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1、第十章第十章 机械零件的失效分析和表面处理机械零件的失效分析和表面处理 第一节第一节 机械零件的失效分析机械零件的失效分析 一、失效的概念一、失效的概念 所谓失效是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。零部件的失效，会使机床失去加工精度、输气管道发生泄漏、飞机出现故障等，严重地威胁人身生命和生产安全，造成巨大的经济损失。分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施具有十分重要的意义。 二、失效形式、失效形式 常见失效形式有变形失效、断裂失效、表面损伤失效及材料老化失效。 (1)过过量量变变形形失效-是指零件在工作过程中受力产生的变形量超过
2、了允许值，使机器设备无法正常工作或虽正常工作但达不到预期效果的现象。 (2)断裂断裂失效-零件在工作的过程中发生断裂的现象称断裂失效。 （3)表面损伤表面损伤失效-主要是指零件表面的磨损、接触疲劳和腐蚀。 (4)材料老化材料老化失效-高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘等现象，失去原有性能指标的现象，称高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。 一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用，但是，各种失效因素相互交叉作用，可以组合成更复杂的失效形式。例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨损、蠕变疲劳交互作用等。 1/20 三、失效的原因三、失效的原因 造成机械零件失效的原因很多，零件
3、在设计选材加工以及安装使用四个方面的不当都可能导致零件的失效。 (1)设计不合理设计不合理 零件设计不当而导致失效的主要表现在两个方面：一是零件的结构、尺寸设计不合理或结构工艺性差，例如过渡圆角太小、存在尖角、孔槽位置不当等都会造成较大的应力集中；二是设计时错误地估计了零件的工作条件，例如对零件承载能力设计得不够，或是忽略、低估了温度、介质等因素的影响，致使零件早期失效。近年来，由于设计不合理而导致零件失效情况已随着应力分析水平等的提高而大大减少。 (2)选材不合理选材不合理 选材时首先应满足零件的使用性能要求，保证零件正常工作和有足够抵抗破坏的能力。往往一个零件需要同时满足几个方面的性能要求
4、，这就要求以最关键的性能作为选材的主要依据。 (3)加工工艺不当加工工艺不当 零件在制造过程中，要经过一系列冷、热加工工序：任何不正确的加工工艺都可能造成缺陷，如冷加工时零件表面有较深的刀痕；热加工时零件内部存在裂纹、晶粒粗大等，这些都是造成零件失效的原因。 (4)安装使用不正确安装使用不正确 在装配或安装的过程中，机械零件配合过松或过紧。对中不良，固定太松或太紧等原因都会使机器在运转时产生附加应力和振动，致使零件发生早期失效。2/20四、失效分析方法四、失效分析方法 造成机械零件失效的原因很多，零件在设计、选材、加工以及安装使用四个方面的不当都可能导致零件的失效。 失效分析是研究失效的过程并
5、进行分析，以求弄清失效的本质、产生的原因以及提出预防的措施，以防止类似的问题重复发生。基本过程如下： （1）使用现场调查使用现场调查 了解使用环境和失效经过，记录使用寿命和损坏情况，收集保存残体供分析。 （2）用材和成形制造工艺调查用材和成形制造工艺调查 复查化学成分和原材料质量，详细了解零件的成形工艺，机械加工，热处理等工艺和操作过程。 （3）检测分析检测分析 外观分析、断口分析（包括确定裂纹源、断裂机制以及引起断裂的原因）、显微分析（可以分为金相显微分析与电子显微分析两种方法，目的是研究材料的显微组织结构与失效的关系 ）、力学性能测试等，必要时进行无损探伤和断裂力学分析。 失效分析的结果对
6、零件的设计、选材、加工以及使用具有一定的指导意义。 3/20第二节 材料的表面处理技术简介 一、表面处理的意义一、表面处理的意义 在扭转、弯曲、冲击、疲劳等负荷作用下的零件，其表面层比心部承受更高的应力。摩擦副或相对运动部位，在接触面上会受到相配合零件或外来磨粒的擦伤、刻划甚至犁削等作用；金属(或合金)在有腐蚀的环境中工作时，表面将受到介质的侵蚀作用。因此，材料表面很容易受到各种类型的损伤。许多破坏往往是从表面开始的，比如表面疲劳裂纹的扩展会导致整个零件破坏；不均匀磨损或腐蚀造成的表面沟痕引起应力集中，成为断裂的起源。 因此，有必要对材料的表面进行特殊的强化或防护处理，以提高表面硬度、耐磨性、
7、耐蚀性、耐热性，防止或减轻表面损伤，提高零件的可靠性和使用寿命。有时进行表面处理是为了提高零件的装饰性。通过表面处理，在保持材料本体承载能力的前提下提高表面抗失效能力，显然具有积极的经济意义。4/20 二、表面处理方法与分类二、表面处理方法与分类 表面处理方法有很多，主要分为两大类：表面强化处理和表面防护处理。常用的表面处理工艺方法有：表面热处理【包括表面淬火(含激光表面热处理)与化学热处理】、气相沉积（包括：化学气相沉积和物理气相沉积）、热喷涂、堆焊与喷焊、喷丸、滚压、氧化处理、磷化、电镀、化学镀、热浸镀、搪瓷、涂料与涂装等等。各种新方法也还在不断出现。 三、表面预处理三、表面预处理 材料在
8、进行表面处理前，一般需要经过预处理，包括除油、除锈、粗化、活化和抛光。表面预处理的目的是：预先制备清洁的表面，以便后续表面处理工序的进行、或保证覆盖层与材料基体有牢固的结合强度。对许多表面处理工艺而言，如气相沉积、热喷涂、电镀等表面预处理质量的好坏，在很大程度上决定着表面处理工艺的成败。5/20 四、常用表面强化处理技术方法四、常用表面强化处理技术方法 常用表面强化处理方法有：表面淬火（工业上广泛应用的有火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火和激光加热表面淬火），化学热处理，气相沉积（包括：化学气相沉积和物理气相沉积），热喷涂，堆焊与喷焊，电火花表面强化等。其中，表面淬火、化学热处理和气相沉积已经
9、在第四章第七节钢的表面热处理和热处理新工艺简介中作了介绍，这里不再重复讨论。 1.热喷涂 它是采用气体、液体、燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料，加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。若将喷涂层再加热重熔，则产生冶金结合。这种方法称为热喷涂方法。根据需要选用不同的涂层材料，可以获得耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热等方面的一种或数种性能。6/20 2.堆焊堆焊和喷焊喷焊 (1)堆焊 用传统的电焊方法，将合金丝或焊条熔化堆结在工件表面形成冶金结合层
10、的方法。如用气焊、焊条电弧焊及氩弧焊等各种电弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件表面，达到修复或改善工件表面性能的目的。 (2)喷焊 是采用气体火焰或等离子焰将自溶性合金粉末熔化或半熔化后，高速喷射到经预热的工件表面，再继续加热至10001300，合金熔化后经冷凝生成涂层，使其和基体表面达到良好结合的方法。 3、电火花表面强化电火花表面强化 是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料熔渗进金属工件的表层，形成合金化的表面强化层，使工件的物理化学和机械性能得到改善的工艺。它是直接利用电能的高能量密度对工件表面进行强化的工艺方法。7/20 4.激光束表面合金化 激光热处理的基本原理基本原理 激光是二
11、十世纪60年代出现的重大科学技术成就之一，70年代开始应用于金属热处理。激光是由激光器产生的，金属热处理大多使用CO2激光器。 激光束具有以下特性：高方向性。光束的发散角可小于一个到几个毫弧度，基本上是平行的。高亮度性。光束非常强，并可聚集成很小的光斑，具有很高的能量密度。高单色性。频率范围非常窄，有很好的相干性。 当激光束照射到金属表面时，其能量几乎全被表面层吸收转变成热，可在极短时间内将工件表层加热或熔化，而工件心部仍保持室温。当激光束离去后，通过向工件心部的传热，表层可获得极大的冷却速度，从而实现“自冷却”淬火或快速凝固。因此，可用激光束对钢铁零件进行表面淬火和表面合金化。 8/20 五
12、、常用表面防护性处理方法五、常用表面防护性处理方法 1.氧化处理氧化处理 (1)钢铁的氧化处理钢铁的氧化处理 钢铁的化学氧化是将钢铁零件浸在浓碱溶液中煮沸，在金属表面生成稳定的四氧化三铁(Fe304)的过程。因四氧化三铁氧化膜呈蓝黑色，所以又称其为“发蓝”。发蓝是提高黑色金属防护能力的一种简便而又经济的方法。膜厚在0.5-1.6m。膜层具有很好的吸附性，发蓝后的零件再进行浸油及其它填充处理，能进一步提高膜层的耐蚀性。发蓝膜薄，不影响零件的装配尺寸；对表面光洁要求高或抛光的精密件，发蓝后表面既亮又黑，具有防护和装饰的效果。这一工艺在精密仪器、光学仪器以及机械制造上广为应用。 (2)铝及铝合金的氧
13、化处理铝及铝合金的氧化处理 主要有化学氧化和电化学氧化-阳极氧化。 1）铝及铝合金的化学氧化 是把工件置入适当溶液中，使其表面生成人工氧化膜。一般是将铝件浸在含有碱溶液和碱金属的铬酸盐溶液中，铝和溶液互相作用,很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜，其膜厚度大约0.5-4m。这种氧化膜具有较高的吸附能力，般工业上作为表面涂装的底层，经化学氧化后再涂装，可以大大提高铝及铝合金外观装饰件的抗蚀能力，使涂料的保持性增强。铝及铝合金化学氧化的优点主要是生产效率高、成本低、不消耗电能，不需专门设备，适于大批量生产。因此，化学氧化法在面饰中大量采用。 2）铝及铝合金的电化学氧化 铝及铝合金零件在电解液
14、中进行电化学氧化，其工艺象电镀的逆过程，因零件作为阳极，故也称铝阳极氧化。 9/20 2钢铁的磷化处理钢铁的磷化处理 钢铁的磷化处理是将零件浸入磷酸盐溶液中进行化学处理，在金属表面生成难溶于水的磷酸盐膜的过程。简称“磷化”。磷化也是金属氧化方法之一，因此磷酸盐膜也是一种化学转化膜。磷化是钢铁表面防护的常用方法之一，应用愈来愈广泛。有色金属如锌、铝、铜、锡等都可以进行磷化处理。 磷化溶液品种甚多，按磷化温度，可分为高温磷化(85-98)、中温磷化(50-70)、低温磷化(35)；按磷化溶液成分，可分为锌系、锰系、锌钙系等。但应用较多的是锌系的磷酸二氢锌和锰系的磷酸锰铁制剂等。磷酸盐膜的厚度可由3
15、-20m，甚至更厚。膜与基体金属有较好的结合，膜的性能较好。对大气相在有机油类、苯、甲苯及各种气体燃料中有很好的耐蚀性；对润滑油有很好的吸附性；不粘附熔融金属、不影响零件的焊接性能；磷酸盐膜是高电阻膜层，有很好的电绝缘性。磷酸盐膜的颜色由暗灰到黑色，随基体合金成分及磷酸盐处理工艺的不同，可以呈不同的颜色。磷酸盐是一种无机盐膜，其不足在于膜本身机械强度不高，有一定脆性。磷酸盐处理过程伴随着氢的析出、对氢脆敏感的材料，应考虑氢脆问题，特别是对高强钢。一般对受力较小的低碳或中碳钢不会造成危害。 10/20 3电镀和化学镀电镀和化学镀 镀层装饰技术能在制品表面形成具有金属特性的镀层，这是一种较典型的表
16、面装饰技术。金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性，而且能够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效果，因此能保护和美化表面，由于有优异的镀层，常常使制品的品位和档次得到提高。 按镀层的表面状态可分成镜面镀层和粗面镀层两类。按镀层装饰技术可分为电镀、化学镀、真空蒸发沉积镀、气相镀等。镀层装饰的金属有Cu、Ni、Cr、Fe、Zn、Sn、Al、Pb、Au、Ag、Pt。 电镀电镀：是将金属工件浸入要镀金属盐溶液中并作为阴极，通以直流电，在直流电场作用下，金属盐溶液中的阳离子在工件表面上沉积形成电镀层。 化学镀化学镀：是一种在无外加电流的情况下,利用还原剂在具有催化活性的表面进行氧化还原反应而沉积出镀层
17、的方法。溶液中一般含有主盐，提供形成镀层的主要成分；还原剂，还原主盐中的离子；络合剂，拓宽镀液工作的pH值范围,提高沉积速度,改善镀层光洁致密性,防止镀液中沉淀的析出,增加其稳定性并延长使用寿命；稳定剂，抑制镀液自发分解；缓冲剂。 11/20 4.涂层装饰技术涂层装饰技术 在制品表面形成以有机物为主体的涂层，并干燥成膜的工艺，称为涂装技术，这是一种简单而又经济可行的表面装饰方法，在工业上通常简称为涂装。涂装的目的有三方面： 保护作用保护作用。装饰作用装饰作用:使制品外观在视觉感受上成为美观悦目的制品。 特殊作用特殊作用。使制品具有隔热、绝缘、耐水、耐辐射、阻尼、杀菌、吸收雷达波、隔音、导电等特
18、殊功能。特别是通过涂装与其它表面处理技术相叠加的多重处理，可获得能适应相当苛刻条件和使用环境的防护装饰涂层。 涂装所用的材料是各种涂料。它们一般由主要成膜物质、颜料和溶剂混合加工而成。其中主要成膜物质是涂料中的主要组分，大多数为各种合成树脂，其主要作用是将其它组分粘结成一个整体，并能附着在被覆金属制品表面，形成坚韧的保护膜，所以也称固着剂。由于有机溶剂涂料在使用时对环境有污染，同时为了节省资源，现代涂料已从有机溶剂型向水性涂料、粉末涂料、高固体组分涂料和反应性涂料转化，并向无有机溶剂涂料过渡。12/20第十一章第十一章 机械零件的选材机械零件的选材 机械零件的设计包括零件结构设计、材料选择和工
19、艺设计三个方面。在许多情况下，选材或用材不当是造成零件失效的重要原因之一。因此，了解选材的思路，掌握合理选材的原则，在掌握各种工程材料性能的基础上，正确、合理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一项重要任务，具有很重要的实际意义。 13/20 遵循三条基本原则：遵循三条基本原则： 使用性能足够使用性能足够, , 工艺性能良好工艺性能良好, , 经济性合理。经济性合理。第一节第一节 选材的基本原则选材的基本原则14/20 使用性能是保证零件完成指定功能的必要条件。使用性能是指零件在工作过程中应具备的力学性能、物理性能和化学性能，它是选材的最主要依据，对于机械零件，最重要的使用性能
20、是力学性能。对零件力学性能的要求，一般是在分析零件的工作条件(温度、受力状态、环境介质等)和失效形式的基础上提出来的。根据使用性能选材的步骤如下： 1. 分析零件的工作条件，确定使用性能 零件的工作条件是复杂的。工作条件分析包括受力状态(拉伸、压缩、弯曲、剪切等)、载荷性质(静载、动载、交变载荷)、载荷大小及分布、工作温度(低温、室温、高温、变温)、环境介质(润滑剂、海水、酸、碱、盐等)、对零件的特殊性能要求(电、磁、热)等。在对工作条件进行全面分析的基础上确定零件的使用性能。 2. 分析零部件的失效原因，确定主要使用性能。 对零件使用性能的要求，往往是多项的。例如传动轴，要求其具有高的疲劳强
21、度、韧性和轴颈的耐磨性。因此，需要通过对零部件失效原因的分析，找出导致失效的主导因素，准确确定出零件所必需的主要使用性能。例如，曲轴在工作时承受冲击、交变等载荷作用，而失效分析表明，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂，而不是冲击断裂，因此应以疲劳抗力作为主要使用性能要求来进行曲轴的设计。制造曲轴的材料也可由锻钢改为价格便宜、工艺简单的球墨铸铁。表11-1列出了几种常见零件的工作条件、失效形式及对性能的要求。 一、使用性能足够的原则一、使用性能足够的原则15/20 3.将对零件的使用性能要求转化为对材料性能指标的要求 有了对零件使用性能的要求，还不能马上进行选材，还需要通过分析、计算或模拟试验将使用性
22、能要求指标化和量化。例如“高硬度”这一使用性能要求，需转化为“60HRC”或“62-65HRC”等。这是选材最关键、最困难的一步。需根据零部件的尺寸及工作时所承受的载荷，计算出应力分布，再由工作应力、使用寿命或安全性与材料性能指标的关系,确定性能指标的具体数值。 4.材料的预选 根据对零件材料性能指标数据的要求查阅有关手册，找到合适的材料，根据这些材料的大致应用范围进行判断、选材。对用预选材料设计的零件，其危险截面在考虑安全系数后的工作应力，必须小于所确定的性能指标数据值。然后再比较加工工艺的可行性和制造成本的高低，以最优方案的材料作为所选定的材料。 16/20 二、工艺性能良好原则二、工艺性
23、能良好原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。在满足使用性能选材的同时，必须兼顾材料的工艺性能。工艺性能的好坏，直接影响零件的质量、生产效率和成本。工艺性能对大批量生产的零件尤为重要，因为在大批量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。 金属材料、高分子材料、陶瓷材料的工艺性能概括介绍如下： 1.1.金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能：加工工艺路线复杂，要求的工艺性能比较多，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性能等。 铸造性能铸造性能最好的是共晶成分附近的合金，铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，铸铁又优于铸钢。 锻造性能锻造性能最好的是低碳钢
24、，中碳钢次之，高碳钢则较差。形变铝合合和铜合金的锻造性较好，而铸铁、铸造铝合金不能进行冷热压力加工。 焊接性能焊接性能低碳钢最好，随碳和合金元素含量增加，焊接性能下降，铸铁则很难焊接，铝合金和铜合金的焊接性比碳钢差。 热处理工艺性能热处理工艺性能包括淬透性、淬火变形开裂及氧化、脱碳倾向等。钢的含碳量越高，其淬火变形和开裂倾向越大。选用渗碳钢时，要注意钢的过热敏感性；选用调质钢时，要注意钢的第二类回火脆性；选用弹簧钢时，要注意钢的氧化、脱碳倾向。17/20 2.2.高分子材料的工艺性能高分子材料的工艺性能 高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性
25、能较好，与金属基本相同，但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。 3.3.陶瓷材料的工艺性能陶瓷材料的工艺性能 陶瓷材料的加工工艺路线为：备料成形加工(配料、压制、烧结) 磨加工装配。陶瓷材料的加工工艺也比较简单，主要工艺是成形。按零件的形状、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加工方法(注浆、热压、挤压、可塑)。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金刚石砂轮进行磨加工外，几乎不能进行任何切削加工。 18/20 三、经济性合理原则三、经济性合理原则 选材的经济性原则是在满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零件的总成本，包括材料的价格、加工费、试验研究费、维修管理费等达到最低，以取得最大的经济效益。为此，材料选用应充分利用资源优势，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本、减少运输、实验研究费用。选用一般碳钢和铸铁能满足要求的，就不应选用合金钢。在满足使用要求的条件下，可以以铁代钢，以铸代锻、以焊代锻，有效地降低材料成本、简化加工工艺。例如用球墨铸铁代替锻钢制造中低速柴油机曲轴、铣床主轴，其经济效益非常显著。对于要求表面性能高的零件，可选用低廉钢种进行表面强化处理来达到要求。19/20练习题： 10-1、2。 11-5。20/20
