零件失效分析

1、 零部件的失效与选材零部件的失效与选材 第一节第一节 零部件的失效零部件的失效 失效失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。指定的功能。 一、失效形式一、失效形式 常见的失效形式有常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效变形失效、断裂失效、表面损失失效及材料的老化失效及材料的老化失效等。等。1 1、变形失效、变形失效 （1 1）弹性变形失效）弹性变形失效 不恰当的弹性变形量导致失效。不恰当的弹性变形量导致失效。 （2 2）塑性变形失效）塑性变形失效 防止

2、零件塑性变形失效的措施：防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。料，进行合理的热处理，防止超载。 2 2、断裂失效、断裂失效 断裂失效断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效。机械零件因断裂而产生的失效。（1 1）韧性断裂失效韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。（2 2）脆性断裂失效脆性断裂失效 断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断

3、裂、腐蚀疲断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。 疲劳断裂疲劳断裂 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。称金属的疲劳断裂。n低应力脆性断裂失效低应力脆性断裂失效 n石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力作应力远远低于材料的屈服应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自作用下，由

4、于材料自身固有的身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为称为低应力脆性断裂低应力脆性断裂。 n低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂解理断裂和和沿沿晶断裂晶断裂。 n3 3、表面损失失效、表面损失失效n由于由于磨损、疲劳、腐蚀磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效表面损伤失效。 n 磨损磨损(wear)(wear)失效失效n任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，

5、其表面会发生磨损，造任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。效。n 腐蚀腐蚀(corrosion)(corrosion)失效失效n由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。称为腐蚀失效。n 表面疲劳失效表面疲劳失效n 表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生

6、疲劳而脱落所造成的失效。触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。n4 4、材料的老化、材料的老化n 高分子材料在贮存和使用过程中发生高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变脆、变硬或变软、变粘等现象变硬或变软、变粘等现象，从而失去原有性能从而失去原有性能指标的现象指标的现象，称为，称为高分子材料的老化高分子材料的老化。老化是。老化是高分子材料不可避免的。高分子材料不可避免的。n二、失效原因二、失效原因n 造成零部件失效的原因很多，主要有造成零部件失效的原因很多，主要有设计、设计、选材、加工、装配使用选材、加工、装配使用等因素。等因素。n1 1、设计不合理、设计不合理 n2 2

7、、选材错误、选材错误n3 3、加工工艺不当、加工工艺不当 n4 4、装配使用不当、装配使用不当n三、失效分析三、失效分析 n1 1、失效分析的、失效分析的一般程序一般程序n 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。n 调查零部件的服役条件和失效过程。调查零部件的服役条件和失效过程。n 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。加工、安装、使用维护等方面的资料。n 试验研究试验研究n2 2、

8、失效分析实例、失效分析实例锅炉给水泵轴的断裂分析锅炉给水泵轴的断裂分析n某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运行了行了14001400多小时便先后发生断轴事故。泵轴的材质相当于我国的多小时便先后发生断轴事故。泵轴的材质相当于我国的42CrMo42CrMo钢，外径为钢，外径为90mm90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小直径为直径为74mm74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图为泵轴的断口照。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图为泵轴的断口照片。片。n成分分析表

9、明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限（0.45%0.45%）达到）达到0.48%0.48%。泵轴的心部组织为魏氏组织，表。泵轴的心部组织为魏氏组织，表面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生脆性断裂。脆性断裂。n结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲劳断裂

10、。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材料。料。 第二节第二节 零部件的选材零部件的选材n一、选材的基本原则一、选材的基本原则 n1 1、使用性能原则、使用性能原则 n材料的使用性能应满足使用要求。材料的使用性能应满足使用要求。使用性能指使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、机械性能、物理性能、化学性能。物理性能、化学性能。n2 2、工艺性能原则、工艺性能原则 n材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。材料的工艺

11、性能应满足生产工艺的要求。（1 1）金属材料的工艺性能）金属材料的工艺性能 金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。n（2 2）高分子材料工艺性能）高分子材料工艺性能n高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，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能成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性较好，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

12、热塑性差，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。塑料变软，使热固性塑料烧焦。 高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线 n（3 3）陶瓷材料的工艺性能）陶瓷材料的工艺性能n 陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。塑成形等。n 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料

13、的加工工艺路线 n3 3、经济性原则、经济性原则 n满足使用性能要求的前提下，满足使用性能要求的前提下，采用便宜采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。的经济效益。n二、典型零部件选材及工艺分析二、典型零部件选材及工艺分析 n 齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材n1 1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。n 齿轮的齿轮的工作条件工作条件：啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。强烈磨擦和接触疲劳压应力。传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，

14、轮传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。换挡、启动、制动或啮合不均匀换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。时，承受冲击载荷。n 齿轮的齿轮的主要失效形式主要失效形式：断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。生的弯曲疲劳应力造成的。齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。齿厚变小、齿隙加大。接触疲劳；在交变接触应力

15、作用下，齿面产接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。n 对齿轮材料的对齿轮材料的性能要求性能要求：高的弯曲疲劳强度；高的弯曲疲劳强度；高的耐磨性和高的耐磨性和接触疲劳强度；接触疲劳强度；轮齿心部要有足够的强度和韧性。轮齿心部要有足够的强度和韧性。n2 2、典型齿轮的选材、典型齿轮的选材n 机床齿轮机床齿轮 机机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。作平稳无强烈冲击。 一般可选中碳钢

16、一般可选中碳钢(45(45钢钢) )制造，制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢金钢(40Cr(40Cr钢钢) )。机床变速箱齿轮机床变速箱齿轮 工艺路线为工艺路线为： 下料下料-锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精加工精加工-高频高频淬火及低温回火淬火及低温回火-精磨。精磨。n（2）汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮n与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力受力较大，受冲击频繁较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。，因而对性能的要求较高。n这类齿轮通常使用这类齿轮通常使用合金渗碳钢合金渗碳钢（例如：（例如：20

17、CrMnTi20CrMnTi、20MnVB20MnVB）制造。）制造。n其工艺路线为：备料其工艺路线为：备料锻造锻造正火正火机械加工机械加工渗碳渗碳淬火淬火+ +低温回大低温回大喷丸喷丸磨削磨削装配。装配。 n 轴类零部件的选材轴类零部件的选材n1 1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。n 轴的轴的工作条件：工作条件：传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。轴颈承受较大的轴颈承受较大的磨擦。磨擦。承受一定的过载或冲击载荷。承受一

18、定的过载或冲击载荷。n 轴的主要轴的主要失效形式失效形式：疲劳断裂疲劳断裂 由于受交变的扭转载荷和弯由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。形式。断裂失效断裂失效 由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。或扭断。磨损失效磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。生变化。n 对轴用材料的对轴用材料的性能要求：性能要求：高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。良好的综合力学性能，以防止冲

19、击或过载断裂。良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。良好的耐磨良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。性，以防止轴颈磨损。n2 2、典型轴的选材、典型轴的选材 n 机床主轴机床主轴 n 主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。 n C620C620车床主轴可选用车床主轴可选用4545钢钢，经调质处理后，硬度，经调质处理后，硬度为为220250HB220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为，轴颈和锥孔

20、需进行表面淬火，硬度为46-54HRC46-54HRC。 n其工艺路线为：其工艺路线为：备料备料锻造锻造正火正火粗机械加工粗机械加工调调质质精机械加工精机械加工表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火磨削磨削装配装配 n 汽轮机主轴汽轮机主轴 n汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。转载荷及离心力和温度的联合作用。 n因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。

21、对于在现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在500500以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。温强度。 n对于工作在对于工作在450450以下的材料，如果汽轮机功率较小以下的材料，如果汽轮机功率较小12000kW12000kW12000kW），且主轴尺寸较大，则须选用），且主轴尺寸较大，则须选用35CrMo35CrMo钢钢，以提高淬透性。对于工作在，以提高淬透性。对于工作在500500以上的主轴，以上的主轴，由于汽轮机功率大（由于汽轮机功率大（125000kW125000kW），要求高温强度高，需），要求高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用25CrMoVA25CrMoVA或或27Cr2MoVA27Cr2MoVA钢钢，低压主轴选用，低压主轴选用15CrMo15CrMo或或17CrMoV17CrMoV钢钢。对于工。对于工作温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐作温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐热钢热钢20C