工程材料-CH10-机械零件失效与选材

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1、第十章机械零件的失效与选材机械零件的失效与分析机械工程材料的选材原则一、机械零件失效与分析每种机器零件都具有一定的功能——或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：零件完全破坏，不能继续工作；零件严重损伤，不能保证工作安全；零件虽能安全工作，但工作低效。当零部件丧失预定的功能时，即发生了零件的失效。（一）、零件失效的基本形式零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。表面损伤失效断裂失效变形失效应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性

2、断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效零件失效（二）、失效分析的主要方法失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影响失效的因素很多，要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析。服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工艺使用材料设计失效分析的主要方法1、无损检测无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。2、金相分析通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效

3、源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。3、化学分析检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。4、力学分析检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。5、断口分析断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区，判断出断裂的性质和机理。脆性断口韧性断口疲劳断口B裂纹产生在后A裂纹产生在前裂纹扩展方向（a）T型法则（b）分叉法则图分析破坏的顺序断口分析T型法则分叉法则脆性断口宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。源区源区（a）（b）图失效源分析宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面

4、。无明显变形。微观：平坦的解理台阶与河流花样。（a）宏观形貌（b）微观解理花样图脆性结晶状断口的宏观及微观形貌脆性断口脆性断裂也可能沿晶界发生。（a）回火脆性断口（b）应力腐蚀断口图脆性沿晶断裂断口韧性断口宏观：纤维状，色质灰暗,有明显的塑性变形；微观：大小不等的韧窝。（a）纤维状韧性宏观断口（b）微观典型韧窝形貌图韧性断口的宏观及微观形貌疲劳断口（a）疲劳断口宏观形貌（b）疲劳断口示意图（c）疲劳条纹的微观图象图疲劳断口疲劳源疲劳裂纹扩展区“贝纹”状花样瞬时断裂区（三）、零件失效分析实例1、齿轮的失效齿轮是机械设备中运用极广的传动零件，齿轮表面受到接触力和摩擦力的作用，齿根部则受到交变

5、弯曲应力的作用，此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。（a）（b）图齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）齿轮的失效行为失效形式失效的原因齿面接触疲劳破坏在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）疲劳断裂从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失效形式齿面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿2、机车车辆车轴的失效车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的韧塑性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂），断口见图：（a）（b）图车轴疲劳断口（a）疲

6、劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。（b）疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。疲劳源车轴的疲劳断裂失效分析如下图：疲劳裂纹源发生在车轴内部──冶金缺陷（残余缩孔、夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）车轴疲劳断裂分析断口面基本与轴向垂直设计不当、严重缺陷或过载断口特征异常机加工缺陷机加工不当撞伤意外损伤腐蚀产物环境腐蚀磨损产物微动摩擦轴表面异常化学成份冶炼工艺不当力学性能不合格金相组织冶炼、锻造或热处理工艺不当疲劳裂纹源发生在车轴表面断口面与轴向成45角扭转载荷过大3、铁路钢轨的失效钢轨伤损的主要形式失效形式失效的原因磨耗钢轨与车轮接触面表层发生

7、磨损压溃轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形剥离交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层(次表层)形成扩展至剥落疲劳裂纹或折断交变应力引起疲劳裂纹的萌生,并可能进一步扩展至断裂擦伤轮轨接触面发生热机械作用,导致组织产生相变由珠光体组织转变成马氏体组织锈蚀腐蚀环境作用（a）（b）（c）图8-12钢轨轨头磨耗、压溃和剥离（a）轨头侧面磨耗（b）轨头踏面被压溃及出现飞边（c）鱼鳞状裂纹和剥离坑铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、疲