13-第十章-机械零件的失效分析和表面处理解析

第十章机械零件的失效分析和外表处理第一节机械零件的失效分析一、失效的概念所谓失效是指零部件在使用过程中，由于尺寸、外形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、飞机消逝故障等，严峻地威逼人身生命和生产安全，造成巨大的经济损失。分析零部件的失效缘由、争论失效机理、提出失效的预防措施具有特殊重要的意义。二、失效形式常见失效形式有变形失效、断裂失效、外表损伤失效及材料老化失效。(1)过量变形失效-是指零件在工作过程中受力产生的变形量超过了允许值，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)断裂失效-零件在工作的过程中发生断裂的现象称断裂失效。〔3)外表损伤失效-主要是指零件外表的磨损、接触疲乏和腐蚀。(4)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行避开的。一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用，但是，各种失效因素相互穿插作用，可以组合成更简洁的失效形式。例如应力腐蚀、腐蚀疲乏、腐蚀磨损、蠕变疲乏交互作用等。1/20三、失效的缘由造成机械零件失效的缘由很多，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。(1)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：一是零件的构造、尺寸设计不合理或构造工艺性差，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量了零件的工作条件，例如对零件承载力气设计得不够，或是无视、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状况已随着应力分析水公正的提高而大大削减。(2)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反抗破坏的力气。往往一个零件需要同时满足几个方面的性能要求，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，如冷加工时零件外表有较深的刀痕；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缘由。(4)安装使用不正确在装配或安装的过程中，机械零件协作过松或过紧。对中不良，固定太松或太紧等缘由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、失效分析方法造成机械零件失效的缘由很多，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。失效分析是争论失效的过程并进展分析，以求弄清失效的本质、产生的缘由以及提出预防的措施，以防止类似的问题重复发生。根本过程如下：〔1〕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状况，收集保存残体供分析。〔2〕用材和成形制造工艺调查复查化学成分和原材料质量，具体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缘由〕、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，目的是争论材料的显微组织构造与失效的关系〕、力学性能测试等，必要时进展无损探伤和断裂力学分析。失效分析的结果对零件的设计、选材、加工以及使用具有确定的指导意义。3/20其次节材料的外表处理技术简介一、外表处理的意义在扭转、弯曲、冲击、疲乏等负荷作用下的零件，其外表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协作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，外表将受到介质的侵蚀作用。因此，材料外表很简洁受到各种类型的损伤。很多破坏往往是从外表开头的，比方外表疲乏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外表沟痕引起应力集中，成为断裂的起源。因此，有必要对材料的外表进展特殊的强化或防护处理，以提高外表硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，防止或减轻外表损伤，提高零件的牢靠性和使用寿命。有时进展外表处理是为了提高零件的装饰性。通过外表处理，在保持材料本体承载力气的前提下提高外表抗失效力气，明显具有乐观的经济意义。4/20二、外表处理方法与分类外表处理方法有很多，主要分为两大类：外表强化处理和外表防护处理。常用的外表处理工艺方法有：外表热处理【包括外表淬火(含激光外表热处理)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消逝。三、外表预处理材料在进展外表处理前，一般需要经过预处理，包括除油、除锈、粗化、活化和抛光。外表预处理的目的是：预先制备清洁的外表，以便后续外表处理工序的进展、或保证掩盖层与材料基体有坚固的结合强度。对很多外表处理工艺而言，如气相沉积、热喷涂、电镀等外表预处理质量的好坏，在很大程度上预备着外表处理工艺的成败。5/20四、常用外表强化处理技术方法常用外表强化处理方法有：外表淬火〔工业上广泛应用的有火焰加热外表淬火、感应加热外表淬火和激光加热外表淬火〕，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，电火花外表强化等。其中，外表淬火、化学热处理和气相沉积已经在第四章第七节钢的外表热处理和热处理新工艺简介中作了介绍，这里不再重复争论。1.热喷涂它是承受气体、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外表，从而形成附着坚固的外表层的加工方法。假设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。依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。6/202.堆焊和喷焊(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外表形成冶金结合层的方法。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外表，到达修复或改善工件外表性能的目的。(2)喷焊是承受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外表，再连续加热至1000～1300℃，合金熔化后经冷凝生成涂层，使其和基体外表到达良好结合的方法。3、电火花外表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，形成合金化的外表强化层，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外表进展强化的工艺方法。7/204.激光束外表合金化激光热处理的根本原理激光是二十世纪60年月消逝的重大科学技术成就之一，70年月开头应用于金属热处理。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：①高方向性。光束的发散角可小于一个到几个毫弧度，根本上是平行的。②高亮度性。光束特殊强，并可聚拢成很小的光斑，具有很高的能量密度。③高单色性。频率范围特殊窄，有很好的相干性。当激光束照射到金属外表时，其能量几乎全被外表层吸取转变成热，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展外表淬火和外表合金化。

8/20五、常用外表防护性处理方法1.氧化处理(1)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，在金属外表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力气的一种简便而又经济的方法。膜厚在0.5-1.6μm。膜层具有很好的吸附性，发蓝后的零件再进展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；对外表光滑要求高或抛光的周密件，发蓝后外表既亮又黑，具有防护和装饰的效果。这一工艺在周密仪器、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，使其外表生成人工氧化膜。一般是将铝件浸在含有碱溶液和碱金属的铬酸盐溶液中，铝和溶液相互作用,很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜，其膜厚度大约0.5-4μm。这种氧化膜具有较高的吸附力气，—般工业上作为外表涂装的底层，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力气，使涂料的保持性增加。铝及铝合金化学氧化的优点主要是生产效率高、本钱低、不消耗电能，不需特地设备，适于大批量生产。因此，化学氧化法在面饰中大量承受。2〕铝及铝合金的电化学氧化铝及铝合金零件在电解液中进展电化学氧化，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。9/202．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展化学处理，在金属外表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。磷化是钢铁外表防护的常用方法之一，应用愈来愈广泛。有色金属如锌、铝、铜、锡等都可以进展磷化处理。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3-20μm，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，其缺乏在于膜本身机械强度不高，有确定脆性。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，特殊是对高强钢。一般对受力较小的低碳或中碳钢不会造成危害。10/203．电镀和化学镀镀层装饰技术能在制品外表形成具有金属特性的镀层，这是一种较典型的外表装饰技术。金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性，而且能够增加制品外表的颜色、光泽和肌理的装饰效果，因此能疼惜和美化外表，由于有优异的镀层，常常使制品的品位和档次得到提高。按镀层的外表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：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外表上沉积形成电镀层。化学镀：是一种在无外加电流的状况下,利用复原剂在具有催化活性的外表进展氧化复原反响而沉积出镀层的方法。溶液中一般含有主盐，供给形成镀层的主要成分；复原剂，复原主盐中的离子；络合剂，拓宽镀液工作的pH值范围,提高沉积速度,改善镀层光滑致密性,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。11/204.涂层装饰技术在制品外表形成以有机物为主体的涂层，并枯燥成膜的工艺，称为涂装技术，这是一种简洁而又经济可行的外表装饰方法，在工业上通常简称为涂装。涂装的目的有三方面：①疼惜作用。②装饰作用:使制品外观在视觉感受上成为美观悦目的制品。③特殊作用。使制品具有隔热、绝缘、耐水、耐辐射、阻尼、杀菌、吸取雷达波、隔音、导电等特殊功能。特殊是通过涂装与其它外表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外表，形成坚韧的疼惜膜，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响性涂料转化，并向无有机溶剂涂料过渡。12/20第十一章机械零件的选材机械零件的设计包括零件构造设计、材料选择和工艺设计三个方面。在很多状况下，选材或用材不当是造成零件失效的重要缘由之一。因此，了解选材的思路，把握合理选材的原则，在把握各种工程材料性能的根底上，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

遵循三条根本原则：使用性能足够,工艺性能良好,经济性合理。第一节选材的根本原则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)和失效形式的根底上提出来的。依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简洁的。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。在对工作条件进展全面分析的根底上确定零件的使用性能。2.分析零部件的失效缘由，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，要求其具有高的疲乏强度、韧性和轴颈的耐磨性。因此，需要通过对零部件失效缘由的分析，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，而失效分析说明，曲轴的主要失效形式是疲乏断裂，而不是冲击断裂，因此应以疲乏抗力作为主要使用性能要求来进展曲轴的设计。制造曲轴的材料也可由锻钢改为价格廉价、工艺简洁的球墨铸铁。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15/203.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，还不能立刻进展选材，还需要通过分析、计算或模拟试验将使用性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。需依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.材料的预选依据对零件材料性能指标数据的要求查阅有关手册，找到适宜的材料，依据这些材料的大致应用范围进展推断、选材。对用预选材料设计的零件，其危急截面在考虑安全系数后的工作应力，必需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本钱的凹凸，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，必需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、生产效率和本钱。工艺性能对大批量生产的零件尤为重要，由于在大批量生产时，工艺周期的长短和加工费用的凹凸，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.金属材料的工艺性能：加工工艺路线简洁，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。铸造性能最好的是共晶成分四周的合金，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。锻造性能最好的是低碳钢，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、铸造铝合金不能进展冷热压力加工。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