第六章 机械零件的失效与强化-金属工艺学.ppt

1、第六章机械零件的故障和强化、一、过度变形故障1 .过度弹性变形故障2 .过度塑性变形故障3 .蠕变变形故障、第一节零件的故障形式和分析方法、零件的故障有过度变形、断裂和表面损伤故障三种形式。 1 .过度的弹性变形故障部件因产生过大的弹性变形而发生故障，称为弹性变形故障。 例如，在扭转的轴类部件中，其过大的变形量会引起轴上啮合部件的较大的偏负荷和啮合不良，从而引起传动不良。 2 .过剩的塑性变形故障零件受到的应力超过该材料的屈服强度时会发生塑性变形，过剩的塑性变形会使零件的相对位置发生变化，使机械整体的运转变得不良。 3 .承受蠕变故障长期固定载荷的部件在工作中特别在高温下发生蠕变(即，在应力不

2、变的情况下，变形量随着时间的经过而增加的现象)。 锅炉、汽轮机、航空发动机和其他热机零件，多由于蠕变引起的塑性变形和应力缓和而发生故障。 二、断裂、破坏、破坏是机械零件的主要破坏形态，根据破坏的性质和破坏的原因，可分为以下几类。 (1)韧性断裂失效零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明显的塑性变形，尺寸变化明显，截面缩小，断口呈纤维状。 (2)低温脆性破坏故障部件在该材料的脆性破坏转变温度以下动作时，其韧性和塑性大大降低，发生脆性破坏而发生故障。 (3)疲劳破坏故障部件受到交变负荷时，尽管应力的峰值在拉伸强度下在屈服强度以下，但经过一定周期仍会发生破坏，这种现象称为疲劳。 疲劳破

3、坏是脆性破坏。 (4)蠕变断裂故障在高温下工作的部件，如果蠕变变形量超过一定范围，部件内部会发生龟裂，立即断裂，一部分材料在断裂前会发生颈缩现象。 (5)在环境破坏故障负荷条件下，由于环境因素(例如腐蚀介质)的影响，产生低应力下的延迟破坏，部件发生故障的情况较多。 环境断裂故障包括应力腐蚀、氢脆、腐蚀、疲劳等。 三、表面损伤、故障、磨损的实效相互接触的一对金属表面，在相对运动时金属表面会产生损失、塑性变化，使金属的状态和尺寸发生变化的现象。 2 .腐蚀不良部件暴露在活性介质环境中，与环境介质之间产生化学、电化学作用，引起部件的表面损失，引起尺寸、性能变化，引起不良。 3 .表面疲劳破坏相互接触

4、的两个运动表面在工作中受到交变接触应力的作用，表面层材料疲劳脱落、破坏。 实际上，零件的故障形态往往不单一，可以根据外部条件的变化，将故障形态从一种形式改变为另一种形式。 像齿轮的故障一样，经常会先吃一点，剥一点，然后再磨牙等各种各样的形状。 四、零件故障分析的一般方法是展开故障分析，确定故障形态，找出故障原因，提出预防和纠正措施，一般分析程序是：查阅残骸收集和分析试验分析研究的综合分析，得出结论，写报告。 1、调查研究包括两个内容：一是调查失效现场，二是调查背景资料，有助于进一步的分析判断。 2 .残骸的收集和分析这是一项非常复杂而艰巨的工作，目的是确定最初的破坏物及其失效来源。 3 .试验

5、分析通常进行以下试验分析1 )无损检查不改变材料，检查零件缺陷的位置、大小和数量等。 2 )断口分析通常可以从部件断口获得有关断口的重要信息，分为宏观分析和微观分析。 3 )化学成分分析通常对有故障的部件进行化学成分分析，检查材料的化学成分是否满足标准，或者鉴别部件是用什么材料制造的。4 )使用金相分析光学显微镜的故障分析是一般使用的方法。 5 )力学性能分析硬度试验是故障分析的通常力学实验方法。 若有重大故障事故，可根据需要进行硬度、塑性、断裂韧性等试验。 6 )其他试验方法对于重要且复杂的故障产品，为了分析零件的使用情况，采用试验性应力测定法，如静态应变电测定法、脆性涂层法、光弹法、x射线

6、法等。 4、综合分析，得出结论，写报告书，第二节，工程材料的强化和韧性，一、工程材料的强化方法1 .固溶强化是指晶格内溶入异种原子强化材料的现象。 溶质原子作为变位运动的障碍，增加了塑性变形阻力。 原因主要有： (1)溶质原子引起晶格应变，增加位错密度；(2)溶质原子与位错的相互作用；(2)冷变形强化(加工硬化)冷变形加工硬化是重要的强化手段。 但是，如果冷变形变强，则金属的塑性和韧性降低。 3 .细粒强化(也称晶界强化)晶界的作用是：1)阻碍位错运动2 )位错聚集的地方。 因此，晶粒越小，晶界的面积越大，阻碍位错运动的障碍越多，位错密度也越大，凝聚越强度上升。 微晶强化不仅能提高强度，还能改

7、善塑性和韧性。 4 .第二相强化第二相强化是指利用合金中存在的第二相进行强化的现象。 其机理与第二相的形态、数量以及在基体上的分布方式有关。 (1)通过分散强化材料在基质中分布微细分散的第二相质点而产生强化的方法称为分散强化。 (2)合金中的第二相强化二相的体积和尺寸差不大，结构、成分、性能差大的情况下，为了使第二相发挥强化作用，最好使第二相成为层状，使其呈粒状分布。 5、相变强化相变强化主要指马氏体强化(及上贝氏体强化)，是钢材强化的重要途径。 相变强化并非独立的强化方式，而是固溶强化、沉淀强化、应变强化、细粒强化等多种强化效果的综合，是钢铁材料最经济最重要的强化途径。 6 .复合强化用的高

8、强度纤维和适当的基材结合，强化基材的方法称为纤维强化复合强化。 纤维强化有明显的方向性。 基体和纤维的结合强度也有重要影响。 强化纤维的表面清洁度也影响强化效果。 二、工程材料的强韧化强韧化是指使材料在提高的同时具有充分的塑性和韧性，防止构件脆性断裂。 主要方法是：1.使晶粒微细化，细致均匀，不仅材料强度高，而且塑性、韧性好，同时能够降低韧性、脆性转变温度。 由于晶界增多，晶界应力集中减少，晶粒细化是钢材、铝合金和陶瓷等的强韧化途径之一。 2 .一边调整化学成分一边调整钢的化学成分直接影响其韧性，另一方面可以改变热处理后的组织，实现强韧化。 3、变形热处理是变形强化和相变强化相结合的强韧化方法。 奥氏体变形一方面增加位错密度，另一方面通过动态恢复形成稳定的亚结构，淬火后得到细的马氏体，板条马氏体数增加，半条内位错密度上升，使马氏体强化，另