教学材料《材料》-项目十八

18.1零件常见的失效形式任何一个机械零件，无论其质量多高，都不可能无限期永久使用，总有一天会因各种原因失效报废。在达到或超过正常设计寿命的失效是不可避免的，但也有许多零件，其运行寿命远低于设计寿命而发生早期失效，给生产造成很大影响，甚至酿成重大安全事故。因此，必须给予足够重视，在零件选材初始，就必须对零件在使用中可能产生的失效形式、原因及对策进行分析，为选材及后续加工的控制提供参考依据。下一页返回18.1零件常见的失效形式18.1.1失效的概念与形式失效是指零件在使用中，由于形状、尺寸的改变或内部组织及性能的变化而失去原设计的效能。一般机械零件在以下三种情况下可认为已失效:零件完全不能工作;零件虽能工作，但已不能完成设计功能;零件已有严重损伤，不能再继续安全使用。一般机械零件失效的常见形式有:(1)断裂失效。零件承载过大或因疲劳损伤等发生破断。(2)磨损失效。零件因过度摩擦而造成磨损过量，表面龟裂及麻点剥落等表面损伤。上一页下一页返回18.1零件常见的失效形式(3)变形失效。零件承载过大而发生过量的弹、塑性变形或高温下发生蠕变等。(4)腐蚀失效。零件在腐蚀性环境下工作而造成表层腐蚀脱落或断裂等。同一个零件可能有几种不同的失效形式，例如轴类零件，其轴颈处因摩擦而发生磨损失效，在应力集中处则发生疲劳断裂，两种失效形式同时起作用。但一般情况下，总是由一种形式起主导作用，很少以两种形式同时使零件失效。另外，这些失效形式可相互组合成为更复杂的失效形式，如腐蚀疲劳断裂、腐蚀磨损等。上一页下一页返回18.1零件常见的失效形式18.1.2零件失效的原因及分析1.零件失效的原因引起零件失效的因素很多且较为复杂，它涉及零件的结构设计、材料选择、材料的加工、产品的装配及使用保养等方面，如图18-1所示。

(1)设计不合理。零件的尺寸以及几何形状结构不正确，如存在尖角或缺口，过渡圆角不合适等。设计中对零件的工作条件估计不全面，或者忽略了温度、介质等其他因素的影响，造成零件实际工作能力的不足。上一页下一页返回18.1零件常见的失效形式(2)选材不合理。设计中对零件失效的形式判断错误，使所选材料的性能不能满足工作条件的要求，或者选材所根据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力，从而错误地选择了材料。另外，所用材料的冶金质量太差，造成零件的实际工作性能满足不了设计要求。

(3)加工工艺不当。零件在成型加工的过程中，由于采用的工艺不恰当，可能会产生种种缺陷。如热加工中产生的过热、过烧和带状组织等。热处理中产生的脱碳、变形及开裂等。冷加工中常出现的较深刀痕、磨削裂纹等。(4)安装使用不良。安装时配合过松、过紧，对中不准，固定不稳等，都可能使零件不能正常工作，或工作不安全。上一页下一页返回18.1零件常见的失效形式使用维护不良，不按照工艺规程正确操作，从而使零件在不正常的条件下运行，造成早期失效。零件的失效原因还可能有其他因素，在进行零件的具体失效分析时，应该从多方面进行考查，确定引起零件失效的主要原因，从而有针对性地提出改进措施。零件的失效形式主要是与其具体的工作条件密不可分的。如齿轮，当载荷大，摩擦严重时常发生断齿或磨损失效，而当承载小，摩擦较大时，常发生麻点剥落失效。零件的工作条件主要包括:受力情况(力的大小、种类、分布、残余应力及应力集中情况等)，载荷性质(静载荷、冲击载荷、循环载荷等);温度(低温、常温、高温、变温等);上一页下一页返回18.1零件常见的失效形式环境介质干爽、潮湿、腐蚀性介质等);摩擦润滑(干摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦、有无润滑剂等)以及运转速度，有无振动等。2.失效分析的一般方法正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序。

(1)尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质与特点的地方。

(2)详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况(图纸)、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面上一页下一页返回18.1零件常见的失效形式地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。(3)对所选试样进行宏观(用肉眼或立体显微镜)及微观(用高倍的光学或电子显微镜)断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。

(4)对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等，全面收集各种必要的数据。(5)断裂力学分析。在某些情况下需要进行断裂力学计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。(6)综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。上一页下一页返回18.1零件常见的失效形式在失效分析中，有两项最重要的工作。一是收集失效零件的有关资料，这是判断失效原因的重要依据，必要时作断裂力学分析。二是根据宏观及微观的断口分析，确定失效发源地的性质及失效方式。这项工作最重要，因为它除了告诉我们失效的精确地点和应该在该处测定哪些数据外，同时还对可能的失效原因能作出重要指示。例如，沿晶界断裂应该是材料本身、加工或介质作用的问题，与设计关系不大。上一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义18.2.1失效分析与选材通过失效分析，可以了解材料的破坏方式，并就此作为选材的重要依据。从零件失效的角度看，选材时应考虑以下几个方面的问题。1.弹性变形失效与选材从材料角度分析，控制弹性变形失效难易程度的指标是弹性模量。在容易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性模量的材料。而各类材料的弹性模量差别相当大，金刚石与各种碳化物、硼化物陶瓷的弹性模量最高;其次为氧化物陶瓷与难熔金属，钢铁也具有较高的弹性模量，有色金属则要低一些;下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义高分子材料的弹性模量最低。因此在要求零件有较高刚度，而不能发生过大弹性变形时，不能用高分子材料。但是有些纤维复合材料具有相当大的弹性模量值，由于比重低，在许多特殊的场合(如飞行器结构)有很大用途。2.塑性变形失效与选材决定塑性变形失效难易程度的指标是材料的屈服强度。在经典设计中，屈服强度是衡量材料承载能力的最重要指标，在很长一段时间内，获得高强度材料是材料学家和工程师的主要努力目标。从屈服强度的角度看，金刚石和各种碳化物、氧化物、氮化物陶瓷材料的屈服强度最高，但因为它们极脆，做拉伸试验时，在远未达到屈服应力下即已脆断。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义因此根本不能通过拉伸试验来测定其屈服强度。由于这种材料太脆，强度高的特点发挥不出来，因此不能作为高强结构材料。高强合金钢的强度仅次于陶瓷，最广泛地用于各种高强结构之中。一般来讲，塑料的强度很低，目前最高强度的塑料也超不过铝合金，因此在要求零件有高强度时，不能用塑料。3.脆性断裂失效与选材描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧性、韧脆转变温度和断裂韧性。从韧性的角度考虑，韧性最高的是各种奥氏体钢，其次是合金低碳钢，铝合金的韧性并不好，而铸铁的韧性很低，高碳工具钢和轴承钢韧性也不好，不能用来制造要求韧性较高的结构零件。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义4.疲劳断裂失效与选材疲劳一般分为两类:(1)高循环疲劳(高周疲劳)。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104~105的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。(2)低循环疲劳(低周疲劳)。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104~105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。一般对于具有高频率交变载荷的构件，应选用高周疲劳寿命比较高的材料，如弹簧等。对于具有低频率交变载荷的构件，应选用低周疲劳寿命比较高的材料，如抗地震建筑材料。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义5.蠕变失效与选材蠕变失效通常发生在高温下，所以抗蠕变失效的材料应是耐高温材料。选材时主要考虑材料的工作温度和工作应力，在较高应力和较低温度下，可选用各种耐热钢及高温合金。在较低应力和较高温度下，应选用高熔点材料，如难熔金属和陶瓷材料;对金属材料还应使其晶粒尽可能大，甚至采用单晶材料，晶界也应平行于受力方向排列。6.表面损伤失效与选上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义对于在有摩擦应力存在的场合，应考虑表面损伤的影响。对于黏着磨损，所选材料应与和它配合工作的材料不属同类，而且摩擦系数尽可能小;同时，材料的硬度要高，材料最好有自润滑能力，或有利于保存润滑剂(如有孔隙等)。对于磨粒磨损，选用材料的硬度要高，材料组织中应含有较多的耐磨硬相，如白口铸铁耐磨粒磨损性能就较好。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义18.2.2工程材料的强度与强韧化1.工程材料的强度一般来说，工程材料的强度是材料失效抗力的综合表征，它与所有的机械性能指标，包括弹性、延伸率、硬度、冲击韧性等有关，也与材料在静、动载荷下对应力集中、尺寸效应、表面状态、温度、接触介质的敏感性有关。在进行机械产品设计，选取工程材料强度指标时，应注意以下几个方面的问题:

(1)材料强度与零件强度的关系。机械零件的强度，一般表现为它的短时承载能力以及长期使用寿命，它是由许多因素确定的，其中结构因素、加工工艺因素和材料因素三方面起主要作用。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义使用因素对寿命也往往起很大作用。结构因素是指零件在整机中的作用，零件的形状和尺寸，以及与其他连接件的配合关系等。加工工艺因素是指全部加工工艺过程中对零件强度所产生的影响。材料因素是指材料的成分、组织与性能。这三个因素各自有独立的作用，又相互影响，在解决零件强度有关问题时必须综合考虑上述三方面因素。(2)材料强度指标数据的条件性。在手册中给出的材料强度指标都是在一定的条件下所测得的数据。在实际选用时，应注意其尺寸效应和条件性。例如，对于45钢调质状态标准拉伸试样，所测得的屈服强度为450MPa，但对于同一材料，尺寸为80mm的试件来说，其调质状态下的屈服强度远远低于450MPa。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义

(3)材料强度与零件失效方式的关系。材料强度问题就是研究抵抗零件失效的规律。零件失效的主要方式不同，所要求的失效抗力的正确判据(强度指标类别)也就不同。因而必须从零件的具体工作条件出发，通过典型失效分析，找出造成零件失效的主导因素，正确确定应当选择的强度判据指标。在设计机械产品时，主要是根据正确选择的强度判据指标进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。但是，也应考虑和兼顾到其他非主导或不能直接应用于设计计算的强度指标(如δ、ψ、AK等)。否则，不能实现最经济合理的设计。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义2.工程材料的强化方式作为机械产品的设计者，对工程材料的强化方式和强化手段也应当有所了解，以便最经济、最合理地选择材料和确定强化方式。对于晶体材料而言，由于其塑性变形的实质是位错运动，所以晶体强化的本质就是阻碍晶体中位错的运动。常见的工程材料的强化方式主要有以下6种。(1)固溶强化。当两种或两种以上的元素形成合金时，溶质原子溶入基体的晶格中，由于溶质原子与溶剂原子的大小差异，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，从而使强度升高，这种现象称为固溶强化。固溶强化是工程材料应用最广泛的强化方式之一，普通低合金钢、铝锌合金、单相黄铜等都是主要依靠固溶强化来提高其强度的。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义

(2)加工硬化。材料在变形时，随着变形量的增加，其强度和硬度提高，而塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。这种强化方式实际上是一种位错强化，强化的主要原因是由于位错密度的增加导致位错运动困难，从而提高了材料的强度。冷拔弹簧钢丝是典型的加工硬化的例子，经过加工硬化的钢丝强度可达到2800MPa以上。(3)细化组织强化。这种强化方式也叫晶界强化。晶界的作用主要有两点，一方面它是位错运动的障碍;另一方面它又是位错聚集的地点。所以晶粒越细小，则晶界面积越增加，位错密度也增大，从而强度提高。细化组织强化的特点是，在提高强度的同时，其塑性和韧性也随之提高。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义这是其他强化方式所不能比拟的。因此细化组织强化是提高材料性能最好的手段之一。在孕育铸铁、铝硅基铸浩铝合全都是捅讨孕育朴理细化织织来捍高强度的。(4)第二相强化。第二相强化包括沉淀强化、弥散强化和双相合金中的第二相强化。当合金中存在两相时，第二相粒子在基体中会阻碍位错运动，这导致强度提高。铝铜合金、铝铜镁合金、铝镁硅合金、被青铜是典型的沉淀强化。烧结铝、TD-镍、经淬火和时效处理的TC类钦合金则是弥散强化的代表。而两相黄铜中的α相和β相、共析钢中的珠光体组织等则是第二相强化的典型例子。(5)相变强化。在钢铁材料中，常常采用相变强化方式来强化合金。上一页下一页返回18.2失效分析在零件选材中的意义例如，通过贝氏体相变、马氏体相变来进行强化。这种相变强化实际上是多种强化效果的综合，所以其强化效果十分显著。(6)复合强化。在复合材料中，由于其中的增强相对基体变形有约束作用，所以提高了变形抗力，导致强度提高。例如，用水泥和骨料(沙子或石子)组成的混凝土，