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《金属材料零部件失
效分析基础与应用》
第1章
绪论
1
目录
1.1失效出现的宏观原因
1.2失效分析的基本方法
1.3失效分析的主要目的
与值得注意的两种倾向
1.4失效分析的进展
失效出现的宏
观原因
1.1失效出现的宏观原因
零部件失效现象在工程中并不少见。失效可以一般定义为:
目前在机械装备、冶金设备、铁路、机车车辆等领域最重要及最广泛使用的材料仍然是金
属材料,零部件发生失效往往是在各类应力作用下发生的。腐蚀失效问题一般有专门论述,本
书不包括这部分内容。造成早期失效的常见的宏观原因归结如下:
1.设计问题(零部件几何形状设计问题)
一些失效问题是由设计不当造成的,例如人为的设计缺口。工程中有大量的轴类零
件(受弯曲或扭转载荷)、孔类零件,设计者往往将变截面处的圆角半径取值过小,就
属这类设计缺点。这种设计在零件进行热处理时,往往容易引起该处有很大残余应力,
同时在服役过程中引起应力集中。重新设计就可以避免失效。
1.1失效出现的宏观原因
【例1-1】不合理的尖角设计引起失效问题。
重载轴承滚柱材料采用G20Cr2Ni4A,进行深层渗碳+淬火+回火处理。在滚
柱中部有一个圆孔如图中虚线所示。在圆孔靠近表面处有一个台阶。该台阶在原设计时是90直
角,导致在滚子使用过程中很容易在此处产生裂纹。后来改进设计将此处设计为圆弧过渡,大
幅降低了开裂情况。
轴承形状图与滚子图
1.1失效出现的宏观原因
【例1-2】零部件服役条件判断有误,导致设计依据不符合实际情况。
标准件(如螺栓)是最常见的零部件,在各类机械中大量使用。
对于标准件的设计,一些设计者的思路是依据标准件承受的拉应力
进行设计,即以材料的强度指标作为设计依据。图1-2是某典型设备
上使用的直径为30
mm的螺栓断裂的断口宏观照片与金相组织照片。
据了解,设计人员的出发点是保证螺栓有高的强度,依据材料
的强度指标进行设计。选择了GCr15材料进行加工(并没有选择合
适的热处理)。,实际服役条件下螺栓的断裂属于疲劳断
裂(如何判断见3.1节),由于设计思想有误,导致螺栓早期断裂。
对于螺栓的设计,许多情况下设计者往往选用高强螺栓。但是在螺
栓实际是受到疲劳载荷作用的情况下,并没有达到设计要求。高强(a)断口宏观照片(b)螺栓金相组织照片(500×)
螺栓疲劳断口照片
度常常有损于工件,使工件出现严重的应力增高区域。
1.1失效出现的宏观原因
2.设计中选材或热处理选择不当
这类问题实际上也可以归类为设计问题。零部件进行设计时必须进行选材,设计人员的
选材思路一般是根据零部件受力分析,但有时是仿照类似产品进行选材与设计,这时往往由
于没有考虑使用环境等影响因素出现选材或热处理不当问题。
【例1-3】高尔夫球头裂纹问题。
高尔夫球运动是一项具有特色魅
力的运动,在我国也开始盛行。某公
司采用钛合金制作高尔夫球头,出口
到国外使用。在使用过程中钛合金的
球头出现大量裂纹,如图所示。
(a)肉眼可见宏观裂纹(b)材料内部出现大量裂纹
钛合金制作的高尔夫球头使用过程中出现大量裂纹照片
1.1失效出现的宏观原因
【例1-4】45钢轴类件的不
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