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1、零部件的失效与选材演零部件的失效与选材演示文稿示文稿第一页，共六十页。零部件的失效与选材零部件的失效与选材第二页，共六十页。第十三章 材料的选用及失效分析使用性能使用性能-使用过程中安全可靠；使用过程中安全可靠；工艺性能工艺性能-零件便于加工制造；零件便于加工制造；经济性经济性-零件的总成本最低零件的总成本最低;环境与资源环境与资源-环境友好。环境友好。第三页，共六十页。第一节第一节 零件的失效分析零件的失效分析n每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运动，每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的功能时，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定
2、的功能时，即零件已即零件已失效失效失效失效。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：l 零件完全破坏，不能继续工作；零件完全破坏，不能继续工作；l 零件严重损伤，不能保证工作安全；零件严重损伤，不能保证工作安全；l 零件虽能安全工作，但工作低效。零件虽能安全工作，但工作低效。第四页，共六十页。一、零件失效的基本形式一、零件失效的基本形式一、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较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的
3、失效形式可归纳为式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。三大类型。表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效断裂失效断裂失效断裂失效断裂失效变形失效变形失效变形失效变形失效应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效零件失效零件失效零件失效零件失效第五页，共六十页。二、零件失效的主要原因二、零件失效的主要原因 引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为设计
4、、材料、加设计、材料、加设计、材料、加设计、材料、加工和安装使用工和安装使用工和安装使用工和安装使用四个方面。四个方面。四个方面。四个方面。n n设计设计设计设计 工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。n n材料材料材料材料 选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。n n加工加工加工加工 毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加
5、工缺陷；热加工缺陷。n n安装使用安装使用安装使用安装使用 安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。第六页，共六十页。三、失效分析的主要方法三、失效分析的主要方法三、失效分析的主要方法三、失效分析的主要方法服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工 艺使 用材 料设 计失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用宏观
6、和微宏观和微观观的研究手段进行系统的分析。的研究手段进行系统的分析。第七页，共六十页。以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图n该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。之一。第八页，共六十页。失效树分析失效树分析第九页，共六十页。n失效分析失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结果果和原和原因因具有双重性，失效分析可以从具有双重性，失效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也
7、可以从失效的某个过程入手。原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。“顺藤摸瓜顺藤摸瓜” 以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。“顺藤找根顺藤找根” 以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因。以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因。“顺瓜摸藤顺瓜摸藤” 从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。“顺根摸藤顺根摸藤” 从
8、过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。还有还有“顺瓜摸藤顺瓜摸藤+顺藤找根顺藤找根”、“顺根摸藤顺根摸藤+顺藤摸瓜顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜顺藤摸瓜+顺藤找根顺藤找根”等。等。第十页，共六十页。n无损检测无损检测无损检测无损检测无损检测无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。检查，以查清其状态及分布。n断口分析断口分析断口分析断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高是对断口进行全面的宏观
9、（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最发源地、扩展区和最终断裂区终断裂区，判断出断裂的性质和机理。，判断出断裂的性质和机理。脆性断口脆性断口脆性断口脆性断口韧性断口韧性断口韧性断口韧性断口疲劳断口疲劳断口疲劳断口疲劳断口第十一页，共六十页。n金相分析金相分析通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失
10、效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。n化学分析化学分析检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。n力学分析力学分析检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。第十二页，共六十页。断口分析断口分析分析破坏的顺序分析破坏的顺序分析破坏的顺序分析破坏的顺序T型法则型法则 分叉法则分叉法则 B裂裂纹产纹产生在后生在后A裂裂纹产纹产生在前生在前裂裂纹扩纹扩展方向展方向第十三页，共六十页。根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定根据人字纹路的走向
11、和放射棱线汇聚方向确定裂纹区裂纹区。源区源区源区源区 失效源分析失效源分析第十四页，共六十页。宏观宏观宏观宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。微观微观微观微观：平坦的解理台阶与河流花样。平坦的解理台阶与河流花样。脆性断口脆性断口 宏观形貌宏观形貌 微观解理花样微观解理花样 第十五页，共六十页。回火脆性断口回火脆性断口 应力腐蚀断口应力腐蚀断口脆性断裂沿晶断口脆性断裂沿晶断口第十六页，共六十页。韧性断口韧性断口宏观宏观宏观宏观：纤维状，色质灰暗纤维状，色质灰暗, 有明显的塑性变形。有明显的塑性变形。微观微观微观微观：大小不等的大小不等
12、的韧窝韧窝。纤维状韧性宏观断口纤维状韧性宏观断口 微观典型韧窝形貌微观典型韧窝形貌 第十七页，共六十页。疲劳断口疲劳断口疲劳源疲劳源 疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区 “贝纹贝纹”状花样状花样 瞬时断裂区瞬时断裂区 疲劳断口宏观形貌疲劳断口宏观形貌 疲劳断口示意图疲劳断口示意图 疲劳条纹的微观图象疲劳条纹的微观图象第十八页，共六十页。n n齿轮的失效齿轮的失效齿轮的失效齿轮的失效齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿表面受到接触力和摩擦力齿表面受到接触力和摩擦力的作用；的作用；齿根部受齿根部受到交变弯曲应力到交变弯曲应力的作用；此外由于过载和换档时的的作用；此外
13、由于过载和换档时的冲击冲击还会产生附加应力。还会产生附加应力。四、零件失效分析实例四、零件失效分析实例四、零件失效分析实例四、零件失效分析实例齿轮的疲劳断裂齿轮的疲劳断裂（宏观）（宏观）第十九页，共六十页。失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因齿齿面接触面接触疲疲劳劳破坏破坏在交在交变变接触接触应应力作用下，力作用下，齿齿面面产产生微裂生微裂纹纹，裂裂纹发纹发展引起点状剥落（或称麻点）。展引起点状剥落（或称麻点）。疲疲劳劳断裂断裂从从齿齿根部根部发发生，由生，由过过大的交大的交变变弯曲弯曲应应力所力所致，是致，是齿轮齿轮最最严严重的失效形式。重的失效形式。齿齿面磨面磨损损 由于由于齿齿面
14、接触区摩擦，面接触区摩擦，轮齿变轮齿变薄。薄。过载过载断裂断裂 主要是冲主要是冲击载击载荷荷过过大造成的断大造成的断齿齿。齿轮的失效行为齿轮的失效行为齿轮的失效行为齿轮的失效行为第二十页，共六十页。n n机车车轴的失效机车车轴的失效机车车轴的失效机车车轴的失效车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，其形状又有很车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂断裂）。）。疲劳源在轴疲劳源在轴
15、内部内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；疲劳源在轴疲劳源在轴表面表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。致使裂纹萌生。疲劳源疲劳源第二十一页，共六十页。车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析断口面基本断口面基本与与轴轴向垂直向垂直设计设计不当、不当、严严重缺重缺陷或陷或过载过载断口特征异常断口特征异常轴轴表面异表面异常常撞撞伤伤意外意外损伤损伤疲疲劳劳裂裂纹纹源源发发生在生在车轴车轴内部内部冶金缺陷（残余冶金缺陷（残余缩缩孔、孔、夹夹渣、空洞、成份偏析、渣、空洞、成份偏析、夹杂夹杂
16、物超物超标标等）等）车轴车轴疲疲劳劳断裂断裂分析分析机加工缺陷机加工缺陷机加工不当机加工不当腐腐蚀产蚀产物物环环境腐境腐蚀蚀磨磨损产损产物物微微动动摩擦摩擦化学成份化学成份冶冶炼炼工工艺艺不当不当力学性力学性能不合能不合格格金相金相组织组织冶冶炼炼、锻锻造造或或热处热处理理工工艺艺不当不当疲疲劳劳裂裂纹纹源源发发生在生在车轴车轴表面表面断口面与断口面与轴轴向成向成45 角角扭扭转载转载荷荷过过大大第二十二页，共六十页。失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因磨耗磨耗钢轨钢轨与与车轮车轮接触面表接触面表层发层发生磨生磨损损。压溃压溃轮轨轮轨接触接触压应压应力使力使钢轨钢轨表面表面发发生塑性生塑性变变形。形。剥离剥离交交变变接触接触应应力使疲力使疲劳劳裂裂纹纹在在钢轨钢轨表表层层( (次表次表层层) )形成形成扩扩展至剥落。展至剥落。疲疲劳劳裂裂纹纹或折断或折断交交变应变应力引起疲力引起疲劳劳裂裂纹纹的萌生的萌生, ,并可能并可能进进一步一步扩扩展至断裂。展至断裂。擦擦伤伤轮轨轮轨接触面接触面发发生生热热机械作用机械作用, , 导导致致组织产组织产生相生相变变，由珠光体，由珠光体组织转
