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/20 第十章 机械零件的失效分析和表面处理 第一节 机械零件的失效分析 一、失效的概念 所谓失效是指零部件在使用过程中,由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。零部件的失效,会使机床失去加工精度、输气管道发生泄漏、飞机出现故障等,严重地威胁人身生命和生产安全,造成巨大的经济损失。分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施具有十分重要的意义。 二、失效形式 常见失效形式有变形失效、断裂失效、表面损伤失效及材料老化失效。 (1)过量变形失效-是指零件在工作过程中受力产生的变形量超过了允许值,使机器设备无法正常工作或虽正常工作但达不到预期效果的现象。 (2)断裂失效-零件在工作的过程中发生断裂的现象称断裂失效。 (3)表面损伤失效-主要是指零件表面的磨损、接触疲劳和腐蚀。 (4)材料老化失效-高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘等现象,失去原有性能指标的现象,称高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。 一个零部件失效,总是以一种形式起主导作用,但是,各种失效因素相互交叉作用,可以组合成更复杂的失效形式。例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨损、蠕变疲劳交互作用等。 三、失效的原因 造成机械零件失效的原因很多,零件在设计选材加工以及安装使用四个方面的不当都可能导致零件的失效。 (1)设计不合理 零件设计不当而导致失效的主要表现在两个方面:一是零件的结构、尺寸设计不合理或结构工艺性差,例如过渡圆角太小、存在尖角、孔槽位置不当等都会造成较大的应力集中;二是设计时错误地估计了零件的工作条件,例如对零件承载能力设计得不够,或是忽略、低估了温度、介质等因素的影响,致使零件早期失效。近年来,由于设计不合理而导致零件失效情况已随着应力分析水平等的提高而大大减少。 (2)选材不合理 选材时首先应满足零件的使用性能要求,保证零件正常工作和有足够抵抗破坏的能力。往往一个零件需要同时满足几个方面的性能要求,这就要求以最关键的性能作为选材的主要依据。 (3)加工工艺不当 零件在制造过程中,要经过一系列冷、热加工工序:任何不正确的加工工艺都可能造成缺陷,如冷加工时零件表面有较深的刀痕;热加工时零件内部存在裂纹、晶粒粗大等,这些都是造成零件失效的原因。 (4)安装使用不正确 在装配或安装的过程中,机械零件配合过松或过紧。对中不良,固定太松或太紧等原因都会使机器在运转时产生附加应力和振动,致使零件发生早期失效。 四、失效分析方法 造成机械零件失效的原因很多,零件在设计、选材、加工以及安装使用四个方面的不当都可能导致零件的失效。 失效分析是研究失效的过程并进行分析,以求弄清失效的本质、产生的原因以及提出预防的措施,以防止类似的问题重复发生。基本过程如下: (1)使用现场调查 了解使用环境和失效经过,记录使用寿命和损坏情况,收集保存残体供分析。 (2)用材和成形制造工艺调查 复查化学成分和原材料质量,详细了解零件的成形工艺,机械加工,热处理等工艺和操作过程。 (3)检测分析 外观分析、断口分析(包括确定裂纹源、断裂机制以及引起断裂的原因)、显微分析(可以分为金相显微分析与电子显微分析两种方法,目的是研究材料的显微组织结构与失效的关系 )、力学性能测试等,必要时进行无损探伤和断裂力学分析。 失效分析的结果对零件的设计、选材、加工以及使用具有一定的指导意义。 第二节 材料的表面处理技术简介 一、表面处理的意义 在扭转、弯曲、冲击、疲劳等负荷作用下的零件,其表面层比心部承受更高的应力。摩擦副或相对运动部位,在接触面上会受到相配合零件或外来磨粒的擦伤、刻划甚至犁削等作用;金属(或合金)在有腐蚀的环境中工作时,表面将受到介质的侵蚀作用。因此,材料表面很容易受到各种类型的损伤。许多破坏往往是从表面开始的,比如表面疲劳裂纹的扩展会导致整个零件破坏;不均匀磨损或腐蚀造成的表面沟痕引起应力集中,成为断裂的起源。 因此,有必要对材料的表面进行特殊的强化或防护处理,以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性,防止或减轻表面损伤,提高零件的可靠性和使用寿命。有时进行表面处理是为了提高零件的装饰性。通过表面处理,在保持材料本体承载能力的前提下提高表面抗失效能力,显然具有积极的经济意义。 二、表面处理方法与分类 表面处理方法有很多,主要分为两大类:表面强化处理和表面防护处理。常用的表面处理工艺方法有:表面热处理【包括表面淬火(含激光表面热处理)与化学热处
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