材料疲劳损伤（力电耦合）

问题描述

起动器作为汽车发动机的核心配件，主要由继电器和电动机两部分组成，如下图所示；近来从继电器厂家了解到触头在使用过程中经常出现烧蚀现象，疲労寿命不能达到预期要求；本推文对触点失效的原因进行归纳汇总，与此同时调研了国内外实验研究的方法及相关设备，为定量化研究触片损伤行为做铺垫，具体内容如下：

图a表述为汽车发动机起动器整体外观示意图，图b表述为起动器内部结构图，主要有继电器和驱动电机两部分组成；图c表述为某型号起动器继电器结构示意图；图d表述为继电器关键元件（触片），作为弱电与强电之间的接口；图e表述为触片材料失效后的实物图。

01触片破坏模式

触片工作过程中，电接触的部位会由于局部的瞬间高温会产生熔焊现象，从而会导致电接触部位的烧蚀和粘连，影响电磁开关的寿命，具体如下所示：

a. 触片工作状态示意图；b. 触片工作过程电弧的产生：触片工作过程中涉及结构在通电状态下的接触与分离，经常伴有电弧的产生，使得接触区域（时间尺度很小）产生高温，材料呈现烧蚀破坏模式；c. 接触区域产热微观示意图：触片处于通路状态下，电流流经触点，呈现发热现象，因此，触点设计过程中需要进行结构和材料（材料需要具有较低的电阻率）两方面的优化，使之具有较低的导通电阻；d. 触点失效后的微观形貌。

附录：补充材料

附1、触头材料选择以及研究现状？

当前行业内常用触头材质包括以下三种：银氧化镉、银镍合金和银氧化锡。其中银氧化镉使用最为广泛，其氧化镉在高温下分解、挥发，改善了触头的灭弧能力，从而具有较好的电气性能；银镍合金接触电阻低，但通断过程中产生的氧化物会增高接触电阻，大电流下抗熔焊性能较差；银氧化锡虽内阻较大，但抗熔焊性以及耐电弧性较好。

附2、触片疲劳寿命实验研究现状？

电触头材料生产企业一般不具有电性能测试设备，只进行静态物理性能测试以及简单的化学成分分析等相关实验；实际应用中一般采用装机试验的方式进行材料的电性能评定，该方法主要的弊端有：1、无法定量的研究闭合接触压力、分断力、分断初始速度、环境气氛压力及触头间距等影响因素与触头寿命之间的关联；2、延长了触头材料的研发周期；3、实际装机实验中多因素耦合到一起，试验结果重复性不好，可靠性不高；4、无法检测出熔焊力、触头温升、材料的电侵蚀量等重要的参数。

图a表述为美国AMI-DODUCO设计的触头融焊测试系统，通过杠杆结构，采用两个继电器实现触头的开关；图b表述为日本静冈大学设计方案；图c表述为法国雷恩第一大学设计的融焊测试系统，采用PZT驱动产生微小位移，能够研究触头弹跳等行为；图d表述维也纳技术大学设计方案，采用压力驱动提供大位移，基于PZT驱动产生微小位移。

附3、个人理解：1、技术是一切的核心，能够具体解决实际问题显得及其关键；2、技术是相通的，很多复杂的问题最后都归引到几个关键点上（近来一直做数据采集相关的内容，很多东西还需深化）；3、企业需求技术、高校想要寻求资本，多方协调、资源共享也是很不错的一件事情~