1、第八章 机械零件的失效与强化,一、过量变形失效 1. 过量弹性变形失效 2. 过量塑性变形失效 3. 蠕变变形失效,第一节 零件的失效形式与分析方法,零件的失效有三种形式: 过量变形、断裂、表面损伤。,1. 过量弹性变形失效 零件由于产生过大的弹性变形而失效，称为弹性变形失效。 例如对于受弯扭的轴类零件，其过大弹性变形会造成轴上啮合零件的严重偏载甚至啮合失常，进而导致传动失效。 2. 过量塑性变形失效 零件承受的应力超过其材料的屈服强度时发生塑性变形，过 量的塑性变形会使零件的相对位置发生变化，使整个机器运 转不良。 3. 蠕变变形失效 受长期固定载荷的零件，在工作中尤其是在高温下发生蠕变 （
2、即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现 象）。如锅炉、汽轮机、航空发动机及其它热机的零部件， 常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。,二、断裂失效 断裂失效是机械零件的主要失效形式，根据断裂的性质和断裂的原因，可分为下列几种。 （1）韧性断裂失效 零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。 （2）低温脆性断裂失效 零件在低于其材料的韧脆转变温度以下工作时，其韧性和塑性大大降低并发生脆性断裂而失效。,（3）疲劳断裂失效 零件在承受交变载荷时，尽管应力的峰值在抗拉强度甚至在屈服强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂，这种
3、现象称为疲劳。疲劳断裂为脆性断裂。 （4）蠕变断裂失效 在高温下工作的零件，当蠕变变形量超过一定范围时，零件内部产生裂纹而很快断裂，有些材料在断裂前产生颈缩现象。 （5）环境断破失效 在负载荷条件下，由于环境因素（例如腐蚀介质）的影响，往往出现低应力下的延迟断裂使零件失效。环境破断失效应包括应力腐蚀、氢脆、腐蚀、疲劳等。,三、表面损伤失效 1. 磨损实效 相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面发生损耗或产 生塑变，使金属状态和尺寸改变的现象。 2. 腐蚀失效 零件暴露于活性介质环境中并与环境介质间发生化学和电化学 作用而造成零件表面损耗，引起尺寸、性能变化，导致失效。 3. 表面疲劳失效
4、相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受交变接触应力的 作用而导致表面层材料发生疲劳而脱落，造成失效。 实际上零件的失效形式往往不是单一的，随外界条件的变化， 失效形式可以从一种形式转变为另一种形式。如齿轮的失效， 往往先有点蚀、剥落，后出现断齿等多种形式。,四、零件失效分析的一般方法(自学) 为了开展失效分析，确定失效形 式，找出失效原因，提出预防和补救 措施，所采用的一般分析程序是：调 查研究残骸收集和分析试验 分析研究综合分析，作出结论， 写出报告。,1. 调查研究 包括两方面内容：一是调查失效现场；二是调查背景材料，有助 于进一步分析判断。 2. 残骸收集和分析 这是一项十分复杂和艰巨
5、的工作，目的是确定首先破坏件及其失 效源。 3. 试验分析 通常开展下列一些试验分析 1）无损检测 不改变材料的前提下，检查零件缺陷的位置、大小和数量等。 2）断口分析 通常从零件断口上可获得与断裂有关的重要信息，可分为宏观分 析和微观分析两种。,3）化学成分分析 通常对失效件要进行化学成分分析，检查材料化学成分是否符合标 准规定，或鉴别零件是由何种材料制造的。 4）金相分析 使用光学显微镜进行失效分析是一个普遍使用的方法。 5）力学性能分析 硬度试验是失效分析的常规力学实验方法。一些重大的失效事故， 必要时还要做硬度、塑性、断裂韧性等等试验。 6）其它试验方法 对于重要且复杂的失效产品，为分
6、析机件的服役情况，采用试验性 应力测试法，如静态应变电测法、脆性涂层法、光弹法、X射线法 等等。,4. 综合分析，作出结论，写出报告,第二节、工程材料的强化和强韧性,一、工程材料的强化方法（6种） 固溶、冷变形、细化、第二相、相变、复合 1. 固溶强化 是指由于晶格内融入异类原子而使材料强化的现象。溶质原子 作为位错运动的障碍，增加了塑性变形抗力。原因主要为： （1）溶质原子引起晶格畸变，增加位错滑移阻力 （2）溶质原子与位错的交互作用，钉扎位错 2. 冷变形强化（加工硬化） 通过冷变形产生加工硬化是一种重要的强化手段。但冷变形强 化后金属的塑性和韧性都有所下降。,3. 细晶强化（亦称晶界强化
7、） 晶界的作用有两方面：1）阻碍位错运动 2）是位错聚集的地点。 所以晶粒越细小，晶界面积越大，阻碍位错运动的障碍越多，位 错密度也越大、越聚集，从而导致强度升高。 细晶强化不但可提高强度，还可改善塑性和韧性。 4. 第二相强化 第二相强化是指利用合金中存在的第二相进行强化的现象。其机 理与第二相的形态、数量及在基体上的分布方式有关。 （1）弥散强化 材料通过基体中分布有细小、弥散的第二相 质点而产生强化的方法，称为分散强化。 （2）合金中的第二相强化 当两相的体积和尺寸相 差不大，结构、成分、性能相差较大时，欲使第二相起强化作 用，应使第二相成片层状，最好是粒状分布。,5. 相变强化 相变强
8、化主要是指马氏体强化(及下贝氏体强化)，它是钢铁材料强化的重要途径。相变强化不是一种独立的强化方式，它是固溶强化、沉淀强化、形变强化、细晶强化等多种强化效果的综合，是钢铁材料最经济而又最重要的一种强化途径。 6. 复合强化 用高强度的纤维同适当的基体材料相结合，来强化基体材料的方法称为纤维增强复合强化。 纤维强化有明显的 方向性。基体与纤维的结合强度也有重要影响。增强纤维的表面清洁度也会影响强化效果。,二、工程材料的强韧化（自学）强韧化是使材料具有较高的同时具有足够的塑性和韧性，以防止构件脆性断裂。主要方法如下： 1. 细化晶粒 晶粒细小均匀，不仅使材料强度高，而且塑、韧性好，同时还可降低韧、
9、脆转变温度。是由于晶界增多，减少了晶界处的应力集中，故晶粒细化是钢材、铝合金及陶瓷等的强韧化途径之一。 2. 调整化学成分 一方面调整钢的化学成分可直接影响其韧性；另一方面，可改变热处理后的组织，而达到强韧化的目的。,3. 形变热处理 是将形变强化和相变强化结合的强韧化方法。机理是：奥氏体形 变使位错密度增加，一方面由于动态回复形成稳定的亚结构，淬 火后得到细小的马氏体，板条马氏体数量增加，半条内位错密度 升高，使马氏体强化；另一方面为碳化物弥散析出提供条件，获 得弥散强化效果。 4. 低碳马氏体强韧化 获得位错型低碳马氏体是钢材强化的一个重要途径。 5. 下贝氏体强韧化 是指经等温淬火获得下贝氏体组织。 6. 表面强化 利用各种表面处理、表面扩渗和表面涂覆等表面工程技术，提高 表面性能。,
