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1、第三章 失效理论概述,Contents,Click to add Title,1,Click to add Title,2,Click to add Title,3,Click to add Title,4,第一节 概念,一、失效的定义：机械零件在使用过程中，由于设计、材料、工艺及装配等各方面原因，使其丧失规定的功能，无法继续工作的现象称失效。一般机械设备中，80%失效来源于磨损。,二、分类 1、按失效原因分: 误用失效、本质失效、独立失效、从属失效。 2、按工作时间： 早期失效、偶然失效、耗损失效。 3、按发生速度分： 突变失效、退化失效、间隙时效。 4、按失效程度分： 完全失效、部分失效、
2、 5、按危害程度分：致命失效、严重实效、一般失效、轻度失效。 6、不可预测失效，可预测失效。,三、诱发因素： 应力 环境 时间,四、形式：变形、断裂、损伤（磨损和腐蚀、气蚀）及其它（松动、打滑、老化、泄漏、烧伤）等形式，见表3-1所示。,第二节 变 形一、变形的概念 机械设备在工作过程中，由于受力的作用而使零件的尺寸或形状发生改变的现象称变形。分类：变形分弹性变形和塑性变形两种。,弹性变形是指外力去除后能完全恢复的那一部分变形。 弹性变形特点： 1)具有可塑性，当外力去除后变形完全消失； 2)弹性变形量很小，一般不超过材料原来长度的0.11.0%； 3)在弹性变形范围内，应力和应变成线性关系，
3、符合虎克定律。,1弹性变形,弹性后效：许多金属材料在低于弹性极限应力作用下，会产生应变并逐渐恢复，但总是落后于应力，这种现象称弹性滞后或弹性后效。 因素：取决于金属材料的性质、应力大小和状态、以及温度等 经过校直的轴类零件过了一段时间后又会发生弯曲，就是弹性后效的表现，进行回火处理。,2塑性变形塑性变形是指外力去除后不能恢复的那部分永久变形。 特点是：引起材料的组织结构和性能发生变化。表现出各向异性，金属产生加工硬化现象。多晶体在塑性变形时，各晶粒及同一晶粒内部的变形是不均匀的，当外力去除后各晶粒的弹性恢复也不一样，因而产生内应力。金属的耐腐蚀性下降。,二、变形的危害 变形将使其它零件加速磨损
4、，甚至断裂，还有可能导致整台机械设备被破坏，极大地降低使用寿命，所以变形的危害是十分严重的。三、变形的原因 主要原因是零件的应力超过材料的屈服强度所致。1外载荷当外载荷产生的应力超过材料的屈服强度时，则零件将产生过应力，永久变形。如经常满载或超载工作、频繁制动、停车和起动，有振动和冲击，结构布置不合理等情况下很容易出现。,2温度 1)温度升高金属材料的原子热振动增大，临界切变抗力下降容易产生滑移变形，使材料屈服强度降低。长期在400以上使用的铸铁，反复加热与冷却会使体积膨胀而发生变形，温度愈高，变形愈厉害。这是由于珠光体中的Fe3C在高温下分解为铁素体和石墨，引起体积增大的结果；同时各处体积膨
5、胀不均匀还会产生内应力。 2)当温度超过一定程度时在一定温度和应力作用下，随着时间的增加，金属材料将缓慢地发生塑性变形，这种现象称蠕变，叫高温蠕变。例如碳钢的温度高于300350时就会产生蠕变。当温度更高时；产生蠕变的应力则相应变小。3)如果零件受热不均各处温差较大，会产生较大的热应力和内应力而引起零件变形.,3内应力 尤其是铸造毛坯，形状复杂、尺寸较大、厚薄不均，在浇铸后冷却过程中，形成拉伸、压缩等不同的应力状态。内应力影响零件的静强度和尺寸的稳定性，不仅使其弹性极限降低，还会产生减小内应力的塑性变形，严重时将引起断裂。毛坯的内应力是不稳定的，通常在1220个月的时间内逐步消失。但随着应力的
6、重新分布，零件将产生变形。虽然对毛坯安排了消除内应力的工序，即时效处理，但内应力不一定消除得那么彻底，将有部分残存下来。在残余应力的长期作用下，使弹性极限降低，产生减少内应力的塑性变形，这种现象称内应力松弛。尤其是箱体类零件和大的基础件，厚薄过渡很多，为残余应力的产生创造了条件，所以内应力松弛引起的变形问题也突出。,4结晶缺陷产生变形的内在原因是材料内部缺陷、如位错、空位等，特别是位错其移动和扩散，构成影响变形的主要内在因素。零件变形的原因是多方面的，往往是几种原因共同作用的结果。较小的应力也能产生变形，这种变形不是一次产生的，实际上是多次变形累计的结果。,四、减少变形的措施 1设计： 2加工
7、： 3修理： 4使用： 1设计：内应力和变形设计时不仅要考虑零件的强度，还要重视零件的刚度和制造、装配、使用、拆卸、修理等问题。正确选用材料、注意工艺性能，如铸造的流动性、收缩性；锻造的可锻性；焊接的冷裂、热裂倾向；机加工的可切削性；热处理的淬透性、冷脆性等。要合理布置零部件，选择适当的结构尺寸，如避免尖角、棱角改为圆角、倒角；厚薄悬殊的部分可开工艺孔或加厚太薄的地方；安排好孔洞位置，把盲孔改为通孔等。形状复杂的零件在可能条件下，采用组合结构、镶拼结构，改善受力状况。在设计中注意应用新技术、新工艺和新材料，减少制造时的内应力和变形。,2加工在加工中要采取工艺措施来防止和减少变形。对毛坯要进行时
8、效处理，以消除其残余内应力。可以将生产出来的毛坯在露天存放12年，利用内应力在1 22 0月逐渐消失的特点进行自然时效，效果最佳，但周期太长；也可使毛坯受到高温退火、保温缓冷而消除内应力即进行人工时效；还可利用振动的作用来消除内应力。复杂零件和精密零件在粗加工后仍要进行人工时效，高精度零件在精加工过程中继续要安排人工时效。,3修理在修理中，不仅要满足恢复零件的尺寸、配合精度、表面质量等还要检查和修复主要零件的形状及位置误差；制定出与变形有关的标准和修理规范，设计简单可靠、好用的专用量具和工夹具；大力推广“三新”技术，特别是新的修复工艺，如刷镀、粘接等，用来代替传统的焊接，尽量减少零件在修理中产
9、生的应力和变形。,4使用 加强生产技术管理，制定并严格执行操作规程，不超负荷运行，避免局部超载或过热，加强机械设备的检查和维护。,第三节 断 裂,断裂定义：是物体在机械力、热、磁、声响、腐蚀等单独作用或联合作用下，使其本身连续遭到破坏，从而发生局部开裂或分成几部分的现象。 断裂形式： （1）疲劳断裂：机械零件在循环应力作用下会发生疲劳断裂。 （2）蠕变断裂：在高温持久应力作用下出现蠕变断裂。 （3）腐蚀疲劳：在腐蚀环境下产生应力腐蚀或腐蚀疲劳。断裂失效的几率比变形小，但是断裂会造成重大事故，产生严重的后果，具有更大的危险性。,一、分类 1按零件断裂后的自然表面即断口的宏观形态特征分类。(1)韧
10、性断裂 零件在外力作用下，若应力超过强度极限时发生韧性变形，而后造成断裂，称韧性断裂。它的断口其宏观形态是呈杯锥状，或鹅毛绒状，颜色发暗，边缘有剪切唇，断口附近有明显的塑性变形。,(2)脆性断裂它一般发生在应力达到屈服强度前，没有或只有少量的塑性变形，多为沿晶界扩展而突然发生，又称晶界断裂。它的断口呈结晶状，常有人字纹或放射花样，平滑而光亮，且与正应力垂直，称解理面，因此这种断裂也称解理断裂。它多见于体心立方、密排六方的金属及其台金。低温、应力集中、冲击、晶粒粗大和脆性材料均有利于发生解理断裂。,2按断口的微观形态特征分类(1)穿晶断裂 这是指裂纹穿过晶粒内部的断裂，它可以是延性的，也可以是脆
11、性断裂。(2)晶间断裂 这种断裂的裂纹是沿着晶界扩展，多数属于脆性断裂。,3按载荷性质分类(1)一次加载断裂 零件在一次静拉伸、静压缩、静扭转、静弯曲、静剪切或一次冲击能量作用下的断裂称一次加载断裂。(2)疲劳断裂 经历反复多次的应力作用或能量负荷循环后才发生断裂的现象叫作疲劳断裂。疲劳断裂占整个断裂的8090，它的类型很多，包括拉压疲劳、弯曲疲劳、接触疲劳，扭转疲劳、振动疲劳等。疲劳又根据循环次数的多少分高周和低周疲劳。,二、疲劳断裂疲劳断裂的特点是断裂时应力低于材料的抗拉强度或屈服强度。不论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为脆性断裂。1疲劳裂纹的产生材料的表面或内部缺陷起着尖
12、缺口的作用，金属材料的第二相质点、非金属夹杂物与基体引起疲劳断裂的产生。措施：（1）降低交变载荷、（2）减少零件表面加工缺陷和应力集中部位（3）控制夹杂物等级、（4）细化品粒、强化金属表面,3疲劳断口形貌 典型的疲劳断口接断裂过程有三个区域，见图33。(1)疲劳源区(疲劳核心区) 这是疲劳裂纹最初形成的地方，用肉眼或低倍放大镜能大致判断其位置。它一般发生在零件的表面，也可在内部发生。(2)疲劳裂纹扩展区(疲劳区) 它是疲劳断口最重要的特征区域呈宏观的疲劳弧带和微观的疲劳纹。疲劳弧带以疲劳源为核心，似水波形式向外扩展，形成许多同心圆或同心弧带，其方向与裂纹的扩展方向相垂直。一般情况下，疲劳断面愈
13、光滑，说明零件在断裂前经历的应力循环次数愈多，承受载荷愈小。(3)瞬时断裂区(最终破断区) 它是当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时发生快速破断区。瞬时断裂的位置和大小取决于承受的载荷大小，当载荷愈大，则最终破断区越移向断面的中间。,三、断口分析 断口分析是研究金属断面的科学。1 .现场调查 2宏观分析 3微观分析4金相组织、化学成分、力学性能的检验5其它因素 区别一次加载断裂与疲劳断裂有以下几种方法： 1)从零件断裂前的载荷作用情况 2)从断口分析的外观推测 3)从断口附近的变形情况分析,四、减轻断裂危害的措施 1减少局部应力集中 一般零件上只要有任何几何形状的不连续，或者有存在于材料中的不连续时，都
14、可能产生应力集中。几何形状不连续通称为缺口，如肩台圆角、沟槽，油孔、键槽、螺纹、压配合零件的边缘以及加工刀痕等皆是。在它们附近的实际应力要比名义平均应力高得多，这就是应力集中。 特别应强调的是，在静载荷下，应力集中所起的作用，还不算十分显著，但在循环载荷或冲击载荷下，其影响是决定性的。所以必须要改善零件的结构形状例如：焊缝通常是疲劳断裂的起源区域，对“T”型焊接接头应取适当的几何形状，焊后打圆角或钻孔，均能减轻应力集中的程度。,2减少残余应力影响 各种加工和处理工艺过程，如拉拔、挤压、校直、弯曲、冲压、机加工、磨削以及焊接、热处理等均能引起残余应力。一般残余拉应力是有害的，但残余压应力则是有益
15、的。渗碳、氮化、喷丸和表面滚压加工等工艺过程均可产生残余压应力，它们将抵消一部分由外载荷引起的拉应力，因而减少了发生断裂的可能性。,3控制载荷防止超载 载荷对断裂有直接影响。为减轻或防止断裂，还应十分注意零件所受载荷的大小，或估计其超载程度。通过对断口特征的分析，可估算受载情况和超载程度。,4其它1)在使用时注意早期发现裂纹，定期进行无损探伤和监测；尽量减轻零件的腐蚀损伤；减少机械设备运行时各部分的温差；尽量避免热应力；2)在维修时注意操作对零件断裂的影响，避免因拆装、存放、加工而使零件表面损伤；裂纹和断裂零件可用焊接，粘接、铆接等方法修复；对不重要零件上的裂纹可钻止裂孔，防止或延缓其扩展，可
16、附加强肋；疲劳裂纹发生在紧固件周围，可将紧固孔镀削去除所有裂纹部分，换用较大的紧固件，此方法“去皮处理”。,上节回顾： 一、失效理论概述 1、定义： 2、诱发因素： 3、形式： 二、变形 1、分类： 2、原因： 3、减少变形的措施： 三、断裂 1、分类： 2、减轻断裂危害的措施,第四节 腐 蚀,一、概念腐蚀是金属受周围介质的作用而引起损伤的现象。特征：腐蚀损伤总是从金属表面开始，然后或快或慢地往里渗入，并使表面的外形发生变化，出现不规则形状的凹洞、斑点、溃疡等破坏区域。破坏的金属变为氧化物或氢氧化物，形成腐蚀产物并部分地在表面上。铁生锈就是最明显的例子。后果：不仅影响性能，缩短寿命，而且造成严
17、重的跑、冒、滴、漏现象，恶化操作环境，危害职工身体健康。,二、分类1、化学腐蚀是金属与外部电介质作用直接产生化学反应的结果，腐蚀过程中不产生电流。外部电介质多数为非电解质物质。如干燥空气、高温气体、有机液体、汽油、润滑油等。它们和金属接触，进行化学反应，形成表面膜，在不断脱落，又不断生成的过程中，使零件腐蚀。化学腐蚀又可分为如下两类：(1)气体腐蚀 金属在干燥气体中(表面上没有湿气冷凝)发生的腐蚀，称为气体腐蚀。它一般是指在高温时金属的腐蚀，如轧钢时生成厚的氧化皮。内燃机活塞的烧坏等。(2)在非电解质溶液中的腐蚀 这是指金属在不导电的液体中发生的腐蚀，如金属在有机液体(酒精、石油等)中的腐蚀。,
