机械故障诊断技术11_其他障诊断技术.ppt

第十一章其它故障诊断技术 111断口分析技术 断口记录了断裂过程的相关信息,是一个重要的物证。机械零部件的 断裂原因分析,涉及许多技术,他们有:材料元素组成方面的光谱分析技 术;金相组织方面的金相分析技术;材料性能方面的强度硬度分析技术 零件结构方面的断口分析技术。光谱分析、金相分析、强度硬度分析都需 要依赖精密贵重的仪器仪表,断口分析技术靠的是人眼的观察,它是在工 业现场就能初步分析的技术。 11,1,1断口分析基础知识 对于具有塑性特征的金属材料,断裂是拉伸应力作用的结果,压缩应 力只能造成压溃,断口边缘处的挤出飞边就是其特征,剪切断裂的主要作 用应力仍然是拉伸正应力,如图11-1所示,所以轴类零件的纯扭转断裂是 沿45°线开裂  拉伸试棒的断口特征 塑性材料(如结构钢类)制造的拉伸试棒的断口如图11-2,断口处 明显表现出缩颈现象,断面呈杯状。 图11-2塑性材料的拉伸断口 图11-1剪切应力分析 这是因为在断裂前,拉应力首先超过屈服极限,材料内部的晶粒被拉 伸,同时出现流动。而材料表面的晶粒约束小,容易流动补充,所以伸长 多些,而内部的材料晶粒约束较多,流动补充不易,所以在芯棒中心的晶 粒首先发生断裂,断裂部位从中心向外延展。因而在断面处产生杯状断口。  钢铁材料的主体是铁碳合金,在从液态凝固成固体时,首先形成晶 核的是纯铁的铁素体,碳及其他合金原子则被排挤分布到晶界处,因而 晶界是扭曲的,是抵抗变形错动的主要部分。这就是为什么细晶粒钢的 强度大于粗晶粒钢的原因,钢铁材料的热处理就是通过获得不同的晶粒 组织来获得所需的机械性能。因而断裂发生前塑性较高的铁素体晶粒被 拉长,断裂后,这些拉长的痕迹被保留下来,在断口处表现为参差不齐 的形态,通常称为纤维状 穿晶断裂与沿晶断裂 如图11-3(a)所示,穿晶断 裂的裂纹穿过金属材料的晶体,这 是因为裂纹的延展总是沿着最弱方 向,而材料中由铁素体组成的晶粒 处于强度最弱的位置,存在扭曲错 a)穿晶断裂 )沿晶断裂 位的晶界则是裂纹延展的阻力,晶 图11-3断裂形态 粒愈大,裂纹扩展愈易 穿晶断裂是应力断裂的微观特征,晶粒表现为残余的变形,断口表 现为纤维状  图11-3(b)是沿晶断裂的示意图,沿晶断裂是化学腐蚀的结果。在 晶界处材料内的杂质全猬集于此,其中有化学性质活跃的硫、磷等,再加 上各类元素原子的键合度差异,存在许多薄弱环节,化学腐蚀最容易沿晶 界扩展。不锈钢就是利用了铬、镍原子与铁原子的高键合度,同时也在表 面生成化学性质牢固的强氧化膜阻挡了化学物质的入侵,合金原子的键合 度是改善钢铁材料机械性质的重要因素。在金属表面生成化学性质牢固的 氧化膜也是阻挡腐蚀的一种有效方式,铝合金的阳极氧化工艺就是走的这 样一种路线。 沿晶断裂是化学腐蚀的微观特征,断口表面相对平滑。许多输送化学 物质的管道腐蚀穿孔的主要原因就是沿晶断裂  11,12疲劳断口的特征 疲劳断口是在交变应力的作用下产生的。为了研究观察疲劳断口的特 征,构造了如图11-4形式的试验装置 变载荷力 △ 承载梁的截面 图11-4弯曲疲劳断裂试验装置 承载梁的结构情况有两种,一种是表面光滑的矩形断面梁(表面残留 最后精磨加工的挤压应力);另一种是在最大应力处做了环截面应力集中 沟痕的矩形断面梁。 这种情况下,疲劳断裂的断口有两种:  图11-5表面光滑的矩形截面断面图。特征如下 1.裂源出现在最大应力处,从存在原始缺 陷处开始。疲劳断裂的裂源只有一处,一旦 恐源 出现就抑制了其它裂源的产生。裂源产生后 贝壳纹 因为裂纹扩展缓慢,反复的张开闭合使得表 面因挤压而光滑,工业现场因环境的影响 裂源处还可能出现锈迹。 2.贝壳纹是裂纹扩展残留的痕迹。因试验 梁的外表面光滑而且残留加工的挤压应力, 因此芯部扩展快,边缘扩展慢。贝壳纹是受 终断区 载荷不均匀的影响,裂纹扩展快慢变化所留 的痕迹,而且随着材料承载面积的减小逐步 加大。 3.终断区,当残余材料承载面积上的应力 达到强度极限时,发生瞬间断裂。因此整个 断面面积与终断区面积之比为零件的安全裕图115表面光滑矩形断面图 度。如图11-5,安全裕度约为2。终断区的 宏观表象是纤维状。  图11-6是存在应力集中的矩形截面断面图。特征如下: 1.裂源,与图11-5相同,疲劳断裂的 裂源只有一处 2.贝壳纹,因试验梁的表面存在应力 贝壳纹 集中,裂纹扩展速度表面快于芯部。 3.终断区。与图115相同,也是残余 材料承载面积上的应力达到强度极限时 发生瞬间断裂。也可以用以判别零件的 安全裕度。