过程装备失效与材料的关系

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 过程装备失效与材料的关系,本章主要内容,一、过程装备及其构件的失效形式？,有过量变形、断裂及表面损伤三大类型：,具体到,：零件、设备的,过量变形,以及性能指标,零件,、设备,的,断裂,及性能指标,在交变载荷下的,疲劳断裂,及性能指标,在,高温下,的蠕变变形和断裂失效,零件,、设备,的,磨损失效,以及防止、,腐蚀,与防护,二、失效的原因和失效分析,原因？可能是设计、选材、加工、安装或实际操作等,失效分析有哪些方法？步骤？,6-1,金属材料常见失效形式及其判断,什么是过量弹性变形失效,?,发生过量弹性变形的原因是什么,?,设计时应选择什么性能指标,?,发生过量塑性变形的原因是什么,?,抗力指标有哪些,?,断裂失效的分类,；,韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂的特点？原因？,表面损伤,腐蚀、磨损的机理？,问 题,关于失效的基本概念,1,零件（构件或设备）的功能,（,1,）在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；完成传热、传质等。,（,2,）实现规定的机械运动；,（,3,）传递力和能。,失效的定义和形式,定义,:,零件、设备失去设计所要求的效能（功能）称为失效。,常见的失效形式：,过量变形、断裂、磨损与腐蚀,一、变形失效,过量弹性变形及抗力指标,（,1,）零构件发生过量弹性变形失效：,D,l,D,l,(,拉压或者弯曲条件下）,或者,q,q,（,扭转条件下）,（,2,）过量弹性变形的原因：零构件的,刚度不够,（,3,）抗力指标：弹性模量,E,或者切变模量,G,总 结,零构件发生过量弹性变形的原因：,刚度不足,抗力指标：,弹性模量,E,或者,切变模量,G,强 调！,金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变，即,EG,与材料的组织关系不大。,过量塑性变形及抗力指标,（,1,）发生条件：塑性变形量超过允许变形量,（,2,）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性 变形的能力不够,（,3,）抗力指标：,比例极限,s,p,弹性极限,s,e,屈服强度,s,s,5-1,节中所讲的材料的力学性能指标及应用,刚度,：,刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件,弹性指标,：,弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等,屈服强度和塑性,：,一般零件的抗断裂设计。,硬度,：,在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等,.,二、断裂失效,静载荷和冲击载荷,断裂：,材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象。,断裂的分类,(,见表,6,1,),：韧性断裂和脆性断裂,断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展,韧性：,表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。,一,),、断裂的分类（见表,6,1,）,表,6,1,断裂的分类,二,),、,韧性断裂,在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂叫做韧性断裂。,1),韧性断裂的特征,韧性断裂是一个缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹成长同时进行。裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢，材料在断裂过程中需要不断消耗相当多的能量。,2),韧性断裂的断口形态,a.,断口的宏观形态,韧性断裂的宏观断口可分为三个区域：即,纤维区、放射区和剪切唇区,b,、断口的显微形态韧性断裂的微观断口常见韧窝及蛇形花样,3),韧性断裂的原因及改进措施,韧性断裂往往因材料受到较大的负荷或过载所引起。,选用,强度较高,的金属材料，,设计时,充分考虑构件的承载能力，,实际操作,中严禁超载、超温、超速，注意构件及设备异常的变形，对防止韧性断裂发生都是有效的。,三,),、脆性断裂,金属材料在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂叫做脆性断裂,1),脆性断裂的特征,脆性断裂是一个快速断裂的过程。没有可见的塑性变形，由于没有变形先兆，危害性很大。,2),脆性断裂的断口形态,a.,断口的宏观形态,脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观表面平齐，颜色光亮。,b.,断口的显微形态,脆性断口的微观形态常见解理台阶与河流花样、舌状花样、鱼骨状花样等,韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌,韧性断口,脆性断口,3),产生脆性断裂的原因,A,应力状态与缺口效应,B,温度,C,尺寸效应,D,焊接质量,E,工作介质,F,材料和组织因素,4),防止脆性断裂的途径,传统设计不包含脆性强度概念，没有考虑缺陷大小、温度、加载速度、构件尺寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂的因素。,防止脆性断裂的合理结构设计,:,材料的断裂韧性水平、构件的最低工作温度和构件的应力状态，承受的载荷类型,(,交变载荷、冲击载荷等,),以及环境腐蚀介质。,5),、冲击韧性及衡量指标,冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。,衡量指标：冲击吸收功,A,k,冲击韧度,a,k,(a,k,A,k,/F,k,),应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。,低温冲击试验：,(,材料的韧脆转变温度,T,K,),材料,韧脆转变温度,T,K,的确定和应用,6),、断裂韧性及衡量指标,断裂韧度,K,IC,:,是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。,单位：,MPa,m,1/2,或者,MN,m,-3/2,应用,（判断构件是否安全，合理选材）,K,I,K,IC,构件发生脆性断裂,K,I,K,IC,构件发生低应力脆性断裂的临界条件,应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。,总 结,材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂,(,当然还有下面的疲劳断裂,),材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧性的好坏；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。,材料的以上韧性指标均可用,合金化和热处理,等方法改变。,四,),、在交变载荷下的疲劳断裂,问 题,什么是疲劳断裂？,疲劳断口由哪几个部分组成？,疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使用这些指标？,1,）、基本概念,交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。,疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。,疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。,2,）、疲劳断口的特点,疲劳断口,3,个区,疲劳源区、扩展区、断裂区,示意图,疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌,微裂纹,疲劳条纹,两个疲劳源,一个疲劳源,3,）、疲劳抗力指标,无裂纹构件的疲劳抗力指标,：,疲劳极限,过载持久值,疲劳极限：,材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。,疲劳曲线,图,1,11,两种类型的疲劳曲线,a),钢铁材料,b),部分有色金属（如铝合金）,条件疲劳极限,疲劳极限,过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次。,高周疲劳：,N,f,10,5,低周疲劳,:,N,f,10,5,带裂纹构件的疲劳抗力指标,裂纹扩展速率（,da/dN,),疲劳裂纹扩展门槛值,(,DK,th,）,影响疲劳抗力的因素,载荷类型,材料本质,零件表面状态,工作温度,腐蚀介质,总 结,疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大,。,无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。,工作应力,s,疲劳极限，构件在一定的周次下断裂，该周次称为过载持久值。,工作应力越大，,过载持久值越低。,疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发生疲劳断裂。,三、表面损伤（磨损、腐蚀）失效,一）磨损：,主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生过程、机理以及防止措施。,1,）,、,磨损的基本概念,产生磨损的条件,:,材料的表面相互接触或材料表面与流体,接触并作相对运动,磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸、形状变化和物质耗损的现象叫做磨损。,2,）、磨损的过程和机理,粘着磨损：,（,1,）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。,（,2,）过程,滑动,（,3,）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。,（,4,）防止措施,合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料,；,提高表面硬度；,合理设计减小接触压应力；,减小表面粗糙度。,局部粘着,粘着处被撕掉,金属表面被划伤或者金属屑粒脱落,磨粒磨损：,（,1,）定义：,又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。,（,2,）过程,金属表面发生局部塑性变形,磨粒嵌入金属表面，切割金属表面,表面被划伤,（,4,）防止措施,提高表面硬度（从选材方面）；,减少磨粒数量（从工作状况方面）,。,接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）：,（,1,）定义：,零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。,（,2,）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。,（,3,）,主要防止措施,提高材料硬度；提高材料纯度；,提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度。,总 结,磨损是机械零件常见的一种失效形式，总是从零件表面开始发生。各种磨损的过程和机理不同，因此其主要的预防措施也不同。,提高零件表面硬度，合理设计减小压应力，以及提高表面光洁度等对降低磨损都有利。,二）腐蚀失效,问 题,什么是腐蚀？可分为几类？,高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热钢为什么具有抗高温氧化能力？,发生电化学腐蚀的条件是什么？,改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么,1,）、腐蚀的定义和分类,腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。,分类：,化学腐蚀,电化学腐蚀,2,）、腐蚀过程及防止,化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主）,高温氧化过程：,（,a,）金属失去电子成为金属离子,（,b,）氧原子吸收电子成为氧离子,（,c,）金属离子和氧离子结合为金属氧化物,基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。,提高钢抗氧化能力：加入,Al,、,Si,、,Cr,等元素，与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。,电化学腐蚀,条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于相互联通的电介质溶液中形成微电池。,电化学腐蚀的过程,阳极：失去电子，,M,M,n+,+ne,(,被腐蚀）,阴极：发生析氢反应或者吸氧反应,3,）、零件防止腐蚀的措施,对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等；零件表面涂层。,对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂,6-2,过程装备及其构件失效 的原因和失效分析,一、过程装备及其构件失效的原因,由设计不合理、选材不当及材料缺陷、制造工艺不合理、操作和维修不当等四方面引起的，也可能是它们之间的交错影响，要具体分析。,1,、,设计不合理,考虑不周密或认识水平的限制：,结构或形状不合理，构件存在缺口、转角处过渡圆弧过小、不同形状过渡区等高应力区未能恰当设计,总之，设计中的过载荷、应力集中、结构选择不当及配合不合适等都会导致构件及装备失效。构件及装备的设计要有足够的强度、刚度、稳定性，结构设计要合理。,2,、,选材不当及材料缺陷,3,、制造工艺不合理,4,、操作和维修不当,二、失效分析方法简介,1,、接受任务，明确要求,在接受失效分析任务时都应明确以下问题：,1),明确分析的对象；,2),明确分析的目的和要求。,2,、调查研究,调查的内容有如下几个方面：,1),现场调查：失效件材料损伤情况、外观检查与拍照、事故发生过程及对周围事物的影响；选取失效分析试样并妥善保存，尤其要保护好断裂失效件的断口；,2),收集失效件的背景资料：工况、环境条件、运行历史；,3),收集工程设计、选材、供