机械零件的失效调查

机械零件的失效调查1、目的：了解常用机械零件的主要失效形式，分析失败的原因；了解防止或延缓常用零件失效的措施；培养观察能力和分析能力，增强感性认识，树立工程意识。2、零件的主要失效形式失效：在规定的工作条件下不能正常的工作叫失效。失效的形式有、A、断裂：占总失效的5%零件在（拉、压、弯曲、扭）负载荷作用下，（材料的强度极限）就有可能发生断裂。（1）疲劳断裂：零件在承受交变载荷是，景观盈利的峰值在抗拉强度甚至在屈服强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂，这种现象成为疲劳。疲劳断裂为脆性断裂。（2）蠕变断裂失效：在高温下工作的零件，当蠕变变形量超过一定的范围时，零件内部产生裂纹，有些材料在断裂前产生颈缩现象。（3）环境坡段失效：在负载和条件下，由于环境因素（例如腐蚀介质）的影响，往往出现低应力下的延缓断裂使零件失效。环境坡段失效应包括应力腐蚀、氢脆、疲劳等。（4）韧性断裂失效：零件承受的载荷大雨材料的屈服强度，断裂前的零件明显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。（5）低温脆性断裂失效：零件在低于其材料的韧脆转变温度以下工作是，其韧性和塑性大大降低并发生脆性断裂而失效。例如：B、过量变形变形（1）过量弹性变形失效：零件由于产生过大的弹性变形而失效，称为弹性变形失效。例如对于受弯扭的轴类零件，其过大变形量会造成零件的严重偏载甚至齿合失常，进而导致传动失效（2）过量塑性变形失效：零件承受的应力超过材料的屈服强度是发生塑性变形，过量的塑性变形会使零件的相对位置发生变化，使整个机器运转不良。（3）蠕变变形失效：受长期固定载荷的零件，在工作中尤其是在高温下发生蠕变（即在应力不变情况下，变形量随时间的延长而增加的现象）。如锅炉、汽轮船、航空发动机及其它热机的零部件，常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。在附载荷的作用下达到材料的强度极限则产生变形。例如：重载轮齿面齿轮的传动，齿面塑性变形。轮齿面在冲击载荷下倒牙。（1）零件的表面破坏：占74%磨损表面物质的转移或丧失表面磨损；牵引齿轮轮承磨损：拖拉机25%论滚钢轨（2）接触疲劳：在接触变应力长期作用下齿面点蚀轴承点蚀（3）腐蚀：在有害介质柴油缸套生锈C表面损伤失效（1）磨损失效：相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面发生损耗或产生塑变，是金属状态和尺寸改变的现象。（2）腐蚀失效：零件暴露于活性介质环境中并于环境介质间发生化学和电化学作用而造成零件表面损耗，引起尺寸、性能变化，导致失效。（3）表面疲劳失效：相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受交变接触应力的作用而导致表面层材料发生疲劳脱落，造成失效。D：正常工作条件破坏引起的失效动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏带传动：过载打滑高速回转零件：共振一般：每一种零件在不同的工作条件下有不同的是失效形式。主要失效形式：磨损、疲劳（点蚀、断裂）、腐蚀一般齿轮的失效形式序号齿轮的失效形式占总失效的百分比1疲劳断齿32.82过载断齿19.53轮齿碎裂4.34轮毂撕裂4.65表面疲劳20.36表面磨损13.27齿面塑性变形5.3齿轮服役后，由于产生变形、齿面磨损或整体损坏等，致使齿轮失去正常功能而失效。齿轮的失效形势很复杂，失效形式多样。如经表而强化的汽车拖拉机齿轮。发生失效的形式有表面疲劳剥落、表面磨损、弯曲疲劳，过载段齿以及换挡齿轮的端面磨损等。齿轮失效类型可以分为四大类，磨损、表面疲劳、塑性变形和折断。每一大类还可细分为几类，进而使分类更加精细和明确辨别特征。分类失效类型磨损轻微磨损中度磨损过度磨损磨粒磨损腐蚀磨损轻微胶合中等胶合破坏性胶合局部胶合表面疲劳早期点蚀破环性点蚀剥落塑性变形碾击塑变磷皱起脊齿面塑变折断疲劳折断过载折断失效的特征、部位及对策损伤特征部位损伤原因对策磨损：齿轮在啮合过程中，轮齿接触表面材料的摩擦损耗现象1.轻微磨损：接触表面上的微凸体逐渐磨平，直至出现非常光滑的表面为止2.中等磨损：节线上下齿面材料都有一定磨损，节线位置3.过度磨损：齿廓形状破坏，磨损率非常高，节线附近有点蚀，传动有噪音和振动。4.磨粒磨损：轮齿接触轮齿接触表面的粗糙度与润滑黏度、齿轮工作速度、工作载荷不匹配。齿轮在边界润滑状态下工作，润滑系统中有小量的污染杂物润滑系统和密封装置不良，系统有严重振动、冲击载荷。齿面间异物引起磨粒磨损，在开式齿轮传动中更此为轻微磨损过程，可适时更换润滑油。提高润滑度粘度、降低油温，加入适当的添加剂，加强油液清洁度管理对污染杂质增设过滤装置，适时更换润滑油改善润滑方式，提高润滑度粘度，提高工作速度，减轻载荷，跑合后注意清表面沿滑动方向有较均匀的条痕，多次摩擦条痕重叠。5.腐蚀磨损：齿面上呈现均匀分布的腐蚀坑，齿面沿滑动方向伴有腐蚀痕迹。为严重。齿轮材料发生电化学反应，由摩擦、冲刷形成腐蚀磨损，高温极压添加剂形成磨蚀介质。洗，适时换油，开式齿轮箱采取适当防护。防止油液污染，添加剂的成分含量适当，建立合理的工艺规程胶合：相啮合的齿面金属，在一定压力下直接发生粘着，随着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损现象。1.轻微胶合：靠近齿顶或齿根的齿面上沿滑动方向有极轻微而细密的伤痕（一条暗带），有时要借助显微镜才能看到2.中等胶合：齿顶部、齿根部均有滑动方向的粘撕痕迹，较软齿面更明显。3.破坏性胶合：沿滑动方向呈现明显粘撕痕迹，齿顶有明显的材料移失迹象，齿廓毁坏，振动、噪音增大。4.局部胶合：局部区域有齿面胶合现象，并不延伸、扩展。运转初期润滑条件与工作情况不协调，或轻微干涉存在而引起。齿轮啮合处局部温度过高，破坏润滑油膜润滑不充分，工作温度过高，齿面接触应力或速度过高引起的过热。由于安装制造误差，引起载荷集中，鼓形齿修形量过大，齿宽较大，局部温升引起变形。控制启动过程的润滑及载荷，排除干涉的原因。降低油温，使用极压添加剂的润滑油，降低齿面表面粗糙度，降低载荷及速度。保证一定条件下的良好润滑，采用极压或特殊高粘度的润滑油。安装精度适当，修行量适当，散热应均匀，油的冷却与供油部位应适当。点蚀：齿面呈点状的齿面疲劳损伤1.早期点蚀：有较小、数量不多的麻点。2.破坏性点蚀：靠近节线的齿根表面上，麻点不断扩展，噪音增大。啮合齿面局部过载，齿形误差，齿面凹凸不平，轴线歪斜造成偏载。齿面接触应力过大，节线附近滑动速度方向变化，油膜不易形成。提高齿形精度，精心跑合。提高齿面硬度，降低粗糙度，改善润滑。剥落：齿面上材料成片好状剥离剥落：形状不规则的片状剥落坑。硬齿面上过高的接触应力作用，疲劳裂纹扩展形成，材料缺陷，齿面软硬的过度层中裂纹的延伸扩展。承载力不足应考虑重新设计，提高轮齿芯部硬度，减小应力集中。塑性变形：在过大应力作用下，轮齿材料因屈服产生塑性流动，而形成齿面与齿体的变形1.碾击塑变：在齿顶棱和齿端出现飞边，齿滚碾冲击作用，接触应力过大，齿轮材料硬度过低，减小接触应力，提高材料硬度，降低动载荷，采用顶滚圆，节线附近有沟槽、脊棱。2.磷皱：齿面塑变呈鱼鳞状皱纹，并垂直于滑动速度方向。3.起脊：整个工作齿面上沿滑动方向形成明显的脊棱。4.齿体塑变：轮齿歪扭，齿形剧变，硬齿面轮齿伴有变色现象。动载荷太大以及润滑不良。润滑不良及高压强作用，齿面“爬行”的结果，低速度、振动引起齿面塑性流动。常发生在重在的蜗杆传动中，准双曲线齿轮传动中，高接触应力和低滑动速度，不良润滑材料的塑性变形润滑失常造成剧烈温升引起轮齿热塑变形，过大载荷引起冷塑变形。极压添加剂和高粘度润滑油，保证制造、安装精度提高齿面硬度，改善润滑，提高速度，控制齿轮振动。提高材料的硬度，采用粘度大、有极压添加剂的润滑油，保证润滑油的清洁度。充分的润滑，提高润滑油的粘度，对冷塑变形应提高材料的屈服极限。轮齿折断：轮齿一个或多个齿的整体或局部断裂1.疲劳折断：起源于齿根处的疲劳裂纹扩展造成的断裂。2.过载断齿：断口较粗糙，无疲劳断裂的特征。高的交变应力多次作用的结果，齿根圆角半径过小，表面粗糙度过高，滚切加工时有损伤，材料中有杂物，残余应力影响。短时意外过载造成严重应力集中，动载荷过大，较大硬质异物进入啮合处。修改齿轮几何参数，降低齿根表面粗糙度，正确的喷丸处理，适当的热处理消除残余应力。避免突然的意外过载，设置安全装置。齿轮的失效损伤除了以上类型和特征外，还可有其他形式的损伤，如随机断裂、各种材料缺陷造成的损伤、加工工艺不当造成的淬火裂纹、磨削裂纹等。但此类损伤如在加工过程中加强质检是可以避免的。1.螺杆压缩机齿轮失效——折断图2为大部分损伤齿轮的形貌。齿轮折断有两种形式：一种是疲劳折断，另一种是过载折断。疲劳折断的断口有两个区域：裂纹扩展区和瞬时折断区，如图2所示。裂纹源就位于呈贝壳纹状的疲劳扩展线。根据图3的形貌，其损伤处更多地接近过载折断。断口面呈粗糙晶粒状，在韧性断裂面上存在塑性变形痕迹，从图4a中可看出断齿大部分为角形折断。结合图4可知，齿轮一边的齿已大部分断掉（甚至有全部断掉的现象），另一边还保留着，且在残留的1/4齿长上，其齿面光亮如新，未见齿轮啮合痕迹，显然齿轮啮合存在严重的偏啮现象。因此，可以推断偏啮、冲击和过载可能是轮齿折断的直接原因。四、断齿原因根据前面对结构的分析可知，因定位层次较多，在批量生产条件下，难以完全保证各部件的同轴度，所以齿轮安装本身就存在偏啮的可能。图5为UN2308ECJ轴承损害状况形貌。外圈内滚道出现与滚柱数目相同的12条凹坑。调心轴承的使用固然有助于解决箱体等零部件误差大，不易安装的问题，即便有点歪斜、不同轴等问题，照样可以安装起来。但是，如此安装起来的总成将使所有的误差全部集中到齿轮轴承（UN2308ECJ）上（从图1可知，该轴承的外圈以箱体为基准定心，而其内圈由机头定心）。当同轴度误差较大时，齿轮轴承就在过定位状态下工作，将承受巨大的预应力，轴承每转一圈，就受一次冲击。同轴度误差越大，冲击力就越大。过大的同轴度误差不仅消耗掉了游隙，多余的误差就对滚道产生冲击。轴承滚柱对滚道的冲击只要形成一点痕迹，很快就会形成与滚柱数目相等的凹坑。凹坑形成后，滚柱和保持架转至滚道凹坑处，相对滚动出现短时停滞现象，这又进一步加重了冲击。这样，凹坑加深，轴承磨损，游隙快速增大，周而复始，恶性循环。轴承每转一周，就使齿轮传动产生12次圆周冲击载荷。在此情况下，齿轮的齿向啮合精度将变差，从而使偏啮更严重，最终导致轮齿因过载而折断。五、措施及效果从以上分析可知，机头的螺杆孔和齿轮箱孔之间的同轴度误差是造成齿轮断齿的真正原因，应采取的措施如下：（1）在现有生产条件下严格控制同轴度的精度。齿轮箱的精度必须达到所要求的精度。（2）齿轮和齿轮箱装配时，必须保证有要求的装配精度。（3）在其中一个齿轮的偏啮端作适量的鼓形修正，其长度和齿向可以通过试验得出。2．汽车变速箱齿轮失效失效齿轮为载重汽车变速箱一挡齿轮，由渗碳钢制造，在进行台架试验时，未达到设计要求就发生断齿现象。根据断口的形貌可断定该齿轮的断裂为高应力作用下引起的快速断裂。主动齿轮心部断口基本为韧窝，被动齿轮具有准解理断裂形貌，说明主动齿轮韧性较好，但强度较低。显微硬度证实了主动齿轮硬度较被动齿轮低。两只齿轮渗碳层中均有网状渗碳体析出，这将使表层韧性较低，致使在运转过程经受不了启动冲击应力的作用。本次断裂事故是由主动齿轮先断裂，进而引起被动齿轮崩齿，故在被动齿轮上还能看到碰伤的痕迹。因此，可以认为齿轮失效的原因为渗碳工艺控制不当（热处理不当）而引起断齿。变速箱一挡齿轮发生断齿后的宏观实物如图6所示。主动齿轮及被动齿轮断齿后的宏观断口形貌见图7所示。图象说明：变速箱齿轮发生断齿后的宏观实物形貌。图6图7图象说明：被动齿轮的断口形貌。沿齿根断裂，断口形貌与主动齿轮断口相似，断齿附近几个齿不同程度都发生小块崩裂及碰伤。3．大型推土机被动齿轮失效断裂失效的构件系大型推土机被动齿轮，热处理工艺为渗碳后淬火及回火。热处理后，由于该齿轮发生形变，采用局部加热后校正再进行回火。四个月后，在磨内孔时发现该齿轮开裂。大型推土机被动齿轮宏观断口形貌如图8所示。根据断口的形貌特征可断定：被动齿轮断裂失效是