机械构件失效主要形式及特征.docx

机械构件失效的主要形式及特征一、变形失效（一） 弹性变形失效：弹性性能达不到原设计要求。（二）塑性变形失效：塑性变形逐渐增大，超过一定极限不能再用。（三）蠕变变形失效：一定温度和压力下工作，应力小于屈服点，也会产生塑变，超过规定值失效。（四）高温松驰：高温下零件失去弹性功能导致失效。二、断裂失效（一）塑性断裂失效1. 塑性断裂的特征：宏观上裂纹或断口附近有塑变，或在塑变附近有裂纹出现，微观上有韧窝，受正应力作用为等轴韧窝，受剪切力作用，韧窝被拉长，韧窝大小与形核数量、材料韧性、温度、应变速率有关。2. 外应力大于材料的屈服强度（二）脆性断裂失效断裂前无塑性变形，类型有穿晶和沿晶断裂。1. 穿晶脆性断裂1）解理断裂：解理断裂时穿晶脆断的一种常见的主要断裂方式，指在一定的条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离。特征： 断裂时所受应力较低，低于设计许用应力 构件破坏之前，没有或只有局部轻微塑变 断裂源总是发生在缺陷处，如凹槽、缺口 断口宏观形貌平直，断面垂直拉应力，断口上有放射状条纹，管材、板材构件有人字纹，并有闪光小刻面，微观形貌为河流花样 裂纹扩展迅速后果是灾难性的。形成解理断裂的原因： 构件存在三向应力集中部位，如表面缺口，裂纹，几何形状突变。 有一定大小的应力作用，尤其是冲击应力 低温条件，温度低于材料脆性的转变温度。2）准解理断裂因找不到解理面而命名，后来找到了，与解理断裂一样断裂性态介于韧性断裂与解理断裂之间，韧性好于解理断裂而差于韧性断裂，宏观形貌有细小放射条纹或呈瓷状，微观形貌也有河流花样，但河流短而不连续，观察到较多撕裂岭。2. 沿晶脆性断裂裂纹沿晶界扩展的断裂叫沿晶断裂。由晶界弱化引起。1）特征：断口呈细颗粒状，有时观察到放射状条纹，微观形貌呈冰糖状。2）引起晶界弱化原因 晶界沉淀相造成（夹杂及第二相） 杂质元素在晶界偏聚（元素周期表中的4、5、6族元素） 环境介质侵蚀，氢脆热力腐蚀 高温作用，焊接热裂纹、磨削裂纹、蠕变断裂（三） 疲劳断裂1. 高周疲劳（循环次数N104-105）特征：1）在疲劳断裂中，工作应力低于屈服应力，不发生宏观塑变2）疲劳断口具有独特形貌，断口由疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区组成。疲劳源常位于零件的尖角、凹槽或夹杂、空洞、微裂纹处、裂纹扩展区的宏观形貌，常呈海滩状条纹、贝纹线状，微观形态为疲劳辉纹，其形态为呈弧形的平行条纹，凸弧面指向裂纹扩展方向，瞬断区断口形貌与材料性质有关。塑性材料为塑性断裂，脆性材料为脆性断裂。3）产生疲劳断裂的原因 材料强度不足 零件上有尖角、键槽、圆角等应力集中区 夹杂、疏松、气孔、微裂纹等材料缺陷 表面缺陷、凹坑、折叠、加工刀痕 热处理缺陷、表面脱碳、过热2. 低周疲劳（循环次数103，断口有粗大辉纹N103，断口呈轮胎花样N102，断口呈韧窝与准解理混合3. 热疲劳热应力作用下引起的疲劳断裂。宏观特征呈网状或平行断续的细小裂纹，微观断口有氧化物。4. 接触疲劳接触应力作用下引起的疲劳破坏。轴承、轴瓦、齿轮。宏观有剥落现象，微观有辉纹、准解理、韧窝等。5. 腐蚀疲劳腐蚀介质和交变应力联合作用下产生的疲劳破坏。断口微观形貌有疲劳辉纹和腐蚀特征。6. 微震疲劳由微震应力引起的疲劳破坏，如铆钉、叶片。宏观裂源处有磨损，微观疲劳断口上有与高周疲劳相似的辉纹。三、腐蚀失效（一）均匀腐蚀失效（全面腐蚀失效）特征：金属的整个暴露表面或相当大的面积上发生化学或电化学反应而被腐蚀，构件由于腐蚀减薄而失效。预防措施：1. 选择合适的材料，降低腐蚀速率。2. 在金属表面涂覆耐蚀涂层或镀层3. 添加缓蚀剂4. 采用阴极保护（二）点腐蚀钝化型金属的表面钝化膜被破坏又不能再钝化，形成向纵深发展的小坑，其他大部分金属表面均保持原状。发生条件：保护膜的局部溶解或破坏（往往发生在表面缺陷和夹杂之处，或钝化膜薄弱之处），并且有活性阴离子的存在，如氯离子。防止措施：1. 设计合理，防止有死角，便于排干液体2. 停机时间较长时，应彻底清洗机件并保持干燥3. 使用耐点蚀性能好的材料，如316不锈钢（三）缝隙腐蚀在金属和金属之间存有腐蚀性溶液受阻导致金属腐蚀，如螺栓、铆钉、垫片，由构件结构上原因造成避免措施：尽量避免缝隙存在，同点腐蚀措施。（四）晶间腐蚀沿金属材料的晶粒界面而发生腐蚀，偏聚在晶界处的杂质与合金元素的负极与贫化是主要原因，由于他们构成了反应电池。特征：表面正常，但强度、韧性下降，稍加冲击会产生裂纹。抛光态可看到沿晶裂纹，有晶粒脱落，腐蚀沿晶界向内发展。如18-8A。经400-900加热（特别在600-650更显著）晶界析出Cr23C6碳化物，使晶界附近的Cr元素产生贫化，甚至从18%降到2%，形成电化学反应的阴极（Cr23C6）和阳极（晶界附近贫Cr区），形成腐蚀敏化区发生晶间腐蚀。预防措施：1. 固溶处理有快冷2. 适当加入碳化物稳定元素，如钛、铌，减少Cr23C6的析出3. 降低含碳量，采用超低碳不锈钢，如304L、316L（五）电偶腐蚀在电介质中，两种不同的金属相接触，由于电位不同，构成一个微电池，在电极电位低的阳极发生严重腐蚀。预防措施：1. 尽可能使用电极电位接近的金属连接2. 避免用大阴极、小阳极3. 异金属连接处采用加绝缘材料4. 表面采用涂层或镀层，与腐蚀介质隔离（六）应力腐蚀1. 特征1）材料表面腐蚀程度较轻，无全棉腐蚀特征，裂纹较深，走向与主应力方向垂直2）分叉呈落叶的树枝状，沿晶、穿晶及混合型碳钢、低合金钢、-黄铜为沿晶断裂奥氏体不锈钢和-黄铜在氯离子气氛中为穿晶断裂断口宏观形貌有腐蚀色，有时观察到放射状条纹。通常情况下，应力腐蚀是多源的，微观形貌是穿晶型为河流花样2. 应力腐蚀产生条件1）一般发生在耐全面腐蚀良好的材料，如不锈钢2）开裂所需应力小于材料的屈服强度，但需要一定的拉应力，应力来源是工作应力和残余应力3）环境因素对特定的合金有不同的腐蚀介质，如不锈钢引起应力腐蚀的介质是氯离子、氟离子、溴离子、硫化氢等水溶液，对黄铜主要介质为氨和氨溶液。应力腐蚀防护相当复杂，从受载条件、冶金因素、环境因素三方面考虑（七）腐蚀疲劳在具有腐蚀性的介质中，金属材料的疲劳极限（疲劳强度）显著降低。机理：大多数学者认为它是一种局部腐蚀与周期交变载荷共同作用下引起的。宏观断口有腐蚀产物覆盖，呈棕黑色，多源，疲劳源常起源于点蚀坑、零件尖角、凹槽部位，微观形貌为疲劳辉纹与河流花样垂直，能谱仪检测到腐蚀性元素。防护与上相同（八）氢损伤（氢鼓包失效、氢脆开裂、氢脱碳、氢腐蚀）金属材料的性能由于氢的作用而恶化的总称为氢损伤。氢来源于环境介质中（属于腐蚀失效）1. 氢鼓包：是由于氢原子扩散到金属里的空穴或缩孔处聚集，形成氢分子，氢浓度和压力产生裂纹，断口上为白点。2. 氢脆开裂：在高强度钢中发生较多，易在电镀和酸洗中造成，氢离子被还原并扩散到金属中，在一定应力作用下，聚集于晶界和材料缺陷出，形成分子，产生压力导致微裂纹。高强钢为沿晶断裂，强度低的钢为穿晶断裂3. 氢脱碳：在高温下发生，钢表面的碳与碳化物与氢反应，使表面脱碳。4. 氢腐蚀：氢进入金属内部，与组织中的碳化物发生反应，生成甲烷，沿晶发生断裂。（九）其它腐蚀1. 高温腐蚀：金属被氧化生成氧化物2. 气蚀：液体与金属材料之间相对流速很高，气体在材料表面局部区域形成空穴或气泡，并迅速破灭，破灭时产生