搜索
第二讲机械故障和零件的失效第一节：机械故障1.机械故障：机械系统（零件、部件或整机及生产线）因偏离设计状态而丧失部分或全部功能的现象。例如发动机不能启动、机床丧失精度、汽车刹车失灵、热水器不点火等。机械故障表现为零部件损坏或部件之间相互关系的破坏，如零件变形、断裂、间隙增大、过盈丧失、紧固件松动等。2.机械故障分类：按照故障过程渐发故障：事前测试、监控预测，例如轴套、轴承、气缸的磨损突发故障：事前监控不能预测，比如轴的断裂、管道爆裂、压力容器及锅炉的爆炸复合型故障：包含前两种故障特征按照故障出现的情况：实际故障和潜在故障。按照故障原因分人为故障和自然故障。第三讲机械故障和零件的失效开县井喷3.机械故障发生的原因故障内因：设计因素—尺寸，结构是否合理；制造因素—铸、锻、焊,机加工和热处理等达不到设计要求而导致零件失效；装配调试因素—在安装过程中,未达到要求的质量指标；材质因素—选材不当,材质内部缺陷,毛坯加工或冷热加工产生的缺陷；运转维修因素—运转工况参数监控,定期大,中,小检修,润滑条件是否保证,冷却,加热和过滤系统功能是否正常,操作是否正确。第一节：机械故障引起故障的外因有三：环境因素、人为因素、时间因素第一节：机械故障机械零件的失效形式：变形、断裂、磨损和腐蚀。指某些零件由于某种原因,导致其尺寸,形状或材料的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能.失效包括（1）零件完全破坏,不能继续工作;（2）虽然能完全工作,但不能满意地起到预期作用;（3）零件严重受损,继续工作不安全。第二节：零件的失效第二节：零件的失效一.零件的变形：机械零件或构件在外力作用下产生尺寸或形状变化的现象叫变形弹性变形：作用力小于屈服强度，外力消失则变形消失。塑性变形：外力去除后不能恢复的残余变形表现：弯曲、翘曲变形原因：（1）超载；（2）零件受热不均匀或受热后强度降低；（3）残余应力；（4）内部缺陷。减少变形的措施（1）设计：强度、刚度（2）加工：自然时效、人工时效、退火（3）修理：校直、校平（4）使用：避免超载第二节：零件的失效二、零件的断裂1.韧性断裂：零件所受应力超过抗拉强度发生塑性变形而后造成的断裂特征：（1）断裂前有明显塑性变形或缩径。(2)断口有大量微坑（韧窝）在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。实际延性断裂断口延性断裂步骤第二节：零件的失效2.脆性断裂：金属零件或构件断裂没有明显塑性变形的、发展速度极快的断裂。特征：(1)断裂处很少或没有宏观塑性变形(2)断口平坦(3)断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。(4)脆性断裂的扩展快,断裂在瞬间完成,有时伴有大响声。（5）断裂应力低于屈服强度预防措施：（1）设计：使用温度大于韧脆转变温度（2）工艺措施（3）避免冲击第二节：零件的失效3.疲劳断裂：工程构件在交变应力作用下,经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂。特征：（1）交变工作应力低于屈服或抗拉强度（2）断裂与表面质量相关，且突然发生转轴的疲劳断裂名义应力较小名义应力较大第二节：零件的失效疲劳断裂断口分为三个区域：疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时破断区。疲劳源区是疲劳产生区域；疲劳扩展区是疲劳发展区域；瞬时破断区是最后断裂的区域；在疲劳核心区周围存在以疲劳源为中心的贝壳线条或海滩线条。第二节：零件的失效转轴键槽产生的疲劳裂纹主要形式第二节：零件的失效预防措施：（1）定期UT、MT、PT检查（2）设计时避免应力集中、尽量选择疲劳强度高的材料（3）表面渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸减速机轴的疲劳断裂自卸卡车轴的疲劳断裂第二节：零件的失效4.环境断裂：材料与某种环境相互作用而引起的断裂，包括应力腐蚀断裂、氢脆断裂、高温蠕变断裂、腐蚀疲劳断裂及冷脆断裂（1）应力腐蚀断裂：金属材料在拉应力和特定的腐蚀介质联合作用下引起的低应力脆断，是脆性断裂特征：应力方向性、拉应力预防措施：合理选材、降低残余应力、改善腐蚀环境、定期无损检验第二节：零件的失效（2）氢脆断裂：氢原子渗入金属内部形成氢气、压力增加产生裂纹导致的断裂，属脆性断裂特征：裂纹产生不需要应力存在，存在氢原子的扩散和氢气合成预防措施：合理选材、尽量控制使用环境、定期无损检验常见于油气输送管道的HIC、锻件中白点缺陷等第二节：零件的失效（3）高温蠕变断裂：金属材料在恒温恒压下产生的缓慢塑性变形。不属脆性断裂。特征：应力小于屈服强度，断口呈黑色或氧化色，有时可见蠕变孔洞预防措施：避免应力集中和微裂纹产生、尽量降低工作温度、采用抗蠕变材料、制造中控制表面质量、严格控制热加工工艺、定期检验内燃机、锅炉、汽轮机等在高温下工作的动力设备零件常因高温蠕变而破坏。第二节：零件的失效（4）腐蚀疲劳断裂特征：腐蚀介质、交变应力、没有疲劳极限预防措施：减少腐蚀介质、减低交变应力、采用耐蚀材料或阴极或阳极保护（5）冷脆断裂：脆性断裂一种，断裂温度低于金属的韧脆转变温度航空零件的腐蚀疲劳断裂第二节：零件的失效三、金属零件的腐蚀损伤1.金属受周围介质的作用引起损坏的现象是腐蚀。分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀：单纯由化学作用引起的腐蚀，腐蚀过程没有电流。构成保护膜条件：致密、性质稳定、结合牢固、热膨胀系数相当。2.电化学腐蚀：金属与电解质接触时产生的腐蚀，腐蚀过程有电流常见腐蚀：大气、土壤、电解液、熔融盐中的腐蚀构成腐蚀电池的条件：至少两个不同的电极电位、电极形成回路、有电解液。第二节：零件的失效3.金属腐蚀的预防措施（1）正确选材、合理设计；（2）表面处理；（3）电化学保护：阴（阳极）极保护（4）采用缓蚀剂；（5）改变环境条件第二节：零件的失效4.气蚀：零件与液体接触处的压力低于液体的饱和蒸汽压力时，液体气化形成气泡，当气泡随液体运动到高压区时，气泡迅速破裂对接触的零件表面产生冲击。在这种反复冲击的作用下，零件表面发生疲劳破坏气蚀通常发生在流体输送泵、水轮机叶片、阀门上右图为混流泵的气蚀照片Cavitationdamage预防措施：选用耐气蚀材料：球铁、不锈钢、尼龙；增加气蚀发生位置的液体压力或降低温度；表面涂镀塑料、陶瓷、镀铬；提高表面粗糙度；水中加乳化油四、机械零件的磨损1.粘着磨损：特征：摩擦表面相互接触并发生相对运动、材料从一个表面转移到另一个表面。常见的齿轮胶合就属于粘着磨损。在高速重载传动中，常因啮合温度升高而引起润滑失效，致使两齿面金属直接接触并相互粘联。当两齿面相对运动时，较软的齿面沿滑动方向被撕裂出现沟纹（如右图），这种现象称为胶合。在低速重载传动中，由于齿面间不易形成润滑油膜也可能产生胶合破坏。解决方法：齿面硬度光洁度低速传动：粘度较大的润滑油高速传动：抗胶合添加剂2.磨料磨损特征：摩擦副接触表面之间存在硬质颗粒预防措施：尽量保持接触面清洁常见的开式齿轮传动磨损属于磨料磨损齿面磨损主要是由于灰砂、硬屑粒等进入齿面间而引起的磨粒性磨损；其次是因齿面互相摩擦而产生的跑合性磨损。磨损后齿廓失去正确形状（如右图），使运转中产生冲击和噪声。解决方法（1）采用闭式传动；（2）提高齿面光洁度；（3）保持良好的润滑3.疲劳磨损条件：摩擦表面微观体积承受循环接触应力预防措施:(1)材料硬度高，组织均匀（2）粗糙度值低（3）表面压应力（4）装配精度、润滑齿轮发生的疲劳点蚀可以看作疲劳磨损轮齿工作时，其工作表面产生的接触压应力由零增加到最大值，即齿面接触应力是按脉动循环变化的。在过高的接触应力的多次重复作用下，齿面表层就会产生细微的疲劳裂纹，裂纹的蔓延扩展使齿面的金属微粒剥落下来而形成凹坑，即疲劳点蚀。疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处（如右图）。解决方法：提高齿面硬度润滑油粘度减小动载荷5.微动磨损：两个接触表面受到相对低振幅振荡运动而产生的磨损。特征：在外界变动载荷下，产生小振幅相对运动从而引起磨损。微动磨损经常发生在键连接，螺纹连接、铆接、航空电接插头预防措施：（1）采用润滑脂、固体润滑剂（2）提高接触表面硬度（3）表面处理：硫化、磷化处理，电镀镉、银、铜4.腐蚀磨损：特征：化学或电化学反应，形成腐蚀产物和摩擦同时发生预防措施：表面处理、清除腐蚀介质、定期更换润滑油输送泵、内燃机、滑动轴承都可能发生腐蚀磨损右图是液压马达主轴径发生腐蚀磨损后的焊接修复