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1、第六章 过程装备失效与材料的关系本章主要内容本章主要内容一、过程装备及其构件的失效形式？一、过程装备及其构件的失效形式？有过量变形、有过量变形、断裂及表面损伤三大类型：断裂及表面损伤三大类型：具体到具体到：零件、设备的：零件、设备的过量变形过量变形以及性能指标以及性能指标 零件零件、设备、设备的的断裂断裂及性能指标及性能指标 在交变载荷下的在交变载荷下的疲劳断裂疲劳断裂及性能指标及性能指标 在在高温下高温下的蠕变变形和断裂失效的蠕变变形和断裂失效 零件零件、设备、设备的的磨损失效磨损失效以及防止、以及防止、腐蚀腐蚀与防护与防护二、失效的原因和失效分析二、失效的原因和失效分析 p原因？可能是设计
2、、选材、加工、安装或实际操作等 p失效分析有哪些方法？步骤？ 6-1 金属材料常金属材料常见失效形式及其判断失效形式及其判断 n什么是过量弹性变形失效什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性发生过量弹性变形的原因是什么变形的原因是什么? 设计时应选择什么性设计时应选择什么性能指标能指标? 发生过量塑性变形的原因是什么发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指标有哪些抗力指标有哪些?n断裂失效的分类断裂失效的分类 ；韧性断裂、脆性断裂、韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂的特点？原因？疲劳断裂的特点？原因？n表面损伤表面损伤 腐蚀、磨损的机理？腐蚀、磨损的机理？问问 题题关于失效的基本概念关于失效的基本概念1 1
3、 零件（构件或设备）的功能零件（构件或设备）的功能 （1 1）在一定的压力、温度、介质下，保持规定的）在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；完成传热、传质等。形状和尺寸；完成传热、传质等。 （2 2）实现规定的机械运动；）实现规定的机械运动； （3 3）传递力和能。）传递力和能。2 2失效的定义和形式失效的定义和形式3 3 定义定义: : 零件、设备失去设计所要求的效能零件、设备失去设计所要求的效能（功能）称为失效。（功能）称为失效。4 4 5 5 常见的失效形式：常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损过量变形、断裂、磨损与腐蚀与腐蚀一、变形失效一、变形失效1过量弹性变形及抗力指标过
4、量弹性变形及抗力指标2（1）零构件发生过量弹性变形失效：）零构件发生过量弹性变形失效：3 D Dl D Dl (拉压或者弯曲条件下）拉压或者弯曲条件下）4 或者或者 q q q q （扭转条件下）扭转条件下）5（2）过量弹性变形的原因：零构件的）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够刚度不够6（3）抗力指标：弹性模量）抗力指标：弹性模量E或者切变模量或者切变模量G总总 结结零构件发生过量弹性变形的原因：零构件发生过量弹性变形的原因：刚度不足刚度不足抗力指标：抗力指标：弹性模量弹性模量E或者或者切变模量切变模量G强强 调！调！ 金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热金属和合金的弹性模量不能通过合金
5、化和热处理、冷变形等方法改变，即处理、冷变形等方法改变，即EG与材料的组织与材料的组织关系不大。关系不大。2过量塑性变形及抗力指标过量塑性变形及抗力指标3（1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量）发生条件：塑性变形量超过允许变形量4（2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性性 变形的能力不够变形的能力不够（3）抗力指标：）抗力指标：比例极限比例极限s sp 弹性极限弹性极限s se 屈服强度屈服强度s ss5-1节节中所讲中所讲的材料的材料的力学的力学性能指性能指标及应标及应用用刚度刚度：刚度设计中，考虑构件刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。在受
6、力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件量。如精密机床主轴等零构件弹性指标弹性指标：弹性极限和弹性弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等类弹簧等屈服强度和塑性屈服强度和塑性：一般零件一般零件的抗断裂设计。的抗断裂设计。硬度硬度：在耐磨零件中必须考虑的在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等性能指标。如滚珠轴承等.二、断裂失效二、断裂失效n静载荷和冲击载荷静载荷和冲击载荷n断裂：断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以材料在外力作用下分为两个或者两个以上
7、部分的现象。上部分的现象。n断裂的分类断裂的分类(见表见表61 )：韧性断裂和脆：韧性断裂和脆性断裂性断裂n断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展n韧性：韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。吸收能量的能力。一一)、断裂的分类（见表、断裂的分类（见表61）表表61 断裂的分类断裂的分类二二)、 韧性断裂韧性断裂 在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂叫在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂叫做韧性断裂。做韧性断裂。 1)韧性断裂的特征 韧性断裂是一个缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹成长同时进行。裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢，材料在
8、断裂过程中需要不断消耗相当多的能量。2)韧性断裂的断口形态a.断口的宏观形态韧性断裂的宏观断口可分为三个区域：即纤维区、放纤维区、放射区和剪切唇区射区和剪切唇区b、断口的显微形态韧性断裂的微观断口常见韧窝及蛇形花样 3)韧性断裂的原因及改进措施 韧性断裂往往因材料受到较大的负荷或过载所引起。 选用强度较高强度较高的金属材料，设计时设计时充分考虑构件的承载能力，实际操作实际操作中严禁超载、超温、超速，注意构件及设备异常的变形，对防止韧性断裂发生都是有效的。三三)、脆性断裂、脆性断裂 金属材料在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂叫做脆性断裂 1)脆性断裂的特征 脆性断裂是一个快速断
9、裂的过程。没有可见的塑性变形，由于没有变形先兆，危害性很大。2)脆性断裂的断口形态a.断口的宏观形态 脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观表面平齐，颜色光亮。b.断口的显微形态 脆性断口的微观形态常见解理台阶与河流花样、舌状花样、鱼骨状花样等韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性韧性断口断口脆性脆性断口断口3) 产生脆性断裂的原因产生脆性断裂的原因A,应力状态与缺口效应B,温度C,尺寸效应D,焊接质量E,工作介质F,材料和组织因素4)防止脆性断裂的途径n传统设计不包含脆性强度概念，没有考虑缺陷大小、温度、加载速度、构件尺寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂的因素。
10、n防止脆性断裂的合理结构设计 :材料的断裂材料的断裂韧性水平、构件的最低工作温度和构件的应力状态，韧性水平、构件的最低工作温度和构件的应力状态，承受的载荷类型承受的载荷类型(交变载荷、冲击载荷等交变载荷、冲击载荷等)以及环境腐以及环境腐蚀介质。蚀介质。 5)、冲击韧性及衡量指标、冲击韧性及衡量指标冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。合表现。衡量指标：冲击吸收功衡量指标：冲击吸收功Ak 冲击韧度冲击韧度ak(ak Ak/Fk )应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结应用：评
11、价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。合用于一般零件抗断裂设计。低温冲击试验：低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度材料的韧脆转变温度TK)材料材料韧脆转变温度韧脆转变温度TK的确定和应用的确定和应用6)、断裂韧性及衡量指标、断裂韧性及衡量指标断裂韧度断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断裂的力学性是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 单位：单位：MPam 1/2 或者或者 MN m-3/2应用应用（判断构件是否安全，合理选材）（判断构件是否安全，合理选材） KI KIC 构件发生脆性断裂构件发生脆性断
12、裂 KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件构件发生低应力脆性断裂的临界条件应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。大型发电机转子等。总总 结结材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂,(当然还当然还有下面的疲劳断裂有下面的疲劳断裂)材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧性的
13、好坏；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆韧性的好坏；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。性断裂的设计。材料的以上韧性指标均可用材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理合金化和热处理等方等方法改变。法改变。四四)、在交变载荷下的疲劳断裂、在交变载荷下的疲劳断裂问问 题题什么是疲劳断裂？什么是疲劳断裂？疲劳断口由哪几个部分组成？疲劳断口由哪几个部分组成？疲劳抗力指标有哪些？在设计中如疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使用这些指标？何使用这些指标？1）、基本概念）、基本概念交变载荷：载荷大小和方向随时间发交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经
14、过长疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。扩展、最后断裂。2）、疲劳断口的特点）、疲劳断口的特点疲劳断口3个区疲劳源区、扩展区、疲劳源区、扩展区、断裂区断裂区示意图示意图疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌微裂纹微裂纹疲劳疲劳条纹条纹两个疲两个疲劳源劳源一个疲一个疲劳源劳源3）、疲劳抗力指标）、疲劳抗力指标无裂纹构件的疲劳抗力指标无裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳极限疲劳极限过载持久值过载持久值疲劳极限：疲劳极限：材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力
15、。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。疲劳曲线 图图111 两种类型的疲劳曲线两种类型的疲劳曲线a)钢铁材料钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）部分有色金属（如铝合金）条件疲劳极限疲劳极限过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次。高周疲劳：高周疲劳：Nf105低周疲劳低周疲劳: Nf1051. 带裂纹构件的疲劳抗力指标带裂纹构件的疲劳抗力指标裂纹扩展速率（裂纹扩展速率（da/dN)疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值(DKDKth） 影响疲劳抗力的因素影响疲劳抗力的因素a.载荷类型载荷类型b.材料本质材料本质c.零件表面状态零件表面状态d.工作温度工作温度e.腐蚀介
16、质腐蚀介质总总 结结疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大一种脆性断裂，危害很大。无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。工作应力工作应力sss疲劳极限，构件在一定的周次下断疲劳极限，构件在一定的周次下断裂，该周次称为过载持久值。裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，工作应力越大，过载持久值越低。过载持久值越低。疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。所以，根
17、据断口就可判扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发生疲劳断裂。断是否发生疲劳断裂。三、表面损伤（磨损、腐蚀）失效三、表面损伤（磨损、腐蚀）失效一）磨损：一）磨损： 主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生过程、机理以及防止措施。过程、机理以及防止措施。1）、磨损的基本概念磨损的基本概念产生磨损的条件产生磨损的条件: 材料的表面相互接触或材料表面材料的表面相互接触或材料表面与流体与流体接触并作相对运动接触并作相对运动 磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸、磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸、形状变化和物质耗损的现象叫做磨损。形状变化和物
18、质耗损的现象叫做磨损。2）、磨损的过程和机理）、磨损的过程和机理 粘着磨损：粘着磨损：（1）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。（2）过程）过程滑动滑动（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。（4）防止措施）防止措施合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差
19、较大的异类材料材料；提高表面硬度；提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。局部粘着局部粘着粘着处粘着处被撕掉被撕掉金属表面被划金属表面被划伤或者金属屑伤或者金属屑粒脱落粒脱落 磨粒磨损：磨粒磨损：（1）定义：）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。零件表面逐渐损耗的一种磨损。 （2）过程）过程金金 属属 表表 面面发发 生生 局局 部部
20、塑性变形塑性变形磨磨粒粒嵌嵌入入金金属属表表面面，切切割割金金属表面属表面表表 面面 被被 划划伤伤（4）防止措施）防止措施提高表面硬度（从选材方面）；提高表面硬度（从选材方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）减少磨粒数量（从工作状况方面）。1. 接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）：接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）：2.（1）定义：）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。的现象。3.3.（2 2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。）过程：类似于
21、疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。 （3）主要防止措施主要防止措施 提高材料硬度；提高材料纯度；提高材料硬度；提高材料纯度； 提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度。提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度。总 结磨损是机械零件常见的一种失效形式，总是从零件表面开始发生。各种磨损的过程和机理不同，因此其主要的预防措施也不同。提高零件表面硬度，合理设计减小压应力，以及提高表面光洁度等对降低磨损都有利。二）腐蚀失效二）腐蚀失效问问 题题什么是腐蚀？可分为几类？什么是腐蚀？可分为几类？高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热钢为什么具有抗高温氧化能力？钢为什么具有抗高温氧
22、化能力？发生电化学腐蚀的条件是什么？发生电化学腐蚀的条件是什么？改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么1）、腐蚀的定义和分类）、腐蚀的定义和分类腐蚀：材料表面和周围介质发生化腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。面损伤现象。分类：分类：化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀2）、腐蚀过程及防止）、腐蚀过程及防止化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主）高温氧化过程：高温氧化过程：（a）金属失去电子成为金属离子）金属失去电子成为金属离子（b）氧原子吸收电子成为氧离子）氧原子吸收电子成为氧离子（c）金属离子和氧离子结合
23、为金属氧化物）金属离子和氧离子结合为金属氧化物基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。提高钢抗氧化能力：加入提高钢抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，与氧结等元素，与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。电化学腐蚀电化学腐蚀1.条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于相条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于相互联通的电介质溶液中形成微电池。互联通的电介质溶液中形成微电池。电化学腐蚀的过程电化学腐蚀的过程n阳极：失去电子，阳极：失去电子，MM n+ne(被腐蚀）被腐蚀）n阴极：
24、发生析氢反应或者吸氧反应阴极：发生析氢反应或者吸氧反应3）、零件防止腐蚀的措施）、零件防止腐蚀的措施对于化学腐蚀，常采用以下方式：选对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等；零件表面涂层。陶瓷材料等；零件表面涂层。对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂6-2 过程装备及其构件失效过程装备及其构件失效 的原因和失效分析的原因和失效分析 一、过程装备及其构件失效的原因一、过程装备及其构件失效的原因 由设计不合理、选材不当及材料缺陷、制造工艺不合理、
25、操作和维修不当等四方面引起的，也可能是它们之间的交错影响，要具体分析。 1、设计不合理设计不合理 考虑不周密或认识水平的限制：结构或形状不合构或形状不合理，构件存在缺口、理，构件存在缺口、转角角处过渡渡圆弧弧过小、不小、不同形状同形状过渡区等高渡区等高应力区未能恰当力区未能恰当设计 总之，之，设计中的中的过载荷、荷、应力集中、力集中、结构构选择不当及配不当及配合不合适等都会合不合适等都会导致构件及装致构件及装备失效。构件及装失效。构件及装备的的设计要有足要有足够的的强强度、度、刚度、度、稳定性，定性，结构构设计要合理。要合理。2、选材不当及材料缺陷选材不当及材料缺陷 3、制造工艺不合理、制造工
26、艺不合理4、操作和维修不当、操作和维修不当二、失效分析方法简介二、失效分析方法简介1、接受任务，明确要求、接受任务，明确要求 在接受失效分析任务时都应明确以下问题：在接受失效分析任务时都应明确以下问题：1)1)明确分析的对象；明确分析的对象；2)2)明确分析的目的和要求。明确分析的目的和要求。2 2、调查研究、调查研究 调查的内容有如下几个方面：调查的内容有如下几个方面：1)1)现场调现场调查：失效件材料损伤情况、外观检查与拍照、查：失效件材料损伤情况、外观检查与拍照、事故发生过程及对周围事物的影响；选取失效事故发生过程及对周围事物的影响；选取失效分析试样并妥善保存，尤其要保护好断裂失效分析试样并妥善保存，尤其要保护好断裂失效件的断口；件的断口；2)2)收集失效件的背景资料：工况、收集失效件的背景资料：工况、环境条件、运行历史；环境条件、运行历史；3)3)收集工程设计、选材、收集工程设计、选材、供材与制造检验的原始资料；供材与制造检验的原始资料；4)4)了解操作者的了解操作者的人为因素及生产管理等。人为因素及生产管理等。n3、失效件的测试、失效件的测试 现场测试：变形尺寸、厚度、硬度、现场金相等； 实验室测试：化学成份、金相组织、材质缺陷、断口形貌、应力计算或测试、材料力学性能及理化性能等；n4、失效分析确定失效原因、采取对策、失效分析确定失效原因、采取对策
