零件失效分析

1、零部件的失效與選材,,第一節(jié) 零部件的失效,失效  零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成指定的功能。,,一、失效形式 常見的失效形式有變形失效、斷裂失效、表面損失失效及材料的老化失效等。1、變形失效　 （1）彈性變形失效 不恰當(dāng)?shù)膹椥宰冃瘟繉?dǎo)致失效。 （2）塑性變形失效 防止零件塑性變形失效的措施：采用屈服強(qiáng)度高的材料，進(jìn)行合理的

2、熱處理，防止超載。,,2、斷裂失效　 斷裂失效 機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。（1）韌性斷裂失效 斷裂前有明顯的塑性變形。  宏觀變形方式為頸縮，典型斷口呈韌窩狀，韌窩是由于空洞的形成、長大并連接而導(dǎo)致韌性斷裂產(chǎn)生的。（2）脆性斷裂失效 斷裂前無塑性變形。疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂和蠕變斷裂等均屬于脆性斷裂。 ① 疲勞斷裂   在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受

3、的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂，稱金屬的疲勞斷裂。,,②低應(yīng)力脆性斷裂失效 石油化工容器、鍋爐等一些大型鍛件或焊接件，在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力作用下，由于材料自身固有的裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的無明顯塑性變形的突然斷裂，稱為低應(yīng)力脆性斷裂。 低應(yīng)力脆性斷裂按其斷口的形貌可分為解理斷裂和沿晶斷裂。,,3、表面損失失效由于磨損、疲勞、腐蝕等原因，使零部件表面失去正常工作所必須的形狀、尺寸和表面粗糙度造成

4、的失效，稱為表面損傷失效。 ⑴ 磨損(wear)失效任何兩個(gè)相互接觸的零部件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面會(huì)發(fā)生磨損，造成零部件尺寸變化、精度降低而不能繼續(xù)工作，這種現(xiàn)象稱為磨損失效。⑵ 腐蝕(corrosion)失效由于化學(xué)或電化學(xué)腐蝕而造成零部件尺寸和性能的改變而導(dǎo)致的失效稱為腐蝕失效。⑶ 表面疲勞失效 表面疲勞失效是指兩個(gè)相互接觸的零部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在交變接觸應(yīng)力作用下，零部件表面層材料發(fā)生疲勞而脫落所造成的失效。,,4

5、、材料的老化 高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生變脆、變硬或變軟、變粘等現(xiàn)象，從而失去原有性能指標(biāo)的現(xiàn)象，稱為高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。,,二、失效原因 造成零部件失效的原因很多，主要有設(shè)計(jì)、選材、加工、裝配使用等因素。1、設(shè)計(jì)不合理 2、選材錯(cuò)誤3、加工工藝不當(dāng) 4、裝配使用不當(dāng),,三、失效分析 1、失效分析的一般程序⑴ 收集失效零部件的殘骸，進(jìn)行宏觀外形與尺寸的觀察和測量，拍照留據(jù)，確定

6、重點(diǎn)分析的部位。⑵ 調(diào)查零部件的服役條件和失效過程。⑶ 查閱失效零部件的有關(guān)資料，包括零部件的設(shè)計(jì)、加工、安裝、使用維護(hù)等方面的資料。⑷ 試驗(yàn)研究,,2、失效分析實(shí)例——鍋爐給水泵軸的斷裂分析某大型化肥廠從國外引進(jìn)的兩臺(tái)離心式鍋爐給水泵在試車過程中只運(yùn)行了1400多小時(shí)便先后發(fā)生斷軸事故。泵軸的材質(zhì)相當(dāng)于我國的42CrMo鋼，外徑為90mm，斷裂部位為平衡鼓附近的軸節(jié)處，該處最小直徑為74mm。在試車期間，給水泵曾頻繁開停車。圖

7、為泵軸的斷口照片。,成分分析表明，泵軸材料的含碳量高于標(biāo)準(zhǔn)的上限（0.45%）達(dá)到0.48%。泵軸的心部組織為魏氏組織，表面為粗大晶粒的回火索氏體組織。顯然，泵軸材料為不合格材料。泵軸表面機(jī)械加工粗糙，斷口部位有四條明顯的深車刀痕，泵軸正是沿著這些刀痕之一整齊地發(fā)生脆性斷裂。結(jié)論：泵軸的斷裂為低載荷高應(yīng)力集中的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。深的車刀痕是高應(yīng)力集中源，也是引起泵軸斷裂的主要原因。泵軸材料是成分和熱處理組織不合格材料。,,第二節(jié) 零部

8、件的選材,一、選材的基本原則 1、使用性能原則 材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。使用性能指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能。2、工藝性能原則 材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求。,,（1）金屬材料的工藝性能 金屬材料加工的工藝路線復(fù)雜。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。,,（2）高分子材料工藝性能高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，成形加工方法也比較多。高分子材料

9、的切削加工性能較好，與金屬基本相同。但由于高分子材料的導(dǎo)熱性差，在切削過程中易使工件溫度急劇升高，使熱塑性塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。,高分子材料的加工工藝路線,,（3）陶瓷材料的工藝性能 陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進(jìn)行任何其它加工。,陶瓷材料的加工工藝路線,,3、經(jīng)濟(jì)性原則 滿足使用性

10、能要求的前提下，采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。,,二、典型零部件選材及工藝分析 ㈠ 齒輪類零件的選材1、齒輪的工作條件、主要失效形式及對(duì)性能的要求。⑴ 齒輪的工作條件：①嚙合齒表面承受較大的既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)的強(qiáng)烈磨擦和接觸疲勞壓應(yīng)力。②傳遞動(dòng)力時(shí)，輪齒類似于懸臂梁，輪齒根部承受較大的彎曲疲勞應(yīng)力。③換擋、啟動(dòng)、制動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)，承受沖擊載荷。⑵ 齒輪的主要失效形式：①斷齒：除因過載（主要是沖擊載荷過大）

11、產(chǎn)生斷齒外，大多數(shù)情況下的斷齒，是由于傳遞動(dòng)力時(shí)，在齒根部產(chǎn)生的彎曲疲勞應(yīng)力造成的。②齒面磨損：由于齒面接觸區(qū)的磨擦，使齒厚變小、齒隙加大。③接觸疲勞；在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，遂漸剝落，形成麻點(diǎn)。⑶ 對(duì)齒輪材料的性能要求：①高的彎曲疲勞強(qiáng)度；②高的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度；③輪齒心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性。,,2、典型齒輪的選材⑴ 機(jī)床齒輪,機(jī)床變速箱齒輪擔(dān)負(fù)傳遞動(dòng)力，改變運(yùn)動(dòng)速度和方向的任務(wù)。工作條件較好，轉(zhuǎn)速中等，載荷不

12、大，工作平穩(wěn)無強(qiáng)烈沖擊。,一般可選中碳鋼(45鋼)制造，為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼(40Cr鋼)。,,（2）汽車、拖拉機(jī)齒輪與機(jī)床齒輪比較，汽車、拖拉機(jī)齒輪工作時(shí)受力較大，受沖擊頻繁，因而對(duì)性能的要求較高。這類齒輪通常使用合金滲碳鋼（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工藝路線為：備料→鍛造→正火→機(jī)械加工→滲碳→淬火+低溫回大→噴丸→磨削→裝配。,,㈡ 軸類零部件的選材1、軸的工作條件，主要失效形式及對(duì)性能的

13、要求。⑴ 軸的工作條件：①傳遞扭矩，承受交變扭轉(zhuǎn)載荷作用。同時(shí)也往往承受交變彎曲載荷或拉、壓載荷的作用。②軸頸承受較大的磨擦。③承受一定的過載或沖擊載荷。⑵ 軸的主要失效形式：①疲勞斷裂 由于受交變的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。②斷裂失效 由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷。③磨損失效 軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)生變化。⑶ 對(duì)軸用材料的性能要求：①高的疲勞強(qiáng)度

14、，以防止疲勞斷裂。②良好的綜合力學(xué)性能，以防止沖擊或過載斷裂。③良好的耐磨性，以防止軸頸磨損。,,2、典型軸的選材 ⑴ 機(jī)床主軸 主軸受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力作用，載荷和轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷不大。具有一般綜合機(jī)械性能即可滿足要求。軸頸和錐孔處有磨擦。 C620車床主軸可選用45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度為220250HB，軸頸和錐孔需進(jìn)行表面淬火，硬度為46-54HRC。 其工藝路線為：備料→鍛造→正火→粗機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)

15、→精機(jī)械加工→表面淬火+低溫回火→磨削→裝配,,⑵ 汽輪機(jī)主軸 汽輪機(jī)主軸尺寸大、工作負(fù)荷大，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。 因此對(duì)汽輪機(jī)主軸材料除要求其在性能上具有高的強(qiáng)度和足夠的塑韌性外，還要求其鍛件中不出現(xiàn)較大的夾雜、白點(diǎn)、焊接裂紋等缺陷。對(duì)于在500℃以上工作的主軸還要求其材料具有一定的高溫強(qiáng)度。,,對(duì)于工作在450℃以下的材料，如果汽輪機(jī)功率較小12000kW），且主軸尺寸較大，則須選用35CrMo鋼，以提高

16、淬透性。對(duì)于工作在500℃以上的主軸，由于汽輪機(jī)功率大（>125000kW），要求高溫強(qiáng)度高，需選用珠光體耐熱鋼，通常高中壓主軸選用25CrMoVA或27Cr2MoVA鋼，低壓主軸選用15CrMo或17CrMoV鋼。對(duì)于工作溫度更高，要求更高高溫強(qiáng)度的主軸，可選用珠光體耐熱鋼20Cr3MoWV（<540℃）或鐵基耐熱合金Cr14Ni26MoTi（<650℃）、Cr14Ni35MoWTiAl（<680℃）制造。

17、氣輪機(jī)主軸的工藝路線為：備料→鍛造→第一次正火→去氫處理→第二次正火→高溫回火→機(jī)械加工→成品。,,⑶ 內(nèi)燃機(jī)曲軸 曲軸工作時(shí)受交變的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及振動(dòng)和沖擊力的作用。 按內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不同可選用不同的材料。通常低速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用正火態(tài)的45鋼或球黑鑄鐵；中速的內(nèi)燃機(jī)曲軸選用調(diào)質(zhì)態(tài)的45鋼、調(diào)質(zhì)態(tài)的中碳合金鋼（例如40Cr）或球墨鑄鐵。高速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用強(qiáng)度級(jí)別再高一些的合金鋼（例如42CrMo等）。內(nèi)燃機(jī)曲軸的工藝路線為：備料