机械零件失效形式及诊断

2010.10.28第二章机械零件失效形式及诊断失效分析主要内容2.2机械零件失效原因概述2.1失效分类及诊断失效分析失效分析大型汽轮机转子失效分析轴叶轮疲劳断裂破坏失效分析转子轴疲劳开裂疲劳断裂破坏失效分析叶片击穿厂房失效分析抗震模型试验（破坏部位、破坏形式、抗震能力）静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基本失效模式。失效分析微孔聚合型断口解理型断口晶间断裂晶内断裂失效分析失效分析2.1失效分类及诊断失效的宏观形态失效的诱发原因产品的使用过程变形失效断裂失效表面损伤失效机械力热应力摩擦力活性介质早期失效期偶然失效期磨损失效期失效机理2.1.1失效形式的分类失效分析按失效的宏观形态过量变形失效断裂失效：变形量——脆性断裂、延性断裂裂纹走向与晶粒组织的关系——沿晶断裂、穿晶断裂断裂机制——微孔聚集型、(准)解理型、沿晶断裂、疲劳断裂断口形貌——宏观和微观形貌加工工艺和产品类别断裂模式——过载、疲劳、材料脆性、环境诱发、混合断裂表面损伤失效：磨损、腐蚀失效分析按失效的诱发原因机械力——弹性变形，塑性变形，断裂，疲劳，剥落热应力——蠕变，热松弛，热冲击，热疲劳，蠕变疲劳摩擦力——粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，冲击磨损，微动磨损，咬合活性介质——化学腐蚀，电化学腐蚀，应力腐蚀，腐蚀疲劳，生物腐蚀，辐照腐蚀，氢致损伤失效分析根据产品的使用过程失效率：系统或部件在可能发生失效的某一段时间（通常为处于工作状态的时间）内发生失效的次数。浴盆曲线：设备故障率曲线，由产品的失效率λ与其工作（使用）时间t的曲线，因形似浴盆，故称为浴盆曲线。（1）早期失效期——“幼年期”（2）偶然失效期——“青壮年期”（3）磨损失效期——“老年期”失效分析2.1失效分类及诊断2.1.2失效形式的诊断失效形式一级失效形式二级失效形式三级失效形式失效分析失效分析2.1.2失效形式的诊断失效形式的诊断1.断裂失效形式诊断：•1）残骸分析•2）应力分析•3）失效模拟2.磨损失效形式诊断：•1）磨损表面形貌和次表面组织和性能•2）磨屑形貌、成分和组织•3）磨损系统中各参量的关系和变化失效分析2.2机械零件失效原因概述2.2.1零件的服役条件应力状态:软性应力状态硬性应力状态载荷类型:轴向载荷弯曲载荷扭转载荷剪切载荷接触载荷1.受力状况载荷性质:静载荷冲击载荷交变载荷失效分析失效分析失效分析交变载荷在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。maxminr承受交变应力典型零件的应力循环特征循环特征零件名称轴齿轮齿根轴承连杆螺栓应力变化循环特征对称循环脉动循环脉动循环大压小拉大拉小压应力性质r=-1r=0r=--r-10r1应力状态对称弯曲脉动弯曲脉动压缩不对称不对称失效分析2.2机械零件失效原因概述2.2.1零件的服役条件1.受力状况1）应力状态材料的失效形式和应力状态•脆断：断裂前无明显宏观塑性变形。•剪断：沿最大剪应力方向发生的断裂。•屈服：经过一定的塑性变形后发生的断裂。性能指标•屈服强度、抗剪强度、断裂韧性失效分析2）应力状态对塑性变形的影响切应力——塑性变形、切断正应力——脆性断裂应力状态柔度系数（软性系数）软性应力状态：α1α越大，应力状态越软，易引起塑性变形硬性应力状态：α1α越小，应力状态越硬，易引起脆性断裂maxmaxSτα＝应力正断一定是脆性断裂？失效分析失效分析失效分析max][max][max][ssnbbnmax][ssnbbn单向应力状态纯剪切应力状态对于塑性材料对于脆性材料对于塑性材料对于脆性材料满足][max][max是否强度就没有问题了？maxmax复杂应力状态失效分析《失效分析基础与应用》孙智机械工业出版社2.5应力分析与失效分析失效分析2.5.2单向拉（压）应力在生产实际中，受拉（压）应力的构件是多种多样的，如连杆、螺栓、钢丝绳等。1、评定单向应力的指标（1）数学表达式对于脆性材料对于塑性材料（2）安全系数2、提高材料强韧性能的措施（1）零件承受拉应力，并且在整个截面上的分布是均匀的，此时，在选材和确定热处理工艺时，应当根据零件的截面大小，确保零件内部完全淬；（2）防止氧化、脱碳、过热、过烧等一切降低材料性能的缺陷发生。bbnn0][ssnn0][失效分析193、断裂分析此类零件的断裂应首先区分是韧断还是脆断。（１）韧断a首先按传统的强度理论进行强度校核，检查一下载荷是否估计不足，即安全系数是否太小或者未予以考虑；b分析材料的组织状态，检查硬度，检查是否有氧化脱碳、淬火裂纹及心部是否淬硬等；c如果上述问题不存在，应作化学成分分析。（２）脆断除作上述考虑外，尚需进行断裂韧性检查，主要分析微观裂缝的存在对韧性的影响。失效分析19例国产45Si2Mn高强度螺栓，在加工制造过程中，不可避免地存在着深为a=0.5mm，半宽c=2.0mm的表面裂纹，其工作应力为=960MPa。淬火并低温回火后材料的强度b=2110MPa，s=1920MPa，KIC=39.50MPam-1/2，在使用中发生脆断，试分析原因。分析一按传统强度理论校核2.29602110bbn0.29601920ssn结论：应是安全的。失效分析19分析二因为是高强度材料，还需进行断裂力学方面的校核。作为近似计算，该裂纹认为是一个张开型的表面裂纹，其应力强度因子在临界条件下，为根据裂纹形状和应力状态，查有关手册后可得与此有关的裂纹形状因子数据，将有关数据代入后得c=948.5MPa。由此可见，零件最大承载能力为948.5MPa，低于实际的工作应力960MPa，故发生断裂失效，又因其断裂时的应力小于材料的屈服极限，所以必然是脆性断裂。结论：材料韧性不足，脆断。aYKcICaYKICc失效分析19若将淬火低温回火改为调质处理，则得b=1540MPa，s=1440MPa，KIC=66.36MPam-1/2，其结果：同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得c=1564.5MPa（工作应力，960MPa）。在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地追求高强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。6.19601540bbn5.19601440ssn失效分析2.5.3平面拉应力对象：薄壁压力容器1．应力状态轴向应力：切向应力：tpd4eσtpdt2σet2失效分析2.制造时应注意的问题用钢板(热轧态)制作这类容器时，使钢板的轧制方向承受较大的应力在拼焊压力容器时，特别注意沿轴向的焊缝质量切向应力为轴向2倍，且与轴向焊缝垂直焊缝处热影响区的强度较低焊缝处的应力集中失效分析3.失效分析泄漏——韧性断裂爆炸——脆性断裂压力容器的防爆设计保证先泄漏，不爆裂——临界裂纹ac必须大于容器壁厚由可得则act则先泄漏act则先爆破失效分析2.5.4弯曲应力对象：轴类零件及各种形式的梁等1．应力状态截面上的正应力呈线性分布，最大应力在构件的最外层应力分布表面大，中间小三点弯曲试件：中间截面上部受拉应力，下部受压应力最大拉应力：yWMσ＝失效分析2．选材及热处理特点使零件从表层至3／4R(轴件半径)处的金属层淬硬强化心部不必淬硬分析：表面淬火——表层压应力，心部拉应力全淬透——表层拉应力，心部压应力失效分析3．失效分析断裂形式：脆断和疲劳断裂裂纹源：应力集中处、表面缺陷处及次表层夹杂物处预防措施：减少应力集中，消除微观缺陷，防止零件完全淬透轴向裂纹原因：材质；热处理时淬透性过大引起表面拉应力预防措施：控制零件的淬硬层深度，并及时进行回火失效分析2.5.5扭转应力对象：传动轴、弹簧、凸轮轴、机床丝杠等1．应力状态垂直轴线的截面上只有切应力最外层的最大切应力最大正应力与轴线呈45°角；2．选材与热处理选材：中碳钢或中碳合金钢热处理不要淬透采用中温回火pnMWmaxτpnWMmaxmaxτσ失效分析3．失效分析韧断断口：齐平并与轴线垂直原因：构件的最大切应力超过材料的抗剪强度措施：降低回火温度。脆断断口：与轴线呈45°螺旋状原因：最大正应力超过材料的正断强度措施：适当提高回火温度扭转角过大原因：轴件的刚度不够引起措施：淬火并进行高、中温回火的轴类零件，不必校核断裂力学韧度；大型转子轴必须校核断裂力学韧度失效分析例1在汽车变速箱的传动系统中，变速箱的输入轴与发动机相连接，其转速为2100r/min，输出轴与传动轮相联，输入轴、输出轴间的传动比为2.81：1，传动轴的传递功率50kW，材料的许用剪切应力[c]=60MPa，该轴的直径为35mm，在使用中发生韧断，试分析原因。强度校核根据题意传动轴的转速n=2100/2.81=747.3r/min，传动轴的功率N=50kW得：传动轴的扭矩Ｍn：传动轴的抗扭截面系数Wp：传动轴的最大剪切应力max：结论设计选择材料不当。3.7472100501095503nM16351633dWp5.75maxpnWM失效分析例2一台125MW的汽轮机组，转子轴的外径为464mm，中心孔径为70mm，探伤发现距内孔表面82mm处，存在一个半径为6mm的圆片缺陷（大块非金属夹杂物），转子用钢为CrMoV钢，其s=672MPa，KIC=1100MPam-1/2，此处的工作应力为=375MPa。试问该转子轴是否有脆断的危险（能否继续使用）？分析塑性区的尺寸为结论实际裂缝半径尺寸a=6mm，而临界裂纹尺寸为6.75mm，故此轴有脆断的危险。85.067211001122sICsKx75.637511004422ICcKa临界条件下失效分析2.5.6交变应力一、交变应力承受交变应力典型零件的应力循环特征零件名称轴齿轮齿根轴承连杆螺栓应力变化循环特征对称循环脉动循环脉动循环大压小拉大拉小压应力性质r=-1r=0r=--r-10r1应力状态对称弯曲脉动弯曲脉动压缩不对称不对称失效分析二、疲劳失效特征只有在交变应力作用下，疲劳才会发生。破坏起源于高应力、高应变局部。疲劳损伤的结果是形成裂纹。疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程。失效分析三、交变应力下材料的抗力指标及性质（1）疲劳抗力材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力。（2）疲劳抗力指标及性质a疲劳极限应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力r，称该材料的疲劳极限。b条件疲劳极限（疲劳强度）对于铝合金等有色金属及在高温和腐蚀条件下工作的黑色金属，无疲劳极限，其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限表示。一般规定，承受大于5×107～5×108次应力循环而不破坏的最大应力称该材料的条件疲劳极限。失效分析c疲劳破坏的持久值在一定的应力水平下（＞r），破坏前的应力循环次数，叫疲劳破坏的持久值。d裂纹扩展速率对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲劳极限是不同的：对称弯曲-1=0.4b对称拉压-1=0.28b对称扭转-1=0.22b脉动弯曲-1=0.65bnKCdNda)(失效分析2.5.7接触应力一、接触面间的赫兹应力两物体接触表面附近的应力场理论是根据赫兹（Hertz）的弹性理论提出的。该理论认为，接触表面的接触应力按椭圆规律分布，其中心达最大值。切应力yz（45）在z=0.786b处达最大值。失效分析二、交变切应力实际运转的轴或齿轮，其接触点是不断变化的，因此，对零件上某一固定点而言，各应力分量也是周期变化的，在只考虑法向力的情况下，交变切应力yzn的最大值在z0=0.5b处，其值yznmax=0.25j。三、摩擦力对接触应力的影响当摩擦系数为1/3时，将有如下变化：•最大主