零部件的失效与选材

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1、第十三章零部件的失效与选材第一节零部件的失效一、失效概念所谓失效（failure）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。由于零部件的失效，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的安全，造成巨大的经济损失。因此，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便具有十分重要的意义。二、失效形式零部件常见的失效形式有变形失效(deformationfailure)、断裂失效(fracturefailure)、表面损伤失效(surfacedamagefailure)及材

2、料老化失效(materialsageingfailure)等。1、变形失效⑴弹性变形失效一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性摸量大的材料。⑵塑性变形失效零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。塑性变形会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运

3、转不良而失效。例如压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。2、断裂失效断裂失效是零部件失效的主要形式，按断裂原因可分为以下几种：⑴韧性断裂(toughnessfracture)失效材料在断裂之前所发生的宏观塑性变形或所吸收的能量较大的断裂称为韧性断裂。工程上使用的金属材料的韧性断口多呈韧窝状，如图13-1所示。韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧断产生的。图13-1韧窝断口⑵脆性断裂(brittlefracture)失效材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形很小（<2~5%）的断裂称为脆性

4、断裂。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。①疲劳断裂(fatiguefracture)失效零部件在交变应力作用下，在比屈服应力低很多的应力下发生的突然脆断，称为疲劳断裂。由于疲劳断裂是在低应力、无先兆情况下发生的，因而具有很大的危险性和破坏性。据统计，80%以上的断裂失效属于疲劳断裂。疲劳断裂最明显的特征是断口上的疲劳裂纹扩展区比较平滑，并通常存在疲劳休止线或疲劳纹疲劳断裂的断裂源多发生在零部件表面的缺陷或应力集中部位。提高零部件表面加工质量，减少应力集中，对材料表面进行表面强化处理，都可以有效地提高疲劳断裂抗力。②低应力脆性断裂

5、失效石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为低应力脆性断裂。对于含裂纹的构件，要用抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标一断裂韧性（K1C）来衡量，以确保安全。低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。金属在正应力作用下，因原子间的结合键被破坏而造成的穿晶断裂称为解理断裂。解理断裂的主要特征是其断口上存在河流花样（见图13-2），它是由于不同高度解理面之间产生的台阶逐渐汇聚而形成的。沿晶断裂的断口呈冰糖状（见图13-3）。图13-2解理断口图13-

6、3沿晶断口3、表面损伤失效由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。⑴磨损(wear)失效磨损失效是工程上量大面广的一种失效形式。任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。例如轴与轴承，齿轮与齿轮、活塞环与汽缸套等摩擦付在服役时表面产生的损伤。工程上主要是通过提高材料的硬度来提高零部件的耐磨性。另外，增加材料组织中硬质相的数量，并让其均匀、细小的分布；选择合理的磨擦付硬度配比；提高零部件表面加工质量；改善润滑

7、条件等都能有效地提高零部件的抗磨损能力。提高材料耐磨性的主要途径是进行表面强化，表13-1列出了表面强化工艺方法的分类及特点。⑵腐蚀(corrosion)失效由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。合理地选用耐腐蚀材料，在材料表面涂覆防护层，采用电化学保护及采用缓蚀剂等可有效提高材料的抗腐蚀能力。表13-1表面强化方法的分类和特点分类强化方法硬化层组织结构硬化层厚度，.mm可获得的表面硬度及变化表层残余应力大小，MPa适用工件材料最小最大表面形变强化及表面抛、磨光喷丸亚晶粒细化，高密度位错0.41.0增加20%~40%压应力

8、4~8钢，铸铁，有色金属滚轮磨光1.020.0增加2