表面（课堂PPT）

1、1第4页，共 19页最可怕断裂问题，首先明确断裂模式最可怕断裂问题，首先明确断裂模式各种表面技术设计后不可避免出现问题各种表面技术设计后不可避免出现问题尤其是设计一些创新性技术（如贝氏体强化表面尤其是设计一些创新性技术（如贝氏体强化表面很难说出什么问题很难说出什么问题) )失效分析是改进设计的最重要失效分析是改进设计的最重要的基础。的基础。 失效分析的分析思路失效分析的分析思路 断裂模式（宏观断裂机理）：断裂与服役载荷间的关系（即何种服役载荷下引起的断裂）2 断裂失效基本规律：材料所受到的应力（包括服役断裂失效基本规律：材料所受到的应力（包括服役应力、残余应力、附加应力等）超过材料的强度而应力

2、、残余应力、附加应力等）超过材料的强度而发生断裂（疲劳强度、拉伸强度、断裂韧性等）发生断裂（疲劳强度、拉伸强度、断裂韧性等） 断裂失效分析需进行的基本工作：断裂失效分析需进行的基本工作： 1 1）明确断裂机理；依赖断口分析；断口宏观形貌（放大镜）明确断裂机理；依赖断口分析；断口宏观形貌（放大镜）与微观形貌（与微观形貌（SEMSEM）（疲劳？拉伸？韧性不够？）（疲劳？拉伸？韧性不够？） 2 2）零部件受力分析；最好定量、至少定性）零部件受力分析；最好定量、至少定性 3 3）材料性能测定与材料内部组织结构分析（是否内部缺陷？）材料性能测定与材料内部组织结构分析（是否内部缺陷？是否组织不对？夹杂物？

3、微裂纹等）是否组织不对？夹杂物？微裂纹等） 最重要技能是掌握断口宏观形貌分析规律及应用最重要技能是掌握断口宏观形貌分析规律及应用 断裂失效分析基本规律断裂失效基本规律断裂失效基本规律3第4页，共 19页提速需要：材料由原来提速需要：材料由原来60Si2Mn60Si2Mn换成换成60Si2CrVA60Si2CrVA要求要求500500万次疲劳寿命。万次疲劳寿命。弹条受力扭转、剪切交变应弹条受力扭转、剪切交变应力（腐蚀与疲劳）应提高两力（腐蚀与疲劳）应提高两种性能。绪论案例仅防腐蚀种性能。绪论案例仅防腐蚀难度大；项目难度大；项目表面相变强化失效案例表面相变强化失效案例60Si2CrVA60Si2C

4、rVA材料制备弹条；受到扭矩、最大应力材料制备弹条；受到扭矩、最大应力在表在表面下料面下料中频感应加热中频感应加热挤压成型挤压成型淬火淬火中温回火中温回火案例：案例：铁路弹条感应加热失效问题铁路弹条感应加热失效问题4第4页，共 19页基本断定是制造厂家责任；为什么？基本断定是制造厂家责任；为什么？依据是断口宏观形貌分析依据是断口宏观形貌分析2.裂纹源在辐射线汇聚区域 为什么？ 表面相变强化失效案例表面相变强化失效案例裂纹源确定方法1.裂纹源位于疲劳弧线半径最小处弧线也是辐射线5 第2页，共 19页断口宏观分析：裂源在表面、蓝色颜色（氧化）断口宏观分析：裂源在表面、蓝色颜色（氧化）制造过程中微裂

5、纹且高温形成氧化，使用过程中断裂制造过程中微裂纹且高温形成氧化，使用过程中断裂应该疲劳但不出现疲劳，应该疲劳但不出现疲劳，一定有其他外力作用，一定有其他外力作用， 判断裂纹源依据？判断裂纹源依据？辐射线是材料发生明显塑性辐射线是材料发生明显塑性变形结果；辐射线明显说明变形结果；辐射线明显说明变形大、高应力。汇聚区域变形大、高应力。汇聚区域是刚开始塑形变形区域，辐是刚开始塑形变形区域，辐射线走向是裂纹扩展的方向。射线走向是裂纹扩展的方向。6 第2页，共 19页现场了解：现场了解：1 1）精确检验确有裂纹；位置与断裂位）精确检验确有裂纹；位置与断裂位置一致（购买萤光测裂纹仪）置一致（购买萤光测裂纹

6、仪）2 2）按照原来）按照原来60Si2Mn60Si2Mn材料三次加热成型；材料三次加热成型；3 3）没有精确测温的仪器）没有精确测温的仪器弹条断裂原因分析弹条断裂原因分析7 第2页，共 19页裂纹附近取样观察；主裂纹附近有许多网状裂纹；裂纹附近取样观察；主裂纹附近有许多网状裂纹；周围有铁素体组织。为什么？周围有铁素体组织。为什么？热速度上相变点升高：在弹条加热速度热速度上相变点升高：在弹条加热速度68.5/S68.5/S条件下：条件下：AC1=717764 AC1AC1=717764 AC1平均值平均值=743=743AC3=874896 AC3AC3=874896 AC3平均值平均值=88

7、5=885弹条断裂原因分析弹条断裂原因分析8 第2页，共 19页弹条断裂原因分析弹条断裂原因分析60Si2Mn60Si2Mn为什么不裂？仅为什么不裂？仅60Si2CrVA60Si2CrVA开裂？开裂？解决：降低加热速度、适当提高加热温度；荧光探解决：降低加热速度、适当提高加热温度；荧光探伤仪检查伤仪检查结论：加热时可能就处于结论：加热时可能就处于A+FA+F；3 3次挤压成型过程中温次挤压成型过程中温度下降度下降F F沿晶界析出。挤压发生不均匀变形沿界面裂沿晶界析出。挤压发生不均匀变形沿界面裂MnMn扩大扩大A A区域元素，降低相变点；区域元素，降低相变点；CrCr缩小缩小A A区元素；箱区元

8、素；箱变点一定变化，快速加热时相变点变化可能更显著变点一定变化，快速加热时相变点变化可能更显著9 案例案例2 2：出口澳车电机扇叶断裂：出口澳车电机扇叶断裂 断口宏观形貌分析应用10 现场找几片样品进行观察断口；边缘拉出裂纹现场找几片样品进行观察断口；边缘拉出裂纹奥车电机风扇叶片断裂奥车电机风扇叶片断裂现场了解情况：1）委托国内最权威空气动力学研究院设计；2）研究院进行有限元进行过受力分析最大应力157MPa 3)采用Q345钢制造11 案例：出口澳车电机扇叶断裂案例：出口澳车电机扇叶断裂 何种断口？初步断定断裂原因？初步结论：初步结论：由于设计失误造成风扇早期疲劳断裂；剩余6台还要发生断裂。

9、12 案例：出口澳车电机扇叶断裂案例：出口澳车电机扇叶断裂粗略估算：材料的拉-拉疲劳强度屈服极限0.3-0.4倍显然设计时依照静强度进行设计；不清楚失效是疲劳问题。对材料与失效缺乏认识测定材料疲劳强度、组织分析、应力定量估算依据：1）断口宏观形貌；疲劳断口外加载荷是 交变载荷；2 2）材料学基础知识）材料学基础知识13 第2页，共 19页大齿轮：中碳合金钢感应加大齿轮：中碳合金钢感应加热相变强化表面热相变强化表面HRC50HRC50左右左右小齿轮：表面硬应小齿轮：表面硬应HRC 60HRC 60左右、心部强韧性更好？左右、心部强韧性更好？大齿轮与小齿轮哪个更易磨损？大齿轮与小齿轮哪个更易磨损？

10、 第第3 3章章 利用扩散利用扩散+ +相变设计表面改性技术相变设计表面改性技术例：内燃机齿轮例：内燃机齿轮“设计设计”表面：强烈摩擦磨损表面：强烈摩擦磨损; ;心部：承受弯曲应力心部：承受弯曲应力; ;冲击载荷冲击载荷; ;表面硬度要求一般分成三类：表面硬度要求一般分成三类：HRC HRC 45-5545-55左右（快速加热相变强化）左右（快速加热相变强化）2. HRC2. HRC55-55- 6 63 3左右（设计？）左右（设计？） 3. HRC3. HRC大于大于6565（设计？）（设计？）14 第2页，共 19页 表层硬度表层硬度HRC55-63HRC55-63；心部强韧设计思想；心部

11、强韧设计思想小齿轮表面改性设计小齿轮表面改性设计 正火正火机加工机加工表面改性处理（渗碳表面改性处理（渗碳+ +淬火淬火+ +低温低温回火）回火）磨削磨削设计思想：利用设计思想：利用M M相变基本规律相变基本规律与组织性能特性；碳渗入表面与组织性能特性；碳渗入表面淬火，表面高碳淬火，表面高碳M;M;心部低碳心部低碳M M15 第2页，共 19页 HRC65 HRC65 设计思想设计思想工具：材料的相图工具：材料的相图Fe-NFe-N相图相图：氮原子渗入钢表面，氮原子渗入钢表面，达到达到20%20%形成形成Fe4NFe4N；达到；达到28%28%形成形成Fe2-3NFe2-3N化合物硬度提高化合

12、物硬度提高（此处的（此处的相变并非是非平衡组织转变）相变并非是非平衡组织转变）设计思想：利用相图分析渗入元素与基体反应形成设计思想：利用相图分析渗入元素与基体反应形成化合物可能性，改变材料表面性能；化合物可能性，改变材料表面性能；HRC65HRC65 扩散理论属于设计必须应用的理论扩散理论属于设计必须应用的理论16 第5次作业题1.下图是下图是50CrVA材料冲击断口形貌照片材料冲击断口形貌照片。根据断口形貌思。根据断口形貌思考下面问题：冲击样品断口上裂纹源的位置考下面问题：冲击样品断口上裂纹源的位置.简述原因简述原因（注：做作业时，可以画示意图说明裂纹源位置）（注：做作业时，可以画示意图说明

13、裂纹源位置）17 作业题2.某零部件是个圆环类部件，内孔受到拉某零部件是个圆环类部件，内孔受到拉-拉交变载荷后断拉交变载荷后断裂，断口形貌如下图所示，确定启裂点位置，初步判断裂，断口形貌如下图所示，确定启裂点位置，初步判断断机制。断机制。（注：做作业时，画示意图说明裂纹源位置）（注：做作业时，画示意图说明裂纹源位置）18 第第 2次次 作作 业业 讨论讨论 第第1题题：在在加热过程中加热过程中如果工件尺寸非常大，是否也会产生热如果工件尺寸非常大，是否也会产生热应力？应力？ 1）如果产生说明表面与心部应力特点（压应力？拉应力？）如果产生说明表面与心部应力特点（压应力？拉应力？）如果不产生说明理由

14、。）如果不产生说明理由。 2）如果产生应力，为什么生产中一般情况下不考虑对性能）如果产生应力，为什么生产中一般情况下不考虑对性能影响？影响？19第4页，共 19页 加热开始加热开始 表层变化表层变化 表层膨胀表层膨胀 心部变化心部变化 基本不变基本不变 表层应力表层应力 压应力压应力心部应力心部应力 拉应力拉应力 加热后期加热后期 表层变化表层变化 基本不变基本不变 心部变化心部变化 心部膨胀心部膨胀 表层应力表层应力 拉应力拉应力 心部应力心部应力 压应力压应力 高温保温过程中，应力会消除。原子强烈热振动高温保温过程中，应力会消除。原子强烈热振动向平衡间距方向运动；应力消除向平衡间距方向运动；应力消除 加热应力特点应力特点20 第第3次作业次作业 42CrMo淬火淬火+550回火回火组织；组织； 100X 500X请分析：请分析：1)基本形貌特征（黑区与白区）？基本形貌特征（黑区与白区）？ 2) 黑区与黑区与白区是何种相组成？白区是何种相组成？3) 是否有异常组织？原因？是否有异常组织？原因？ 21 第第3次作业次作业 42CrMo淬火淬火+550回火回火组织；组织；1.基本形貌特征：白区基本形貌特征：白区+黑区；黑区；白区特征：白区特征：2种