机械零件的失效

第 2 讲机械零件的失效 机械零件的失效形式机械零件的失效形式：变形、断裂、磨损和腐蚀。指某些零件由于某种原因,导致其尺寸,形状或材料的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能.失效包括 (1)零件完全破坏,不能继续工作; (2)虽然能完全工作,但不能满意地起到预期的作用; (3)零件严重受损,继续工作不安全 引起故障的外因有三：环境因素、人为因素、时间因素 失效的基本因素 1.设计因素确定材质，尺寸，结构，提出必要的技术文件：图纸,说明书等.（非标设备） 2.制造因素铸、锻、焊,机加工和热处理等达不到设计要求而导致零件失效. 3. 装配调试因素在安装过程中 ,未达到要求的质量指标. 4. 材质因素选材不当,材质内部缺陷,毛坯加工或冷热加工产生的缺陷 5. 运转维修因素运转工况参数监控,定期大,中,小检修,润滑条件是否保证,冷却,加热和过滤系统功能是否正常,操作是否正确。 (一)变形失效变形失效件体现为：不能承受规定载荷；不能起到规定作用；与其他零件的运转发生干扰。变形在某种程度上减弱了零件规定功能，可以是塑性的或弹塑性的变形基本类型：尺寸变形或体积变形(长大或缩小)和形状变形(如弯曲和翘曲)。 1. 弹性变形失效：变形量是在弹性范围内变化, 是刚度问题。杆，柱类，轴类零件，靠摩擦力传动的零件等弹性变形会带来失效的问题.影响弹性变形主要因素：零件形状、尺寸、材料的弹性模量，零件工作温度和载荷的大小。 变形失效 2. 塑性变形失效：是外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形。塑性变形影响因素: 除弹性变形中所论影响因素外, 还有材料缺陷，使用不当,设计有误等,其中特别是热处理不良更为突出。如齿轮的齿部高频淬火，可能因温度控制不妥造成裂纹。 3.翘曲变形失效：是一种与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的外形而导致失效. (二)断裂失效 1. 断裂分类 (1)按断裂性质分韧性断裂材料断裂之前发生明显的宏观塑性的断裂.脆性断裂指材料在断裂之前不发生或发生很小的宏观可见的塑性变形的断裂.韧性-脆性断裂又称准脆性断裂.是一种塑性和脆性混合的断裂.(2)按断裂路径分:沿晶断裂 ,穿晶断裂,混晶断裂. 2. 断口分析方法 对金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察,可以看到其断口可分为纤维状区,放射状区及剪切唇区三个不同的区域. 脆性断裂工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光滑拉伸试样的5%)情况下发生的断裂称作脆性断裂,因其断裂应力低于材料的屈服强度,故又称作低应力断裂。钢丝绳：断裂有预兆。由于脆性断裂大都没有事先预兆,具有突发性,对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的后果。因此,脆性断裂是人们力图予以避免的一种断裂失效模式。尽管各国工程界对脆性断裂的分析与预防研究极为重视,从工程构件的设计、用材、制造到使用维护的全过程中,采取了种种措施,然而,由于脆性断裂的复杂性,至今由脆性断裂失效导致的灾难性事故仍时有发生。 脆性断裂的宏观特征金属构件脆性断裂,其宏观特征虽随原因不同会有差异,但基本特征是共同的。 (1)断裂处很少或没有宏观塑性变形,碎块断口可以拼合复原。 (2)断口平坦,无剪切唇,断口与应力方向垂直。 (3)断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。 (4)断面颜色有的较光亮,有的较灰暗。光亮断口是细瓷状,对着光线转动,可见到闪光的小刻面;灰暗断口有时呈粗糙状,有时呈现出粗大晶粒外形。 脆性断裂的宏观特征 (5)板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向,如图1所示。 图1 板材构件脆性断口宏观特征 (6)脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。 金属构件脆性断裂失效的表现形式主要有: (1)由材料性质改变而引起的脆性断裂,如兰脆、回火脆、过热与过烧致脆、不锈钢的475脆和相脆性等。 (2)由环境温度与介质引起的脆性断裂,如冷脆、氢脆、应力腐蚀致脆、液体金属致脆以及辐照致脆等。 (3)由加载速率与缺口效应引起的脆性断裂,如高速致脆、应力集中与三应力状态致脆等。 (三) 腐蚀失效腐蚀 是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗,是化学和电化学作用的结果.腐蚀失效有几种基本类型:1.均匀腐蚀2.点腐蚀3.晶向腐蚀 (四)磨损失效磨损 相互接触的一对金属表面,相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形,使金属表面状态和尺寸改变的现象. 机械设备的磨损80%因磨损而失效报废。 1、磨损失效的基本类型粘着磨损,磨料磨损,表面疲劳磨损,冲刷磨损,腐蚀磨损等五种基本类型.粘着磨损（拉伤） 两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结(固相粘着)，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。 磨损失效磨料磨损 配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒(料)磨损。 犁削磨损 硬材料表面的微凸点切削较软材料的表面，在较软材料的表面形成“犁沟”。 磨损失效 表面疲劳磨损 两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。 2、 磨损失效的基本影响因素 摩擦，磨损和润滑，即磨损失效涉及到摩擦副的材质和磨损工况 磨损失效 相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损 防止和减少磨损的方法和途径正确的选材是提高耐磨性的关键。尽量保证液体润滑，对设备进行正确、合理的润滑，能有效减少设备零部件的磨损，延长设备使用寿命。采用多种表面处理方法：如滚压、化学表面热处理、镀铬、喷涂等正确进行摩擦副的结构设计设备正确的维护与使用对设备的寿命影响很大。 皮带传动与磨损：在同一组中，皮带长短不一或者因为磨损造成皮带轮槽深浅不一，皮带轮轴弯曲均会产生较大的振动，对那些精密的设备还可能形成振动源。若调得太松，起动时会产生怪叫声，并且会发生起转慢，主动轮发热；调得太紧，会发出吱吱声并且导致皮带和皮带轮发热，从而损伤皮带。