第十章-機(jī)械零件的失效分析和表面處理解析課件

1、第十章 機(jī)械零件的失效分析和表面處理 第一節(jié) 機(jī)械零件的失效分析 一、失效的概念 所謂失效是指零部件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料的組織與性能等的變化而失去預(yù)定功能的現(xiàn)象。零部件的失效，會使機(jī)床失去加工精度、輸氣管道發(fā)生泄漏、飛機(jī)出現(xiàn)故障等，嚴(yán)重地威脅人身生命和生產(chǎn)安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。分析零部件的失效原因、研究失效機(jī)理、提出失效的預(yù)防措施具有十分重要的意義。 二、失效形式 常見失效形式有變形失效、斷裂失效、表面損傷失效及材料老化失效。 (1)過量變形失效-是指零件在工作過程中受力產(chǎn)生的變形量超過了允許值，使機(jī)器設(shè)備無法正常工作或雖正常工作但達(dá)不到預(yù)期效果的現(xiàn)象。 (2)斷裂失效-零件

2、在工作的過程中發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱斷裂失效。 （3)表面損傷失效-主要是指零件表面的磨損、接觸疲勞和腐蝕。 (4)材料老化失效-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，失去原有性能指標(biāo)的現(xiàn)象，稱高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。 一個零部件失效，總是以一種形式起主導(dǎo)作用，但是，各種失效因素相互交叉作用，可以組合成更復(fù)雜的失效形式。例如應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、腐蝕磨損、蠕變疲勞交互作用等。 1/20第十章 機(jī)械零件的失效分析和表面處理 三、失效的原因 造成機(jī)械零件失效的原因很多，零件在設(shè)計選材加工以及安裝使用四個方面的不當(dāng)都可能導(dǎo)致零件的失效。 (1)設(shè)計不合理 零件設(shè)

3、計不當(dāng)而導(dǎo)致失效的主要表現(xiàn)在兩個方面：一是零件的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計不合理或結(jié)構(gòu)工藝性差，例如過渡圓角太小、存在尖角、孔槽位置不當(dāng)?shù)榷紩斐奢^大的應(yīng)力集中；二是設(shè)計時錯誤地估計了零件的工作條件，例如對零件承載能力設(shè)計得不夠，或是忽略、低估了溫度、介質(zhì)等因素的影響，致使零件早期失效。近年來，由于設(shè)計不合理而導(dǎo)致零件失效情況已隨著應(yīng)力分析水平等的提高而大大減少。 (2)選材不合理 選材時首先應(yīng)滿足零件的使用性能要求，保證零件正常工作和有足夠抵抗破壞的能力。往往一個零件需要同時滿足幾個方面的性能要求，這就要求以最關(guān)鍵的性能作為選材的主要依據(jù)。 (3)加工工藝不當(dāng) 零件在制造過程中，要經(jīng)過一系列冷、熱加工工

4、序：任何不正確的加工工藝都可能造成缺陷，如冷加工時零件表面有較深的刀痕；熱加工時零件內(nèi)部存在裂紋、晶粒粗大等，這些都是造成零件失效的原因。 (4)安裝使用不正確 在裝配或安裝的過程中，機(jī)械零件配合過松或過緊。對中不良，固定太松或太緊等原因都會使機(jī)器在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生附加應(yīng)力和振動，致使零件發(fā)生早期失效。2/20 三、失效的原因2/20四、失效分析方法 造成機(jī)械零件失效的原因很多，零件在設(shè)計、選材、加工以及安裝使用四個方面的不當(dāng)都可能導(dǎo)致零件的失效。 失效分析是研究失效的過程并進(jìn)行分析，以求弄清失效的本質(zhì)、產(chǎn)生的原因以及提出預(yù)防的措施，以防止類似的問題重復(fù)發(fā)生?；具^程如下： （1）使用現(xiàn)場調(diào)查 了解

5、使用環(huán)境和失效經(jīng)過，記錄使用壽命和損壞情況，收集保存殘體供分析。 （2）用材和成形制造工藝調(diào)查 復(fù)查化學(xué)成分和原材料質(zhì)量，詳細(xì)了解零件的成形工藝，機(jī)械加工，熱處理等工藝和操作過程。 （3）檢測分析 外觀分析、斷口分析（包括確定裂紋源、斷裂機(jī)制以及引起斷裂的原因）、顯微分析（可以分為金相顯微分析與電子顯微分析兩種方法，目的是研究材料的顯微組織結(jié)構(gòu)與失效的關(guān)系 ）、力學(xué)性能測試等，必要時進(jìn)行無損探傷和斷裂力學(xué)分析。 失效分析的結(jié)果對零件的設(shè)計、選材、加工以及使用具有一定的指導(dǎo)意義。 3/20四、失效分析方法 造成機(jī)械零件失效的原因很多，零件在第二節(jié) 材料的表面處理技術(shù)簡介 一、表面處理的意義 在扭

6、轉(zhuǎn)、彎曲、沖擊、疲勞等負(fù)荷作用下的零件，其表面層比心部承受更高的應(yīng)力。摩擦副或相對運動部位，在接觸面上會受到相配合零件或外來磨粒的擦傷、刻劃甚至犁削等作用；金屬(或合金)在有腐蝕的環(huán)境中工作時，表面將受到介質(zhì)的侵蝕作用。因此，材料表面很容易受到各種類型的損傷。許多破壞往往是從表面開始的，比如表面疲勞裂紋的擴(kuò)展會導(dǎo)致整個零件破壞；不均勻磨損或腐蝕造成的表面溝痕引起應(yīng)力集中，成為斷裂的起源。 因此，有必要對材料的表面進(jìn)行特殊的強(qiáng)化或防護(hù)處理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性，防止或減輕表面損傷，提高零件的可靠性和使用壽命。有時進(jìn)行表面處理是為了提高零件的裝飾性。通過表面處理，在保持材料本體承

7、載能力的前提下提高表面抗失效能力，顯然具有積極的經(jīng)濟(jì)意義。4/20第二節(jié) 材料的表面處理技術(shù)簡介 一、表面處理的意義4/ 二、表面處理方法與分類 表面處理方法有很多，主要分為兩大類：表面強(qiáng)化處理和表面防護(hù)處理。常用的表面處理工藝方法有：表面熱處理【包括表面淬火(含激光表面熱處理)與化學(xué)熱處理】、氣相沉積（包括：化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積）、熱噴涂、堆焊與噴焊、噴丸、滾壓、氧化處理、磷化、電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、搪瓷、涂料與涂裝等等。各種新方法也還在不斷出現(xiàn)。 三、表面預(yù)處理 材料在進(jìn)行表面處理前，一般需要經(jīng)過預(yù)處理，包括除油、除銹、粗化、活化和拋光。表面預(yù)處理的目的是：預(yù)先制備清潔的表面，以便后

8、續(xù)表面處理工序的進(jìn)行、或保證覆蓋層與材料基體有牢固的結(jié)合強(qiáng)度。對許多表面處理工藝而言，如氣相沉積、熱噴涂、電鍍等表面預(yù)處理質(zhì)量的好壞，在很大程度上決定著表面處理工藝的成敗。5/20 二、表面處理方法與分類5/20 四、常用表面強(qiáng)化處理技術(shù)方法 常用表面強(qiáng)化處理方法有：表面淬火（工業(yè)上廣泛應(yīng)用的有火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火和激光加熱表面淬火），化學(xué)熱處理，氣相沉積（包括：化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積），熱噴涂，堆焊與噴焊，電火花表面強(qiáng)化等。其中，表面淬火、化學(xué)熱處理和氣相沉積已經(jīng)在第四章第七節(jié)鋼的表面熱處理和熱處理新工藝簡介中作了介紹，這里不再重復(fù)討論。 1.熱噴涂 它是采用氣體、液體、燃

9、料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它們的復(fù)合材料等噴涂材料，加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。若將噴涂層再加熱重熔，則產(chǎn)生冶金結(jié)合。這種方法稱為熱噴涂方法。根據(jù)需要選用不同的涂層材料，可以獲得耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐熱等方面的一種或數(shù)種性能。6/20 四、常用表面強(qiáng)化處理技術(shù)方法6/20 2.堆焊和噴焊 (1)堆焊 用傳統(tǒng)的電焊方法，將合金絲或焊條熔化堆結(jié)在工件表面形成冶金結(jié)合層的方法。如用氣焊、焊條電弧焊及氬弧焊等各種電弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件表面

10、，達(dá)到修復(fù)或改善工件表面性能的目的。 (2)噴焊 是采用氣體火焰或等離子焰將自溶性合金粉末熔化或半熔化后，高速噴射到經(jīng)預(yù)熱的工件表面，再繼續(xù)加熱至10001300，合金熔化后經(jīng)冷凝生成涂層，使其和基體表面達(dá)到良好結(jié)合的方法。 3、電火花表面強(qiáng)化 是通過火花放電的作用，把作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)金屬工件的表層，形成合金化的表面強(qiáng)化層，使工件的物理化學(xué)和機(jī)械性能得到改善的工藝。它是直接利用電能的高能量密度對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化的工藝方法。7/20 2.堆焊和噴焊7/20 4.激光束表面合金化 激光熱處理的基本原理 激光是二十世紀(jì)60年代出現(xiàn)的重大科學(xué)技術(shù)成就之一，70年代開始應(yīng)用于金屬熱處理。激光是由

11、激光器產(chǎn)生的，金屬熱處理大多使用CO2激光器。 激光束具有以下特性：高方向性。光束的發(fā)散角可小于一個到幾個毫弧度，基本上是平行的。高亮度性。光束非常強(qiáng)，并可聚集成很小的光斑，具有很高的能量密度。高單色性。頻率范圍非常窄，有很好的相干性。 當(dāng)激光束照射到金屬表面時，其能量幾乎全被表面層吸收轉(zhuǎn)變成熱，可在極短時間內(nèi)將工件表層加熱或熔化，而工件心部仍保持室溫。當(dāng)激光束離去后，通過向工件心部的傳熱，表層可獲得極大的冷卻速度，從而實現(xiàn)“自冷卻”淬火或快速凝固。因此，可用激光束對鋼鐵零件進(jìn)行表面淬火和表面合金化。 8/20 4.激光束表面合金化8/20 五、常用表面防護(hù)性處理方法 1.氧化處理 (1)鋼鐵

12、的氧化處理 鋼鐵的化學(xué)氧化是將鋼鐵零件浸在濃堿溶液中煮沸，在金屬表面生成穩(wěn)定的四氧化三鐵(Fe304)的過程。因四氧化三鐵氧化膜呈藍(lán)黑色，所以又稱其為“發(fā)藍(lán)”。發(fā)藍(lán)是提高黑色金屬防護(hù)能力的一種簡便而又經(jīng)濟(jì)的方法。膜厚在0.5-1.6m。膜層具有很好的吸附性，發(fā)藍(lán)后的零件再進(jìn)行浸油及其它填充處理，能進(jìn)一步提高膜層的耐蝕性。發(fā)藍(lán)膜薄，不影響零件的裝配尺寸；對表面光潔要求高或拋光的精密件，發(fā)藍(lán)后表面既亮又黑，具有防護(hù)和裝飾的效果。這一工藝在精密儀器、光學(xué)儀器以及機(jī)械制造上廣為應(yīng)用。 (2)鋁及鋁合金的氧化處理 主要有化學(xué)氧化和電化學(xué)氧化-陽極氧化。 1）鋁及鋁合金的化學(xué)氧化 是把工件置入適當(dāng)溶液中，

13、使其表面生成人工氧化膜。一般是將鋁件浸在含有堿溶液和堿金屬的鉻酸鹽溶液中，鋁和溶液互相作用,很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜，其膜厚度大約0.5-4m。這種氧化膜具有較高的吸附能力，般工業(yè)上作為表面涂裝的底層，經(jīng)化學(xué)氧化后再涂裝，可以大大提高鋁及鋁合金外觀裝飾件的抗蝕能力，使涂料的保持性增強(qiáng)。鋁及鋁合金化學(xué)氧化的優(yōu)點主要是生產(chǎn)效率高、成本低、不消耗電能，不需專門設(shè)備，適于大批量生產(chǎn)。因此，化學(xué)氧化法在面飾中大量采用。 2）鋁及鋁合金的電化學(xué)氧化 鋁及鋁合金零件在電解液中進(jìn)行電化學(xué)氧化，其工藝象電鍍的逆過程，因零件作為陽極，故也稱鋁陽極氧化。 9/20 五、常用表面防護(hù)性處理方法9/2

14、0 2鋼鐵的磷化處理 鋼鐵的磷化處理是將零件浸入磷酸鹽溶液中進(jìn)行化學(xué)處理，在金屬表面生成難溶于水的磷酸鹽膜的過程。簡稱“磷化”。磷化也是金屬氧化方法之一，因此磷酸鹽膜也是一種化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。磷化是鋼鐵表面防護(hù)的常用方法之一，應(yīng)用愈來愈廣泛。有色金屬如鋅、鋁、銅、錫等都可以進(jìn)行磷化處理。 磷化溶液品種甚多，按磷化溫度，可分為高溫磷化(85-98)、中溫磷化(50-70)、低溫磷化(35)；按磷化溶液成分，可分為鋅系、錳系、鋅鈣系等。但應(yīng)用較多的是鋅系的磷酸二氫鋅和錳系的磷酸錳鐵制劑等。磷酸鹽膜的厚度可由3-20m，甚至更厚。膜與基體金屬有較好的結(jié)合，膜的性能較好。對大氣相在有機(jī)油類、苯、甲苯及各種氣

15、體燃料中有很好的耐蝕性；對潤滑油有很好的吸附性；不粘附熔融金屬、不影響零件的焊接性能；磷酸鹽膜是高電阻膜層，有很好的電絕緣性。磷酸鹽膜的顏色由暗灰到黑色，隨基體合金成分及磷酸鹽處理工藝的不同，可以呈不同的顏色。磷酸鹽是一種無機(jī)鹽膜，其不足在于膜本身機(jī)械強(qiáng)度不高，有一定脆性。磷酸鹽處理過程伴隨著氫的析出、對氫脆敏感的材料，應(yīng)考慮氫脆問題，特別是對高強(qiáng)鋼。一般對受力較小的低碳或中碳鋼不會造成危害。 10/20 2鋼鐵的磷化處理10/20 3電鍍和化學(xué)鍍 鍍層裝飾技術(shù)能在制品表面形成具有金屬特性的鍍層，這是一種較典型的表面裝飾技術(shù)。金屬鍍層不僅能提高制品的耐蝕性和耐磨性，而且能夠增強(qiáng)制品表面的色彩、

16、光澤和肌理的裝飾效果，因此能保護(hù)和美化表面，由于有優(yōu)異的鍍層，常常使制品的品位和檔次得到提高。 按鍍層的表面狀態(tài)可分成鏡面鍍層和粗面鍍層兩類。按鍍層裝飾技術(shù)可分為電鍍、化學(xué)鍍、真空蒸發(fā)沉積鍍、氣相鍍等。鍍層裝飾的金屬有Cu、Ni、Cr、Fe、Zn、Sn、Al、Pb、Au、Ag、Pt。 電鍍：是將金屬工件浸入要鍍金屬鹽溶液中并作為陰極，通以直流電，在直流電場作用下，金屬鹽溶液中的陽離子在工件表面上沉積形成電鍍層。 化學(xué)鍍：是一種在無外加電流的情況下,利用還原劑在具有催化活性的表面進(jìn)行氧化還原反應(yīng)而沉積出鍍層的方法。溶液中一般含有主鹽，提供形成鍍層的主要成分；還原劑，還原主鹽中的離子；絡(luò)合劑，拓寬

17、鍍液工作的pH值范圍,提高沉積速度,改善鍍層光潔致密性,防止鍍液中沉淀的析出,增加其穩(wěn)定性并延長使用壽命；穩(wěn)定劑，抑制鍍液自發(fā)分解；緩沖劑。 11/20 3電鍍和化學(xué)鍍11/20 4.涂層裝飾技術(shù) 在制品表面形成以有機(jī)物為主體的涂層，并干燥成膜的工藝，稱為涂裝技術(shù)，這是一種簡單而又經(jīng)濟(jì)可行的表面裝飾方法，在工業(yè)上通常簡稱為涂裝。涂裝的目的有三方面： 保護(hù)作用。裝飾作用:使制品外觀在視覺感受上成為美觀悅目的制品。 特殊作用。使制品具有隔熱、絕緣、耐水、耐輻射、阻尼、殺菌、吸收雷達(dá)波、隔音、導(dǎo)電等特殊功能。特別是通過涂裝與其它表面處理技術(shù)相疊加的多重處理，可獲得能適應(yīng)相當(dāng)苛刻條件和使用環(huán)境的防護(hù)裝

18、飾涂層。 涂裝所用的材料是各種涂料。它們一般由主要成膜物質(zhì)、顏料和溶劑混合加工而成。其中主要成膜物質(zhì)是涂料中的主要組分，大多數(shù)為各種合成樹脂，其主要作用是將其它組分粘結(jié)成一個整體，并能附著在被覆金屬制品表面，形成堅韌的保護(hù)膜，所以也稱固著劑。由于有機(jī)溶劑涂料在使用時對環(huán)境有污染，同時為了節(jié)省資源，現(xiàn)代涂料已從有機(jī)溶劑型向水性涂料、粉末涂料、高固體組分涂料和反應(yīng)性涂料轉(zhuǎn)化，并向無有機(jī)溶劑涂料過渡。12/20 4.涂層裝飾技術(shù)12/20第十一章 機(jī)械零件的選材 機(jī)械零件的設(shè)計包括零件結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和工藝設(shè)計三個方面。在許多情況下，選材或用材不當(dāng)是造成零件失效的重要原因之一。因此，了解選材的思路

19、，掌握合理選材的原則，在掌握各種工程材料性能的基礎(chǔ)上，正確、合理地選擇和使用材料是從事機(jī)械設(shè)計與制造的工程技術(shù)人員的一項重要任務(wù)，具有很重要的實際意義。 13/20第十一章 機(jī)械零件的選材 機(jī)械零件的設(shè)計包 遵循三條基本原則： 使用性能足夠, 工藝性能良好, 經(jīng)濟(jì)性合理。第一節(jié) 選材的基本原則14/20 第一節(jié) 選材的基本原則14/20 使用性能是保證零件完成指定功能的必要條件。使用性能是指零件在工作過程中應(yīng)具備的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，它是選材的最主要依據(jù)，對于機(jī)械零件，最重要的使用性能是力學(xué)性能。對零件力學(xué)性能的要求，一般是在分析零件的工作條件(溫度、受力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等)和失效形式

20、的基礎(chǔ)上提出來的。根據(jù)使用性能選材的步驟如下： 1. 分析零件的工作條件，確定使用性能 零件的工作條件是復(fù)雜的。工作條件分析包括受力狀態(tài)(拉伸、壓縮、彎曲、剪切等)、載荷性質(zhì)(靜載、動載、交變載荷)、載荷大小及分布、工作溫度(低溫、室溫、高溫、變溫)、環(huán)境介質(zhì)(潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等)、對零件的特殊性能要求(電、磁、熱)等。在對工作條件進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上確定零件的使用性能。 2. 分析零部件的失效原因，確定主要使用性能。 對零件使用性能的要求，往往是多項的。例如傳動軸，要求其具有高的疲勞強(qiáng)度、韌性和軸頸的耐磨性。因此，需要通過對零部件失效原因的分析，找出導(dǎo)致失效的主導(dǎo)因素，準(zhǔn)確確定出零件

21、所必需的主要使用性能。例如，曲軸在工作時承受沖擊、交變等載荷作用，而失效分析表明，曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂，而不是沖擊斷裂，因此應(yīng)以疲勞抗力作為主要使用性能要求來進(jìn)行曲軸的設(shè)計。制造曲軸的材料也可由鍛鋼改為價格便宜、工藝簡單的球墨鑄鐵。表11-1列出了幾種常見零件的工作條件、失效形式及對性能的要求。 一、使用性能足夠的原則15/20 使用性能是保證零件完成指定功能的必要條件。使 3.將對零件的使用性能要求轉(zhuǎn)化為對材料性能指標(biāo)的要求 有了對零件使用性能的要求，還不能馬上進(jìn)行選材，還需要通過分析、計算或模擬試驗將使用性能要求指標(biāo)化和量化。例如“高硬度”這一使用性能要求，需轉(zhuǎn)化為“60HRC”或

22、“62-65HRC”等。這是選材最關(guān)鍵、最困難的一步。需根據(jù)零部件的尺寸及工作時所承受的載荷，計算出應(yīng)力分布，再由工作應(yīng)力、使用壽命或安全性與材料性能指標(biāo)的關(guān)系,確定性能指標(biāo)的具體數(shù)值。 4.材料的預(yù)選 根據(jù)對零件材料性能指標(biāo)數(shù)據(jù)的要求查閱有關(guān)手冊，找到合適的材料，根據(jù)這些材料的大致應(yīng)用范圍進(jìn)行判斷、選材。對用預(yù)選材料設(shè)計的零件，其危險截面在考慮安全系數(shù)后的工作應(yīng)力，必須小于所確定的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)值。然后再比較加工工藝的可行性和制造成本的高低，以最優(yōu)方案的材料作為所選定的材料。 16/20 3.將對零件的使用性能要 二、工藝性能良好原則 材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。在滿足使用性能選材的

23、同時，必須兼顧材料的工藝性能。工藝性能的好壞，直接影響零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。工藝性能對大批量生產(chǎn)的零件尤為重要，因為在大批量生產(chǎn)時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。 金屬材料、高分子材料、陶瓷材料的工藝性能概括介紹如下： 1.金屬材料的工藝性能：加工工藝路線復(fù)雜，要求的工藝性能比較多，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理工藝性能等。 鑄造性能最好的是共晶成分附近的合金，鑄造鋁合金和銅合金的鑄造性能優(yōu)于鑄鐵，鑄鐵又優(yōu)于鑄鋼。 鍛造性能最好的是低碳鋼，中碳鋼次之，高碳鋼則較差。形變鋁合合和銅合金的鍛造性較好，而鑄鐵、鑄造鋁合金不能進(jìn)行冷熱壓力加工。 焊接性能低碳鋼最好，隨碳和合金元素含量增加，焊接性能下降，鑄鐵則很難焊接，鋁合金和銅合金的焊接性比碳鋼差。 熱處