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CH10-机械零件失效与选材第16讲2009-6-23概要
* 第十章 机械零件的 失效与选材 机械零件的失效与分析 机械工程材料的选材原则 一、机械零件失效与分析 每种机器零件都具有一定的功能——或完成规定的运动,或传递力、力矩或能量。 下列任何一种情况的发生,都可以认为零件已经失效: 零件完全破坏,不能继续工作; 零件严重损伤,不能保证工作安全; 零件虽能安全工作,但工作低效。 当零部件丧失预定的功能时,即发生了零件的失效。 (一)、零件失效的基本形式 零件的失效形式比较复杂,根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件,零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。 表面损伤失效 断裂失效 变形失效 应力腐蚀断裂失效 蠕变断裂失效 疲劳断裂失效 低应力脆断失效 塑性断裂失效 塑性变形失效 弹性变形失效 磨损失效 表面疲劳失效 腐蚀失效 零件失效 (二)、失效分析的主要方法 失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因,影响失效的因素很多,要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析。 服役条件 失效零件 失效分析 失效类型 失效原因 工业试验 实验室试验 提高零件失效抗力 加强管理 改进工艺 提高主要抗力指标 改进设计 工 艺 使 用 材 料 设 计 ? ? ? ? 失效分析的主要方法 1、无损检测 无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查,以查清其状态及分布。 2、金相分析 通过观察分析零件(特别是失效源周围)显微组织构成情况,如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等,辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化,对组织是否正常作出判断。 3、化学分析 检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。 4、力学分析 检查分析失效零件 的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。 5、断口分析 断口分析是对断口进行全面的宏观(肉眼、低倍显微镜)及微观(高倍显微镜、电子显微镜)观察分析,确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区,判断出断裂的性质和机理。 脆性断口 韧性断口 疲劳断口 B裂纹产生在后 A裂纹产生在前 裂纹扩展方向 (a)T型法则 (b)分叉法则 图 分析破坏的顺序 断口分析 T型法则 分叉法则 脆性断口 宏观:根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。 源区 源区 (a) (b) 图 失效源分析 宏观:结晶状,平齐而光亮,有闪亮小刻面。无明显变形。 微观:平坦的解理台阶与河流花样。 (a)宏观形貌 (b)微观解理花样 图 脆性结晶状断口的宏观及微观形貌 脆性断口 脆性断裂也可能沿晶界发生。 (a)回火脆性断口 (b)应力腐蚀断口 图 脆性沿晶断裂断口 韧性断口 宏观:纤维状,色质灰暗, 有明显的塑性变形; 微观:大小不等的韧窝。 (a)纤维状韧性宏观断口 (b)微观典型韧窝形貌 图 韧性断口的宏观及微观形貌 疲劳断口 (a)疲劳断口宏观形貌(b)疲劳断口示意图(c)疲劳条纹的微观图象 图 疲劳断口 疲劳源 疲劳裂纹扩展区 “贝纹”状花样 瞬时断裂区 (三)、零件失效分析实例 1、齿轮的失效 齿轮是机械设备中运用极广的传动零件,齿轮表面受到接触力和摩擦力的作用,齿根部则受到交变弯曲应力的作用,此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。 (a) (b) 图 齿轮的轮齿的疲劳断裂(宏观) 齿轮的失效行为 主要是冲击载荷过大造成的断齿 过载断裂 由于齿面接触区摩擦,使齿厚变小 齿面磨损 从齿根部发生,由过大的交变弯曲应力所致,是齿轮最严重的失效形式 疲劳断裂 在交变接触应力作用下,齿面产生微裂纹,裂纹发展引起点状剥落(或称麻点) 齿面接触疲劳破坏 失 效 的 原 因 失效形式 2、机车车辆车轴的失效 车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷,车轴材料通常具有较好的韧塑性,其形状又有很好的对称性,所以车轴具有疲劳断裂的完整过程(疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂),断口见图: (a) (b) 图 车轴疲劳断口 (a)?? 疲劳源在轴内部,由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。 (b)疲劳源在轴表面,由表面加工缺陷引起缺口效应,致使裂纹萌生。 疲劳源 车轴的疲劳断裂失效分析如下图: 疲劳裂纹源发
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