1、工程机械维修,李德泉,目录,第一章 机械设备的老化与故障理论 第二章 可靠性理论与维修理论 第三章 摩擦与润滑 第四章 机械零件的失效分析 第五章 机械零件的修复技术与再制造,第六章 典型零件的修复 第七章 机械修理过程的主要工艺及修理管理 第八章 现在柴油机典型修理装配工艺 第九章 工程机械底盘修理,第三章 摩擦与润滑,第一节 金属表面特征第二节 摩擦第三节 润滑,4课时,教学目的：1、理解摩擦产生的原因2、掌握润滑的实际应用,摩擦学是研究材料（零件）的摩擦、磨损与润滑及其应用的一门科学。摩擦是发生在相互运动零件表面之间的一种不可避免的自然现象。磨损是摩擦的必然结果。润滑则是改善摩擦、减缓磨
2、损的有效方法。,第一节 金属表面特征,金属零件表面的几何特征 金属零件表面层的结构 金属表面的边界膜 金属表面的接触特性,1、1 金属表面特征,根据表面的波距与波幅之比（L/H）将它们分为宏观、中间及微观偏差三种。 宏观偏差的L/H1000； 中间偏差（或称波纹度)的L/H在501000范围内； 微观偏差（或称粗糙度）的L/H50。,3.金属表面的边界膜 实际的固体表面会含有各种各样的吸附构质或化学反应产物，只要把固体表面放在一定的环境之中，固体表面就会与环境（如各种润滑剂）发生相互作用而形成不同的表面膜。这些表面膜可分成四种形式：物理吸附膜化学吸附膜化学反应膜和氧化膜。 吸附膜：物理吸附膜
3、，适用常温、低速、轻载 化学吸附膜，适用中等温度、速度、载荷 反 应膜：化学反应膜，适用重载、高温、高速 氧化膜，只能起瞬时润滑作用,4、,问题思考,金属的表面分析对研究摩擦的实际意义是什么？,第二节 摩擦,摩擦的定义及分类1、摩擦定义2、摩擦分类3、摩擦实质 摩擦理论 边界摩擦机理 影响摩擦的因素 摩擦时表面上发生的现象 润滑与摩擦,1、2 摩擦的分类,.定义：任意两个相互接触的物体，在外力作用下，当有相对运动或相对运动趋势而接触面具有阻止相对运动或相对运动趋势的作用的现象称为摩擦。这种阻止两物体相对运动或相对运动趋势的作用力叫做摩擦力。 出现或发生摩擦现象的三个充分和必要条件是：两物体或物
4、体的两个部分；要相互接触即相互作用又相互约束；有相对运动或运动的趋势。 摩擦有有害的一面，也有摩擦有益的一面。,1、3 摩擦机理概述,早期的摩擦理论：机械理论、分子理论、分子机械理论 粘着理论 能量理论,1、4 影响摩擦的因素,1润滑条件 ； 2表面氧化膜 ； 3材料性质 ； 4载荷 ； 5滑动速度 ； 6静止接触的持续时间 7温度 ； 8表面粗糙度 。,1、5 摩擦时表面上发生的现象,1表面化学效应 ； 2金属的转移 ； 3温度作用形成温度梯度，产生热应力。摩擦表面的温度对它的摩擦学性能有很大影响：改变表面的摩擦状态；硬度随温度升高而降低，表面易破坏，磨损要加剧；使金属的互溶性随温度升高而变
5、化；引起金属的相变，改变材料结构。 4产生振动 ； 5预位移 两摩擦物体在做宏观相对滑动之前，表面间会出现微观滑动称为预位移。,思考题,如何理解摩擦理论对摩擦的解释。影响摩擦因素中，那些不属于线性关系。,第三节 润滑,润滑的分类 液体润滑的原理 润滑方式与润滑系统,摩擦与润滑,摩擦按表面状态分实际上是按其润滑状态来划分的。按润滑情况、润滑状态分为无润滑、液体润滑、边界润滑、半液体润滑和半干润滑等。相应的摩擦按摩擦表面的润滑状态分为：干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦（半干摩擦和半液体摩擦）等。,干摩擦 摩擦表面之间没有任何润滑介质的润滑，称为无润滑，即两机件相对运动表面直接接触，处于干摩擦状
6、态。干摩擦系数一般在0.10.5之间或更高，干摩擦的磨损也比较强烈。 1.干滑动摩擦 按运动形态分为静摩擦和动摩擦 最大静摩擦力动摩擦力,2.干滚动摩擦：一般认为是微观滑移效应、弹性滞后、塑性变形、和粘着效应引起,液体摩擦,1.液体摩擦的特点 摩擦发生在液体内部，摩擦系数小； 工作表面不接触，理论上讲液体摩擦时没有磨损，实际上磨损很小 2.实现液体动压润滑的条件是：两相对运动的摩擦表面，必须沿着运动方向上有一个倾角，即能形成收敛的楔形间隙；两表面间应该具有足够大的相对运动速度，其运动方向必须从楔形间隙较大的一端向着较小的一端；润滑油必须具有适当的粘度，能保证连续供应，油量充足；外载荷必须小于油
7、膜所能承受的负荷极限值；动压油膜必须将两摩擦表面可靠地分隔开，,3.液体动压润滑,利用摩擦表面形状和相对运动，使得润滑油自然产生油压，把接触着的两个表面分开，这种情况称为液体动压润滑。,形成油楔的原理 一对摩擦副，底板固定，另一物体以速度相对滑动而形成油楔。 条件：运动物体表面上的润滑油的速度为 润滑油的流动为层流，且不可压缩。 滑动速度越大、润滑油粘度越大，油膜的承载力越强。,径向滑动轴承液体动压润滑油膜压力分布 a）径向压力分布 b）轴向压力分布,4.液体静压润滑 通过压力供油系统把具有一定压力的高压油供到摩擦表面的间隙中，将两相对运动的摩擦表面分隔开，从而保证运动副在承受一定载荷的情况下
8、处于液体润滑状态的润滑方式，称为液体静压润滑。,5.液体动静压润滑 液体动静压润滑兼有液体动压润滑和液体静压润滑的作用。 液体动静压润滑系统根据工作原理分为三种基本类型，即 静压浮起、动压工作； 动静压混合作用； 静压工作为主，动压工作为辅。,6.弹性流体动压润滑 在综合考虑流体动压效应、弹性体接触变形和润滑油压粘特性三者基础上而确立的压力润滑油膜，将摩擦表面分离开来的润滑状态称为弹性流体动压润滑，简称弹流润滑。,边界摩擦,边界摩擦过程可分为两个阶段进行： （1）边界膜完全起作用阶段 （2）边界膜不能完全起作用阶段 当边界膜能起很好的润滑作用时，摩擦系数取定于边界膜内部的剪切强度。由于它比干摩
9、擦时金属的剪切强度低得多，所以在这种情况下摩擦系数比干摩擦时的摩擦系数低得多；当边界膜部分被破坏后，值比较大，使摩擦系数升高。通常，在这种情况下的摩擦系数要比边界膜完全起作用时的摩擦系数大34倍左右。,混合摩擦（半液体摩擦和半干摩擦）,混合摩擦包括半液体润滑和半干润滑液体润滑的油膜部分遭到破坏时，油膜破坏的部位就会出现摩擦表面的直接接触，处于干摩擦或边界润滑状态。如果这时液体润滑仍占主要地位，则称为半液体润滑；如果油膜大部分遭到破坏，则称为半干润滑。半液体润滑和半干润滑时，液体润滑的油膜是不连续的，摩擦表面之间可能同时存在液体润滑、边界润滑和干摩擦三种情况，其摩擦系数和磨损的大小在很大范围内变
10、化。摩擦系数和磨损的大小取决于液体润滑油膜遭到破坏的程度、液体润滑油膜遭到破坏的部位是处于边界的润滑状态还是处于干摩擦状态，以及遭到破坏的油膜恢复的能力等。,润滑的分类,润滑介质 ：气体润滑 、液体润滑 、半液体润滑 、固体润滑 。 润滑剂的供应方法有：分散或单独润滑、集中润滑、油雾润滑等。 根据供油的时间和有否压力分为：间歇润滑、连续润滑、常压润滑、压力润滑等。,润滑方式与润滑系统 常见的润滑脂润滑方式如图所示,润滑方式与润滑系统 润滑油的润滑方式如图所示,对润滑系统的要求： 保持润滑的质量和可靠性； 结构简单，经济合理； 具有冷却和加热功能； 设置监控装置。,问题思考,结合实例说明几种润滑
11、方式,作业,1、润滑的方式有哪些？ 2、润滑的介质有哪些？ 3、润滑的目的是什么?自己归纳总结一下。 4、从柴油机中我们学到了那些润滑装置，液压呢？,第四章 机械零件的失效分析,第一节 机械零件的磨损第二节 机械零件的变形第三节 机械零件的断裂第四节 机械零件的腐蚀,教学目的：1、理解各种零件失效的形式2、掌握失效判断及预防,8课时,零件在载荷（包括机械载荷、热载荷、腐蚀及综合载荷等）作用下丧失最初规定的功能时，即称为失效。 一个机件处于下列三种状态之一就认为是失效：完全不能工作；不能完成规定功能；不能可靠和安全地继续使用。这三个条件可以作为机件失效与否的判断原则。 机械零件的失效形式是按失效
12、件的外部形态特征来分类的。大体包括：磨损失效、断裂失效、变形失效和腐蚀与气蚀失效。在生产实践中，最主要的失效形式是零件工作表面的磨损失效；而最危险的失效形式是瞬间出现裂纹和破断，统称为断裂失效。,失效的概念,第一节 机械零件的磨损,磨损的一般规律 磨料磨损1、磨料磨损分类2、磨料磨损的机理3、磨料磨损的影响因素分析4、减少磨料磨损的措施 粘着磨损1、粘着磨损的机理2、粘着磨损的类别3、影响粘着磨损的因素4、减少粘着磨损的措施,疲劳磨损1、疲劳磨损的机理与类型2、提高抗疲劳磨损的途径 微动磨损1、微动磨损的过程2、减小微动磨损的措施 腐蚀磨损 冲蚀磨损1、硬粒子冲蚀2、液滴冲蚀3、气蚀,发生磨损
13、的条件： 有相互接触的表面 接触表面间产生相对移动 表面产生材料损失。 零件发生磨损的危害： 原有的尺寸、形状和表面质量发生改变； 破坏了配合副的配合性质 零件精度丧失 机械效率下降 机械经济型下降 机械发生故障,磨损的分类,按摩擦表面破坏的机理，磨损分为磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损。 至今尚无统一的方法，图为德国标准化协会对磨损的分类。,磨损特性：是十分复杂的现象，也是复杂的多学科的问题,磨损的一般规律 零件磨损是有规律的，但磨损规律也各不尽相同。图表示磨损过程的曲线称为磨损曲线，用来表示动配合摩擦副中配合副的磨损规律。 磨合阶段（阶段）如图中的O1A段，又称跑合阶段。
14、稳定磨损阶段（阶段） 如图中的AB段。 急剧磨损阶段（阶段） 如图中曲线B点以右部分。,减缓磨损延长配合副零件 使用寿命的方法,适当减小装配间隙 缩短磨合期 降低正常磨损阶段的磨损率,1、磨料磨损 是由硬颗粒或硬突出物引起材料破坏，分离出磨屑的磨损 一.磨料磨损分类 按力的作用特点、受磨损表面、相对硬度、相对运动进行分类的情况如图所示。常用的是按摩擦表面所受的应力和冲击力的大小分为 凿削式磨料磨损、 高应力碾碎式磨料磨损 低应力擦伤式磨料磨损。,磨料磨损的机理,金属材料的磨料磨损机理主要有：以微量切削为主的假说；以疲劳破坏为主的假说；以压痕破坏为主的假说和断裂起主要作用的假说几种。 1.微切削
15、机理 该机理认为磨料磨损主要是由于磨料在金属表面产生微观切削作用造成的。,疲劳破坏机理,这一机理提出金属同磨料摩擦时，主要的磨损原因并不是由于磨料切下切屑，而是金属的同一显微体积的多次重复变形发生金属疲劳破坏导致小颗料从表层上脱落下来。也就是说，磨料对摩擦表面的法向力和切向力，使金属表面承受交变接触应力造成材料的疲劳破坏。与此同时，也有微切削过程。,压痕破坏机理,显微镜观察磨料磨损过程发现，当抛光的塑性材料金属表面紧贴在砂纸上时，个别磨料压入表面。移动试件时，压入试件的磨料就犁耕金属表面，使金属表面受到严重变形产生压痕，压痕两侧的金属，其它磨料很容易使其脱落。,断裂破坏机理,当磨料压入和擦划金
16、属表面时，压痕处的金属要产生变形。当磨料压入深度达到临界深度时，伴随压入而产生的拉伸应力足以产生裂纹。在擦划过程中产生的裂纹可出现两种类型，垂直于表面的中间裂纹和从压痕的底部向表面扩展的横向裂纹。当横向裂纹相交或扩展到表面时，材料微粒便发生脱落，形成磨屑。,磨料磨损产生的原因,材料和磨料的相互作用 磨料颗粒承受的载荷可分解成法向分力和切向分力。在法向分力作用下，磨料的棱角刺入材料表面；在切向分力作用下，磨料沿平行表面方向滑动，若带有锐利棱角，并具有合适迎角的磨料能切削材料而成切屑，使切槽底部及两侧挤压产生塑性变形。 如果磨料棱角不够锐利或刺入表面角度不适合切削，会使材料表面产生犁沟变形。,磨料
17、本身的磨损机理,磨料的硬度与磨损有很大关系，磨料硬度小，将会被压碎，磨料硬度高，磨损率会很大。,磨料磨损的影响因素分析,磨料磨损的机理是属于磨料磨粒的机械作用。它在很大程度上与磨粒的硬度、形状、大小、固定程度以及载荷作用下磨粒与被磨材料表面的力学性能有关。 1金属摩擦面材料的性质 一般情况下，金属材料的硬度越高，耐磨性越好； 2磨料性质 磨料粒度对材料的磨损率存在一个临界尺寸。磨料粒度的临界值为60100 ； 3.磨料的硬度Ha越大，磨损率越高。几何形状呈棱角状的磨料其挤切磨损能力比呈圆滑状磨料强； 4其他因素 影响磨料磨损还有许多其他因素，例如摩擦表面相对运动的方式，磨损过程的工况条件等等。
18、,减少磨料磨损的措施,1.减少磨料的进入 应设法阻止外界磨料进入磨擦副，并及时清除摩擦过程中产生的磨屑。具体措施为：对空气、油料过滤；注意关键部位的密封；经常维护、清洗、换油；在润滑系统、液压系统中装入吸铁石、集屑房和滤清器堵塞报警装置；及时清洗各种滤清器及更换滤芯等。 2.增加零件的抗磨性 对工程机械中的许多遭受磨料磨损的零件，主要是选择合适的耐磨材料，优化结构与参数设计；对轴颈与轴瓦、滚动轴承、缸套与活塞、机械传动装置等，提高摩擦副表面的制造精度；进行适当的表面处理；两接触表面采用一软一硬的材料；,粘着磨损,粘着磨损的定义与机理 粘着磨损是指两个作相对滑动的表面，在局部发生固相焊合，使一个
19、表面的材料转移到另一个表面的磨损。是干摩擦的结果,粘着磨损的机理 由于摩擦表面粗糙不平，两摩擦表面实际上只是在一些微观点上接触。在重载或润滑不良时由于法向载荷的作用，接触点的压力很大，使金属表面膜破裂，两表面的裸露金属直接接触，引起塑性变形和表面局部温度急剧升高，接触表面金属因此熔化且又迅速冷却，在接触点上发生焊合，即粘着。当两表面进一步相对滑动时，粘着点便发生剪切及材料转移现象。在邻近区域，凸出的材料又可能发生新的粘着。直至最后在表面上脱落下来，形成磨屑。这一过程可用图表示。粘着磨损的过程可描述为：摩擦表面相对滑动时，粘着点被剪切，随后再粘着、再剪切，最后使摩擦表面破坏并形成磨屑。粘着磨损的
20、大小与粘着点的剪切位置有关。,根据粘着点与摩擦副材料强度、载荷工况及摩擦表面的破坏的程度，粘着磨损可分为轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱和咬死等类型。,也可分为外部粘着磨损和内部粘着磨损，多数是外部和内部粘着磨损同时发生。 粘着磨损的破坏程度由轻到重。 重载高速条件下发生的粘着磨损叫热粘着磨损；重载低速条件下发生的粘着磨损叫冷粘着磨损。 粘着磨损存在三条规律： 材料的磨损量与法向载荷成正比； 与滑动距离成正比； 与较软材料的屈服点或硬度成反比。,粘着磨损发生的条件,1.摩擦表面洁净，无吸附物、氧化层和润滑剂； 2.摩擦表面的成份和金相组织 互溶性越好易发生； 3.接触面愈近愈易发生粘着磨损； 4.润
21、滑及散热不良，润滑油粘度太高或太低； 5.配合副表面粗糙度太低或太高； 6.接触应力（负荷）过大等。 当载荷较大或速度极高、摩擦表面温度很高时，磨损率反而显著下降，因为裸露出的金属会在高温下迅速生成新的保护膜。,影响粘着磨损的因素,1.材料的性能：塑性材料易发生； 2.润滑性能：要求润滑油的性能与机械的工作特性相适应 3.温度：温度高，润滑油粘度下降，油膜厚度变小，达到一定程度时，液体摩擦变为边界摩擦，温度达150180时边界膜破裂，成为混合摩擦或干摩擦； 4.载荷和速度； 5.表面状况。,减少粘着磨损的措施,1保证润滑 合理选用润滑剂 保证摩擦面间形成液体润滑状态，隔离互相摩擦的金属表面是最
22、有效、最经济的措施。2选择选配材料 金属与非金属，钢与石墨、塑料等非金属配对 3用硬的非金属涂层 如工程塑料作耐磨层是很有效的4适当的表面处理 表面淬火、表面化学处理、磷化处理、硫化处理、渗氮处理、四氧化三铁处理以及适当的喷涂处理、提高零件表面的贮油性；5限制机械工作时的工作参数 （控制摩擦副零件的工作条件 ）；6. 使用修理中采取防止油膜被破坏的措施 如不缺油、防杂质，保证配合间隙，防止装配变形和降低精度。,微动磨损,微动磨损是两固定接触面上出现相对小幅振动而造成的表面损伤，主要发生在宏观相对静止的零件结合面上。 微动磨损的主要危害是使配合精度下降，紧配合的零件变松，更严重的是引起应力集中，
23、导致零件疲劳断裂。,图中a）表示接触区的应力分布，在边缘处应力最大。b）表示在运行过程中，由于负荷作用，轴发生弯曲，在两端出现微动。微动磨损会成为疲劳裂纹的核心，并可能引起接合件断裂。,微动磨损的过程,当两接触表面具有一定压力并产生小振幅相对振动，接触面上的微凸体在振动冲击力作用下产生强烈的塑性变形和高温，发生相互粘着现象。在以后的振动中，粘着点又会被剪断，粘着物在冲击力作用下脱落，脱落的粘着物与被剪断的表面因露出纯洁表面会迅速氧化。 由于两接触表面之间没有宏观相对运动，配合较紧，故磨屑不易排出，留在接合面上起磨料的作用，磨料磨损取代了粘着磨损。 随着表面进一步磨损和磨料的氧化，磨屑体积膨胀，
24、磨损区间扩大，磨屑向微凸体四周溢出。 随着振动过程的持续，邻近区域也发生微凸体转化成麻点坑的过程，使麻点坑连成一片，形成大而深的麻坑。,微动磨损是一种复合形式的磨损，兼有粘着磨损、氧化磨损、磨料磨损,形成微动磨损的条件 1.两表面必须承受有载荷； 2两表面间存在小振幅振动或反复相对运动； 3.界面的载荷和相对运动必须使表面产生变形和位移。,影响微动磨损的因素,影响微动磨损的因素很多,并且各种因素相互影响。因此微动磨损比其它磨损形式更为复杂和难以认识。,减小微动磨损的措施,1改进设计,消除和减小接触表面之间的相对振动或尽可能减少接触面； 2.选择合适的材料和表面处理工艺，对表面进行强化； 3.用
25、非腐蚀的润滑剂。,疲劳磨损,疲劳磨损（或称接触疲劳磨损）是摩擦副表面相对滚动或滑动时，材料微体积受周期载荷引起的很大的交变接触应力的作用而产生重复变形，当超过材料疲劳强度时，金属表层产生疲劳裂纹并不断扩展，最后引起表层材料脱落，造成点蚀和剥落，这一现象称为表面疲劳磨损。 疲劳裂纹一般在固体有缺陷的地方出现，这些缺陷可能是机械加工时造成的，也可能是材料在冶金过程中造成的，还可能在金属相之间和晶界之间形成。在摩擦磨损过程中，表面层发生塑性变形和发热，润滑油的作用等条件对疲劳磨损都会产生重要影响。,疲劳磨损的机理、类型与过程 疲劳磨损主要是由于接触区循环切应力造成的。,疲劳磨损形成的机理 按裂纹产生
26、的位置有三种解释。 1）裂纹在表面产生 2）裂纹从接触表层下产生 在纯滚或既滚又滑的接触过程中，根据弹性力学，两接触物体在距表面下剪应力最大处（纯滚时为0.786b处，b为赫芝接触区宽度之半）塑性变形最剧烈，在周期载荷作用下的反复变形使材料局部弱化、并在剪应力最大处出现裂纹，沿着最大剪应力方向扩展到表面，形成疲劳磨损。 3）表面压碎剥落 这种破坏方式主要发生在表面经过强化处理的零件上，如渗碳、表面淬火等。,疲劳磨损过程 以一个表面在另一个表面作纯滚动或滚动加滑动时为例，此时最大切应力发生在亚表层，根据摩擦表层发生的现象，疲劳磨损过程是由三个发展阶段组成： 表面的相互作用； 在摩擦力影响下，接触
27、材料表层性质的变化； 表面的破坏和磨损微粒的脱离。,疲劳磨损的类型,可分为扩展型和非扩展型 非扩展型一般是由摩擦表面的凸点接触产生小麻点，到支承面增大后，接触应力降低麻点停止扩大。 扩展型一般发生在塑性差且接触面上有较大压应力和剪切力时，小麻点扩展成凹坑。,典型疲劳磨损,1.齿轮的疲劳磨损2.滚动轴承的疲劳磨损影响疲劳磨损的因素 1.材料质量；2.表面硬度和基体硬度；3.润滑油的粘度；4.表面粗糙度。,提高抗疲劳磨损的途径,1减少材料中的脆性夹杂物 ；2表面要有适当的硬度 ，摩擦副适当的硬度匹配也是减少疲劳磨损的正确途径。3提高表面加工质量 降低摩擦表面粗糙度和形状误差；4对表面进行渗碳、淬火
28、、表面喷丸、滚压处理等，使表层产生残余压应力，提高接触疲劳抗力；5润滑油可使接触区压应力的集中载荷分散，加强润滑合理选用润滑油及粘度；6提高装配质量 ，保证装配精度，避免局部压力过大或变形。7配合副工作表面要清洁，要防止灰尘进入摩擦表面之间，对磨损磨粒要及时清除，避免硬磨粒对摩擦表面的磨损和局部应力过大产生压痕。,气蚀（穴蚀）,气蚀是零件与液体接触并有相对运动时，零件表面出现的一种损坏现象。 破坏的特点：局部出现麻点、针孔，严重的呈聚集的蜂窝状的空穴群，深度可穿透零件壁厚 。 气蚀是一种复杂的破坏现象，液体的化学及电化学作用、液体中含有的磨料、机械的振动等均可造成。,气蚀的机理,一般认为液体在
29、流动时因流速变化或者固体表面的振动使液体某特定部位局部出现压力下降至低于液体的饱和蒸汽压时，溶解在液体中的空气析出成核，并长大至一稳定尺寸。当压力再次升高或气泡随液体流动到达高压区时，气泡将被压缩变形，最后被压溃、破裂，气泡周围的液体急速向气泡中心涌进，气泡溃灭速度可达500m/s，在气泡破裂的瞬间引起液体局部压力剧烈变化，并以溃灭中心呈对称地向周围液体发出高达几百兆帕甚至上千兆帕的局部的冲击压力和达数百度高温的微射流。如果气泡在紧靠零件表面破裂，就会对零件表面产生很大的冲击和挤压，使零件表面产生塑性变形，并导致疲劳损坏而脱落。这种破坏在开始时呈针状小孔，随后扩展、加深成为泡沫海绵状。因此，气
30、泡被压溃瞬时产生的局部高压和微射流冲击金属是发生气蚀的力学原因和根本原因，液体的化学或电化学腐蚀作用以及液流中含有的颗粒等将加剧这一破坏过程。,气蚀部位举例 发动机湿式缸套 工作条件：气缸内压力的周期变化和活塞侧推力的作用，使气缸套发生弹性变形并高频振动，引起冷却液体中产生气泡后又被压溃，产生瞬时高压冲击波,气蚀部位举例 曲轴主轴承、高压泵柱塞副、轮船的螺旋桨叶片、泵、阀门、浮筒、水轮机叶轮等。,防止和减轻气蚀破坏的措施,减少气泡的产生； 设法使气泡在远离零件表面的地方破裂； 采用耐气蚀材料。,防止和减轻气蚀破坏的措施,1）尽可能减少液体内的压力波动，防止液流中产生气泡的萌生与溃灭。具体方法有
31、：采用减振措施；与液体接触的零件表面设计成流线型；加宽液流通道，避免通道弯曲，防止液体产生涡流；加大液体静压力；除去液体中杂质以及在液体中加入乳化剂（如NT855发动机防腐蚀过滤器，内装磷酸钠Na3Po4）等。 2）选用强度高、抗腐蚀性能好的材料，如不锈钢、陶瓷、尼龙等。 3）零件发生气蚀部位的表面覆盖高强度耐蚀层。 4）对液体加强降温措施，在液体中添加缓蚀剂及防乳化油。 5）增加零件刚度，适当减小配合件间的配合间隙，机械工作应柔和，减少振动。,腐蚀磨损,摩擦过程中，摩擦表面发生化学或电化学反应，生成腐蚀物，在随后的继续摩擦过程中，将腐蚀物磨损掉，以此不断腐蚀磨损方式称之为腐蚀磨损。特点是磨损
32、中兼有腐蚀磨损，并且其中以腐蚀为主导。 1、氧化磨损 2、特殊介质下的腐蚀磨损 3、防止腐蚀性磨损的方法,硬粒子冲蚀,冲蚀零部件的粒子小而松散，粒子平均直径小于1mm，冲击速度在50mm/s以内，粒子的硬度高于被冲蚀材料的表面硬度。,液滴冲蚀,速度为720mm/s的水射冲钢的表面，峰值载荷达到6300N,思考题,这一介绍的磨损种类很多，谈谈学过这一部分内容后，你对各种磨损的理解。,第二节 机械零件的变形,金属零件的弹性变形 金属零件的朔性变形 蠕变 变形的原因 减少变形的措施,受力的作用而使零件的尺寸或形状发生改变的现象称变形。 机械零件的变形超过允许极限，将会引起结合零件出现附加载荷，相互关
33、系失常，加速磨损，卡滞或卡死，剧烈的振动或噪声，载荷分布不均匀等，造成零件及支承结构的损坏，甚至造成断裂等灾难性后果。 基础件的变形，使零部件之间的相互位置精度遭到破坏，影响了零部件之间的相互关系 。 需深刻研究变形的机理，了解变形的规律，认真分析掌握产生变形的原因，采取措施减轻变形带来的危害。,零部件的变形的形式：弹性变形、塑性变形和蠕变。,金属零件的弹性变形,金属弹性变形的机理 金属原子间存在着相互平衡的力吸引力和排斥力。吸引力使原子彼此密合到一起，而排斥力则使原子间不能接近的太紧密。在正常情况下，原子占据的是这两种力保持平衡的位置。这种互相作用情况可用双原子模型来分析。,1、2 包申格效
34、应 当对一个试件预先加载变形，然后再同向加载变形时，弹性极限升高；反向加载变形时，弹性极限降低；这种现象被称为包申格效应。这种现象在所有退火状态或高温回火状态的金属或合金中都可发现。 应用：研究疲劳材料预处理后及处理方法的选择。如建筑用钢筋进行拉伸，钢铁零件的冷作硬化,退火与回火,退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。 回火是将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下，保温1到2小时后冷却的工艺。回火往往是与淬火相伴，并且是热处理的最后一道工
35、序。经过回火，钢的组织趋于稳定，淬火钢的脆性降低，韧性与塑性提高，消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状与尺寸，防止淬火零件变形和开裂，高温回火还可以改善切削加工性能。,冷作硬化,钢材在常温或在结晶温度以下的加工，能显著提高强度和硬度，降低塑性和冲击韧性，称为冷作硬化。 钢材冷轧具有冷加工硬化的特性。由于冷轧具有较好的机械性能，很多直接使用的钢材都使用冷轧钢材。 ） 金属在冷态塑形变形中，使金属的强化指标，如屈服点、硬度等提高，塑形指标如伸长率降低的现象成为冷作硬化。,弹性后效及其应用,许多金属材料在低于弹性极限应力作用下，会产生应变并逐渐恢复，但总是落后于应力，这种现象称弹性滞后效。把一定大小（
36、弹性极限以内）的应力骤然加到多晶体试样上，试样立即发生的应变，只是该力所应该引起的总应变（OH）的一部分（OC），其余部分的应变是在该负荷恒定的长期保持下逐渐发生的，这一现象称之为正弹性后效（弹性蠕变或冷蠕变）。当外力骤然去除时，应变也不是全部立即消失，而只是消失一部分（DH），其余部分（OD）也是逐渐消失的，这一现象称之为反弹性后性（负弹性后效）。弹性后效与金属材料的性质、应力大小和状态以及温度等有关。金属组织结构愈不均匀，作用应力愈大，温度愈高，则弹性后效愈大。通常，经过校直的轴类零件过了一段时间后又会发生弯曲，就是弹性后效的表现，所以校直后的零件都应进行回火处理。钢的回火温度是30045
37、0。,金属零件的塑性变形,金属塑性变形的特点 引起材料的组织结构和性能发生变化； 较大的塑性变形会使多晶体的各向同性遭到破坏而表现各向异性，金属产生硬化现象； 多晶体在塑性变形时，各晶粒及同一晶粒内部的变形是不均匀的，当外力去除后晶粒的弹性恢复也不一样，因而产生内应力； 塑性变形使原子活泼能力提高，造成金属的耐磨腐蚀性下降。,金属塑性变形的类型,1）翘曲变形 当金属零件受外加机械应力、热应力或组织应力等的作用，其实际应力值超过了金属在该状态下的拉伸屈服极限或压缩屈服极限后，就会产生呈翘曲、椭圆和歪扭的塑性变形。此种变形常见于细长轴类、薄板状零件以及薄壁的环形和套类零件。金属零件产生翘曲变形是自
38、身受复杂应力综合作用的结果。 2）体积变形 金属零件在受热与冷却过程中，由于金相组织转变引起比容变化，导致金属零件体积胀缩的现象称为体积变形。如，钢件淬火相变时，奥氏体转变为马氏体或下贝体时比容增大，体积膨胀。钢件中含碳量越多，形成马氏体时的比容变化越大，膨胀量也大。钢中碳化物不均匀分布也会增大变形程度。体积变形如果发生在金属零件的局部范围内，则往往是在该区域产生微裂纹的原因。 3）时效变形 金属零件中的不稳定组织引起的内应力在常温或零下温度较长时间的放置或使用过程中，会逐渐消除或趋于稳定，伴随此过程产生的变形称为时效变形。,金属塑性变形的机理,单晶体塑性变形 切应力作用下发生，主要以滑移和孪
39、晶两种方式进行。切应力超过晶体的弹性极限后，晶体的一部分沿着原子排列最紧密的晶面（滑移面）并沿着该晶面上原子排列最紧密的方向（晶面间的间距较大，原子结合力较弱）发生相对滑动。这种相对滑动不能复原，大量层片间滑动的累积表现为宏观的塑性流动。滑移的结果会产生滑移线和滑移带。 晶体的滑移并非是晶体一部份沿着滑移面与晶体的另一部分作整体刚性的滑动，而是以位错中心移动方式进行。在切应力作用下，位错中心前进一个原子距时，只要求位错中心附近原子作不到一个原子间距的位移就能实现。当位错线移动至晶体边缘时，就使晶体沿此滑移面产生了一个原子间距的台阶，而大量位错的移动导致晶体发生宏观的塑性变形。,单晶体、多晶体、
40、滑移、孪晶,晶体;晶体有三个特征(1)晶体有一定的几何外形；(2)晶体有固定的熔点；(3)晶体有各向异性的特点。 单晶体是原子排列规律相同，晶格位相一致的晶体。例如：单晶硅。 多晶体是由很多具有相同排列方式但位向不一致的很多小晶粒组成的则称为多晶体。例如：常用的金属。 单晶体具有晶体的三个特征。 多晶体具有前两项特征，但具有各向同性的特点。 滑移是指在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向，相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。这些晶面和晶向分别被称为滑移面和滑移方向。滑移的结果是大量的原子逐步从一个稳定位置移动到另一个稳定的位置，产生宏观塑性变形。 孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两
41、部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶“，此公共晶面就称孪晶面。,孪晶示意,多晶体塑性变形 多晶体塑性流动的主要方式也是滑移和孪生。由于多晶体通常由不同位向的晶粒组成，各晶粒受到晶界和相邻晶粒的制约，晶粒变形时必须克服晶界的阻碍以及需要相邻晶粒作相应的变形才能保持晶粒之间的结合和物体的连续性。因此，多晶体的塑性流动过程较单晶体复杂。,蠕变,金属在恒应力作用下发生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。蠕变又分为三种：在再结晶温度以下发生的蠕变对数蠕变；在再结晶温度区内发生的蠕变回复蠕变；在接近熔点温度时发生的蠕变扩散蠕变。对数蠕变的特点是随着塑性变形的增加，材
42、料内部出现加工硬化效应。在恒定应力作用下，变形速率直线下降。回复蠕变发生时，材料内部同时出现再结晶过程，没有加工硬化现象，故在恒应力作用下，塑性变形速度恒稳，变形过程不断进行，直至断裂。扩散蠕变因温度高，发生分子扩散现象，在低载荷作用下会很快断裂，这种失效形式工程上不常见。蠕变主要与外加载荷的大小与温度的高低有关。当外加载荷较小或者温度较低时，蠕变将停止或蠕变速率很低；外加载荷较大或者温度较高，蠕变速率很高，甚至短时间发生蠕变断裂。,变形的原因,机械零件变形的原因主要是零件的应力超过材料的屈服强度所致。 影响因素：外载荷（如超载、结构布置不合理）、温度、内应力（塑性变形、零件从高温时冷却、相变
43、应力）、结晶缺陷（点、线、面缺陷）等。,塑性变形后产生内应力,减少变形的措施,变形是不可避免的，只能从产生的原因及规律着手采取相应的对策来减少变形。如在机械设备大修时，除检查并修复零件配合面的磨损情况外，对于相互位置精度即零件的变形情况也必须认真检查，精心修复，修理质量才有保证。一设计 设计时要考虑零件的强度、刚度、截面尺寸大小和形状等，考虑制造、装配、使用、拆卸、修理等问题。正确选用材料，注意工艺性能。如焊接的冷裂、热裂倾向；机加工的可切削性；热处理的淬透性、冷脆性等。要合理设计零部件，选择适当的结构尺寸，避免截面多变、尖角、棱角，尽量做到过渡平顺，多用圆角、倒角；厚薄悬殊的部分可开工艺孔或
44、加厚太薄的地方；部件布置应合理，避免悬臂受力等。形状复杂的零件在可能条件下采用组合结构、镶拼结构，改善受力状况。形成较好的热对流效果，减少工作温度的差异。设计中注意应用新技术、新工艺和新材料。,二制造 在加工和装配中要采取一系列工艺措施来减小内应力，防止和减少变形。如铸铁壳体零件自然时效处理不充分会存在残余内应力，应进行高温退火等人工时效处理消除内应力或利用振动的作用来消除内应力。高精度零件在精加工过程中继续要安排人工时效处理等。制造时零件热处理不良会使其硬度和屈服强度降低，降低了抵抗塑性变形的能力。不适当的装配，可能使零件承受附加载荷，引起变形。 在制定零件机械加工工艺规程中，均应在工序、工
45、步安排上及工艺装备和操作上采取减少变形的工艺措施。例如，采用粗精加工分开的原则；在粗、精加工中间留出一段存放时间，利于消除内应力。 有些零件在知道变形规律之后，可预先加以反向变形量，经热处理后两者抵消；也可预加应力或控制应力的产生和变化，使最终变形量符合要求，达到减少变形的目的。 装配时应注意严格按规程进行，避免使零件承受附加载荷。如连接螺栓紧固顺序应正确，拧紧力矩不过大、过小或不均匀。,三修理 1.满足恢复零件的尺寸、配合精度、表面质量等； 2.检查和修复主要零件的形状及位置误差； 3.采用适当的恢复工艺。制定出与变形有关的标准和修理规范，大力推广能减小内应力及变形的新修复工艺，如刷镀、真空
46、熔结等，用来代替传统的焊接； 4.合理选择机加工定位； 5.修理中应注意零件正确放置，如轴类零件应竖直放，以免产生变形等。,四使用 1.机械在使用中，应严格执行操作规程，避免超负荷、超速运行； 2.发现零部件有局部变形，应及时校正； 3.避免局部高温； 4.避免剧烈冲击； 5.机械出现故障征兆时及时维修等，才可减少变形的发生。,问题思考,金属零件的弹性变形、朔性变形、蠕变三者之间的关系。,作业,一、资讯这节课相应的概念。(各向同性、各向异性） 二、结合实际例子，说明包申格效应、弹性后效。,第三节 机械零件的断裂,断裂的分类1、按零件断裂后的自然表面分类（断口宏观分类）2、断口微观分类3、断口的
47、原因分类 过载断裂 疲劳断裂 脆性断裂 减轻断裂危害的措施,研究断裂的重要性,断裂是零件失效的重要原因之一，其占失效的百分比较小，但零件的断裂往往会造成重大的机械事故产生严重的后果，具有更大的危险性。 工程机械通常是在较严酷的工况下工作，工作环境较恶劣，载荷较高、短时间的超载很严重，而且频繁的起动和停车以及由于零件外形复杂造成的应力集中，都是促使零件发生断裂的因素。发动机内一个螺钉断裂，往往会造成杵缸而使整台机械报废；轮式机械转向节轴断裂，可能造成翻车。随着工程机械日益向着大功率、高转速的方向发展，断裂失效几率有所提高，造成的危害越来越大，如近几年，建筑塔吊因断裂造成重大事故的事件时有发生。因
48、此必须对断裂给予足够的重视。,基本概念,1.裂纹:完整金属在某些部位发生局部连续破裂现象。裂纹有工艺裂纹和使用裂纹之分 2.断裂:是物体在机械力、热、磁、声响、腐蚀等单独作用或联合作用下，其本身连续性遭到破坏，发生局部开裂或分裂成几部分的现象，前者叫局部断裂，后者叫做完全断裂。 3.断口：断裂处的自然面，是造成完全破断时裂纹扫过的面。,3、1 断裂的分类,一.按零件断裂后的自然表面即断口的宏观形态特征分类1韧性断裂 也叫延性断裂，是金属材料在断裂前产生明显塑性变形，并且经常有缩颈现象的断裂。2脆性断裂 金属材料在断裂前无明显的塑性变形（变形量5%），多沿着晶界扩展而突然发生的一类断裂叫做脆性断
49、裂，也称晶界断裂。由于这种断裂通常在没有预示信号的前提下，以很快的发展而突然发生的。 二.按断口微观形态分类在显微镜下观察断口微观组织，可将断裂分为穿晶断裂和晶间断裂。裂纹穿过晶粒内部而发生的断裂为穿晶断裂，多数穿晶断裂为延性断裂，但也可以是脆性断裂。当裂纹沿结晶平面扩散，断面上的晶粒大多保持完整的，则称为晶间断裂（或解理断裂）。大多晶间断裂时，塑性变形量很小，故称为脆性断裂，,晶界断裂,按断裂的原因分类,按零件断裂的原因分类是常用的分类方法。它将断裂分为过载断裂、疲劳断裂、氢脆断裂、腐蚀断裂、低应力脆性断裂、蠕变断裂等。1过载断裂 零件在一次静拉伸、静压缩、静扭转、静弯曲、静剪切或一次冲击能
50、量作用下的断裂称为过载断裂，也称一次加载断裂。一次加载的概念不是第一次加载。一般断裂发生在应力循环周次 均认为其是一次加载。 2疲劳断裂 经历反复多次的应力作用或能量负荷循环后才发生断裂的现象叫作疲劳断裂。疲劳断裂占整个断裂的80%90%，它的类型很多，包括拉压疲劳、弯曲疲劳、接触疲劳、扭转疲劳、振动疲劳等。疲劳又根据循环次数的多少分高周疲劳（应力循环周次Nf10-10和低周疲劳Nf 10-10 ) 。广义的疲劳断裂还包括腐蚀疲劳、热疲劳等。3其它断裂 腐蚀断裂是在腐蚀介质环境中，零件材料承受拉压力时发生的断裂；低应力脆性断裂是零件在制造过程中工艺不正确或使用环境温度低时材料变脆、在低应力下发生的断裂；由于氢的作用，零件在低于材料屈服强度时发生的断裂是氢脆断裂；零件在高于一定的温度下，缓慢发生塑性变形最后导致零件发生的断裂是蠕变断裂。,
