第六章過程裝備失效與材料的關(guān)系

第六章過程裝備失效與材料的關(guān)系本章主要內(nèi)容一、過程裝備及其構(gòu)件的失效形式？有過量變形、斷裂及表面損傷三大類型：具體到：零件、設(shè)備的過量變形以及性能指標(biāo)零件、設(shè)備的斷裂及性能指標(biāo)在交變載荷下的疲勞斷裂及性能指標(biāo)在高溫下的蠕變變形和斷裂失效零件、設(shè)備的磨損失效以及防止、腐蝕與防護(hù)二、失效的原因和失效分析

原因？可能是設(shè)計(jì)、選材、加工、安裝或?qū)嶋H操作等失效分析有哪些方法？步驟？§6-1金屬材料常見失效形式及其判斷

什么是過量彈性變形失效?發(fā)生過量彈性變形的原因是什么?設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇什么性能指標(biāo)?發(fā)生過量塑性變形的原因是什么?抗力指標(biāo)有哪些?斷裂失效的分類；韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂的特點(diǎn)？原因？表面損傷——腐蝕、磨損的機(jī)理？問題關(guān)于失效的基本概念1零件（構(gòu)件或設(shè)備）的功能（1）在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下，保持規(guī)定的形狀和尺寸；完成傳熱、傳質(zhì)等。（2）實(shí)現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)；（3）傳遞力和能。失效的定義和形式定義:零件、設(shè)備失去設(shè)計(jì)所要求的效能（功能）稱為失效。

常見的失效形式：過量變形、斷裂、磨損與腐蝕一、變形失效過量彈性變形及抗力指標(biāo)（1）零構(gòu)件發(fā)生過量彈性變形失效：

Dl[Dl](拉壓或者彎曲條件下）或者q[q]（扭轉(zhuǎn)條件下）（2）過量彈性變形的原因：零構(gòu)件的剛度不夠（3）抗力指標(biāo)：彈性模量E或者切變模量G總結(jié)零構(gòu)件發(fā)生過量彈性變形的原因：剛度不足抗力指標(biāo)：彈性模量E或者切變模量G強(qiáng)調(diào)！金屬和合金的彈性模量不能通過合金化和熱處理、冷變形等方法改變，即E\G與材料的組織關(guān)系不大。二、斷裂失效靜載荷和沖擊載荷 斷裂：材料在外力作用下分為兩個(gè)或者兩個(gè)以上部分的現(xiàn)象。斷裂的分類(見表6－1

)：韌性斷裂和脆性斷裂斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展韌性：表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。一)、斷裂的分類（見表6－1）表6－1斷裂的分類二)、

韌性斷裂

在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂叫做韌性斷裂。

1)韌性斷裂的特征韌性斷裂是一個(gè)緩慢的斷裂過程，塑性變形與裂紋成長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行。裂紋萌生及亞穩(wěn)擴(kuò)展阻力大、速度慢，材料在斷裂過程中需要不斷消耗相當(dāng)多的能量。2)韌性斷裂的斷口形態(tài)a. 斷口的宏觀形態(tài)韌性斷裂的宏觀斷口可分為三個(gè)區(qū)域：即纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)b、斷口的顯微形態(tài)

韌性斷裂的微觀斷口常見韌窩及蛇形花樣

3)韌性斷裂的原因及改進(jìn)措施韌性斷裂往往因材料受到較大的負(fù)荷或過載所引起。選用強(qiáng)度較高的金屬材料，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮構(gòu)件的承載能力，實(shí)際操作中嚴(yán)禁超載、超溫、超速，注意構(gòu)件及設(shè)備異常的變形，對(duì)防止韌性斷裂發(fā)生都是有效的。三)、脆性斷裂

金屬材料在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂叫做脆性斷裂1)脆性斷裂的特征脆性斷裂是一個(gè)快速斷裂的過程。沒有可見的塑性變形，由于沒有變形先兆，危害性很大。2)脆性斷裂的斷口形態(tài)a. 斷口的宏觀形態(tài)脆性斷裂的斷口一般與正應(yīng)力垂直，宏觀表面平齊，顏色光亮。b. 斷口的顯微形態(tài)脆性斷口的微觀形態(tài)常見解理臺(tái)階與河流花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣等韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌韌性斷口脆性斷口3)產(chǎn)生脆性斷裂的原因A,應(yīng)力狀態(tài)與缺口效應(yīng)B,溫度C,尺寸效應(yīng)D,焊接質(zhì)量E,工作介質(zhì)F,材料和組織因素4)防止脆性斷裂的途徑傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不包含脆性強(qiáng)度概念，沒有考慮缺陷大小、溫度、加載速度、構(gòu)件尺寸效應(yīng)、三向應(yīng)力狀態(tài)等引起脆性斷裂的因素。防止脆性斷裂的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):材料的斷裂韌性水平、構(gòu)件的最低工作溫度和構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，承受的載荷類型(交變載荷、沖擊載荷等)以及環(huán)境腐蝕介質(zhì)。

5)、沖擊韌性及衡量指標(biāo)沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。衡量指標(biāo)：沖擊吸收功Ak

沖擊韌度ak(ak＝Ak/Fk

)應(yīng)用：評(píng)價(jià)材料韌性的好壞，與屈服強(qiáng)度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計(jì)。低溫沖擊試驗(yàn)：(材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK)材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的確定和應(yīng)用6)、斷裂韌性及衡量指標(biāo)斷裂韌度KIC:是評(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。

單位：MPa·m

1/2

或者M(jìn)N·m-3/2應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材）

KI

<KIC構(gòu)件安全KI

>KIC構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂KI

＝KIC構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件應(yīng)用場(chǎng)合：主要用于高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等?？偨Y(jié)材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂,(當(dāng)然還有下面的疲勞斷裂)材料的韌性指標(biāo)：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度，前三個(gè)用于評(píng)價(jià)材料韌性的好壞；斷裂韌度可用于材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計(jì)。材料的以上韌性指標(biāo)均可用合金化和熱處理等方法改變。四)、在交變載荷下的疲勞斷裂問題什么是疲勞斷裂？疲勞斷口由哪幾個(gè)部分組成？疲勞抗力指標(biāo)有哪些？在設(shè)計(jì)中如何使用這些指標(biāo)？1）、基本概念交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、最后斷裂。2）、疲勞斷口的特點(diǎn)疲勞斷口3個(gè)區(qū)——疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、斷裂區(qū)示意圖疲勞源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌微裂紋疲勞條紋兩個(gè)疲勞源↓↓↓一個(gè)疲勞源3）、疲勞抗力指標(biāo)無裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)：疲勞極限過載持久值疲勞極限：材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。疲勞曲線

圖1－11兩種類型的疲勞曲線a)鋼鐵材料b)部分有色金屬（如鋁合金）條件疲勞極限疲勞極限過載持久值：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。高周疲勞：Nf>105低周疲勞:Nf<105②

帶裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)裂紋擴(kuò)展速率（da/dN)疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值(DKth）③

影響疲勞抗力的因素載荷類型材料本質(zhì)零件表面狀態(tài)工作溫度腐蝕介質(zhì)總結(jié)疲勞斷裂是零構(gòu)件常見的一種失效形式，它是一種脆性斷裂，危害很大。無裂紋零構(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度。工作應(yīng)力s<疲勞極限，構(gòu)件不發(fā)生疲勞斷裂。工作應(yīng)力s>疲勞極限，構(gòu)件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應(yīng)力越大，過載持久值越低。疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。三、表面損傷（磨損、腐蝕）失效一）磨損：主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過程、機(jī)理以及防止措施。1）、磨損的基本概念產(chǎn)生磨損的條件:材料的表面相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)

磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸、形狀變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。2）、磨損的過程和機(jī)理粘著磨損：（1）又稱咬合磨損，在滑動(dòng)摩擦條件下，摩擦幅的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。（2）過程滑動(dòng)（3）粘著磨損的特點(diǎn)：磨損速度大；破壞嚴(yán)重。（4）防止措施合理選材，摩擦幅配對(duì)材料選用硬度差較大的異類材料；提高表面硬度；合理設(shè)計(jì)減小接觸壓應(yīng)力；減小表面粗糙度。局部粘著粘著處被撕掉金屬表面被劃傷或者金屬屑粒脫落

磨粒磨損：（1）定義：又稱磨料磨損，在滑動(dòng)摩擦?xí)r零件表面存在硬質(zhì)磨粒，使磨面發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金屬表面從而導(dǎo)致零件表面逐漸損耗的一種磨損。

（2）過程金屬表面發(fā)生局部塑性變形磨粒嵌入金屬表面，切割金屬表面表面被劃傷（4）防止措施提高表面硬度（從選材方面）；減少磨粒數(shù)量（從工作狀況方面）。

接觸疲勞（疲勞磨損，麻點(diǎn)磨損）：（1）定義：零件工作面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。（2）過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴(kuò)展過程。

（3）主要防止措施提高材料硬度；提高材料純度；提高零件心部和表面強(qiáng)度；減小表面粗糙度。總結(jié)磨損是機(jī)械零件常見的一種失效形式，總是從零件表面開始發(fā)生。各種磨損的過程和機(jī)理不同，因此其主要的預(yù)防措施也不同。提高零件表面硬度，合理設(shè)計(jì)減小壓應(yīng)力，以及提高表面光潔度等對(duì)降低磨損都有利。二）腐蝕失效問題什么是腐蝕？可分為幾類？高溫氧化腐蝕常發(fā)生在那些零件中？耐熱鋼為什么具有抗高溫氧化能力？發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件是什么？改善零件腐蝕抗力的主要措施是什么1）、腐蝕的定義和分類腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)所引起的表面損傷現(xiàn)象。分類： 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕2）、腐蝕過程及防止化學(xué)腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）高溫氧化過程：（a）金屬失去電子成為金屬離子（b）氧原子吸收電子成為氧離子（c）金屬離子和氧離子結(jié)合為金屬氧化物基體金屬能否繼續(xù)氧化，取決于氧化物薄膜是否致密。提高鋼抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，與氧結(jié)合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進(jìn)一步氧化。電化學(xué)腐蝕條件：存在電極電位差，并且相互接觸并處于相互聯(lián)通的電介質(zhì)溶液中形成微電池。電化學(xué)腐蝕的過程陽(yáng)極：失去電子，MMn++ne(被腐蝕）陰極：發(fā)生析氫反應(yīng)或者吸氧反應(yīng)3）、零件防止腐蝕的措施對(duì)于化學(xué)腐蝕，常采用以下方式：選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等；零件表面涂層。對(duì)于電化學(xué)腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面涂層；電化學(xué)保護(hù)；加緩蝕劑§6-2過程裝備及其構(gòu)件失效

的原因和失效分析

一、過程裝備及其構(gòu)件失效的原因

由設(shè)計(jì)不合理、選材不當(dāng)及材料缺陷、制造工藝不合理、操作和維修不當(dāng)?shù)人姆矫嬉鸬?，也可能是它們之間的交錯(cuò)影響，要具體分析。

1、設(shè)計(jì)不合理

考慮不周密或認(rèn)識(shí)水平的限制：結(jié)構(gòu)或形狀不合理，構(gòu)件存在缺口、轉(zhuǎn)角處過渡圓弧過小、不同形狀過渡區(qū)等高應(yīng)力區(qū)未能恰當(dāng)設(shè)計(jì)

總之，設(shè)計(jì)中的過載荷、應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)及配合不合適等都會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件及裝備失效。構(gòu)件及裝備的設(shè)計(jì)要有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理。2、選材不當(dāng)及材料缺陷

3、制造工藝不合理4、操作和維修不當(dāng)二、失效分析方法簡(jiǎn)介1、接受任務(wù)，明確要求

在接受失效分析任務(wù)時(shí)都應(yīng)明確以下問題：1)明確分析的對(duì)象；2)明確分析的目的和要求。2、調(diào)查研究