机械零件失效形式及诊断.

第二章机械零件失效形式及诊断1、失效形式分类及诊断2、机械零件失效原因概述主要内容2.1失效分类及诊断(1)失效形式：失效的表现形式，也可称为失效的类型，失效模式。外部表现与内在本质的联系是失效分析的基础。而多因素本质产生的众多表现是分类的前提。失效形式内在本质外部表现物理作用化学作用机械作用决定反映决定反映按失效的宏观特征作为一级失效形式分类，分为变形失效、断裂失效和表面损伤失效。（2）失效形式的分类原则：科学性、层次性机械零件失效形式分类失效变形失效断裂伤失效表面损磨损失效腐蚀失效氧化磨损、粘着磨损腐蚀磨损、磨粒磨损接触疲劳、微动磨损均匀腐蚀、局部腐蚀电化学腐蚀、空蚀（气泡）过量弹性变形失效过量塑性变形失效脆性断裂失效塑性断裂失效环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆断裂）疲劳断裂冲击断裂蠕变持久断裂一级模式：确定性分析二级模式：模糊、依据一定方法和技术的不确定的定量分析（3）对断裂失效诊断依据的原则：1、残骸分析：初始破坏件断口性质（塑性或脆性，平整或粗糙）裂纹走向（沿晶还是穿晶等）痕迹来源（长期氧化还是突然间断裂造成）力学性能（高应力还是低应力）组织性能（正常组织还是缺陷组织）工艺过程热处理状态2、应力分析：初始破坏件结构分析（应力集中、结构缺陷造成的抗力减弱）受力分析（正常力、外界突发力）与断口相对照的综合分析包括应力来源、性质、大小等的分析3、失效模拟：对主要失效形式和主要的控制参量在实验室或现场进行模拟实验，将模拟失效的断口与实际断口相对照，进行分析。（4）对磨损失效诊断依据的原则：1、磨损表面的形貌和次表面的组织和性能的变化。（沟槽、坑或孔洞、粘着痕迹等）2、磨屑形貌、磨屑成分和组织的变化。（脆性碎屑、颗粒状碎屑或腐蚀产物）3、磨损系统中各参量的关系和变化。（接触应力、摩擦系数）2.2机械零件失效原因概述1.服役条件2.材料因素3.设计和工艺因素4.使用和维修2.2.1服役条件（受力状况和工作环境）1.受力状况–载荷类型（轴向、弯曲、扭转、剪切、接触）轴向载荷——力作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反,应力沿横截面的分布是均匀的。弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷(有时还包括力偶)，使零件产生弯曲变形。扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶，它使零件发生扭转变形。剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错动的作用，在剪切载荷作用下，力沿平行于最大切应力的横截面上大小是均匀的。接触载荷——零件受载后在接触部位的正交压缩载荷称接触载荷。–—载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）随机载荷1)静载荷——缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的裁荷。2)冲击载荷——以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为能量载荷。3）交变载荷——大小、方向随时间发生变化的载荷。—应力状态（单向力、多向力，软性应力状态和硬性应力状态）零件材料的强度指标和外加载荷与零件断裂形式之间的关系正断方式并不都是脆性断裂，而切断一定是延性断裂。介质可能引起的失效气体：大气，盐雾气氛，水蒸气，含H2S气氛氧化、腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、气液流冲蚀液体：Cl-、OH-、NaOH、NO2-、H2S、水腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、气蚀和泥沙磨损液体金属：Hg-Cu合金,Cd、Sn、Zn-钢、Pb-钢、K-不锈钢液体汞脆、液体金属脆化、液体金属腐蚀、合金中的Ni、Cr元素在液体Pb中选择性溶解中子辐射，紫外线照射造成材料脆化，造成高分子材料老化磨料：矿石、煤、岩石（润滑剂）、泥浆、水溶液磨粒磨损，腐蚀磨损综合作用表环境介质与零件失效2.工作环境（环境介质、温度）案例：某工厂生产的继电器，春天放进仓库贮存，到秋天就发现大批继电器的弹簧片发生沿晶界断裂，经失效分析，判定是氨引起的应力腐蚀开裂。但仓库里从来没有存放过能释放氨气的化学物质。原因：在仓库大门南面附近的田野里有一个大鸡粪堆，是鸡粪放出的氨气经春夏的南风送进仓库，提供了应力腐蚀必要的介质环境，引起了应力腐蚀。b、温度（温度值与温度梯度）与零件的失效2.2.2设计、制造与零件失效（一）设计与零件失效结构设计不合理：如：轴的台阶处直角形过渡，过小的内圆角半径，尖锐的棱边等造成应力集中，成为零件破坏的起源地。花键、键槽、油孔、销钉孔等位置安排不妥当。设计时工作条件考虑不周（如过载或者冲击、动载荷）。案例1:容器碟形封头的设计，按国家标准GB150规定的强度公式进行强度尺寸计算，原要求过渡区尺寸r／Di≥0.06％，运行中多次出现事故,后修订为按r／Di≥0.10％进行结构设计，则减少过渡区失效的发生。案例2:某酒精厂蒸煮锅上封头采用a=80o的无折边锥形封头，在0.5MPa的工作压力下操作发生爆炸引起事故。后国家标准修正规定无折边锥形封头使用范围半锥角α≤30o。案例3：某厂引进的大型再沸器，结构为卧式U形管束换热器，由于管束上方汽液通道截面过小，形成汽液流速过高，造成管束冲刷腐蚀失效。（二）材料缺陷以及材料选择不当与零件失效1、材料冶炼过程质量缺陷夹杂物、气孔、疏松、白点、残余缩孔、成分偏析2、构件轧制过程中的缺陷表面粗糙、产生划痕折叠3、锻造工艺中的缺陷：过热、裂纹4、由于考虑其他因素（如经济性、加工性）导致选材不当。案例1：某厂的火管锅炉，壳体材料为16MnR，火管材料为10g无缝钢管，流体入口温度超过1000℃，出口温度为240℃，压力为4MPa。该结构的火管，经一段时间使用后，局部过热而烧穿。如此高温的炉管选用10g钢是不合理的，后改用含Cr、Mo元素高的合金钢管子。案例2：某厂原使用引进的管壳式热交换器一台，壳体及管子均为18—8铬镍奥氏体不锈钢，基于生产需要按原图纸再仿制一台，把壳体改为低碳钢与18-8铬镍复合钢板，管子仍为18-8铬镍钢，投入使用即发生壳体横向开裂。分析原因表明，管壳因材料热膨胀系数差异引起过大的轴向温差应力。（三）制造工艺与零件失效机械制造工艺缺陷（铸造、锻造、焊接、热处理、切削加工、磨削）1.产生工艺裂纹：铸造、锻造、焊接、热处理均可能产生.2、造成高的残余应力。3、不良的表面质量：如焊接时的咬边、凹陷等。4、不正常的组织状态：如焊接中的冷却不当造成的组织缺陷、5、装配达不到要求：组装错位、不同心、不对中2.2.3使用、维修与零件的失效违规超载使用:某时期统计260次压力容器和锅炉事故中，操作事故194次，占74.5％。润滑不良腐蚀生锈在共振频率下使用维修不当案例150根发动机曲轴疲劳断裂原因：其中40根曲轴疲劳断裂是由于修复后，轴颈圆角半径太小≤3mm，设计要求R6mm)。案例2齿轮箱传动齿轮失效。原因：啮合齿之间未能形成弹性流体动压油膜，处于边界润滑状态，在高速重载运行条件下，产生大量摩擦热，同时由于冷却不力，造成表层局部升温，发生粘着磨损、齿面烧伤和塑性流动等损伤，损伤继续发展、加剧，导致磨损、过载折齿和疲劳折齿。小结1失效分类及诊断2机械零件失效原因4.使用和维修1.服役条件——受力状况（载荷类型、载荷性质、应力状态）和环境（介质和温度）2.材料因素3.设计和工艺因素