材料失效案例PPT教案

1、會計(jì)學(xué)1材料失效案例材料失效案例磨損深度達(dá)磨損深度達(dá)5mm。于。于1999年年10月月26日將該日將該軸斷開，確定對該軸的斷裂原因軸斷開，確定對該軸的斷裂原因進(jìn)行分析。進(jìn)行分析。第1頁/共190頁界轉(zhuǎn)速：界轉(zhuǎn)速：2221r/min；轉(zhuǎn)速系數(shù)：；轉(zhuǎn)速系數(shù)：1.5。n風(fēng)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)與尺寸，如圖風(fēng)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)與尺寸，如圖8-1所示。所示。第2頁/共190頁第3頁/共190頁第4頁/共190頁第5頁/共190頁第6頁/共190頁“切根切根”現(xiàn)象，在此處可產(chǎn)生較現(xiàn)象，在此處可產(chǎn)生較大的應(yīng)力集大的應(yīng)力集中。中。第7頁/共190頁數(shù)由使用廠數(shù)由使用廠提供）為：提供）為：20m以下為優(yōu)，以下為優(yōu)，40m以下為以下

2、為良，超過良，超過80m為不合格。顯見，為不合格。顯見，該風(fēng)機(jī)使該風(fēng)機(jī)使用中的振動情況雖然在規(guī)定的合用中的振動情況雖然在規(guī)定的合格范圍以格范圍以內(nèi)，但已超出內(nèi)，但已超出“良良”的要求。的要求。第8頁/共190頁加速，在斷口上可觀察到清晰的加速，在斷口上可觀察到清晰的疲勞弧線，疲勞弧線，疲勞弧線的圓心指向最后斷裂區(qū)。疲勞弧線的圓心指向最后斷裂區(qū)。第9頁/共190頁第10頁/共190頁一個不大的撕裂臺階。由此可知，一個不大的撕裂臺階。由此可知，裂紋均從裂紋均從缺陷的根部形成并擴(kuò)展。缺陷的根部形成并擴(kuò)展。第11頁/共190頁b）a）圖圖8-4 斷口缺陷處裂紋形貌（斷口缺陷處裂紋形貌（3）a）A處處b

3、）B處處第12頁/共190頁圖圖8-5 缺陷根部裂紋缺陷根部裂紋微觀形態(tài)（微觀形態(tài)（150圖圖8-6 裂紋快速擴(kuò)裂紋快速擴(kuò)展區(qū)解理（展區(qū)解理（250第13頁/共190頁此可知，裂紋均從缺陷的根部形此可知，裂紋均從缺陷的根部形成并擴(kuò)展。成并擴(kuò)展。第14頁/共190頁n在裂紋擴(kuò)展區(qū)為典型的解理斷在裂紋擴(kuò)展區(qū)為典型的解理斷裂，可見珠裂，可見珠光體解理形貌，這是在調(diào)質(zhì)組織光體解理形貌，這是在調(diào)質(zhì)組織中常見的疲中常見的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形態(tài)。勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形態(tài)。第15頁/共190頁疲勞極限疲勞極限時，疲勞裂紋源難以形成，即不時，疲勞裂紋源難以形成，即不可能發(fā)生名可能發(fā)生名義上的疲勞斷裂。但當(dāng)零件表面義上的疲勞

4、斷裂。但當(dāng)零件表面存在缺陷存在缺陷時，裂紋源即在缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力時，裂紋源即在缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力集中作用下集中作用下形成。形成。第16頁/共190頁第17頁/共190頁第18頁/共190頁Fe，有少量的，有少量的Mn，未發(fā)現(xiàn)其他元，未發(fā)現(xiàn)其他元素成分。素成分。第19頁/共190頁第20頁/共190頁硬度值為硬度值為220HV0.1，淬火區(qū)，淬火區(qū)M的硬度為的硬度為386HV0.1，基，基體硬度為體硬度為250HV0.1。第21頁/共190頁圖圖8-7 缺陷處表層組織缺陷處表層組織形態(tài)（形態(tài)（50）圖圖8-8 硬度測試結(jié)硬度測試結(jié)果果第22頁/共190頁第23頁/共190頁第24頁/共190頁動依然未

5、能解決，應(yīng)從安裝上查動依然未能解決，應(yīng)從安裝上查明原因，減明原因，減小其振動。小其振動。第25頁/共190頁第26頁/共190頁第27頁/共190頁第28頁/共190頁圖圖8-9 開裂齒輪形態(tài)及齒面開裂齒輪形態(tài)及齒面上裂紋的分布形態(tài)上裂紋的分布形態(tài)第29頁/共190頁第30頁/共190頁圖圖8-10 斷口宏觀特征斷口宏觀特征第31頁/共190頁形成過載開形成過載開裂形態(tài)，在疲勞斷裂區(qū)邊緣有明裂形態(tài)，在疲勞斷裂區(qū)邊緣有明顯的裂紋擴(kuò)顯的裂紋擴(kuò)展形成的撕裂棱，開裂面粗糙，展形成的撕裂棱，開裂面粗糙，有清楚的放有清楚的放射狀花樣。射狀花樣。第32頁/共190頁第33頁/共190頁第34頁/共190頁圖

6、圖8-11 斷口的枯木狀形態(tài)，有斷口的枯木狀形態(tài)，有大量的碎塊狀夾雜和二次裂紋大量的碎塊狀夾雜和二次裂紋第35頁/共190頁圖圖8-12 斷面上大晶粒開裂的形態(tài)斷面上大晶粒開裂的形態(tài)，開裂斷面上有斷續(xù)的疲勞痕跡，開裂斷面上有斷續(xù)的疲勞痕跡第36頁/共190頁圖圖8-13 二次裂紋形態(tài)，裂紋內(nèi)有碎塊二次裂紋形態(tài)，裂紋內(nèi)有碎塊狀夾雜，裂紋兩側(cè)晶粒磨損擠壓痕狀夾雜，裂紋兩側(cè)晶粒磨損擠壓痕第37頁/共190頁圖圖8-14 開裂面邊緣形態(tài)，表面明開裂面邊緣形態(tài)，表面明顯變形、磨損，有小深的微孔顯變形、磨損，有小深的微孔第38頁/共190頁態(tài)與心部基本相同，組織中存在態(tài)與心部基本相同，組織中存在較大的夾雜

7、較大的夾雜物和鑄造缺陷，這是導(dǎo)致材料疲物和鑄造缺陷，這是導(dǎo)致材料疲勞強(qiáng)度降低勞強(qiáng)度降低的主要因素。的主要因素。第39頁/共190頁C）d）C）心部組織及夾雜）心部組織及夾雜物物1（500）d）心部組織及夾雜物）心部組織及夾雜物2（500）第40頁/共190頁第41頁/共190頁表表8-1 單齒硬度測試結(jié)果單齒硬度測試結(jié)果 （單位：（單位：HV0.1）第42頁/共190頁表表8-2 不同齒的硬度測試結(jié)果結(jié)果不同齒的硬度測試結(jié)果結(jié)果注：齒頂注：齒頂1靠近斷口處，齒頂靠近斷口處，齒頂2、3為相鄰的齒。為相鄰的齒。第43頁/共190頁第44頁/共190頁看出，齒輪看出，齒輪的實(shí)際運(yùn)行載荷較大，為裂紋的

8、的實(shí)際運(yùn)行載荷較大，為裂紋的形成和擴(kuò)展形成和擴(kuò)展提供了力學(xué)條件。提供了力學(xué)條件。第45頁/共190頁第46頁/共190頁夾雜物，嚴(yán)重降低齒輪的疲勞壽夾雜物，嚴(yán)重降低齒輪的疲勞壽命：命：第47頁/共190頁缺陷導(dǎo)致材料的脆性增大，強(qiáng)度缺陷導(dǎo)致材料的脆性增大，強(qiáng)度和韌性降和韌性降低，導(dǎo)致快速的脆性斷裂。低，導(dǎo)致快速的脆性斷裂。第48頁/共190頁第49頁/共190頁第50頁/共190頁第51頁/共190頁第52頁/共190頁a）主動齒輪）主動齒輪b）從動齒輪）從動齒輪圖圖8-16 實(shí)效分析外觀實(shí)效分析外觀圖圖第53頁/共190頁第54頁/共190頁圖圖8-17 主動齒輪共滲表主動齒輪共滲表層金相組

9、織（層金相組織（400）圖圖8-18 主動齒輪心部金主動齒輪心部金相組織（相組織（400）第55頁/共190頁此測定結(jié)果所確定的共滲層全深此測定結(jié)果所確定的共滲層全深度約度約1.10mm。綜合以上分析，說明主。綜合以上分析，說明主動齒輪熱處動齒輪熱處理質(zhì)量較好。理質(zhì)量較好。第56頁/共190頁圖圖8-19 主動齒輪共滲層的顯微主動齒輪共滲層的顯微硬度分布曲線硬度分布曲線第57頁/共190頁第58頁/共190頁的痕跡，表的痕跡，表明該齒輪的基體中碳氮元素的飽明該齒輪的基體中碳氮元素的飽和度是不高和度是不高的；的；輪齒心部輪齒心部的金相組織為低碳的金相組織為低碳馬氏體及大馬氏體及大量的未溶鐵素體，

10、如圖量的未溶鐵素體，如圖8-21所示。所示。第59頁/共190頁圖圖8-20 從動齒輪共滲表從動齒輪共滲表層金相組織（層金相組織（400）圖圖8-21 從動齒輪心部金從動齒輪心部金相組織（相組織（400）第60頁/共190頁度分布顯然度分布顯然是不好的。是不好的。第61頁/共190頁圖圖8-22 從動齒輪共滲層的從動齒輪共滲層的顯微硬度分布曲線顯微硬度分布曲線第62頁/共190頁第63頁/共190頁圖圖8-23 從動齒輪表層碳氮化合從動齒輪表層碳氮化合物層剝落形貌（物層剝落形貌（400）第64頁/共190頁第65頁/共190頁第66頁/共190頁第67頁/共190頁第68頁/共190頁第69頁

11、/共190頁第70頁/共190頁很難獲得像主動齒輪那樣很難獲得像主動齒輪那樣100的的低碳馬氏低碳馬氏體，而出現(xiàn)大量的未溶鐵素體；體，而出現(xiàn)大量的未溶鐵素體；第71頁/共190頁第72頁/共190頁增加和脫碳導(dǎo)致硬度不足，可將增加和脫碳導(dǎo)致硬度不足，可將重新加熱淬重新加熱淬火的保溫時間縮短火的保溫時間縮短10 20min，同時盡量縮同時盡量縮短工件出爐至淬火冷卻的時間和短工件出爐至淬火冷卻的時間和共滲時擴(kuò)散共滲時擴(kuò)散階段的時間。階段的時間。第73頁/共190頁第74頁/共190頁第75頁/共190頁第76頁/共190頁為為3000r/min。葉輪材料為。葉輪材料為HT200，實(shí)測的實(shí)測的化學(xué)成

12、分列于表化學(xué)成分列于表8-6。第77頁/共190頁表表8-6 鑄鐵的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，鑄鐵的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）第78頁/共190頁表表8-7 葉輪的腐蝕狀況統(tǒng)計(jì)葉輪的腐蝕狀況統(tǒng)計(jì)第79頁/共190頁第80頁/共190頁圖圖8-46 潛水泵葉輪和腐蝕的葉輪外形潛水泵葉輪和腐蝕的葉輪外形a）潛水泵葉輪）潛水泵葉輪 b）腐蝕的葉輪外）腐蝕的葉輪外形形第81頁/共190頁或或“磨損腐蝕磨損腐蝕”的條件是明顯不的條件是明顯不同的。同的。第82頁/共190頁有不同的斑有不同的斑點(diǎn)。點(diǎn)。第83頁/共190頁圖圖8-47 葉輪表面的葉輪表面的SEM圖形圖形a）腐蝕表面）腐蝕表面“泥狀泥狀”形貌形貌 b

13、）圖）圖a暗區(qū)的放暗區(qū)的放大大第84頁/共190頁是由于腐蝕產(chǎn)物、臟物導(dǎo)致的垢是由于腐蝕產(chǎn)物、臟物導(dǎo)致的垢下腐蝕以及下腐蝕以及石墨腐蝕造成的。石墨腐蝕造成的。第85頁/共190頁是周圍的鐵是周圍的鐵素體上覆蓋著一層疏松的腐蝕產(chǎn)素體上覆蓋著一層疏松的腐蝕產(chǎn)物，可以看物，可以看到在鐵素體表面上有許多的腐蝕到在鐵素體表面上有許多的腐蝕坑?？印５?6頁/共190頁a）微觀形貌）微觀形貌 b）腐蝕表面石墨形態(tài)）腐蝕表面石墨形態(tài)第87頁/共190頁圖圖8-48 金屬腐蝕表面的微觀形貌金屬腐蝕表面的微觀形貌c）腐蝕表面球狀物微觀形貌）腐蝕表面球狀物微觀形貌第88頁/共190頁使用鑄鐵使用鑄鐵泵。這里可以明確

14、，在葉輪的腐泵。這里可以明確，在葉輪的腐蝕過程中，蝕過程中，高速流動的水流產(chǎn)生的機(jī)械力對高速流動的水流產(chǎn)生的機(jī)械力對葉輪的腐蝕葉輪的腐蝕沒有產(chǎn)生什么大的作用。沒有產(chǎn)生什么大的作用。第89頁/共190頁第90頁/共190頁圖圖8-49 腐蝕產(chǎn)物的腐蝕產(chǎn)物的X射線衍射定性分析圖譜射線衍射定性分析圖譜 第91頁/共190頁（8-1）第92頁/共190頁（8-2）第93頁/共190頁（8-3）上述的反應(yīng)表明：有部分的上述的反應(yīng)表明：有部分的Fe(OH)2通過式（通過式（8-2）的反應(yīng)被氧化）的反應(yīng)被氧化Fe(OH)3然后轉(zhuǎn)化為然后轉(zhuǎn)化為Fe3O4沉淀。事實(shí)上沉淀。事實(shí)上,大多數(shù)的大多數(shù)的Fe(OH)2

15、被水中分解出被水中分解出的的HCO3-中和為中和為FeCO3沉淀。在所有的反應(yīng)中沉淀。在所有的反應(yīng)中，由于，由于HCO3-加速了加速了Fe(OH)2的轉(zhuǎn)變，式的轉(zhuǎn)變，式(8-1)的的反應(yīng)平衡被破壞，所以，這一反應(yīng)能夠連續(xù)不反應(yīng)平衡被破壞，所以，這一反應(yīng)能夠連續(xù)不斷地進(jìn)行，斷地進(jìn)行，F(xiàn)e的腐蝕也就被加速了。的腐蝕也就被加速了。第94頁/共190頁第95頁/共190頁第96頁/共190頁第97頁/共190頁圖圖8-50 沉積物下金屬腐蝕機(jī)理示意圖沉積物下金屬腐蝕機(jī)理示意圖第98頁/共190頁氧化成氧化成Fe2+，進(jìn)而被水中析出的，進(jìn)而被水中析出的HCO3-氧化成氧化成FeCO3沉淀。沉淀。第99頁

16、/共190頁屬的腐蝕，屬的腐蝕，反而在銹層底部和周圍形成宏觀反而在銹層底部和周圍形成宏觀腐蝕電池，腐蝕電池，而加速了銹層底部金屬的腐蝕。而加速了銹層底部金屬的腐蝕。第100頁/共190頁第101頁/共190頁第102頁/共190頁圖圖8-52 腐蝕表面腐蝕表面的宏觀形貌的宏觀形貌圖圖8-51 腐蝕區(qū)腐蝕區(qū)域示意圖域示意圖第103頁/共190頁本栗田工業(yè)公司是國際上著名的本栗田工業(yè)公司是國際上著名的水處理技術(shù)水處理技術(shù)公司，他們在研究中特別注重冷公司，他們在研究中特別注重冷卻水系統(tǒng)中卻水系統(tǒng)中的結(jié)垢處理及其結(jié)垢對冷卻水管的結(jié)垢處理及其結(jié)垢對冷卻水管道系統(tǒng)的腐道系統(tǒng)的腐蝕。蝕。第104頁/共190

17、頁第105頁/共190頁（見圖（見圖8-53b）和呈圓狀破裂的團(tuán)）和呈圓狀破裂的團(tuán)絮狀（見圖絮狀（見圖8-53c）。在這些部位都檢測到）。在這些部位都檢測到Cl和和S，圖，圖8-53c所示形態(tài)類似于所示形態(tài)類似于氯化物氯化物。第106頁/共190頁a）白銅管表面）白銅管表面 b）對應(yīng)于圖）對應(yīng)于圖a中中的暗區(qū)（條狀）的暗區(qū)（條狀）第107頁/共190頁c）對應(yīng)于圖）對應(yīng)于圖a中的暗區(qū)（團(tuán)絮狀）中的暗區(qū)（團(tuán)絮狀）圖圖8-53 銅管腐蝕坑底形貌銅管腐蝕坑底形貌第108頁/共190頁3SiO2、FeCO3，和復(fù)合物，和復(fù)合物Mn1.00A11.11S1.89等。等。第109頁/共190頁圖圖8-54

18、 白銅腐蝕物樣品的白銅腐蝕物樣品的X射線衍射定性測試射線衍射定性測試圖圖第110頁/共190頁素素Cl、O、Mn、Ti等。等。第111頁/共190頁表表8-8 能譜成分定量分析結(jié)果能譜成分定量分析結(jié)果第112頁/共190頁第113頁/共190頁Ar+刻蝕，刻蝕，2.6X10-4Pa，4keV。分析結(jié)果如表。分析結(jié)果如表8-9所示。所示。第114頁/共190頁第115頁/共190頁第116頁/共190頁表表8-10 銅管的化學(xué)成分銅管的化學(xué)成分第117頁/共190頁第118頁/共190頁第119頁/共190頁第120頁/共190頁a）日用自來水）日用自來水b）5%NaCl 水溶液水溶液中中圖圖8

19、-55 腐蝕極化曲線腐蝕極化曲線未使用管未使用管 未使用管（庫存）未使用管（庫存）運(yùn)行中運(yùn)行中第121頁/共190頁第122頁/共190頁第123頁/共190頁第124頁/共190頁第125頁/共190頁質(zhì)含量。質(zhì)含量。第126頁/共190頁它是由一它是由一根根400mm2000mm的不銹鋼管的不銹鋼管和焊接在和焊接在該管子上的螺形刀片（葉片）組該管子上的螺形刀片（葉片）組成的。漿料成的。漿料被螺旋葉片由管子的進(jìn)料口送入被螺旋葉片由管子的進(jìn)料口送入另一端。另一端。第127頁/共190頁第128頁/共190頁第129頁/共190頁錯。錯。第130頁/共190頁表表8-12 鋼材力學(xué)性能實(shí)測值鋼材

20、力學(xué)性能實(shí)測值第131頁/共190頁組織為組織為單一單一的奧氏體的奧氏體，晶粒度為，晶粒度為l2級。級。第132頁/共190頁進(jìn)一步的分析結(jié)果。進(jìn)一步的分析結(jié)果。第133頁/共190頁第134頁/共190頁圖圖8-57 葉片斷裂部位軸向觀察示意圖葉片斷裂部位軸向觀察示意圖第135頁/共190頁第136頁/共190頁圖圖5-58 徑向斷口示意圖徑向斷口示意圖第137頁/共190頁第138頁/共190頁第139頁/共190頁久的將來將會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂久的將來將會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂失效。因失效。因此，在工作中應(yīng)嚴(yán)格控制物料的此，在工作中應(yīng)嚴(yán)格控制物料的pH值，減少值，減少介質(zhì)的腐蝕破壞。介質(zhì)的腐蝕破

21、壞。第140頁/共190頁第141頁/共190頁第142頁/共190頁中處，產(chǎn)生中處，產(chǎn)生微裂紋并導(dǎo)致報廢。微裂紋并導(dǎo)致報廢。第143頁/共190頁第144頁/共190頁第145頁/共190頁三種。三種。第146頁/共190頁第147頁/共190頁在工作過程中，壓坯和模面采用在工作過程中，壓坯和模面采用280360目的粉目的粉狀石墨涂料，擠狀石墨涂料，擠1根涂根涂1根。根。第148頁/共190頁的不均勻性的不均勻性有關(guān)。有關(guān)。第149頁/共190頁第150頁/共190頁第151頁/共190頁第152頁/共190頁第153頁/共190頁第154頁/共190頁第155頁/共190頁第156頁/共190頁第157頁/共190頁歸正交表安歸正交表安排三因素二水平的排三因素二水平的8次試驗(yàn)。各因次試驗(yàn)。各因子水平編子水平編碼見表碼見表8-14。第158頁/共190頁圖圖8-14 因子水平編碼因子水平編碼第159頁/共190頁第160頁/共190頁表表8-15 試驗(yàn)方案試驗(yàn)方案第161頁/共190頁第162頁/共190頁表表8-16 試驗(yàn)結(jié)果及回歸分析試驗(yàn)結(jié)果及回歸分析第1