设备维修工程学3

设备维修工程学

零件失效与维护修复技术部分

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WELCOMETOSTUDScienceOfPlantMainentenceEngineering第三部分机械零件失效理论一、机械零件失效分析概述（一）机械零件失效含义1.机件结束使用寿命的方式：失效、过时、一次性使用

2.失效基本定义：各种机械设备中的零件或构件（简称机件）失去期望的规定性能的状态即称为失效。

结束方式典型例子可恢复性缓慢失效密封件泄露有突然失效灯泡有/无过时淘汰蒸汽机车无一次使用火箭、炸弹无第三部分机械零件失效理论3.失效的现象与危害

1944、10，美国东俄亥俄州煤气公司液化天然气储气库，圆形储罐1/2高度处破裂起火，20分钟左右连锁倒塌爆炸，死128人，损失680万美元。1972、10，齐齐哈尔开往富拉尔基的公交车，在嫩江大桥越过小坑震动，突然前车轴折断，客车坠入江中，28人死。1979、5，我国一水电厂2#机组突然剧烈震动和声响，停机发现转轮10个叶片全部脱落，叶片和轴碎成500多块，修复花费110万元，停机3年多，少发电1.2亿度。1984、12、3，印度博帕尔市的美国联合碳化物公司一工厂，管道泄露，大量毒气排除，死375人，2000人重伤，50万居民中20人受毒气侵害，2万人要治疗。最后要求赔偿150亿。核电站泄露、化工原料泄露、气矿井喷等，危害极大第三部分机械零件失效理论（二）失效分析概念

1.定义：是指分析研究机件断裂、腐蚀、磨损及变形等失效现象的特征及规律并从中找出产生失效的主要原因的一门新的学科或失效分析技术。2.目的与意义：*通过分析能找到原因及影响因素，拟定改进措施，防止重复发生；*为改进设计、制造、选材、装配、运行等提供依据，改善机件性能与质量、安全可靠性等；*为安全分析、控制运行及安全运行提供资料和依据；*为新品开发、采用新技术、新工艺提供数据与依据；*为修复提供参考或选择修复工艺提供依据；*为公证、仲裁提供客观依据或证明。

第三部分机械零件失效理论3.失效分析的作用使机械装备工程系统构成良性循环产品设计选材冷、热加工试验、检验终端产品运行失效失效分析改进反馈修复换件第三部分机械零件失效理论（三）失效模式分析与统计分析

1.失效模式是指导致机件失效的物理和或化学变化过程。有内在（材料、性质）与外在因素（应力、环境、温度等）。基本失效的形式：变形（弹性、塑性）、断裂、材质变化。

第三部分机械零件失效理论

失效诱发因素应力因素大小状态方式拉压剪单双三各种受力形式组合环境因素温度介质常高低变冲…中腐氢液固真各种环境条件组合时间因素各种诱发因素组合第三部分机械零件失效理论2、失效分析模式弹性变形、塑性变形、过载压痕损伤、塑性断裂、脆性断裂、疲劳、腐蚀、磨损、蠕变、剥离、辐射损伤等3.失效的统计分析用统计分析方法分析估计规定时间内某种已经发生的失效是否再次出现失效的分析方法。统计分析实际工作中十分重要的内容。第三部分机械零件失效理论（四）、失效分析的基本程序1.明确要求：

*分析对象*具体目的（质量反馈、劣质件鉴别、仲裁、修理）

2.调查研究*查看（失效现场、文字资料、制造工艺、操作试验档案）*查询（运转状况、制造质量、人们意见、关联未失效件）

3.分析失效模式及一次失效件的确定*分析破坏顺序*失效源区

4.确定失效原因，采取措施*针对不同失效模式确定不同措施，综合考虑各种可能原因第三部分机械零件失效理论例如：机件失效模式为塑性断裂的可能原因有：

*材料选择不当，屈服强度偏低或设计安全系数太小*热处理工艺不当或漏检；*出现异常情况或操作不当，设备超负荷运转等。又例：疲劳断裂失效模式，可能原因：*选材不当，疲劳强度低；*设计不合理，应力集中严重；*工艺缺陷，机件表面有软点（如低强度焊逢、焊接热影响区域、退火区域等）*材质欠佳，有气孔、夹杂等冶金缺陷；*表面加工粗糙度偏高，刀痕较深；*设备产生异常振动等。

第三部分机械零件失效理论二、失效分析的常用技术1.分析样品的选取(1)参体拼接、拍照，编号记录（2）分析破坏的顺序（3）选样2.失效机件的感官检查及记录（1）肉眼检查（2）断口拍照与记录

第三部分机械零件失效理论3.无损检验（1）磁粉检验法：利用磁场找出铁磁性材料中表面以及表面下的不连续性缺陷的位置、轮廓、形状等。（2）液体渗透检验法（着色法）（3）涡流检验法（电磁检验法）：通过检测仪表上的指针偏转或波动显示缺陷或裂纹（4）超声波检验法（5）射线照相法：X射线法（6）实用应力法：X射线衍射法、粘贴电阻应变片法、光弹性涂层法第三部分机械零件失效理论

4.力学性能实验（1）硬度试验（2）拉伸实验（3）冲击实验5.断口的选择、保存和清理注意保护断口（用布或棉花包扎保护），清洗时注意清除灰尘、腐蚀物或污染物且不能歪曲断口形貌特征，一般情况下尽量避免用水清洗，但遇到海水或灭水剂断口时，先用水清洗，然后用丙酮或酒精清洗，最后烘干保存6.二次裂纹（新断口）的剖露第三部分机械零件失效理论7.断口的宏观检验与分析用肉眼、放大镜或体视显微镜观察。包括：断口颜色、断口花样、断口粗糙度、断口的边沿情况、断口冶金缺陷8.断口表面微观检验与分析（1）光学显微镜法：直接观察法、复型金相法、次生裂纹观察（二次裂纹观察）（2）电子光学显微镜观察：投射电子显微镜、扫描电子显微镜（3）断裂途径与显微组织关系的观察（4）断口产物的分析（5）破损机制或类型的鉴别：通过微区元素分布相对浓度的大小来推断元素的扩散状况、相以及异物的组成，确定断裂路径、局部开裂方向等。

第三部分机械零件失效理论9.化学元素分析10.断裂力学应用11.模拟实验12.综合分析，完成失效分析报告，得出失效原因，提出改进措施（1）失效机件的描述（2）失效时的运行条件（3）失效前的运行情况（4）机件制造及处理过程（5）失效机件材质冶金质量的评定（6）各种物理、化学、力学试验（7）失效的主要原因及影响因素（8）预防措施及改进建议等第三部分机械零件失效理论三、零件的磨损失效

参考教材（李新和主编）P25-32四、零件的断裂失效参考教材（李新和主编）P32-39第三部分机械零件失效理论五、零件的腐蚀失效参考教材（李新和主编）P39-46

六、零件的畸变失效

参考教材（李新和主编）P46-48第四部分机械维护与修复技术

本部分主要介绍内容

设备润滑与维护保养机械修复法

维修焊接基础基本知识维修热喷涂技术知识电刷镀技术知识粘接技术知识第四部分机械维护与修复技术A、机械维护一、润滑基础知识参考教材（李新和主编）P50-57第四部分机械维护与修复技术

二、润滑材料

参考教材（李新和主编）P57-60第四部分机械维护与修复技术

三、润滑油、脂的选用

参考教材（李新和主编）P60-61第四部分机械维护与修复技术

四、润滑方法与装置

参考教材（李新和主编）P62-64第四部分机械维护与修复技术

五、设备的保养

参考教材（李新和主编）P64-65第四部分机械维护与修复技术

B、机械修复技术部分

机械修复是研究零件破坏形式、修复方法及修后性能的综合学科。修复零件可以省时省费提精度性能延寿命。

一、机械修复法

参考教材（李新和主编）P107-111第四部分机械维护与修复技术二、焊接技术1.概述（1）焊接技术研究基本主题：焊接材料、维修技术（实施方法）（2）基本焊接技术：手工电弧堆焊、振动电弧堆焊、高频感应焊接、火焰堆焊（O2——C2H2）第四部分机械维护与修复技术（3）维修焊接技术基础*维修焊接的能源（热源）：焊接电弧、等离子弧、O2—C2H2

*修复层与基体金属的结合问题：晶内结合、晶间结合、物理化学结合*修复层形成过程中的物理化学反应*焊接热源对焊接基体的影响：金相组织、零件应力与变形*零件修复后的使用性能情况：修复层的抗磨损、抗腐蚀性能、抗疲劳性能第四部分机械维护与修复技术2.维修焊接方法基本介绍（1）手工电弧焊接及堆焊方法基本原理：利用在一定条件下，电荷通过两极间气体空间导电现象，形成连续燃烧的电弧。条件：两极间气体能连续产生带电粒子；两极间加上足够高的电压，带电粒子在电场作用下做定向运动。第四部分机械维护与修复技术或焊条熔敷层熔渣手工电弧焊接示意图阴极阳极焊件弧柱第四部分机械维护与修复技术

焊接时，焊接两极间的电场强度可达106V/cm空载时为50~70V。（2）手工焊接的设备：电源（电弧焊机）、焊钳、辅助工具、量具焊机有交流与直流两种。交流焊机电磁惯性小，动态特性要好些。交流焊机实质上是一台弧焊变压（降压）器，结构简单、使用维修方便、效率高、节能、节省材料等手工焊机应当具有一定条件：*一定空载电压（保证可靠引燃与稳定燃烧）*电流电压特征应具有“下降外特性）*适当短路电流承载能力*应方便调节焊接电流*具有良好动态特性（电流、电压随负载变化保证引弧容易、电弧稳定、飞溅小、焊缝成型好）

第四部分机械维护与修复技术

常见支流焊机型号：AX—320、AX4—300、AX—500、AP—10009（多焊位）硅整流焊机型号：ZXG—300、ZXG—400

比起一般直流焊机，硅整流直流焊机制造更简单、节省材料、使用寿命长、噪音小、效率高（3.）手工弧焊机的选择：

第四部分机械维护与修复技术（4）手工弧焊焊条：焊缝是由焊条金属和被焊金属一起熔化冷却后形成的。焊条不但影响电弧的稳定性，并且直接影响焊缝金属的化学成分和力学性能。*焊条的组成——焊条芯、药皮焊条芯是金属丝，作用为充当电极，传递电流，与被焊接金属之间形成电弧，同时参与形成焊缝，手工焊接时焊缝金属的50%~70%都是焊条芯形成的。焊条芯一般是结构钢类的材质。*焊条芯牌号为“H+数字”，焊条直径一般为Φ1.6~6，长度一般250~450。*焊条药皮一般包括矿物类物质、铁合金与金属粉、化工物质（水玻璃、钛白粉、碳酸钾、碳酸钠等）、有机物（淀粉、糊精、木屑等）；药皮作用为机械保护作用、冶金处理作用（脱氧、去有害杂质、添加有益元素）、改善焊条焊接时的工艺性能、改善焊条制造工艺性能。焊条有酸性、碱性焊条之分。TiO、TiCaO、TiTe、FeO型属于酸性焊条，低HK、低HNa性焊条属于碱性焊条。

第四部分机械维护与修复技术

*焊条分类与牌号

有十大类：J（结构钢焊条）、R（耐热钢焊条）、W（低温钢焊条）、A…G（不锈钢焊条）、D（堆焊焊条）、Z（铸铁焊条）、Ni（镍及镍合金焊条）、T（铜及铜合金焊条）、L（铝及铝合金焊条）、TS（特殊用途焊条）焊条牌号编号随大类不同，具体数字代表的含义有所不同。常见牌号：J425X42—焊缝金属抗拉强度不低于420MPa5—纤维素型药皮、交直流X—立向下专用焊条J507CuP50—焊缝金属抗拉强度不低于490MPa7—低氢纳型药皮、直流

CuP—焊接铜磷钢，抗大气和耐海水腐蚀的特殊用途第四部分机械维护与修复技术*焊条直径的选择：

一般考虑以下几个因素：焊件厚度、焊缝空间位置、堆焊层的厚度*焊接电流的选择：

—计算法确定焊接电流，经验公式：焊条直径*焊条直径系数。

焊条直径（mm）1.62~2.53.24~6系数K（A）1.5~2.520~3030~4040~55

—试焊法确定焊接电流第四部分机械维护与修复技术*焊接电弧电压和焊接速度的选择：手工焊接力求短弧操作，弧长不超过焊条的直径，焊接速度在保证焊缝宽度和高度一致，成型美观的情况下尽量提高速度。*确定极性接法：酸性焊条工艺性好，可用交、直流焊接，对极性没有要求；焊缝含H多的，采用直流反接；焊接薄壁件时，采用直流反接，减少熔深和过热，加快焊接速度；电弧切割时采用反接好。*预热温度确定：一般不能超过零件回火温度，100~1500C第四部分机械维护与修复技术3.其他焊接技术方法（1）埋弧自动堆焊（2）振动电弧焊（3）等离子焊（4）二氧化碳气体保护自动焊4.焊接主要缺陷、形成原因、防止措施：(1)焊接裂纹——按照出现时的温度不同分为热裂纹、冷裂纹。冷裂纹产生的原因：焊缝及焊接热影响区中的含氢量、热影响区的淬硬程度、焊缝及近缝区焊接应力的大小热裂纹产生的原因：焊缝结晶过程中“液态间层”受拉伸应力的作用形成热裂纹。第四部分机械维护与修复技术防止焊缝产生的措施：正确选择焊接材料、对焊件焊前预热和焊后缓冷、提高焊接线能量、作好焊接前准备、分层焊接（2）焊接变形：纵向横向变形、角变形、弯曲变形、收缩变形等焊接变形的原因：温度分布不均匀产生焊接应力与变形、焊缝金属收缩造成的应力与变形、金属组织变化造成的应力与变形措施：用小规范焊接、焊前预热及焊后缓冷、加热减应、合理安排焊接顺序、焊后回火、对称焊法施焊、反变形法施焊、逆向分段焊、刚性固定法、散热法、锤击焊缝法等第四部分机械维护与修复技术（3）焊缝中气孔

原因：焊条药皮产生、热源周围气体介质、焊丝和被焊金属的杂质、高温蒸发气体措施：焊前仔细清除焊件和焊丝表面油污、铁锈、油漆、水等污物；焊条、焊剂轰干、焊接规范保持稳定、选择合适的焊接规范，熔池时间延长；直流反接，减少N、H溶入液态金属中5.焊接事例介绍第四部分机械维护与修复技术三、热喷涂技术1.基本概念热喷涂是指将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射到零件表面上，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。2.热喷涂分类按热源分为：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、特殊方法喷涂3.热喷涂的发展瑞士Schoop博士首创，1908年用雾化装置实验喷涂，1913年世界第一台丝材喷枪成功研制，1920年完善应用于实践中。

第四部分机械维护与修复技术后来日本、德国、加拿大、美国相继研发热喷材料、装置、工艺等，用于尖端行业实现高熔点、高强度涂层需要。如航空航天、原子能、导弹、火箭。热喷材料有陶瓷、炭化物、金属陶瓷、难熔金属。我国50年代开始金属丝电弧喷涂，60年代军工行业开始等离子喷。

3.热喷涂应用火箭、宇宙飞行器、航空器、机械制造（摩具、涡轮、量具、刀片、齿轮、轴类、阀类、缸类）、化工、石油（裂化泵装置、钻杆、泵叶轮）、纺织机（凸轮、纤维导管）等。

4.热喷涂工艺基本特点热喷温度：等离子喷120000c、火焰喷30000c、电弧喷50000c、爆炸喷40000c。

特点比较：等离子喷——孔隙率低、结合性好、多用途、基材温度低、污染低；成本较高。

第四部分机械维护与修复技术火焰喷——设备简单、工艺灵活；通常孔隙率高、结合性差、工件要加热。电弧喷——成本低、效率高、污染低、基材温度低；只能用于导电喷涂材料，一般孔隙率高。爆炸喷——孔隙率非常低、集合性极好、基材温度低；成本高、效率低。

5.热喷涂基本原理基本工艺过程——使喷涂材料成为液状或熔融状态、细化液状及熔融状态颗粒达到数百个um、将液状或熔融状态颗粒喷涂到基体材料上并形成涂层。基体表面要求必须清洁和一定粗糙度，采用喷砂或喷丸方法实现。第四部分机械维护与修复技术四、电刷镀1、基本原理采用专用直流电源设备，电源正极接电镀笔（阳极），电源负极接工件（阴极），镀液中的金属离子在电场作用下扩散到工件表面，使得电子被还原成金属原子，沉积结晶形成镀层，伴随刷镀时间的增长，镀层变厚达到需要的金属镀层厚度。电镀技术基本化学原理：

Mn++ne=M

第四部分机械维护与修复技术电镀工作原理图镀液工件镀笔液槽电源第四部分机械维护与修复技术2.电刷镀技术的特点

（1）设备特点——便携式或移动式，体积小，一套设备可以完成多种镀层的刷镀，镀笔采用高纯度石墨，为不溶性阳极，形状可多种多样，用电、水量小，节约能源、资源。（2）镀液特点——多为金属有机化合物水溶液，络合物在水中溶解度很大，稳定性好，不同镀液颜色不同，透明清晰，没有浑浊或沉淀，便于鉴别，不燃、不爆、无毒性，腐蚀性小，手工操作方便，运输、保管方便。（3）工艺特点——最大工艺特点就是镀笔与工件必须保持一定的相对运动速度，由此也散热条件好，大电流下工件不易发热，结晶过程为断续过程，局部还原结晶，晶粒超细和密度高镀层易强化，同时直接接触易于金属离子扩散，镀层沉积速度快；手工操作方便灵活，易于满足复杂件的刷镀。

第四部分机械维护与修复技术4.电刷镀技术的应用范围*恢复磨损零件的尺寸精度与几何形状精度*填补零件表面的划伤沟槽、压坑*补救加工超差产品*强化零件表面*提高零件表面导电性能*提高零件的耐高温性能*改善零件表面的钎焊性*减小零件表面的摩擦系数*提高零件表面的防腐蚀性*装饰零件表面第四部分机械维护与修复技术5.电刷镀主要工艺的选择

*一般工艺过程——选择镀件材料、表面热处理、工件尺寸及镀层厚度确定、确定技术要求及工况条件、选择极性、电压（电流）、相对运动速度、温度控制等、镀层质量检查（定性、定量）检查

第四部分机械维护与修复技术五、胶粘技术1、基本定义凡利用粘接剂（能把各种材料紧密粘合在一起并具有良好性能的物质）对被粘物进行连接的技术统称为胶粘技术。2、胶粘技术在设备维修中的应用*断、裂零件的胶接修复*零件表面的磨损、划伤修复*零件表面腐蚀修复*零件密封与堵漏*铸件缺陷（气孔、缩孔等）修复第四部分机械维护与修复技术3、胶接技术的主要特点*可以连接各种种类的材料*零件可以避免热应力和热变形的产生*可以提高疲劳寿命*比起其他连接方式，可以减轻重量*比其他连接方式的强度低*工艺简单、不需要专门的复杂设备，施工场地要求不高，生产效率高、成本低*质量控制及检测手段有待提高，尤其无损检测手段及可靠性方面殛待提高第四部分机械维护与修复技术4、胶接基本原理——机械结合理论：零件表面的粗糙形成多孔性，胶粘剂渗透到表面沟痕或孔隙中固化后形成机械啮合力。——吸附理论：分子之间相互作用力引起。——化学键理论：粘接剂与被粘物质之间界面发生化学反应，形成化学键产生离子键力、共价键力、配位键力等。——扩散理论：粘接剂与被粘物质之间界面发生分子扩散相互“交织”，界面逐渐消失第四部分机械维护与修复技术5、胶接方法（1）基本连接方法：对接、斜接、搭接、套接、嵌接（槽接）（2）连接面的粘接基本方法：涂刮法、涂压法、模具形成法、喷涂法6、粘接剂的组成粘料（基料）、固化剂、促进剂、增韧剂、偶联剂、填料、溶剂、稳定剂7、粘接剂的种类结构胶粘剂、非结构胶粘剂、特种用途粘接剂、密封堵漏粘接剂第四部分机械维护与修复技术8、粘接基本工艺