设备管理_机电设备故障及零部件失效机理概述

2020 2 20 机电设备维修技术 1 第一章机电设备故障及零部件失效机理 本章主要内容 机电设备故障的概念分类规律 零部件失效主要模式 机械零件的磨损金属零件的腐蚀机械零件的变形机械零件的断裂 不同失效模式下减少或消除其失效的方法和途径 2020 2 20 机电设备维修技术 2 第一节概论 发动机发动不起来 机床运转不平稳 汽车刹车失灵等等现象都是机械故障的表现形式 故障研究的目的是要查明故障模式 追寻故障机理 探求减少故障的方法 提高机电设备的可靠程度和有效利用率故障定义 设备 系统 或零部件丧失了规定工能的状态 故障含两层含义 一是机械系统偏离正常功能 二是其功能失效 2020 2 20 机电设备维修技术 3 关于失效的基本概念 1 零件 构件 的功能 1 在一定的压力 温度 介质下 保持规定的形状和尺寸 2 实现规定的机械运动 3 传递力和能 2 失效的定义和形式定义 零件失去设计所要求的效能 功能 称为失效 常见的失效形式 磨损 腐蚀 过量变形 断裂 2020 2 20 机电设备维修技术 4 第一节概论 对故障进行研究时 要注意一下几个问题 故障状况随规定对象的变化而不同 故障状况是针对规定功能而言的 故障状况应达到一定的程度 2020 2 20 机电设备维修技术 5 二 故障的分类 机械故障可以从不同角度来进行分类 不同的分类方法反映了机械故障的不同侧面 对机械故障进行分类的目的是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的对策 以下是各种故障分类方法 2020 2 20 机电设备维修技术 6 故障分类 1 按故障性质分间歇性故障 设备只是在短期内丧失某些功能 在对设备稍加修理调试或在外部干扰消失后 功能即可恢复 多半由机电设备外部原因如工人误操作 气候变化 环境设施不良等因素引起 永久性故障 此类故障必须经人工修理才能恢复功能 该故障一般是因为某些零部件损坏引起的 2020 2 20 机电设备维修技术 7 故障分类 2 按故障程度分局部性故障 设备只是某一部功能丧失 不影响设备其它功能的实现 如冷却电机 整体性故障 虽然设备只是某一部功能丧失 但却使设备整体功能不能实现 如主电动机故障 2020 2 20 机电设备维修技术 8 故障分类 3 按故障形成速度分突发性故障 故障发生具有偶然性和突发性 一般与设备使用时间无关 故障发生前无明显征兆 通过早期试验或测试很难预测 一般是由工艺系统本身不利因素与偶然的外界影响因素共同作用的结果缓变性故障 故障发展缓慢 一般在设备有效寿命的后期出现 其发生概率与使用时间有关 能够通过早期试验或测试进行预测 通常是因零部件的腐蚀磨损疲劳以及老化等发展形成的 2020 2 20 机电设备维修技术 9 故障分类 4 按故障形成原因分操作或管理失误形成的故障 设备未按原设计规定的条件使用 形成设备错用 精机粗用设备内在原因形成的故障 一般是设备由于设计 制造遗留下的缺陷 如加工残余应力 局部薄弱环节等 或材料内部潜在的缺陷造成的 该故障无法预测 是突发性故障的重要原因自然故障 设备在有效期内 因受到外部或内部多种自然因素影响而引起的故障 如正常情况下零部件的磨损 断裂 腐蚀 变形 蠕变以及老化等 2020 2 20 机电设备维修技术 10 故障分类 5 按故障造成的后果分致命故障 危及或导致伤亡 引起设备报废或造成重大经济损失的故障 如机架或机体断裂 车轮脱落 发动机总成报废等严重故障 是指严重影响设备正常使用 在短期内无法排除的故障 如发动机烧瓦 曲轴断裂 箱体开裂 齿轮损坏等一般故障 指影响设备正常使用 但在短期内能排除的故障 如V型带断裂 操纵手轮手柄损坏 电器开关损坏 轻微渗漏和一般紧固件松动等 2020 2 20 机电设备维修技术 11 故障分类 6 按故障表现形式分功能故障和潜在故障7 按故障形成的时间分早期故障和随时间变化的故障及随机故障8 按故障程度和形成快慢分破坏性故障和渐衰失效性故障 2020 2 20 机电设备维修技术 12 三 故障的规律 设备的任何部分都将在足够长的使用周期后产生失效 最可靠的产品最终也要发生故障 故障的发生受其内部隐蔽的规律所支配 研究和利用故障规律 便可设法从根本上预防故障 工作应力 环境应力 人为因素 时间等都是设备产生故障的外因 2020 2 20 机电设备维修技术 13 三 故障的规律 可靠性机电设备的可靠性是指机电设备在规定条件下 在规定时间内 无故障地完成其规定功能的能力 规定时间 产品应达到的工作期限 用时间或相当于时间的指标来表示 如运转的次数 行驶里程等 可靠性的数量指标 设备的技术状况总是随着时间的延长而逐渐恶化的因而设备的使用寿命总是有限的 由此可知 设备发生故障的可能性总是随着时间的延长而增大的 因而它可以看作是时间的函数 但同时设备故障的发生具有随机性 即无论哪一种故障 人们都难以预料它的确切发生时间 故设备发生故障的情况都只能用概率来表示 称为故障概率 2020 2 20 机电设备维修技术 14 三 故障的规律 1 可靠度 无故障概率 机电设备在规定条件下 在规定时间内 无故障地完成其规定功能的概率 用R t 表示 2 故障概率机电设备在规定条件下 在规定时间内 发生故障的概率 用F t 表示 图1 1可靠度曲线 图1 2故障概率曲线 2020 2 20 机电设备维修技术 15 三 故障的规律 1 可靠度 无故障概率 机电设备在规定条件下 在规定时间内 无故障地完成其规定功能的概率 用R t 表示 图1 1为可靠度曲线 由图可见 产品的可靠度R t 是时间t的函数 随着时间的增长 产品的可靠度会越来越低 它是一个介于1与0之间的数 即0 R t 1 图1 1可靠度曲线 1 1 2020 2 20 机电设备维修技术 16 三 故障的规律 2 故障概率机电设备在规定条件下 在规定时间内 发生故障的概率 用F t 表示 图1 2为故障概率曲线 由图可见 产品的故障概率F t 也是时间t的函数 随着时间的推移 产品的故障概率会越来越大 它是一个介于0与1之间的数 即0 F t 1 图1 2故障概率曲线 1 1 2020 2 20 机电设备维修技术 17 无故障概率与故障概率关系 两者是对立事件故障概率与无故障概率构成了一个完整的事件组 即 2020 2 20 机电设备维修技术 18 三 故障的规律 从概率的概念出发 由概率理论可知 故障概率的分布是其密度函数f t 积累函数 即故障发生的时间比率 或单位时间内发生的故障的概率 它是单调增函数 故障概率可用公式表示 式中F t 故障概率f t 故障概率分布密度函数t 时间当t 时 即故障概率又叫累计故障概率 其密度函数f t 又叫单位时间内发生故障的概率 有 2020 2 20 机电设备维修技术 19 三 故障的规律 图1 3故障概率密度函数f t t 2020 2 20 机电设备维修技术 20 三 故障的规律 3 故障率故障率是指在每一个时间增量里产生故障的次数或在时间t之前尚未发生故障 而在随后的dt时间之内可能发生故障的条件概率 用 t 来表示 其数学关系式为 该式说明故障率为某一瞬时可能发生的故障 相对于该瞬时无故障概率之比 2020 2 20 机电设备维修技术 21 三 故障的规律 故障率瞬时故障率 产品在某一瞬时t的单位时间内发生故障的概率平均故障率 产品在某一段时间内单位时间发生故障的概率平均故障间隔时间 MTBF 可修复设备在相邻两次故障间隔内正常工作的平均时间 2020 2 20 机电设备维修技术 22 一些产品的MTBF 电脑产品规范4000h 大屏幕投影30000h 硬盘30000 40000h 磁盘阵列不低于50000h 方正笔记本电脑70000h 长城电源120000h 三 故障的规律 2020 2 20 机电设备维修技术 23 例 设有一电子产品工作1000小时 共发生故障5次 求该产品MTBF 参考答案 MTBF 200h其故障率为 t 5 1 1000 0 005 hMTBF 1 t 三 故障的规律 2020 2 20 机电设备维修技术 24 例 某产品MTBF 16万h 18年 1 MTBF 1 18 5 5 即 某产品1年内平均1000太设备有55台会出故障 三 故障的规律 2020 2 20 机电设备维修技术 25 三 故障的规律 例 设t 0时 投入工作1000只灯泡 当t 365天时 发现有30只灯泡坏了 求 故障概率 无故障概率 瞬时故障率 平均故障率 天 MTBF F t 30 1000 0 03R t 1 F t 0 97 30 970 365 0 847 10 4 天 30 1000 970 2 365 0 834 10 4 天MTBF 1 t 11806天 32年 2020 2 20 机电设备维修技术 26 故障率曲线 大多数故障出现的时间和频率与机电设备的使用时间有密切联系 通过工程实践和实验表明 机电设备的故障率变化可分为以下三种类型 1 早期故障期2 随机故障期3 损耗故障期 2020 2 20 机电设备维修技术 27 早期故障期 特点 故障率较高 但故障随设备工作时间的增加而迅速下降 早期故障一般是由于设计 制造 检验或装配中存在缺陷而导致的 设备进行大修或改造后 早期故障会再次出现 通过运转磨合 检查 排除故障等手段可使其缺陷逐步消除 运转趋于正常 从而实现逐渐减少这类故障的目的 早期故障期故障率曲线 O t 2020 2 20 机电设备维修技术 28 随机故障期 O t 随机故障期故障率曲线 特点 故障率低而且稳定 近似为常数 随即故障是由于偶然因素引起的 它不可预测 也不能通过延长磨合期来消除 设计上的缺陷 零部件缺陷 维护不良以及操作不当都会造成随机故障 2020 2 20 机电设备维修技术 29 耗损故障期 O t 耗损故障期故障率曲线 特点 故障率随运转时间的增加而增高 损耗故障是由于设备零部件的磨耗 疲劳 老化 腐蚀等造成的 这类故障时设备接近大修期或寿命末期的征兆 2020 2 20 机电设备维修技术 30 机械产品在整个寿命期内故障率曲线 1 上述故障率曲线称为 浴盆曲线 2 从不同故障出现的时机来看 机械设备在开始使用阶段具有较高的故障率 而且此故障障率是渐减性 机械设备到了有效寿命的后期 其故障率便不断增大 是渐增性 而在其他使用期内 故障为恒定性 而且其值甚小 3 对应各不同故障率曲线的时间范围分别称为早期故障期 随机故障期和耗损故障期 4 然而 从机械设备使用者的角度出发 对于曲线所表示的早期故障 由于机械设备在出厂前和安装的过程中经过充分调试 可以认为基本得到消除 因而可发不必考虑 5 随机故障通常容易排除 且一般不决定机械设备的寿命 惟有耗损故障才是影响机械设备有效寿命的决定因素 O t t 有效寿命 早期故障期 随机故障期 耗损故障期 2020 2 20 机电设备维修技术 31 所谓磨损是指机械在工作过程中 互相接触做相互运动的对偶表面 在摩擦作用下发生尺寸 形状和表面质量变化的现象 相接触的物体相互移动发生阻力的现象称为摩擦 摩擦是不可避免的自然现象 磨损是摩擦得必然结果 两者均发生在材料表面 摩擦与磨损相伴产生 造成机械零件的失效 一般机械设备中约有80 的零件因磨损而报废失效 据估计 世界上的能源消耗约有30 50 是由于摩擦和磨损造成 第二节机械零件的磨损 2020 2 20 机电设备维修技术 32 例 轴承之磨损失效 32 2020 2 20 机电设备维修技术 33 例 轴承之接触疲劳失效 33 2020 2 20 机电设备维修技术 34 例 轴承之腐蚀失效 34 2020 2 20 机电设备维修技术 35 例 轴承之断裂失效 35 2020 2 20 机电设备维修技术 36 例2 齿轮之齿面磨损 36 2020 2 20 机电设备维修技术 37 例2 齿轮之轮齿折断 37 2020 2 20 机电设备维修技术 38 例2 齿轮之齿面点蚀 38 2020 2 20 机电设备维修技术 39 例2 齿轮之齿面胶合 39 2020 2 20 机电设备维修技术 40 例2 齿轮之齿面塑性变形 40 2020 2 20 机电设备维修技术 41 第二节机械零件的磨损 一 零件磨损的一般规律 磨合阶段 稳定磨损阶段 急剧磨损阶段 2020 2 20 机电设备维修技术 42 42 磨损特性曲线 2020 2 20 机电设备维修技术 43 磨合阶段 新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度 实际接触面积小 开始磨合时 在一定载荷作用下 表面逐渐磨平 磨损速度较大 如图中的OA线段 随着磨合的进行 实际接触面积逐渐增大 磨损速度减缓 在机械设备正式投入运行前 认真进行磨合是十分重要的 2020 2 20 43 2020 2 20 机电设备维修技术 44 稳定磨损阶段 经过磨合阶段 摩擦副表面发生加工硬化 微观几何形状改变 建立了弹性接触条件 这一阶段磨损趋于稳定 缓慢 AB线段的斜率就是磨损速度 B点对应的横坐标时间就是零件的耐磨寿命 2020 2 20 44 2020 2 20 机电设备维修技术 45 急剧磨损阶段 阶段经过B点以后 由于摩擦条件发生较大的变化 如温度快速升高 金属组织发生变化 冲击增大 磨损速度急剧增加 机械效率下降 精度降低等 从而导致零件失效 机械设备无法正常运转 2020 2 20 45 2020 2 20 机电设备维修技术 46 第二节机械零件的磨损 二 磨损的类型 磨料 粒 磨损 疲劳磨损 粘着磨损 腐蚀磨损 微动磨损 一 磨料磨损磨料磨损也称为磨粒磨损 它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒 或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时 所产生的一种类似金属切削过程的磨损 它是机械磨损的一种 特征是在接触面上有明显的切削痕迹 在各类磨损中 磨料磨损约占50 是十分常见且危害性最严重的一种磨损 其磨损速率和磨损强度都很大 致使机械设备的使用寿命大大降低 能源和材料大量消耗 2020 2 20 机电设备维修技术 47 第二节机械零件的磨损 2020 2 20 机电设备维修技术 48 垂直分力 塑性材料 表面产生密集的压痕 最终疲劳破坏 脆性材料 表面不变形 产生脆性破坏 水平分力 塑性材料 以耕犁为主 表面被切下一条切屑 犁沟两侧材料隆起 脆性材料 以微切削为主 表面被切下许多切屑产生脆性破坏 1 机理 磨料磨损的过程实质上是零件表面在磨粒作用下发生局部塑性变形 磨粒嵌入 切削 与断裂的过程 磨粒对零件表面的作用力分为垂直于表面与平行于表面的两个分力 第二节机械零件的磨损 2020 2 20 机电设备维修技术 49 2020 2 20 机电设备维修技术 50 第二节机械零件的磨损 2 影响的主要因素 摩擦副材料 金属材料硬度越高 耐磨性越好 2020 2 20 机电设备维修技术 51 第二节机械零件的磨损 2 影响的主要因素 磨料 粒度 几何尺寸 硬度临界尺寸 60 100 m 压力 磨损速率与压力成正比 2020 2 20 机电设备维修技术 52 第二节机械零件的磨损 二 疲劳磨损疲劳磨损是指摩擦副材料表面上局部区域在循环接触应力作用下 产生疲劳裂纹 分离出微片或颗粒的一种磨损形式 根据摩擦副间的接触和相对运动方式可分 滚动接触疲劳磨损 滑动接触疲劳磨损 2020 2 20 机电设备维修技术 53 第二节机械零件的磨损 二 疲劳磨损1 机理 1 滚动接触疲劳磨损滚动接触过程中 材料表层受到周期性载荷作用 引起塑性变形 表面硬化 最后在表面出现初始裂纹 并沿与滚动方向呈45 方向由表向里扩展 2 滚滑接触疲劳磨损两滚动接触物体在亚表层处切应力最大 该处塑性变形最剧烈 在周期性载荷作用下的反复变形使材料局部弱化 并在该处首先出现裂纹 在滑动摩擦力引起的切应力和法向载荷引起的切应力叠加作用下 使最大切应力从亚表层处向表面移动 3 滑动接触疲劳磨损任何固体摩擦表面都存在宏观或微观不平性 因而产生表面接触不连续性 在相对运动中 法相载荷不断产生压入或压平 反复作用下 形成微粒脱落 2020 2 20 机电设备维修技术 54 2020 2 20 机电设备维修技术 55 2 影响接触疲劳磨损的主要因素 1 材质 2 接触表面质量适当降低表面粗糙度可有效提高抗疲劳磨损能力 表面残余内应力 表层在一定深度范围内存在有残余应力 不仅可提高弯曲 扭转疲劳抗力 还能提高接触疲劳抗力 减小疲劳磨损 过大残余应力反而有害 3 其他因素配合间隙 润滑油粘度 润滑油中的化学添加剂等 钢内含有杂质 应力集中 裂纹 降低接触疲劳寿命 材料组织状态 晶粒细小 均匀 碳化物成球状且均匀分布 硬度在一定范围内增加 其接触疲劳抗力将随之增大 2020 2 20 机电设备维修技术 56 第二节机械零件的磨损 三 粘着磨损当摩擦副表面在互相接触的各点处发生 冷焊 后 在相对滑动时使一个表面的材料迁移到另一个表面上所引起的磨损 称之为粘着磨损 2020 2 20 机电设备维修技术 57 第二节机械零件的磨损 三 粘着磨损1 机理 是在外力作用下 摩擦接触的表面间材料原子键的形成 显微熔接 和分离过程 外力作用下材料原子间的相互作用是主要的 由于摩擦副之间的真正的接触只发生在微凸体的微观接触面上 所有微观接触面的总和构成的真实接触面积只是名义接触面积的一个很小部分 因此在真实接触面积内具有很大接触应力 这些应力由于切向的相对运动还会强化 以致受到负荷作用的微凸体发生弹性或塑性变形 这样 若表面上的吸附层和反应层遭到破坏 使暴露在表面的原子键联结 强短程表面力的作用 得到加强 当摩擦副发生相对运动时 这种原子键又被撕开 为此所需要的力及能量是粘着摩擦的起因 磨损的产生则是由于原子键联结并不一定都在原始微观接触处断开 而有可能在摩擦副中较弱方的表面层附近断开 结果使材料从摩擦副一方到另一方的转移 经常形成松脱的磨屑 粘着磨损使摩擦副表面的几何形状发生变化 从光学显微镜下可以看到表面擦伤 划伤 材料转移 咬死焊点和疲劳点蚀等磨损形态 2020 2 20 机电设备维修技术 58 2020 2 20 机电设备维修技术 59 2020 2 20 机电设备维修技术 60 第二节机械零件的磨损 三 粘着磨损2 影响的主要因素 摩擦副表面材料成分与组织 互溶性 摩擦副表面状态 吸附膜 2020 2 20 机电设备维修技术 61 第二节机械零件的磨损 四 微动磨损两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损 它产生于名义上相对静止的接合零件上 因而往往易被忽视 微动磨损的最大特点是在外界变动载荷作用下 产生振幅很小 一般为2 20 m 的相对运动 由此发生摩擦磨损 例如在键连接处 轴与孔的过盈配合处 螺栓连接处 铆钉连接处等结合面上产生的磨损 微动磨损使配合精度下降 使配合部件紧度下降甚至松动 连接件松动乃至分离 严重者引起事故 此外 也易引起疲劳裂纹的萌生 从而急剧降低零件的疲劳强度 2020 2 20 机电设备维修技术 62 第二节机械零件的磨损 1 机理 在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的一种复合型式的磨损 摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着 粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑 磨屑接着被氧化 被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用 使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤 这些麻点或伤疤是应力集中的根源 因而也是零件受动载失效的根源 根据被氧化磨屑的颜色 往往可以断定是否发生微动磨损 如被氧化的铁屑呈红色 被氧化的铝屑呈黑色 则振动时就会引起磨损 有氧化腐蚀现象的微动磨损也称微动磨蚀 在交变应力下的微动磨损称为微动疲劳磨损 在有振动的机械中 螺纹联接 花键联接和过盈配合联接等都容易发生微动磨损 微动磨损的特点是 在一定范围内磨损率随载荷增加而增加 超过某极大值后又逐渐下降 温度升高则磨损加速 抗粘着磨损好的材料抗微动磨损也好 零件金属氧化物的硬度与金属硬度之比较大时 容易剥落成为磨粒 增加磨损 若氧化物能牢固地粘附在金属表面 则可减轻磨损 一般湿度增大则磨损下降 在界面间加入非腐蚀性润滑剂或对钢进行表面处理 可减小微动磨损 螺纹联接加装聚四氟乙烯垫圈也可减小微动磨损 2020 2 20 机电设备维修技术 63 2020 2 20 机电设备维修技术 64 2 影响的主要因素 载荷 材质性能 2020 2 20 机电设备维修技术 65 第二节机械零件的磨损 五 腐蚀磨损在摩擦过程中 金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应 使腐蚀和磨损共同作用而导致零件表面物质的损失 这种现象称为腐蚀磨损 它是在腐蚀现象与机械磨损 粘着磨损 磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损 2020 2 20 机电设备维修技术 66 第二节机械零件的磨损 五 腐蚀磨损1 机理 腐蚀磨损可分为氧化磨损和腐蚀介质磨损 氧化磨损 除金 铂等少数金属外 大多数金属表面都有一层极薄的氧化膜 若氧化膜是脆性的或氧化速度小于磨损速度 则在摩擦过程中极易被磨掉 然后又产生新的氧化膜 然后又被磨掉 在氧化膜不断产生和磨掉的过程中 零件表面产生物质损失 此即为氧化磨损 但氧化磨损速度一般较小 腐蚀介质磨损 当周围介质中存在着腐蚀物质时 例如润滑油中的酸度过高等 零件的腐蚀速度就会很快 和氧化磨损一样 腐蚀产物在零件表面生成 又在磨损表面磨去 如此反复交替进行而带来比氧化磨损高得多的物质损失 由此称为腐蚀介质磨损这种化学机械的复合形式的磨损过程 对一般耐磨材料同样有着很大破坏作用 2020 2 20 机电设备维修技术 67 2 影响氧化磨损的主要因素 氧化膜生长的速度与厚度金属表面在摩擦过程中 表面形成氧化物的速度要比非摩擦时快的多 在常温下 金属表面形成的氧化膜厚度非常小 硬度氧化膜硬度越高 载荷作用下变形越小 膜不易破碎 耐磨性好 但大多数比原金属硬而脆 有防止金属间粘着作用 氧化膜的性质氧化膜紧密 完整无孔 与金属表面结合的牢固 有利于防止氧化 2020 2 20 机电设备维修技术 68 3 腐蚀介质来源常有以下方面 2 摩擦金属表面受到工作过程中产生的腐蚀性介质作用 排放的废气 3 工作介质中的添加剂 极压齿轮油中由于有极压添加剂 1 工作介质 水泵中的水 4 润滑油在工作中因氧化而形成有机酸 2020 2 20 机电设备维修技术 69 金属的腐蚀在生活中非常普遍 钢铁生锈 2020 2 20 机电设备维修技术 70 2020 2 20 机电设备维修技术 71 铜器生锈 铜器表面生成铜绿 2020 2 20 机电设备维修技术 72 金属跟周围接触到的气体或液体发生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程 即为金属的腐蚀 本质 金属失去电子被氧化 种类 化学腐蚀 电化学腐蚀 第三节金属零件的腐蚀 金属阳离子 失e 氧化反应 金属原子 M ne Mn 2020 2 20 机电设备维修技术 73 一 金属零件的化学腐蚀金属化学腐蚀是由单纯化学作用引起的腐蚀 当金属零件表面材料与周围的干燥气体 如O2 Cl2 SO2 或非电解质液体中的有害成分发生化学反应 金属表面形成腐蚀层 在腐蚀层不断脱落又不断生成的过程中 零件便被腐蚀 第三节金属零件的腐蚀 2020 2 20 机电设备维修技术 74 金属的化学腐蚀受哪些因素的影响 温度 第三节金属零件的腐蚀 2020 2 20 机电设备维修技术 75 做饭用的铁锅日久天长越用越薄 你知道为什么吗 2020 2 20 机电设备维修技术 76 第三节金属零件的腐蚀 氧化损耗 普遍 Fe2O3 红褐色 红棕色 Fe3O4 黑色 特殊条件下 不普遍 Cl2 Fe FeCl2 防止化学腐蚀的方法1 钝化例如 用铝罐运输冷浓硝酸2 电镀例如 镀锌3 刷隔离层例如 钢铁上刷油漆 2020 2 20 机电设备维修技术 77 二 金属零件的电化学腐蚀不纯的金属跟电解质溶液接触时 会发生原电池反应 比较活泼的金属失去电子而被氧化 这种腐蚀叫做电化学腐蚀 与化学腐蚀不同之处在于腐蚀过程中有电流产生 电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因 第三节金属零件的腐蚀 2020 2 20 机电设备维修技术 78 H2O CO2H2CO3H HCO3 在潮湿的空气里 钢铁的表面吸附了一层薄薄的水膜 水膜又溶解来自大气中的CO2 SO2 H2S 使水膜中含有一定量的H 1 析氢腐蚀 第三节金属零件的腐蚀 2020 2 20 机电设备维修技术 79 电解质溶液与铁和铁中少量的碳构成了原电池 铁是负极 碳是正极 在正极 H 得到电子 条件 酸性环境 腐蚀过程中不断有氢气放出 第三节金属零件的腐蚀 2020 2 20 机电设备维修技术 80 2 吸氧腐蚀 水膜的酸性很弱或呈中性 但溶有一定量的氧气 第三节金属零件的腐蚀 2020 2 20 机电设备维修技术 81 Fe2 2OH Fe OH 2 4Fe OH 2 O2 2H2O 4Fe OH 3 条件 中性或酸性极弱环境 铁锈 Fe2O3 nH2O 2Fe OH 3 Fe2O3 3H2O Fe2O3 nH2O 总反应 第三节金属零件的腐蚀 2020 2 20 机电设备维修技术 82 析氢腐蚀与吸氧腐蚀 以Fe为例 2H 2e H2 Fe 2e Fe2 O2 2H2O 4e 4OH 吸氧腐蚀比析氢腐蚀更为普遍 2020 2 20 机电设备维修技术 83 课堂练习 1 如图 水槽中试管内有一枚铁钉 放置数天观察 1 若液面上升 则溶液呈性 发生腐蚀 电极反应式为 负极 正极 若液面下降 则溶液呈性 发生腐蚀 电极反应式为 负极 正极 2 中性或弱酸 吸氧 Fe 2e Fe2 O2 2H2O 4e 4OH 酸性 析氢 Fe 2e Fe2 2H 2e H2 2020 2 20 机电设备维修技术 84 化学腐蚀与电化学腐蚀的比较 注意的是 化学腐蚀和电化学腐蚀都是金属原子失去电子变成阳离子的过程 2020 2 20 机电设备维修技术 85 第三节金属零件的腐蚀 二 金属零件的电化学腐蚀常见的电化学腐蚀形式有 1 均匀腐蚀 金属零件表面出现均匀的腐蚀组织 可在液体 大气或土壤中产生 常见为大气腐蚀 大气中的腐蚀性气体 SO2 CO2 H2S NO2 Cl22 小孔腐蚀 点蚀 金属零件大部分表面不出现腐蚀 但在局部出现腐蚀小孔并向深处发展 最危险的腐蚀形态之一 2020 2 20 机电设备维修技术 86 第三节金属零件的腐蚀 二 金属零件的电化学腐蚀3 缝隙腐蚀 金属零件缝隙处的局部 例如金属管道的法兰端面 金属铆接件铆合处等 4 腐蚀疲劳 承受交变应力的金属机件在腐蚀环境下疲劳乃至断裂破坏的现象 5 其它腐蚀 晶间腐蚀 接触腐蚀 应力腐蚀开裂 2020 2 20 机电设备维修技术 87 防止电化学腐蚀的措施 思路一 直接隔离即可选用适当的材料使金属与空气或其他腐蚀性试剂隔离开 以阻止金属的腐蚀 给金属穿上 保护膜 如 喷涂漆 涂油脂 表面钝化 电镀 在钢铁表面形成铬等耐腐蚀性较强的金属镀层 等 2020 2 20 机电设备维修技术 88 思路二 改变本质 合金 即改变金属的内部组成结构 使其具有较强的抗腐蚀性能 加入其他金属改变其组成在钢铁中加入一定比例的铬和镍 如14 18 Cr 7 9 Ni 改变钢铁内部的组成和结构 可极大程度地提高钢铁抗腐蚀性能 这就是常见的 不锈钢 合金 防止电化学腐蚀的措施 2020 2 20 机电设备维修技术 89 思路三 因势利导电化学腐蚀还是用电化学方法来解决 不回避金属与氧化剂的直接接触 采用还原性更强的物质或其他替代方式来满足氧化剂对电子的需求 从而保护主体金属构件免受腐蚀 电化学防护法 防止电化学腐蚀的措施 2020 2 20 机电设备维修技术 90 电化学防护法 牺牲阳极的阴极保护法 原电池 外加电流的阴极保护法 电解池 防止电化学腐蚀的措施 2020 2 20 机电设备维修技术 91 形成原电池反应时 让被保护金属做正极 不反应 起到保护作用 而活泼金属反应受到腐蚀 1 牺牲阳极的阴极保护法原理 牺牲阳极的阴极保护法示意图 在船身上装锌块以保护船体 防止电化学腐蚀的措施 2020 2 20 机电设备维修技术 92 2 外加电流的阴极保护法原理 外加电流的阴极保护法示意图 将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极 使被保护金属作为阴极 在外加直流电的作用下使阴极得到保护 2020 2 20 机电设备维修技术 93 防止电化学腐蚀的措施 思路四 介质处理除去介质中促进腐蚀的有害成分 例如 锅炉给水的除氧处理 调节介质的PH值和改变介质的湿度 在介质中添加阻止和减缓腐蚀的物质 例如常在柴油机冷却水中添加铬酸盐 亚硝酸盐等无机缓蚀剂 使在零件金属表面上形成钝化膜 抑制阳极腐蚀 此外 还可在冷却水中添加乳化防锈油 2020 2 20 机电设备维修技术 94 交流研讨 自行车的金属部件采都用了哪些防护措施 2020 2 20 机电设备维修技术 95 第三节金属零件的腐蚀 三 气蚀 穴蚀 是水力机械或机件与液体相对高速运动时在机件表面上产生的一种破坏 是一种局部腐蚀 特征是金属表面上聚集着小孔群 呈蜂窝状或呈分散状的孔穴 孔穴表面清洁无腐蚀产物附着 孔穴直径一般在1mm以上 例如 柴油机气缸套外表面上穴蚀小孔直径为l 5mm 最大可达3Omm 孔深可达2 3mm 严重时穿透缸壁 机理 机件发生穴蚀的先决条件是机件浸于液体中 并与液体有相对运动 或机件在液体中受到某种能量的传递作用 形成液体中的局部瞬时高压或瞬时高真空 在瞬时高真空区 液体汽化形成气泡 或溶于水中的空气以空泡形式从液体中分离出来 在另一瞬间形成高压时 空泡 气泡被压缩 泡内气体迅速液化而使气泡溃灭 这时周围液体急速冲向溃灭处 产生极强的冲击波作用在金属表面 频繁地冲击 使机件表面金属逐渐剥落 与此同时 金属表面还产生微观电化学腐蚀 两种腐蚀交替进行共同作用致使机件穴蚀破坏 2020 2 20 机电设备维修技术 96 第三节金属零件的腐蚀 三 气蚀 穴蚀 气蚀是一种比较复杂的破坏现象 不但有机械作用 还有化学 电化学作用 液体中含有杂质或磨粒时会加剧 常发生在柴油机气缸套 轴瓦 喷油泵注塞 螺旋桨浆叶 离心泵叶轮和水泵液压泵等处 减轻气蚀的主要措施 减少与液体接触表面的振动 选用耐气蚀材料 零件表面涂防气蚀材料 改进结构 减小表面粗糙度 水中添加乳化油 2020 2 20 机电设备维修技术 97 第四节机械零件的变形 根据外力去除后变形能否恢复 机械零件或构件的变形可分为弹性变形和塑性变形两大类 机械零件或构件在外力的作用下 产生形状或尺寸变化的现象称为变形 变形量随着时间的不断增加 逐渐改变了产品的初始参数 当超过允许极限时 将丧失规定的功能 有的机械零件因变形引起结合零件出现附加载荷 相互关系失常或加速磨损 甚至造成断裂等灾难性后果 因此 对于因变形引起的失效应给予足够重视 2020 2 20 机电设备维修技术 98 第四节机械零件的变形 一 弹性变形 金属零件在作用应力小于材料屈服强度时产生的变形称为弹性变形 弹性后效现象与消除 2020 2 20 机电设备维修技术 99 第四节机械零件的变形 二 塑性变形 塑性变形又称永久变形 是指机械零件在外加载荷去除后留下来一部分不可恢复的变形 金属零件的塑性变形从宏观形貌特征上看 主要有翘曲变形 体积变形和时效变形三种形式 1 翘曲变形 当金属零件本身受到某种应力 机械应力 热应力等 的作用 其实际应力值超过了金属在该状态下的抗拉强度或抗剪强度后 就会产生呈翘曲 椭圆和歪扭得塑性变形 因此 金属零件产生翘曲变形是它自身受复杂应力综合作用的结果 常见于细长轴类 薄板状零件以及薄壁的环形或套类零件 2020 2 20 机电设备维修技术 100 第四节机械零件的变形 2 体积变形 金属零件在受热与冷却过程中 由于金相组织转变引起质量体积变化 导致金属零件体积胀缩的现象称为体积变形 如钢件淬火相变时 奥氏体转变为马氏体或下贝氏体时质量体积增大 体积膨胀 淬火相变后残留奥氏体的质量体积减小 体积收缩 马氏体形成时的体积变化程度 与淬火相变时马氏体中的含碳量有关 钢件中含碳量越多 形成马氏体时的质量体积变化越大 膨胀量也越大 此外 钢中碳化物不均匀分布往往能够增大变形程度 必须指出 由于金相组织转变引起质量体积变化而出现的体积变形 如果发生在金属零件的局部范围内 则往往是在该区域产生微裂纹的原因 3 时效变形 钢件热处理后产生不稳定组织 由此引起的内应力是不稳定的应力状态 在常温或零下温度较长时间的放置或使用 不稳定状态的应力会逐渐发生转变 并趋于稳定 由此伴随产生的变形称为时效变形 2020 2 20 机电设备维修技术 101 三 减少变形的措施变形是不可避免的 我们只能根据它的规律 针对变形产生的原因 采取相应的对策来减少变形 特别是在机械设备大修时 不能只检查配合的磨损情况 对于相互位置精度必须认真检查 1 设计不仅要考虑零件的强度 还要重视零件的刚度和制造 装配 使用 拆卸和修理等问题 注意应用新技术 新工艺 减少制造时的内应力和变形 2 加工采取一系列工艺措施来防止和减少变形 如对毛坯要进行时效以消除其残余内应力 高精度零件在精加工过程中必须安排人工时效 3 修理在修理中 应制定出与变形有关的标准和修理规范 设计简单可靠 好用的专业量具和工夹具 尽量减少零件在修理过程中产生的应力和变形 4 使用加强设备的管理 制定并严格执行操作规程 不超负荷运行 避免局部超载或过热 加强机械设备的检查和维护 第四节机械零件的变形 2020 2 20 机电设备维修技术 102 第五节机械零件的断裂 断裂是零件在机械 热 磁 腐蚀等单独作用或者联合作用下 其本身连续性遭到破坏 发生局部开裂或分裂成几部分的现象 塑性断裂脆性断裂疲劳断裂应力腐蚀断裂 2020 2 20 机电设备维修技术 103 一 塑性断裂零件在外力的作用下首先产生弹性变形 当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形 外力继续增加 应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂就称为塑性断裂 又叫韧性断裂或延性断裂 塑性断裂的宏观特点就是断裂前有明显的塑性变形 常出现颈缩 断面有大量的微坑覆盖 实际上是显微空洞形成 长大 连接以致最终导致断裂 2020 2 20 103 第五节机械零件的断裂 2020 2 20 机电设备维修技术 104 2020 2 20 104 第五节机械零件的断裂 2020 2 20 机电设备维修技术 105 2020 2 20 105 第五节机械零件的断裂 2020 2 20 机电设备维修技术 106 2020 2 20 106 第五节机械零件的断裂 2020 2 20 机电设备维修技术 107 1 纤维区 2 放射区 3 剪切唇 2020 2 20 机电设备维修技术 108 第五节机械零件的断裂 二 脆性断裂断裂前无明显的塑性变形 发展速度极快的一种断裂形式 可由于材料性质不均匀引起 或由于加工工艺处理不当所引起 如在锻 铸 焊 磨 热处理等工艺过程中处理不当 就容易产生脆性断裂 也可由于恶劣环境所引起 如温度过低 使材料的机械性能降低 主要是指冲击韧性降低 因此低温容器 20 以下 必须选用冲击值大于一定值的材料 再如放射线辐射也能引起材料脆化 从而引起脆性断裂 主要特征 低应力脆断 端口平整光亮且垂直于主应力方向 冰糖状结晶颗粒 瞬时发生 2020 2 20 机电设备维修技术 109 第五节机械零件的断裂 齿轮轮齿的脆性断裂 2020 2 20 机电设备维修技术 110 第五节机械零件的断裂 脆性断裂的模具 2020 2 20 机电设备维修技术 111 第五节机械零件的断裂 断裂的活塞环 2020 2 20 机电设备维修技术 112 第五节机械零件的断裂 螺栓的塑性断裂与脆性断裂的比较 2020 2 20 机电设备维修技术 113 第五节机械零件的断裂 脆性断裂中较有代表性的是氢脆断裂 氢脆断裂是工程中一种比较普遍的现象 其产生的原因有一下三种 氢压致断 晶格脆化致断 氢腐蚀致断 2020 2 20 机电设备维修技术 114 第五节机械零件的断裂 三 疲劳断裂 零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象 机械设备中的轴类 齿轮 凸轮等许多零件 都是在交变应力作用下工作的 它们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度 按静强度设计是安全的 但实际中 在重复及交变载荷的长期作用下 零件仍会发生断裂 称为疲劳断裂 实际失效中 疲劳断裂约占80 90 2020 2 20 机电设备维修技术 115 第五节机械零件的断裂 一 疲劳断裂的机理疲劳破坏可分为3个阶段 疲劳裂纹萌生阶段 在循环加载下 材料表层局部发生塑性变形 晶体产生滑移 出现滑移线或滑移带 滑移积累以后 在表面形成微观挤入槽与挤出峰 峰底处应力高度集中 极易形成微裂纹既疲劳裂源 也称为疲劳核心 疲劳裂纹扩展阶段 裂纹基本上沿着与主应力垂