第8章 机械零件的失效

“十五”国家级规划教材《工程材料》第3版配套课件第8章第8章机械零件的失效与选材原则内容提要：介绍各种失效形式：畸变失效、断裂失效、磨损失效及腐蚀失效。阐述机械零件选材原则。学习目标：了解各种失效形式特点。掌握机械零件选材原则。8.1机械零件的失效及失效分析失效零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。失效导致严重事故失效因素一、设计因素为了保证产品质量，必须精心设计，精心施工。根据零件工作条件、可能发生的失效模式，提出技术指标，确定合适的材质、尺寸、结构，提出必要的技术文件。如设计有误,则机械设备或零件将不能使用或过早失效。二、制造(工艺)因素工艺缺陷是零件失效的重要因素。●零件在铸造过程中产生的疏松、夹渣；●锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹；●焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹；●机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合适；●热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性；●精加工磨削中的磨削裂纹等。三、安装调试因素安装过程达不到要求的质量指标，导致零件失效。●啮合传动件(齿轮、杆、螺旋等)的间隙不合适(过松或过紧，接触状态未调整好)；●连接零件必要的“防松”不可靠；●铆焊结构的必要探伤检验不良；●润滑与密封装置不良等；●初步安装调试后，未按规定进行逐级加载跑合。四、材质因素●选材不当使零件达不到设计要求而导致失效。●材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺或冷热加工(特别是热处理)工艺过程产生的材料内部缺陷导致失效。五、运转维修因素●不正确的运转工况参数(载荷、速度等)导致零件失效。●忽视维修，未进行定期大、中、小检修●润滑条件未保证,润滑剂和润滑方法不合适老师提示在影响失效的基本因素中，特别要强调人的因素，即注意人的素质条件的影响。8.2零件失效形式8.2.1畸变失效畸变有两种类型：尺寸畸变或体积畸变(长大或缩小)形状畸变(如弯曲或翘曲)发生畸变的零件不能承受所规定载荷，不能起到规定的作用，与其他零件的运转发生干扰，导致零件失效。一、弹性畸变失效不恰当的弹性变形量导致失效。●受拉、压的杆类零件，过大的弹性畸变量导致支承件(如轴承)过载。●受弯、扭的轴类零件，过大的弹性畸变量会造成轴上啮合零件的严重偏载，啮合失常，甚至咬死，导致传动失效；●某些控制元件，如温控元件，过大的弹性畸变量使精度无法保证。防止弹性畸变的主要措施：增加零件截面、采用弹性模量高的材料，防止超载。二、塑性畸变失效外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变形)。●钢结构房梁承载过重发生塑性变形弯曲，导致倒塌；●螺栓严重过载被拉长，失去紧固作用。防止零件塑性畸变的措施：采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。三、翘曲畸变失效尺寸与方向上产生复杂变形，形成翘曲，导致失效。翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等不均匀性引起。特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。●受力钢架翘曲变形；●壳体在高温下形状翘曲。增加零件截面、截面形状设计合理。采用弹性模量高、屈服强度高的材料，防止超载。8.2.2断裂失效断裂失效机械零件因断裂而产生的失效。一、断裂失效的分类塑性断裂脆性断裂疲劳断裂蠕变失效断裂金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察，可以看到断口分为：F-纤维状区R-放射状区S-剪切唇区断口断口分析是断裂失效分析的关键。二、断口的分析方法三、断裂形式1.韧（塑）性断裂断裂前有明显的塑性变形。(1)宏观特征宏观变形方式为颈缩，典型断口为杯锥状断口，底部成纤维状剪切断口，其平面和拉伸轴大致成45角。韧性（塑性）断裂实物(2)微观特征韧窝是金属韧性断裂的微观主要特征，是塑性变形产生的显微空洞生成、长大、聚集、相互连结导致断裂留下的痕迹。韧性断裂断口（韧窝）2.脆性断裂断裂前无塑性变形。脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力，所以又称为低应力脆断。脆性断裂以零件内部存在的宏观裂纹(如肉眼可见的0.1mm～1mm)作为源开始的。中、低强度钢在10℃～15℃以下会由韧性状态转变为脆性状态（韧-脆转变）。脆性断裂(1)宏观特征断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没有剪切“唇口”(或很小)。脆性断裂实物(2)微观特征脆性断裂的微观判据是解理花样和沿晶断口形态。脆性断裂断口(解理花样)沿晶断口(冰糖花样)解理断裂因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂。断裂速度快，一般钢中的解理速度大约是1030m/s，在低温和三向应力状态时更快；沿着特定的晶面(称为解理面)发生，这些晶面一般是属于低指数的。在不同高度的平行解理面之间产生解理台阶。裂纹扩展过程中，台阶相互汇合，形成河流花样，河流的流向与裂纹扩展方向一致。3.其它断裂失效形式(1)疲劳断裂在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。疲劳断裂实物疲劳断裂显微形貌(2)蠕变断裂在高温下钢的强度较低，当受一定应力作用时，变形量随时间而逐渐增大的过程，这种过程叫蠕变，产生的断裂叫做蠕变断裂。蠕变断裂引起零件断裂的因素多而复杂，对材料的性能需要综合考虑。如屈服强度、塑性、断裂韧性、疲劳强度等。防止断裂的措施：采用材质好、强度高、韧性好的材料。防止超载。注意环境的影响。客车空气压缩机皮带轮断裂失效分析空气压缩机工作时，皮带轮辐条受弯矩、剪切力的联合作用和强烈震动，产生疲劳裂纹。裂纹扩展，辐条断裂。皮带轮断裂过程某大型客车空气压缩机皮带轮破断，空气压缩机停止工作。气压不足、刹车失灵。造成重大交通事故。汽车板簧断裂失效分析某货车板簧断裂，发生交通事故。板簧表面存在严重的热加工缺陷-折叠，造成表面裂纹。疲劳源在裂纹处形成。板簧断裂位置处于应力集中处。裂纹在应力作用下扩展，最后造成板簧疲劳断裂。8.2.3磨损失效磨损相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象。活塞环与缸套之间的摩擦一、粘着磨损两个金属表面的微凸部分在高压下产生局部粘结，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。。粘着磨损示意图粘着磨损磨痕二、磨料磨损配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒(料)磨损。磨粒磨损示意图磨粒磨损磨痕三、犁削磨损硬材料表面的微凸点切削较软材料的表面，在较软材料的表面形成“犁沟”。活塞环与缸套存在粘着磨损、犁削磨损（拉缸现象）、磨料磨损。犁削磨损示意图犁削磨损磨痕四、冲刷磨损冲刷磨损是由于含固态粒子的流体(常为液体)冲刷造成表面材料损失的磨损。冲刷磨损示意图五、表面疲劳磨损两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。六、腐蚀磨损腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。老师提示采用耐磨性高的材料，进行合理的表面强化处理，改变材料的组织结构，适度提高硬度。表面强化处理有利于降低磨料磨损、表面疲劳磨损、粘着磨损等的磨损率。提高材料的耐磨性。8.2.4腐蚀失效腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗。它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果。按腐蚀性质分：化学腐蚀电化学腐蚀按腐蚀部位分：均匀腐蚀点腐蚀晶间腐蚀一、均匀腐蚀均匀腐蚀在整个金属表面均匀地发生腐蚀。被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微组织，腐蚀介质均匀包围金属表面。均匀腐蚀可在大气、液体以及土壤里产生。●钢材在大气中所产生的锈蚀；●铜在土壤里的锈蚀。二、点腐蚀腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，向深度扩展成孔穴甚至穿透(孔蚀)。金属表面受破坏处和未受破坏处形成“局部电池”，阳极处被腐蚀成小孔。点腐蚀示意图三、晶间腐蚀腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。主要原因是晶界处化学成分不均匀。晶间腐蚀示意图防止腐蚀的措施：采用耐蚀性高的材料。如不锈钢、铜合金、钛合金、高分子材料、陶瓷材料、复合材料等。进行表面处理。弹簧材料为碳素弹簧钢。长期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到严重腐蚀，弹簧丝截面减小、变脆而破断。客车储气罐放水阀弹簧腐蚀失效分析某客车储气罐放水阀弹簧破断，阀芯失去密封作用，气体泄漏，气压降低，刹车失灵，造成严重事故。8.3机械零件选材原则☆老师提示：重点内容8.3.1使用性能原则一、机械零件正确选材的使用性能原则材料的使用性能应满足使用要求。使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能、化学性能。机器零件和工程构件，主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。二、零件使用时的工作条件（1）受力状况主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。（2）环境状况温度特性、介质情况等。（3）特殊要求导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等。三、零件根据使用性能选材的步骤●对零件工作条件和失效形式全面分析，确定零件对使用性能的要求；●根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；●由工作应力、使用寿命、安全性等，确定要求性能的具体数值；●利用材料手册根据使用性能选材。材料的性能与试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。常用零件的工作条件和失效形式零件工作条件常见的失效形式要求的主要机械性能应力种类载荷性质受载状态紧固螺栓拉剪应力静载—过量变形，断裂强度，塑性传动轴弯扭应力循环冲击轴颈摩擦振动疲劳断裂过量变形轴颈摩损综合机械性能强度、韧性、局部表面耐磨性传动齿轮压弯应力循环冲击摩擦振动齿折断,磨损疲劳断裂接触疲劳(麻点)心部强度、韧性表面高强度及疲劳极限耐磨性弹簧扭弯应力交变冲击振动弹性失稳，疲劳破坏，断裂弹性极限，屈强比，疲劳极限冷作模具复杂应力交变冲击强烈摩擦磨损脆断硬度，足够的强度，韧性8.3.2工艺性能原则材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。一、高分子材料零件选材的工艺性能原则高分子材料成形容易，方法较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但它的导热性差，在切削过程中不易散热，易使工件温度急剧升高，使其变焦(热固性塑料)或变软(热塑性塑料)。高分子材料主要成形工艺的比较工艺适用材料形状表面粗糙度尺寸精度模具费用生产率热压成形范围较广复杂形状很低好高中等喷射成形热塑性塑料复杂形状很低非常好很高高热挤成形热塑性塑料棒类低一般低高真空成形热塑性塑料棒类一般一般低低高分子材料的加工工艺路线二、陶瓷材料零件选材的工艺性能原则陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。陶瓷材料各种成形工艺比较工艺优点缺点粉浆成形可做形状复杂件、薄塑件，成本低收缩大，尺寸精度低，生产率低压制成形可做形状复杂件，有高密度和高强度，精度较高设备较复杂，成本高挤压成形成本低，生产率高不能做薄壁件，零件形状需对称可塑成形尺寸精度高，可做形状复杂件成本高陶瓷材料的加工工艺路线三、金属材料零件选材的工艺性能原则金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。金属材料的加工工艺路线●性能要求不高的金属零件的工艺路线毛坯→正火或退火→切削加工→零件。●性能要求较高的金属零件的工艺路线毛坯→预先热处理(正火、退火)→粗加工→最终热处理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)→精加工→零件。●性能要求较高的精密金属零件的工艺路线毛坯→预先热处理(正火、退火)→粗加工→最终热处理(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)→半精加工→稳定化处理或氮化→精加工→稳定化处理→零件。这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。8.3.3经济性原则采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。一、材料的价格零件材料的价格应该尽量低。材料