《第11章零件失效与选材北大教学讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第11章零件失效与选材北大教学讲义（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、挑战者号爆炸事故 55亿,1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机在升空后73秒之后发生爆炸坠毁，起因只是由于一个小密封圈出现故障，造成液态氢泄漏，最终引发大爆炸 该航天飞机的造价为45亿美元，另外在1986至1987年间用于事故调查、错误纠正、损失装置更换的费用也花费了10亿美元,某国炮弹试射的炸膛事故,引例 产品失效的后果是引发事故，甚至重大或灾难性的事故，造成生命财产的巨大损失。 美国挑战者号航天飞机第10次飞行故障。航天飞机起飞1分钟后爆炸，这次爆炸使航天飞机顷刻之间化为灰烬，机毁人亡，7名宇航员全部遇难。事故原因是右侧固体火箭助推器尾部连接处的密封垫圈失效。,1979年9月7日我国
2、某电化厂氯气车间的液氯瓶爆炸，使10t氯液外溢扩散，波及范围达7.35平方公里，致使59人死亡，779人中毒，直接损失达63万元。 1972年10月，一辆由齐齐哈尔开往富拉尔基的公共客车，行使至嫩江大桥时因过小坑受到震动，前轴突然折断，致使客车坠入江中，造成28人死亡。,机械产品失效分析是一门新的跨学科的综合性技术。它研究失效的形式、机理，并提出预测和预防失效的措施。 失效分析涉及学科领域广：机械设计，工艺学，材料学，无损检测，工程力学，断口学，断裂力学，腐蚀化学，摩擦学，质量管理等等。 掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料是从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为选材是否合理
3、直接关系到产品质量和经济效益。大量事实证明许多机器的重大质量事故也都来源于选材问题，因此掌握选材方法的要领，了解正确选材的过程是十分必要和有实际意义的。随着科学技术的发展，选材工作正向科学化和规范化发展。,1111失效概念,工件丧失规定的功能即称为失效（Failure）。零件在使用过程中如果发生下述三种情况中的任何一种，即认为该零件已失效。 1完全损伤而不能工作； 2虽然能工作但不能满意地起到预定的作用； 3损伤不严重但继续工作不安全。,分析失效原因，提出预防措施，使工件正常安全运行，是每一个工程设计人员的重大责任。 分析零件的失效，一般要弄清楚以下问题：用的是什么材料？它的主要力学性能是什么
4、？失效是在什么条件下产生的？零件工作了多长时间？零件在工作中起什么作用？性能有哪些变化？失效的形式和失效原因是什么？,1112 失效形式,零件失效的具体形式是多种多样的，例如有弹性变形、塑性变形、塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、表面腐蚀、表面磨损等。但归纳起来，一般机器零件常见的失效形式主要有以下三种： 1过量变形 2断裂 3表面损伤,1过量变形,即在外力作用下发生整体或局部的过量的弹性变形、塑性变形或高温蠕变等。在机器结构中，有时需要专门选用弹性模量小、弹性极限高有较大弹性的材料，如用弹簧钢、铍青铜等来制造弹性零件，但是大多数情况要限制过量弹性变形，要求有足够的刚度。如镗床的镗杆，弹性变形大就
5、不能保证精度。飞机上的一些零件，过量弹性变形甚至导致整个结构丧失稳定。 过量的塑性变形是机械零件失效的重要方式，轻则使机器工作情况变坏，重则使它不能继续运行，甚至破坏。如齿轮的塑性变形会使啮合不良，甚至卡死、断齿。 在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不可避免的，通常是以金属在一定温度和应力下，经过一定时间所引起的变形量来衡量。 过量变形失效的特点是非突发性失效，一般不会造成灾难性事故。但塑性变形失效和蠕变变形失效有时也可造成灾难性事故，应引起充分重视。,2断裂,（1）塑性断裂失效 其特点是断裂前有一定程度的塑料变形，一般是非灾难性的。 （2）脆性断裂失效 断裂前无明显的塑性变形，它是突发性的断裂。
6、 （3）疲劳断裂 疲劳的最终断裂是瞬时的，因此它的危害性较大，甚至会造成机毁人亡的重大损失。工程上疲劳断裂占大多数，约占失效总数的80以上。 （4）蠕变断裂失效 在高温缓慢变形过程中发生的断裂属于蠕变断裂失效。最终的断裂也是瞬时的。在工程中常见的多属于高温低应力的沿晶蠕变断裂。 断裂是金属材料最严重的失效形式，特别是在没有明显塑性变形的情况下突然发生的脆性断裂，往往会造成灾难性的事故。,3表面损伤,包括过量磨损、腐蚀破裂、疲劳麻坑等。机器零件磨损过量后，运转就会恶化，甚至报废。有关资料介绍，70%的机器是由过量磨损而失效的。磨损不仅消耗材料，损坏机器，而且消耗大量能源。 金属与周围介质之间发生
7、化学或电化学作用而造成的破坏，属于腐蚀失效。如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及点腐蚀等。腐蚀失效的特点是失效形式众多，机理复杂，占金属材料失效事故中的比率较大。,1113 失效原因分析工件失效的原因可概括为设计、选材、加工和安装使用等四个方面。具体如下,零件和工具的工件条件、失效形式及要求的力学性能,1）断裂被动轴（四段）。 2）7224轴承滚子1个，42224轴承滚子2个。 3）该轮设计计算书1份。 4）该轴冷、热加工工艺。热处理工艺为：850淬火（油冷），150回火3小时，热处理后硬度规定为：HB444321。 5）该轴装配及零件图纸2张。,1.1 委托方提供的原始资料,1. 被动轴断裂失效分析
8、,1.2 观察与分析,1.2.1 化学成份分析 在已断裂的被动轴上取样，经化学分析其成份如下：,上述分析结果与 GB307782 中的 20Cr2Ni4A 钢的化学成份相符，该轴选材符合图纸（321.16.017）技术要求。,图4.1 被动轴的显微组织光学照片 500 a) 内表面附近区域； b）中间区域,1.2.2 显微组织分析 光学显微镜的观察结果表明，该轴的显微组织比较均匀，从铀的外表面至内表面均为回火马氏体组织。图2a、b分别为该轴横截试样内表面附近和中间区域处的显微组织光学照片。这种板条马氏体经过扫描电镜观察得到进一步证实，见图3a和b。,图4.2 该被动轴的显微组织扫描电镜照片 1
9、200,a),b),1.2.3 机械性能测试 1、硬度 测试该轴的硬度在径向上的分布，其结果如下：,硬度测试结果表明，硬度在该轴径向分布较均匀，硬度值均符合图纸技术要求(321.16.017中规定)。轴承滚子硬度测试结果如下：,2、强度指标 b1790MPa s1280MPa 10.8% 3、韧性指标 ak5.15kgm/cm2,图4.3 该轴断裂后经拼合的全貌,4、断裂与断口分析 1）断裂分析 图4是此轴断裂后经拼合的全貌照片，整个轴已断裂为四段。可以发现，该轴动力输入端部分曾因承受异常载荷而发生严重扭曲，这说明该轴在断裂前已发生明显的塑性变形，见图4.3。,图4.4 该轴动力输入端花键部分
10、的扭曲变形,图4.5 沿螺旋面扩展而形成的断口,图4.6 该轴安装轴承处的轴外表面的挤压伤痕,2) 断口分析 由断口的宏观照片（图4.7 和4.8 ）可见，断口呈现明显的放射状条纹，且快速扩展区的断口比较粗糙，见图4.9 。根据放射状条纹的走向，最后确定裂纹起源于油孔与轴外表面的交角处，见图4.10和图4.7、4.8。由图4.10可见，断口上有两个裂纹源，它们分别位于油孔的两侧。裂纹由此两处启裂，继而沿螺旋面分别向两侧扩展，直至最后断裂成四段。,图4.7 断口的宏观照片,图4.9 断口的宏观照片,图4.10 断口的宏观照片 图中注示处为启裂点(裂纹源),图4.8 断口的宏观照片,在裂纹源附近可
11、以观察到较小的平滑区域。经扫描电镜高倍观察，发现在裂纹源附近区域有疲劳条纹，见图4.11。在远离裂纹源处的断口主要以韧窝型为主，参见图4.12。,图4.12 快速扩展区的韧窝型断口（SEM照片）600,结论,1. 根据计算，能使被动轴动力输入端花键部分产生扭转塑性变形的最小扭矩应当为：21000kgm，此为设计力矩（4744kgm）的4.4拖倍。因此，断裂前输入端花键部分发生塑性变形说明该轴承受了异常的突加载荷。超载导致被动轴断裂，这是本次事故的主要原因。 2. 经分析测试，该轴用材的化学成份及热处理后的硬度均符合生产图纸（32.16.017）技术要求。 3. 在裂纹启裂点附近有疲劳区，但根据断裂前花健部分的塑性变形可以判断，此疲劳裂纹尚未达到该轮在正常运行条件下发生失稳扩展的临界尺寸。,结论,4. 此被动轴断裂为四段是一次性断裂所致。 5. 至于超载的原因，根据现有的分析结果及资料，尚无法给出唯一的结论，但可以得出如下两个推断。 （l）被动轴外表面的挤压伤痕（见图8）恰好位于装配7224和42224轴承的轴肩处由此可以认为，此伤痕是由于轴承破碎后挤压造成的（因在现场仅找到三个破损的轴承滚子，未找到其余的滚子和轴承内外环残体）；从而可进一步认为，超载是由于破碎轴承的嵌入和挤压作用而导致正常运转的被动轴骤然停转所致。 （2）被动轮动力输出端出现异常负载。,
