零件失效分析

1、 零部件的失效與選材零部件的失效與選材 第一節(jié)第一節(jié) 零部件的失效零部件的失效 失效失效 零件由于某種原因，導致其尺寸、形狀、零件由于某種原因，導致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成指定的功能。指定的功能。 一、失效形式一、失效形式 常見的失效形式有常見的失效形式有變形失效、斷裂失效、表面損失失效變形失效、斷裂失效、表面損失失效及材料的老化失效及材料的老化失效等。等。1 1、變形失效、變形失效 （1 1）彈性變形失效）彈性變形失效 不恰當?shù)膹椥宰冃瘟繉е率?。不恰當?shù)膹椥宰冃瘟繉е率А?（2 2）塑性變形失效）塑性變形失效 防止

2、零件塑性變形失效的措施：防止零件塑性變形失效的措施：采用屈服強度高的材采用屈服強度高的材料，進行合理的熱處理，防止超載。料，進行合理的熱處理，防止超載。 2 2、斷裂失效、斷裂失效 斷裂失效斷裂失效 機械零件因斷裂而產生的失效。機械零件因斷裂而產生的失效。（1 1）韌性斷裂失效韌性斷裂失效 斷裂前有明顯的塑性變形。斷裂前有明顯的塑性變形。 宏觀變形方式為頸縮，典型斷口呈韌窩狀，韌窩是由于宏觀變形方式為頸縮，典型斷口呈韌窩狀，韌窩是由于空洞的形成、長大并連接而導致韌性斷裂產生的?？斩吹男纬伞㈤L大并連接而導致韌性斷裂產生的。（2 2）脆性斷裂失效脆性斷裂失效 斷裂前無塑性變形。疲勞斷裂、應力腐蝕斷

3、裂、腐蝕疲斷裂前無塑性變形。疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂和蠕變斷裂等均屬于脆性斷裂。勞斷裂和蠕變斷裂等均屬于脆性斷裂。 疲勞斷裂疲勞斷裂 在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經過較長時間的工作而產生裂紋導致發(fā)生斷裂，屈服點，但經過較長時間的工作而產生裂紋導致發(fā)生斷裂，稱金屬的疲勞斷裂。稱金屬的疲勞斷裂。n低應力脆性斷裂失效低應力脆性斷裂失效 n石油化工容器、鍋爐等一些大型鍛件或焊接件，在工石油化工容器、鍋爐等一些大型鍛件或焊接件，在工作應力作應力遠遠低于材料的屈服應力遠遠低于材料的屈服應力作用下，由于材料自作用下，由

4、于材料自身固有的身固有的裂紋擴展導致的無明顯塑性變形的突然斷裂裂紋擴展導致的無明顯塑性變形的突然斷裂，稱為稱為低應力脆性斷裂低應力脆性斷裂。 n低應力脆性斷裂按其斷口的形貌可分為低應力脆性斷裂按其斷口的形貌可分為解理斷裂解理斷裂和和沿沿晶斷裂晶斷裂。 n3 3、表面損失失效、表面損失失效n由于由于磨損、疲勞、腐蝕磨損、疲勞、腐蝕等原因，使零部件表面失去正常工作所必須的等原因，使零部件表面失去正常工作所必須的形狀、尺寸和表面粗糙度造成的失效，稱為形狀、尺寸和表面粗糙度造成的失效，稱為表面損傷失效表面損傷失效。 n 磨損磨損(wear)(wear)失效失效n任何兩個相互接觸的零部件發(fā)生相對運動時，

5、其表面會發(fā)生磨損，造任何兩個相互接觸的零部件發(fā)生相對運動時，其表面會發(fā)生磨損，造成零部件尺寸變化、精度降低而不能繼續(xù)工作，這種現(xiàn)象稱為磨損失成零部件尺寸變化、精度降低而不能繼續(xù)工作，這種現(xiàn)象稱為磨損失效。效。n 腐蝕腐蝕(corrosion)(corrosion)失效失效n由于化學或電化學腐蝕而造成零部件尺寸和性能的改變而導致的失效由于化學或電化學腐蝕而造成零部件尺寸和性能的改變而導致的失效稱為腐蝕失效。稱為腐蝕失效。n 表面疲勞失效表面疲勞失效n 表面疲勞失效是指兩個相互接觸的零部件相對運動時，在交變接表面疲勞失效是指兩個相互接觸的零部件相對運動時，在交變接觸應力作用下，零部件表面層材料發(fā)生

6、疲勞而脫落所造成的失效。觸應力作用下，零部件表面層材料發(fā)生疲勞而脫落所造成的失效。n4 4、材料的老化、材料的老化n 高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生變脆、變脆、變硬或變軟、變粘等現(xiàn)象變硬或變軟、變粘等現(xiàn)象，從而失去原有性能從而失去原有性能指標的現(xiàn)象指標的現(xiàn)象，稱為，稱為高分子材料的老化高分子材料的老化。老化是。老化是高分子材料不可避免的。高分子材料不可避免的。n二、失效原因二、失效原因n 造成零部件失效的原因很多，主要有造成零部件失效的原因很多，主要有設計、設計、選材、加工、裝配使用選材、加工、裝配使用等因素。等因素。n1 1、設計不合理、設計不合理 n2 2

7、、選材錯誤、選材錯誤n3 3、加工工藝不當、加工工藝不當 n4 4、裝配使用不當、裝配使用不當n三、失效分析三、失效分析 n1 1、失效分析的、失效分析的一般程序一般程序n 收集失效零部件的殘骸，進行宏觀外形與尺寸的收集失效零部件的殘骸，進行宏觀外形與尺寸的觀察和測量，拍照留據(jù)，確定重點分析的部位。觀察和測量，拍照留據(jù)，確定重點分析的部位。n 調查零部件的服役條件和失效過程。調查零部件的服役條件和失效過程。n 查閱失效零部件的有關資料，包括零部件的設計、查閱失效零部件的有關資料，包括零部件的設計、加工、安裝、使用維護等方面的資料。加工、安裝、使用維護等方面的資料。n 試驗研究試驗研究n2 2、

8、失效分析實例、失效分析實例鍋爐給水泵軸的斷裂分析鍋爐給水泵軸的斷裂分析n某大型化肥廠從國外引進的兩臺離心式鍋爐給水泵在試車過程中只運某大型化肥廠從國外引進的兩臺離心式鍋爐給水泵在試車過程中只運行了行了14001400多小時便先后發(fā)生斷軸事故。泵軸的材質相當于我國的多小時便先后發(fā)生斷軸事故。泵軸的材質相當于我國的42CrMo42CrMo鋼，外徑為鋼，外徑為90mm90mm，斷裂部位為平衡鼓附近的軸節(jié)處，該處最小，斷裂部位為平衡鼓附近的軸節(jié)處，該處最小直徑為直徑為74mm74mm。在試車期間，給水泵曾頻繁開停車。圖為泵軸的斷口照。在試車期間，給水泵曾頻繁開停車。圖為泵軸的斷口照片。片。n成分分析表

9、明，泵軸材料的含碳量高于標準的上限成分分析表明，泵軸材料的含碳量高于標準的上限（0.45%0.45%）達到）達到0.48%0.48%。泵軸的心部組織為魏氏組織，表。泵軸的心部組織為魏氏組織，表面為粗大晶粒的回火索氏體組織。顯然，泵軸材料為不面為粗大晶粒的回火索氏體組織。顯然，泵軸材料為不合格材料。泵軸表面機械加工粗糙，斷口部位有四條明合格材料。泵軸表面機械加工粗糙，斷口部位有四條明顯的深車刀痕，泵軸正是沿著這些刀痕之一整齊地發(fā)生顯的深車刀痕，泵軸正是沿著這些刀痕之一整齊地發(fā)生脆性斷裂。脆性斷裂。n結論：泵軸的斷裂為低載荷高應力集中的旋轉彎曲疲結論：泵軸的斷裂為低載荷高應力集中的旋轉彎曲疲勞斷裂

10、。深的車刀痕是高應力集中源，也是引起泵軸斷勞斷裂。深的車刀痕是高應力集中源，也是引起泵軸斷裂的主要原因。泵軸材料是成分和熱處理組織不合格材裂的主要原因。泵軸材料是成分和熱處理組織不合格材料。料。 第二節(jié)第二節(jié) 零部件的選材零部件的選材n一、選材的基本原則一、選材的基本原則 n1 1、使用性能原則、使用性能原則 n材料的使用性能應滿足使用要求。材料的使用性能應滿足使用要求。使用性能指使用性能指零件在使用狀態(tài)下材料應該具有的零件在使用狀態(tài)下材料應該具有的機械性能、機械性能、物理性能、化學性能。物理性能、化學性能。n2 2、工藝性能原則、工藝性能原則 n材料的工藝性能應滿足生產工藝的要求。材料的工藝

11、性能應滿足生產工藝的要求。（1 1）金屬材料的工藝性能）金屬材料的工藝性能 金屬材料加工的工藝路線復雜。加工工藝不金屬材料加工的工藝路線復雜。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。n（2 2）高分子材料工藝性能）高分子材料工藝性能n高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，成形加工方法也比較多。高分子材料的切削加工性能成形加工方法也比較多。高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。但由于高分子材料的導熱性較好，與金屬基本相同。但由于高分子材料的導熱性差，在切削過程中易使工件溫度急劇升高，使

12、熱塑性差，在切削過程中易使工件溫度急劇升高，使熱塑性塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。 高分子材料的加工工藝路線高分子材料的加工工藝路線 n（3 3）陶瓷材料的工藝性能）陶瓷材料的工藝性能n 陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工藝是陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。塑成形等。n 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進行任何其它加工。磨加工外，幾乎不能進行任何其它加工。陶瓷材料的加工工藝路線陶瓷材料

13、的加工工藝路線 n3 3、經濟性原則、經濟性原則 n滿足使用性能要求的前提下，滿足使用性能要求的前提下，采用便宜采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的材料，把總成本降至最低，取得最大的經濟效益。的經濟效益。n二、典型零部件選材及工藝分析二、典型零部件選材及工藝分析 n 齒輪類零件的選材齒輪類零件的選材n1 1、齒輪的工作條件、主要失效形式及對性能的要求。、齒輪的工作條件、主要失效形式及對性能的要求。n 齒輪的齒輪的工作條件工作條件：嚙合齒表面承受較大的既有滾動又有滑動的嚙合齒表面承受較大的既有滾動又有滑動的強烈磨擦和接觸疲勞壓應力。強烈磨擦和接觸疲勞壓應力。傳遞動力時，輪齒類似于懸臂梁，

14、輪傳遞動力時，輪齒類似于懸臂梁，輪齒根部承受較大的彎曲疲勞應力。齒根部承受較大的彎曲疲勞應力。換擋、啟動、制動或嚙合不均勻換擋、啟動、制動或嚙合不均勻時，承受沖擊載荷。時，承受沖擊載荷。n 齒輪的齒輪的主要失效形式主要失效形式：斷齒：除因過載（主要是沖擊載荷過大）斷齒：除因過載（主要是沖擊載荷過大）產生斷齒外，大多數(shù)情況下的斷齒，是由于傳遞動力時，在齒根部產產生斷齒外，大多數(shù)情況下的斷齒，是由于傳遞動力時，在齒根部產生的彎曲疲勞應力造成的。生的彎曲疲勞應力造成的。齒面磨損：由于齒面接觸區(qū)的磨擦，使齒面磨損：由于齒面接觸區(qū)的磨擦，使齒厚變小、齒隙加大。齒厚變小、齒隙加大。接觸疲勞；在交變接觸應力

15、作用下，齒面產接觸疲勞；在交變接觸應力作用下，齒面產生微裂紋，遂漸剝落，形成麻點。生微裂紋，遂漸剝落，形成麻點。n 對齒輪材料的對齒輪材料的性能要求性能要求：高的彎曲疲勞強度；高的彎曲疲勞強度；高的耐磨性和高的耐磨性和接觸疲勞強度；接觸疲勞強度；輪齒心部要有足夠的強度和韌性。輪齒心部要有足夠的強度和韌性。n2 2、典型齒輪的選材、典型齒輪的選材n 機床齒輪機床齒輪 機機床變速箱齒輪擔負傳遞動力，改變運動速度和床變速箱齒輪擔負傳遞動力，改變運動速度和方向的任務。工作條件較好，轉速中等，載荷不大，工方向的任務。工作條件較好，轉速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊。作平穩(wěn)無強烈沖擊。 一般可選中碳鋼

16、一般可選中碳鋼(45(45鋼鋼) )制造，制造，為了提高淬透性，也可選用中碳合為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼金鋼(40Cr(40Cr鋼鋼) )。機床變速箱齒輪機床變速箱齒輪 工藝路線為工藝路線為： 下料下料-鍛造鍛造-正火正火-粗加工粗加工-調質調質-精加工精加工-高頻高頻淬火及低溫回火淬火及低溫回火-精磨。精磨。n（2）汽車、拖拉機齒輪汽車、拖拉機齒輪n與機床齒輪比較，汽車、拖拉機齒輪工作時與機床齒輪比較，汽車、拖拉機齒輪工作時受力受力較大，受沖擊頻繁較大，受沖擊頻繁，因而對性能的要求較高。，因而對性能的要求較高。n這類齒輪通常使用這類齒輪通常使用合金滲碳鋼合金滲碳鋼（例如：（例如：20

17、CrMnTi20CrMnTi、20MnVB20MnVB）制造。）制造。n其工藝路線為：備料其工藝路線為：備料鍛造鍛造正火正火機械加工機械加工滲碳滲碳淬火淬火+ +低溫回大低溫回大噴丸噴丸磨削磨削裝配。裝配。 n 軸類零部件的選材軸類零部件的選材n1 1、軸的工作條件，主要失效形式及對性能的要求。、軸的工作條件，主要失效形式及對性能的要求。n 軸的軸的工作條件：工作條件：傳遞扭矩，承受交變扭轉載荷作用。同時也傳遞扭矩，承受交變扭轉載荷作用。同時也往往承受交變彎曲載荷或拉、壓載荷的作用。往往承受交變彎曲載荷或拉、壓載荷的作用。軸頸承受較大的軸頸承受較大的磨擦。磨擦。承受一定的過載或沖擊載荷。承受一

18、定的過載或沖擊載荷。n 軸的主要軸的主要失效形式失效形式：疲勞斷裂疲勞斷裂 由于受交變的扭轉載荷和彎由于受交變的扭轉載荷和彎曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。形式。斷裂失效斷裂失效 由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷?；蚺?。磨損失效磨損失效 軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)生變化。生變化。n 對軸用材料的對軸用材料的性能要求：性能要求：高的疲勞強度，以防止疲勞斷裂。高的疲勞強度，以防止疲勞斷裂。良好的綜合力學性能，以防止沖

19、擊或過載斷裂。良好的綜合力學性能，以防止沖擊或過載斷裂。良好的耐磨良好的耐磨性，以防止軸頸磨損。性，以防止軸頸磨損。n2 2、典型軸的選材、典型軸的選材 n 機床主軸機床主軸 n 主軸受交變彎曲和扭轉復合應力作用，載荷和轉主軸受交變彎曲和扭轉復合應力作用，載荷和轉速不高，沖擊載荷不大。具有一般綜合機械性能即可速不高，沖擊載荷不大。具有一般綜合機械性能即可滿足要求。軸頸和錐孔處有磨擦。滿足要求。軸頸和錐孔處有磨擦。 n C620C620車床主軸可選用車床主軸可選用4545鋼鋼，經調質處理后，硬度，經調質處理后，硬度為為220250HB220250HB，軸頸和錐孔需進行表面淬火，硬度為，軸頸和錐孔

20、需進行表面淬火，硬度為46-54HRC46-54HRC。 n其工藝路線為：其工藝路線為：備料備料鍛造鍛造正火正火粗機械加工粗機械加工調調質質精機械加工精機械加工表面淬火表面淬火+ +低溫回火低溫回火磨削磨削裝配裝配 n 汽輪機主軸汽輪機主軸 n汽輪機主軸尺寸大、工作負荷大，承受彎曲、扭汽輪機主軸尺寸大、工作負荷大，承受彎曲、扭轉載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。轉載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。 n因此對汽輪機主軸材料除要求其在性能上具有高因此對汽輪機主軸材料除要求其在性能上具有高的強度和足夠的塑韌性外，還要求其鍛件中不出的強度和足夠的塑韌性外，還要求其鍛件中不出現(xiàn)較大的夾雜、白點、焊接裂紋等缺陷。

21、對于在現(xiàn)較大的夾雜、白點、焊接裂紋等缺陷。對于在500500以上工作的主軸還要求其材料具有一定的高以上工作的主軸還要求其材料具有一定的高溫強度。溫強度。 n對于工作在對于工作在450450以下的材料，如果汽輪機功率較小以下的材料，如果汽輪機功率較小12000kW12000kW12000kW），且主軸尺寸較大，則須選用），且主軸尺寸較大，則須選用35CrMo35CrMo鋼鋼，以提高淬透性。對于工作在，以提高淬透性。對于工作在500500以上的主軸，以上的主軸，由于汽輪機功率大（由于汽輪機功率大（125000kW125000kW），要求高溫強度高，需），要求高溫強度高，需選用珠光體耐熱鋼，通常高中壓主軸選用選用珠光體耐熱鋼，通常高中壓主軸選用25CrMoVA25CrMoVA或或27Cr2MoVA27Cr2MoVA鋼鋼，低壓主軸選用，低壓主軸選用15CrMo15CrMo或或17CrMoV17CrMoV鋼鋼。對于工。對于工作溫度更高，要求更高高溫強度的主軸，可選用珠光體耐作溫度更高，要求更高高溫強度的主軸，可選用珠光體耐熱鋼熱鋼20C