%,远低于设计要求的20%碳纤维含量；牙齿根部碳纤维含量达到17.9%,满足设计要求.
同时,通过扫描电镜SEM照片,同样可以看出牙齿部位的碳纤维含量稀少,而牙齿根部的碳纤维含量较多,进一步印证的TGA测试结果.
对比某公司PA66含碳纤维及不含碳纤维的机械性能发现,拉伸强度及拉伸模量相差很大,含20%碳纤维的PA66拉伸模量可以达到17 GPa,而不含碳纤维只有8.7 GPa,前者是后者的近两倍.因此零件的失效原因已经比较明确,即牙齿部位的碳纤维含量偏低,导致该部位能承受的强度下降,不能抵抗所承受的冲击力,从而导致被压溃.这就验证的初始推测.
该案例先通过光学显微镜观察失效区域,初步判断失效模式,并推测出可能原因是材料强度不够导致失效.因此,针对材料方面的原因,使用了FT-IF、DSC、TGA等分析工具,同时辅以扫描电镜,以进行相互印证,最终找到齿轮失效的真正原因.
结语
车用塑料零件失效模式非常复杂,需要丰富的分析经验去初步判断失效原因,同时需要结合合适的分析手段进行验证,最终还需要通过相关的模拟实验复现失效现象.只有通过这一系列严谨的分析验证才能找到零件失效的真正原因,为后续的整改优化提供正确的方向.
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