機械零件失效形式及診斷課件

1、26 九月 2022機械零件失效形式及診斷24 九月 2022機械零件失效形式及診斷主要內(nèi)容2.2 機械零件失效原因概述 2.1 失效分類及診斷2主要內(nèi)容2.2 機械零件失效原因概述 2.1 失效分類及診斷33 大型汽輪機 轉(zhuǎn)子4 大型汽 軸 葉輪 疲勞斷裂破壞5 軸 轉(zhuǎn)子軸 疲勞開裂 疲勞斷裂破壞6 轉(zhuǎn)子軸 葉片擊穿廠房7葉片擊穿廠房7 抗震模型試驗 （破壞部位、破壞形式、抗震能力）靜強度失效、斷裂失效和疲勞失效，是工程中最為關注的基本失效模式。8 抗震模型微孔聚合型斷口解理型斷口晶間斷裂晶內(nèi)斷裂9微孔聚合型斷口解理型斷口晶間斷裂晶內(nèi)斷裂910102.1失效分類及診斷失效的宏觀形態(tài)失效的誘發(fā)

2、原因產(chǎn)品的使用過程變形失效斷裂失效表面損傷失效機械力 熱應力 摩擦力活性介質(zhì)早期失效期偶然失效期磨損失效期失效機理 2.1.1失效形式的分類112.1失效分類及診斷失效的宏觀形態(tài)失效的誘發(fā)原因產(chǎn)品的使用過按失效的宏觀形態(tài)過量變形失效斷裂失效： 變形量脆性斷裂、延性斷裂 裂紋走向與晶粒組織的關系沿晶斷裂、穿晶斷裂 斷裂機制微孔聚集型、(準)解理型、沿晶斷裂、疲勞斷裂 斷口形貌宏觀和微觀形貌 加工工藝和產(chǎn)品類別 斷裂模式過載、疲勞、材料脆性、環(huán)境誘發(fā)、混合斷裂表面損傷失效：磨損、腐蝕12按失效的宏觀形態(tài)12按失效的誘發(fā)原因機械力彈性變形，塑性變形，斷裂，疲勞，剝落熱應力蠕變，熱松弛，熱沖擊，熱疲勞

3、，蠕變疲勞摩擦力粘著磨損，磨粒磨損，表面疲勞磨損，沖擊磨損，微動磨損，咬合活性介質(zhì)化學腐蝕，電化學腐蝕，應力腐蝕，腐蝕疲勞，生物腐蝕，輻照腐蝕，氫致?lián)p傷13按失效的誘發(fā)原因機械力彈性變形，塑性變形，斷裂，疲勞，剝根據(jù)產(chǎn)品的使用過程失效率：系統(tǒng)或部件在可能發(fā)生失效的某一段時間（通常為處于工作狀態(tài)的時間）內(nèi)發(fā)生失效的次數(shù)。浴盆曲線：設備故障率曲線 ，由產(chǎn)品的失效率與其工作（使用）時間t的曲線，因形似浴盆，故稱為浴盆曲線 。 （1）早期失效期“幼年期” （2）偶然失效期“青壯年期” （3）磨損失效期“老年期” 14根據(jù)產(chǎn)品的使用過程失效率：系統(tǒng)或部件在可能發(fā)生失效的某一段時2.1失效分類及診斷2.1

4、.2失效形式的診斷失效形式一級失效形式二級失效形式三級失效形式152.1失效分類及診斷2.1.2失效形式的診斷1516162.1.2失效形式的診斷失效形式的診斷1.斷裂失效形式診斷：1）殘骸分析2）應力分析3）失效模擬2.磨損失效形式診斷：1）磨損表面形貌和次表面組織和性能2）磨屑形貌、成分和組織3）磨損系統(tǒng)中各參量的關系和變化172.1.2失效形式的診斷失效形式的診斷172.2 機械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役條件應力狀態(tài):軟性應力狀態(tài)硬性應力狀態(tài)載荷類型:軸向載荷彎曲載荷扭轉(zhuǎn)載荷剪切載荷接觸載荷1.受力狀況載荷性質(zhì):靜載荷沖擊載荷交變載荷182.2 機械零件失效原因概述 2.2.

5、1零件的服役條件應力19192020交變載荷在交變應力作用下，金屬材料發(fā)生損傷的現(xiàn)象稱為疲勞。 承受交變應力典型零件的應力循環(huán)特征循環(huán)特征零件名稱軸齒輪齒根軸承連桿螺栓應力變化循環(huán)特征對稱循環(huán)脈動循環(huán)脈動循環(huán)大壓小拉大拉小壓應力性質(zhì)r =-1r = 0r = - r -10 r 1應力狀態(tài)對稱彎曲脈動彎曲脈動壓縮不對稱不對稱21交變載荷 承受交變應力典型零件的應力循環(huán)特征循環(huán)特2.2 機械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役條件1.受力狀況1）應力狀態(tài)材料的失效形式和應力狀態(tài)脆斷：斷裂前無明顯宏觀塑性變形。剪斷：沿最大剪應力方向發(fā)生的斷裂。屈服：經(jīng)過一定的塑性變形后發(fā)生的斷裂。性能指標屈服強

6、度、抗剪強度、斷裂韌性222.2 機械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役條件222）應力狀態(tài)對塑性變形的影響 切應力塑性變形、切斷 正應力脆性斷裂應力狀態(tài)柔度系數(shù)（軟性系數(shù)）軟性應力狀態(tài)：1越大，應力狀態(tài)越軟，易引起塑性變形硬性應力狀態(tài)：1越小，應力狀態(tài)越硬，易引起脆性斷裂應力正斷一定是脆性斷裂？232）應力狀態(tài)對塑性變形的影響應力正斷一定是脆性斷裂？2324242525 單向應力狀態(tài)純剪切應力狀態(tài)對于塑性材料對于脆性材料對于塑性材料對于脆性材料滿足是否強度就沒有問題了？復雜應力狀態(tài)26 單向應力狀態(tài)純剪切應力狀態(tài)對于塑性材料對于脆性材料對于塑性失效分析基礎與應用孫智 機械工業(yè)出版社2.5

7、 應力分析與失效分析27失效分析基礎與應用孫智272.5.2 單向拉（壓）應力 在生產(chǎn)實際中，受拉（壓）應力的構件是多種多樣的，如連桿、螺栓、鋼絲繩等。1、評定單向應力的指標（1）數(shù)學表達式 對于脆性材料 對于塑性材料（2）安全系數(shù) 2、提高材料強韌性能的措施（1）零件承受拉應力，并且在整個截面上的分布是均勻的，此時，在選材和確定熱處理工藝時，應當根據(jù)零件的截面大小，確保零件內(nèi)部完全淬；（2）防止氧化、脫碳、過熱、過燒等一切降低材料性能的缺陷發(fā)生。282.5.2 單向拉（壓）應力 在生產(chǎn)實際中，193、斷裂分析 此類零件的斷裂應首先區(qū)分是韌斷還是脆斷。 （）韌斷 a 首先按傳統(tǒng)的強度理論進行強

8、度校核，檢查一下載荷是否估計不足，即安全系數(shù)是否太小或者未予以考慮； b 分析材料的組織狀態(tài)，檢查硬度，檢查是否有氧化脫碳、淬火裂紋及心部是否淬硬等； c 如果上述問題不存在，應作化學成分分析。 （）脆斷 除作上述考慮外，尚需進行斷裂韌性檢查，主要分析微觀裂縫的存在對韌性的影響。29193、斷裂分析2919例 國產(chǎn)45Si2Mn高強度螺栓，在加工制造過程中，不可避免地存在著深為a=0.5mm，半寬c=2.0mm的表面裂紋，其工作應力為 =960MPa。淬火并低溫回火后材料的強度 b =2110MPa，s =1920MPa，KIC=39.50MPam-1/2，在使用中發(fā)生脆斷，試分析原因。分析一

9、 按傳統(tǒng)強度理論校核結論：應是安全的 。3019例 國產(chǎn)45Si2Mn高強度螺栓，在加工制造過19分析二 因為是高強度材料，還需進行斷裂力學方面的校核。作為近似計算，該裂紋認為是一個張開型的表面裂紋，其應力強度因子在臨界條件下，為 根據(jù)裂紋形狀和應力狀態(tài)，查有關手冊后可得與此有關的裂紋形狀因子數(shù)據(jù)，將有關數(shù)據(jù)代入后得 c =948.5MPa。 由此可見，零件最大承載能力為948.5MPa，低于實際的工作應力960MPa，故發(fā)生斷裂失效，又因其斷裂時的應力小于材料的屈服極限，所以必然是脆性斷裂。 結論：材料韌性不足，脆斷。3119分析二 因為是高強度材料，還需進行斷裂力學方面的校核。19 若將淬

10、火低溫回火改為調(diào)質(zhì)處理，則得b =1540MPa，s =1440MPa，KIC =66.36 MPam-1/2，其結果： 同樣，在有裂紋存在情況下由斷裂韌性求得 c =1564.5MPa（工作應力，960MPa）。 在具有脆斷傾向的構件中，決定零件或構件斷裂與否的關鍵因素是材料的韌性，而不是傳統(tǒng)的強度指標，片面地追求高強度和較大的強度安全系數(shù)，往往導致韌性的降低，反而容易促使宏觀脆性的、危險的低應力斷裂。 3219 若將淬火低溫回火改為調(diào)質(zhì)處理，則得b 2.5.3 平面拉應力對象：薄壁壓力容器1應力狀態(tài)軸向應力：切向應力：332.5.3 平面拉應力對象：薄壁壓力容器332.制造時應注意的問題用

11、鋼板(熱軋態(tài))制作這類容器時，使鋼板的軋制方向承受較大的應力在拼焊壓力容器時，特別注意沿軸向的焊縫質(zhì)量 切向應力為軸向2倍，且與軸向焊縫垂直 焊縫處熱影響區(qū)的強度較低 焊縫處的應力集中342.制造時應注意的問題343.失效分析泄漏韌性斷裂爆炸脆性斷裂壓力容器的防爆設計保證先泄漏，不爆裂 臨界裂紋ac必須大于容器壁厚由可得 則 ac t 則先泄漏 ac t 則先爆破353.失效分析壓力容器的防爆設計352.5.4 彎曲應力對象：軸類零件及各種形式的梁等1應力狀態(tài)截面上的正應力呈線性分布，最大應力在構件的最外層應力分布表面大，中間小三點彎曲試件：中間截面上部受拉應力，下部受壓應力最大拉應力：362

12、.5.4 彎曲應力對象：軸類零件及各種形式的梁等362選材及熱處理特點使零件從表層至34R(軸件半徑)處的金屬層淬硬強化心部不必淬硬分析：表面淬火表層壓應力，心部拉應力全淬透表層拉應力，心部壓應力372選材及熱處理特點373失效分析斷裂形式：脆斷和疲勞斷裂裂紋源：應力集中處、表面缺陷處及次表層夾雜物處預防措施：減少應力集中，消除微觀缺陷，防止零件完全淬透軸向裂紋原因：材質(zhì)；熱處理時淬透性過大引起表面拉應力預防措施：控制零件的淬硬層深度，并及時進行回火383失效分析382.5.5 扭轉(zhuǎn)應力對象：傳動軸、彈簧、凸輪軸、機床絲杠等1應力狀態(tài)垂直軸線的截面上只有切應力最外層的最大切應力最大正應力與軸線

13、呈45角；2選材與熱處理選材：中碳鋼或中碳合金鋼熱處理不要淬透采用中溫回火392.5.5 扭轉(zhuǎn)應力對象：傳動軸、彈簧、凸輪軸、機床絲杠等 3失效分析韌斷斷口：齊平并與軸線垂直原因：構件的最大切應力超過材料的抗剪強度措施：降低回火溫度。脆斷斷口：與軸線呈45螺旋狀原因：最大正應力超過材料的正斷強度措施：適當提高回火溫度扭轉(zhuǎn)角過大原因：軸件的剛度不夠引起措施：淬火并進行高、中溫回火的軸類零件，不必校核斷裂力學韌度；大型轉(zhuǎn)子軸必須校核斷裂力學韌度40 3失效分析40例1 在汽車變速箱的傳動系統(tǒng)中，變速箱的輸入軸與發(fā)動機相連接，其轉(zhuǎn)速為2100r/min，輸出軸與傳動輪相聯(lián)，輸入軸、輸出軸間的傳動比為

14、2.81：1，傳動軸的傳遞功率50kW，材料的許用剪切應力c=60MPa，該軸的直徑為35mm，在使用中發(fā)生韌斷，試分析原因。 強度校核 根據(jù)題意 傳動軸的轉(zhuǎn)速 n=2100/2.81=747.3 r/min ， 傳動軸的功率 N=50 kW得： 傳動軸的扭矩n：傳動軸的抗扭截面系數(shù)Wp： 傳動軸的最大剪切應力max： 結論 設計選擇材料不當。 41例1 在汽車變速箱的傳動系統(tǒng)中，變速箱的輸入軸與發(fā)動機相例2 一臺125MW的汽輪機組，轉(zhuǎn)子軸的外徑為464mm，中心孔徑為70mm，探傷發(fā)現(xiàn)距內(nèi)孔表面82mm處，存在一個半徑為6mm的圓片缺陷（大塊非金屬夾雜物），轉(zhuǎn)子用鋼為CrMoV鋼，其s =

15、672MPa，KIC =1100 MPam-1/2，此處的工作應力為 =375MPa。試問該轉(zhuǎn)子軸是否有脆斷的危險（能否繼續(xù)使用）？分析 塑性區(qū)的尺寸為結論 實際裂縫半徑尺寸a=6mm，而臨界裂紋尺寸為6.75mm， 故此軸有脆斷的危險。臨界條件下42例2 一臺125MW的汽輪機組，轉(zhuǎn)子軸的外徑為464mm，2.5.6 交變應力一、交變應力 承受交變應力典型零件的應力循環(huán)特征零件名稱軸齒輪齒根軸承連桿螺栓應力變化循環(huán)特征對稱循環(huán)脈動循環(huán)脈動循環(huán)大壓小拉大拉小壓應力性質(zhì)r =-1r = 0r = - r -10 r 1應力狀態(tài)對稱彎曲脈動彎曲脈動壓縮不對稱不對稱432.5.6 交變應力一、交變應

16、力 承受交變應力典型二、疲勞失效特征只有在交變應力作用下，疲勞才會發(fā)生。破壞起源于高應力、高應變局部。疲勞損傷的結果是形成裂紋。疲勞是從開始使用到最后破壞的發(fā)展過程。44二、疲勞失效特征44三、交變應力下材料的抗力指標及性質(zhì)（1）疲勞抗力材料抵抗交變應力作用的能力稱為疲勞抗力。（2）疲勞抗力指標及性質(zhì) a 疲勞極限 應力循環(huán)變化無限次材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應力r，稱該材料的疲勞極限。 b 條件疲勞極限（疲勞強度） 對于鋁合金等有色金屬及在高溫和腐蝕條件下工作的黑色金屬，無疲勞極限，其疲勞抗力指標常用條件疲勞極限表示。一般規(guī)定，承受大于51075108次應力循環(huán)而不破壞的最大應力稱該材料的條件

17、疲勞極限。45三、交變應力下材料的抗力指標及性質(zhì)45 c 疲勞破壞的持久值 在一定的應力水平下（r），破壞前的應力循環(huán)次數(shù)，叫疲勞破壞的持久值。 d 裂紋擴展速率對于同一種材料，在不同的應力狀態(tài)下，其疲勞極限是不同的： 對稱彎曲 -1 = 0.4 b 對稱拉壓 -1 = 0.28 b 對稱扭轉(zhuǎn) -1 = 0.22 b 脈動彎曲 -1 = 0.65 b46 c 疲勞破壞的持久值 在一定的應力水平下（r），2.5.7 接觸應力一、接觸面間的赫茲應力兩物體接觸表面附近的應力場理論是根據(jù)赫茲（Hertz）的彈性理論提出的。該理論認為，接觸表面的接觸應力按橢圓規(guī)律分布，其中心達最大值。切應力 yz（45

18、）在z = 0.786 b處達最大值。 472.5.7 接觸應力一、接觸面間的赫茲應力切應力 yz（4二、交變切應力實際運轉(zhuǎn)的軸或齒輪，其接觸點是不斷變化的，因此，對零件上某一固定點而言，各應力分量也是周期變化的，在只考慮法向力的情況下，交變切應力 yzn的最大值在z 0 = 0.5 b處，其值 yznmax= 0.25 j。三、摩擦力對接觸應力的影響當摩擦系數(shù)為1/3時，將有如下變化：最大主應力分量將增加39%；最大切應力分量將增加43%；最大交變應力分量將增加36%；最大切應力所在位置，由距表面0.786 b處，移至表面，并向y方向偏離0.3 b。48二、交變切應力482.3殘余應力與零件

19、失效 2.3.1殘余應力內(nèi)應力：物體在無外載荷時，存在于其內(nèi)部并保持平衡的種一應力。第一類應力（即宏觀應力殘余應力）在整個物體或在較大尺寸范圍內(nèi)保持平衡，0.1mm以上第二類應力：在晶粒大小尺寸范圍內(nèi)保持平衡，10-1-10-2mm第三類應力：在原子尺度范圍保持平衡，10-3-10-6mm微觀應力492.3殘余應力與零件失效 2.3.1殘余應力微492.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生不均勻的塑性變形、熱應力、組織應力、結構應力熱處理殘余應力原因：熱應力和組織應力疊加表面化學熱處理引起的殘余應力原因：熱應力、組織應力焊接殘余應力原因：直接應力主要原因，不均勻加熱 間接應力焊前加工狀

20、況 組織應力組織變化502.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生50鑄造殘余應力原因：結構應力以及組織應力。在構件截面內(nèi)保持平衡構件間相互保持平衡鑄造型砂的阻力鑄件成分的影響涂鍍層引起的殘余應力原因：涂鍍層與基體的溫度梯度和組織差異。切削加工殘余應力原因：材料在加工過程中產(chǎn)生塑性變形。51鑄造殘余應力51焊接殘余應力52焊接殘余應力52（1）熱處理殘余應力組織應力分布冷卻初期冷卻后期熱應力分布表面發(fā)生相變心部發(fā)生相變53（1）熱處理殘余應力組織應力分布冷卻初期冷卻后期熱應力分布表（2）熱處理殘余應力軋輥淬火殘余應力 中心表面材料：0.97%C 硬化深度：2.42.8mm心部軸向心部周向

21、表面軸向表面周向火焰淬火殘余應力分布54（2）熱處理殘余應力軋輥淬火殘余應力 中心表面材料：0.97化學熱處理引起的殘余應力（D表示有效滲碳層深度） D=0.8mm 滲碳層殘余應力分布氮化層殘余應力分布55化學熱處理引起的殘余應力（D表示有效滲碳層深度） D=0.電鍍引起的殘余應力金屬電鍍?nèi)芤簯Γ∕Pa）CrNiCuCoZnZdPb鉻酸硫酸 50C鉻酸硫酸 65C鉻酸硫酸 85C光亮鍍鎳用液純凈光亮鍍鎳用液+雜質(zhì)光亮鍍鎳用液+糖精酒石酸鉀鈉氰化物酒石酸鉀鈉氰化物+硫氰酸鉀硫酸鹽酸氰化物過氯酸鹽1072554321072251961-28315630-56 12-8-3156電鍍引起的殘余應力

22、金屬電鍍?nèi)芤簯Γ∕Pa）Cr鉻酸硫酸 （5）切削加工殘余應力 銑加工表面殘余應力 B側(cè)刃銑（低速） C端面銑（低速） D滾銑（高速）砂輪太硬時的磨削應力57（5）切削加工殘余應力 銑加消除和調(diào)整殘余應力的方法消除內(nèi)應力，提高構件的松弛剛度去應力退火回火（200400C）或自然時效（可降低殘余應力30%）機械法(加靜載或動載)加靜載使有殘余應力部位發(fā)生屈服。反復彎曲法、旋轉(zhuǎn)扭曲法、拉伸法。加動載振動法，主要用于鑄件和焊件；錘擊法，主要用于焊接件?；鹧婧婵痉ㄓ糜诤附蛹山档蜌堄鄳?0%58消除和調(diào)整殘余應力的方法582.2 機械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役條件2.工作環(huán)境環(huán)境介質(zhì)與零件失效環(huán)境溫度與零件失效59