ch1_Failureanalysis

1、 第一章第一章 緒論緒論1.4 機(jī)械零件失效與選材機(jī)械零件失效與選材 u材料的應(yīng)用材料的應(yīng)用u材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題u機(jī)械零件的失效機(jī)械零件的失效一、材料的應(yīng)用一、材料的應(yīng)用n按用途可將材料分為結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和功能材料功能材料。種種 類類特特 點(diǎn)點(diǎn)用用 途途 舉舉 例例結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料使用時主要考慮材料的各種力學(xué)性能力學(xué)性能，如強(qiáng)度、硬度和韌性等。房屋和橋梁用鋼材和混凝土、汽車底盤、發(fā)動機(jī)材料，飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身用鋁材，塑料座椅等。功能材料功能材料使用時主要考慮材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等物理和化學(xué)性能物理和化學(xué)性能。信息技術(shù)的主體材料，如計(jì)算機(jī)硬盤的磁記錄材料和

2、芯片的硅基片和其上的各種薄膜材料，光纜的光導(dǎo)纖維，人工器官和各種保溫材料等。 緒緒 論論 What？機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料p研究對象：研究對象：q研究材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題，以結(jié)構(gòu)材料為主。n作為一名機(jī)械工程技術(shù)人員，無論設(shè)計(jì)還是改進(jìn)、制造機(jī)械設(shè)備，都將面臨材料的選擇、應(yīng)用與零件加工工藝路線的制定等問題，這一切都涉及材料方面的問題。 緒緒 論論 緒緒 論論 二、材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題二、材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題nHow to select it? 緒緒 論論 材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題nHow to make it? 緒緒 論論 材料

3、在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題nHow long will it last? 緒緒 論論 What Really Sank The Titanic ? 1912年4月15日， 20世紀(jì)初最大最豪華的遠(yuǎn)洋客輪“泰坦尼克”號，46萬噸載重量，長269米，16個密封艙，雙重鋼殼，牢固無比，號稱“不沉之城不沉之城”。載有2224名乘客和船員，首航沉沒于冰海，除了登上救生艇的711人幸存外，共有1513人葬身冰海。 緒緒 論論 材料科學(xué)研究回答了材料科學(xué)研究回答了8080年未解之謎年未解之謎n由于早年的Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是

4、典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。Titanic 號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果 緒緒 論論 一項(xiàng)新的科學(xué)研究回答了一項(xiàng)新的科學(xué)研究回答了8080年未解之謎年未解之謎n在水線上下都由10 張30 英尺長的高含硫量脆性鋼板焊接成300英尺的船體。船體上可見長長的焊縫。n船在冰水中撞擊冰山而裂開時，脆性的焊縫無異于一條300英尺長的大拉鏈，使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。 建造中的Titanic 號，可以看到船身上長長的焊縫。（Popular Science, February 1995） 緒緒 論論 冰海斷船冰海斷船 緒緒 論論 n應(yīng)用

5、材料科學(xué)與工程的原理與方法，材料科學(xué)與工程的原理與方法，解決材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用問題。 緒緒 論論 緒緒 論論 機(jī)械零件失效與選材機(jī)械零件失效與選材 每種機(jī)器零件都具有一定的功能或完成規(guī)定的運(yùn)動，或傳遞力、力矩或能量。當(dāng)零部件喪失預(yù)定的功能時，即發(fā)生了零件的失效失效。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認(rèn)為零件已經(jīng)失效：下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認(rèn)為零件已經(jīng)失效：p零件完全破壞，不能繼續(xù)工作p零件嚴(yán)重?fù)p傷，不能保證工作安全p零件雖能安全工作，但工作低效 緒緒 論論 （一）、零件失效的基本形式（一）、零件失效的基本形式 零件的失效形式比較復(fù)雜，根據(jù)零件破壞的特點(diǎn)、所受載荷零件的失效形式比較復(fù)雜，

6、根據(jù)零件破壞的特點(diǎn)、所受載荷的類型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂的類型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類型。失效和表面損傷失效三大類型。表面損傷失效表面損傷失效斷裂失效斷裂失效變形失效變形失效應(yīng)力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應(yīng)力脆斷失效塑性斷裂失效塑性變形失效彈性變形失效磨損失效表面疲勞失效腐蝕失效零件失效零件失效 緒緒 論論 失效形式及其協(xié)同作用因素失效形式及其協(xié)同作用因素失效類型主要因素協(xié)助因素失效形式斷裂恒載高溫化學(xué)韌斷或脆斷蠕變斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂交變載荷化學(xué)腐蝕疲勞斷裂疲勞斷裂磨損力學(xué)磨損化學(xué)磨蝕 緒緒 論論 （二）、

7、失效分析的主要方法（二）、失效分析的主要方法 失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影響失效的因素很多，要利用宏觀和微觀的研究手段進(jìn)行系統(tǒng)的分析。服役條件失效零件失效分析失效類型失效原因工業(yè)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)提高零件失效抗力加強(qiáng)管理改進(jìn)工藝提高主要抗力指標(biāo)改進(jìn)設(shè)計(jì)工 藝使 用材 料設(shè) 計(jì) 第一章第一章 緒論緒論失效分析的主要方法失效分析的主要方法1、無損檢測、無損檢測 無損檢測是針對材料在冶金、加工、使用過程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無損探傷法進(jìn)行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。2、斷口分析、斷口分析 斷口分析是對斷口進(jìn)行全面的宏觀（肉眼、低倍顯微鏡）及微觀（高倍顯微鏡、電子顯微鏡）觀察分析，確定裂紋的發(fā)源

8、地、擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機(jī)理。脆性斷口脆性斷口韌性斷口韌性斷口疲勞斷口疲勞斷口 第一章第一章 緒論緒論3、金相分析、金相分析 通過觀察分析零件（特別是失效源周圍）顯微組織構(gòu)成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細(xì)、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷及失效源周圍組織的變化，對組織是否正常作出判斷。4、化學(xué)分析、化學(xué)分析 檢驗(yàn)材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計(jì)要求。5、力學(xué)分析、力學(xué)分析 檢查分析失效零件 的應(yīng)力分布、承載能力以及脆斷傾向等。 第一章第一章 緒論緒論宏觀：宏觀：結(jié)晶狀，平齊而光亮，有閃亮小刻面。微觀：微觀：平坦的解理臺階與河流花樣。（a） （b）圖圖8-5 脆性結(jié)

9、晶狀斷口的宏觀及微觀形貌脆性結(jié)晶狀斷口的宏觀及微觀形貌（a）宏觀形貌 （b）微觀解理花樣脆性斷口脆性斷口 第一章第一章 緒論緒論脆性斷裂也可能沿晶界發(fā)生。脆性斷裂也可能沿晶界發(fā)生。（a） （b）圖圖8-6 脆性沿晶斷裂斷口脆性沿晶斷裂斷口（a）回火脆性斷口 （b）應(yīng)力腐蝕斷口 第一章第一章 緒論緒論韌性斷口韌性斷口宏觀：宏觀：纖維狀，色質(zhì)灰暗微觀：微觀：大小不等的韌窩（a） （b）圖圖8-7 韌性斷口的宏觀及微觀形貌韌性斷口的宏觀及微觀形貌（a）纖維狀韌性宏觀斷口 （b）微觀典型韌窩形貌 第一章第一章 緒論緒論疲勞斷口疲勞斷口（a） （b） （c）圖圖8-8 疲勞斷口疲勞斷口（a）疲勞斷口宏觀

10、形貌（b）疲勞斷口示意圖（c）疲勞條紋的微觀圖象疲勞源 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) “貝紋”狀花樣 瞬時斷裂區(qū) 第一章第一章 緒論緒論（三）、零件失效分析實(shí)例（三）、零件失效分析實(shí)例1、齒輪的失效、齒輪的失效 齒輪是機(jī)械設(shè)備中運(yùn)用極廣的傳動零件，齒輪表面受到接觸力和摩擦力的作用，齒根部則受到交變彎曲應(yīng)力的作用，此外由于過載和換檔時的沖擊還會產(chǎn)生附加應(yīng)力。（a） （b） 圖圖8-9 齒輪的輪齒的疲勞斷裂齒輪的輪齒的疲勞斷裂（宏觀）（宏觀） 第一章第一章 緒論緒論齒輪的失效行為齒輪的失效行為失效形式失 效 的 原 因齒面接觸疲勞破壞在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，裂紋發(fā)展引起點(diǎn)狀剝落（或稱麻點(diǎn)）疲勞斷裂

11、從齒根部發(fā)生，由過大的交變彎曲應(yīng)力所致，是齒輪最嚴(yán)重的失效形式齒面磨損由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小過載斷裂主要是沖擊載荷過大造成的斷齒 第一章第一章 緒論緒論美國美國931931個齒輪失效形式及原因的統(tǒng)計(jì)個齒輪失效形式及原因的統(tǒng)計(jì)失效方式統(tǒng)計(jì)結(jié)果，%失效原因統(tǒng)計(jì)結(jié)果，%斷裂，總計(jì)疲勞斷裂，輪齒 輪過載斷裂，輪齒 輪表面疲勞，總計(jì)磨損，總計(jì) 磨粒磨損 粘著磨損塑性變形，總計(jì)61.232.84.0 23.80.620.313.210.32.95.3使用不當(dāng)總計(jì) 潤滑不良 安裝不良 過載 其它 設(shè)計(jì)，總計(jì) 設(shè)計(jì)不合理 選材不當(dāng)熱處理?xiàng)l件規(guī)定不當(dāng) 熱處理其它74.711.021.238.93.66.

12、92.81.62.5 16.21.4 第一章第一章 緒論緒論2、機(jī)車車輛車軸的失效、機(jī)車車輛車軸的失效車軸在運(yùn)行時承受著旋轉(zhuǎn)彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，車軸材料通常具有較好的韌塑性，其形狀又有很好的對稱性，所以車軸具有疲勞斷裂的完整過程（疲勞裂紋形成、裂紋擴(kuò)展、最終瞬時斷裂），斷口見圖：斷口見圖：（a） （b）圖圖8-10 車軸疲勞斷口車軸疲勞斷口（a） 疲勞源在軸內(nèi)部，由嚴(yán)重冶金缺陷引起裂紋萌生。（b）疲勞源在軸表面，由表面加工缺陷引起缺口效應(yīng)，致使裂紋萌生。疲勞源 第一章第一章 緒論緒論車軸的疲勞斷裂失效分析如下圖：車軸的疲勞斷裂失效分析如下圖：疲勞裂紋源發(fā)生在車軸內(nèi)部冶金缺陷（殘余縮孔、夾渣、空洞、

13、成份偏析、夾雜物超標(biāo)等）車軸疲勞車軸疲勞斷裂分析斷裂分析斷口面基本與軸向垂直設(shè)計(jì)不當(dāng)、嚴(yán)重缺陷或過載斷口特征異常機(jī)加工缺陷機(jī)加工不當(dāng)撞傷意外損傷腐蝕產(chǎn)物環(huán)境腐蝕磨損產(chǎn)物微動摩擦軸表面異?；瘜W(xué)成份冶煉工藝不當(dāng)力學(xué)性能不合格金相組織冶煉、鍛造 或熱處理工藝不當(dāng)疲勞裂紋源發(fā)生在車軸表面斷口面與軸向成45角扭轉(zhuǎn)載荷過大 第一章第一章 緒論緒論3、鐵路鋼軌的失效、鐵路鋼軌的失效鋼軌傷損的主要形式鋼軌傷損的主要形式失效形式失 效 的 原 因磨耗鋼軌與車輪接觸面表層發(fā)生磨損壓潰輪軌接觸壓應(yīng)力使鋼軌表面發(fā)生塑性變形剝離交變接觸應(yīng)力使疲勞裂紋在鋼軌表層(次表層)形成擴(kuò)展至剝落疲勞裂紋或折斷交變應(yīng)力引起疲勞裂紋的萌生,并可能進(jìn)一步擴(kuò)展至斷裂擦傷輪軌接觸面發(fā)生熱機(jī)械作用, 導(dǎo)致組織產(chǎn)生相變由珠光體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織銹蝕腐蝕環(huán)境作用 第一章第一章 緒論緒論（a） （b） （c） 圖圖8-12 鋼軌軌頭磨耗、壓潰和剝離鋼軌軌頭磨耗、壓潰和剝離（a）軌頭側(cè)面磨耗（b）軌頭踏面被壓潰及出現(xiàn)飛邊（c）魚鱗狀裂紋和剝離坑鐵路全天候運(yùn)行，行程長、工作條件較惡劣，磨耗、腐蝕、疲勞斷裂時其主要形式。 第一章第一章 緒論緒論p 鋼軌使用初期出現(xiàn)的縱向劈裂等主要與鋼軌的內(nèi)部和