机电设备维修工艺学-教案资料

1第一讲：【授课日期】【周次】【星期】教学内容：第一章机械零件失效的模式及其机理1.1机械零件的磨损教学目标：1、了解机械零件的磨损的概念。2、掌握机械零件的磨损的类型。教学重点：1、了解机械零件的磨损的概念。2、掌握机械零件的磨损的类型。教学难点:机械零件的磨损的类型。教学方法：讲解法，演示法。教学准备：课件，挂图课时分配：1.组织教学：3'；2.复习提问：5'；3.引入新课：2'；4.讲授新课：85'；5.小结作业：5'。教学过程：引入部分：据估计，世界上的能源消耗中有1/3~1/2是由于摩擦和磨损造成的，因此降低机械磨损就能极大地节约能源。教学内容正文一、金属零件表面损伤失效零件的表面损伤破坏主要是磨损、腐蚀和接触疲劳。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀，从而使零件表面遭到破坏。与此同时，对于承受交变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳的现象。1、机械零件的磨损损伤磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。（1）粘着磨损当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为粘着磨损。粘着磨损又称粘附磨损。（2）磨料磨损磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量损耗。（3）疲劳磨损疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。（4）腐蚀磨损在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀产物剥的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度，按静强度设计的标准应该是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，机件或零件仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂，它是一种普通而严重的失效形式。在2实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重，约80％一90％。4、环境断裂实际上机械零部件的断裂，除了与材料的特性、应力状态和应变速率有关外，还与周围的环境密切相关。尤其是在腐蚀环境中，材料表面或裂纹边沿由于氧化、腐蚀或其它过程使材料强度下降，促使材料发生断裂。可以看出，环境断裂是指材料与某种特殊环境相互作用而引起的具有一定环境特征的断裂方式。环境断裂主要有应力腐蚀断裂、氢脆断裂、高温蠕变、腐蚀疲劳断裂和冷却断裂等。二、金属零件的变形失效塑性变形：机械零件在外载荷作用下，当其所受应力超过材料的屈服极限时，就会发生塑性变形。在设计机械零件时，一般不允许发生塑性变形。机械零件发生塑性变形后，其形状和尺寸产生永久的变化，破坏零件间的正常相对位置或啮合关系，产生振动、噪音、承载能力下降，严重时，机械零件，甚至机器不能正常工作。例如，齿轮的轮齿发生塑性变形，不能满足正确啮合条件和定传动比传动，在运转时将产生剧烈的振动和噪音；弹簧发生塑性变形后，直接导致丧失其功能。弹性变形：零件在载荷作用下，将发生弹性变形，如弯曲变形、扭转变形、拉伸变形等。过大的弹性变形将导致零件失效，如机床主轴弹性变形过大，将造成被加工零件精度下降。二、金属零件表面损伤失效零件的表面损伤破坏主要是磨损、腐蚀和接触疲劳。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀，从而使零件表面遭到破坏。与此同时，对于承受交变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳的现象。1、机械零件的磨损损伤磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。（1）粘着磨损当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为粘着磨损。粘着磨损又称粘附磨损。（2）磨料磨损磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量损耗。（3）疲劳磨损疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。（4）腐蚀磨损在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀产物剥作业布置：习题1.1,1.2小结：重点了解机械零件的磨损的类型。审核：教学后记：参考资料：《机械设计手册(第5版)》，成大先，化学工业出版社；3《钳工工艺学(第4版)》，技工学校机械类通用教材编审委员会，机械工业出版社。第二讲：【授课日期】【周次】【星期】教学内容：第一章机械零件失效的模式及其机理1.2金属零件的断裂1.3技术零件的腐蚀损伤教学目标：1.了解金属零件的断裂形式；2.掌握金属零件化学腐蚀的类型；3.掌握减轻腐蚀危害的措施。教学重点：1.金属零件的断裂形式；2.金属零件化学腐蚀的类型；3.减轻腐蚀危害的措施。教学难点:减轻腐蚀危害的措施。教学方法：讲解法，演示法。教学准备：课件，挂图课时分配：1.组织教学：3'；2.复习提问：5'；3.引入新课：2'；4.讲授新课：85'；5.小结作业：5'。教学过程：引入部分：断裂是零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或者联合作用下，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。零件断裂后不仅完全丧失工作能力，而且还可能造成重大的经济损失或伤亡事故。因此，尽管与磨损、变形相比，断裂所占的比例很小，但它仍是一种最危险的失效形式。尤其是现代机械设备日益向着大功率、高转速的趋势发展，断裂失效的几率有所提高。因此，研究断裂成为日益紧迫的课题。断裂的分类方法很多，本书介绍其中的延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂和环境断裂四种。一、延性断裂零件在外力作用下首先产生弹性变形，当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形。外力继续增加，应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂就称为延性断裂。延性断裂的宏观特点是断裂前有明显的塑性变形，常出现缩颈，而从断口形貌微观特征上看，断面有大量微坑（也称韧窝）覆盖。延性断裂实际上是显微空洞形成、长大、连接以致最终导致断裂的一种破坏方式。二、脆性断裂金属零件或构件在断裂之前无明显的塑性变形，发展速度极快的一类断裂叫脆性断裂。它通常在没有预示信号的情况下突然发生，是一种极危险的断裂。三、疲劳断裂机械设备中的轴、齿轮、凸轮等许多零件，都是在交变应力作用下工作的。它们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度，按静强度设计的标准应该是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，机件或零件仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂，它是一种普通而严重的失效形式。在实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重，约80％一90％。四、环境断裂实际上机械零部件的断裂，除了与材料的特性、应力状态和应变速率有关外，还与周围的环境密4切相关。尤其是在腐蚀环境中，材料表面或裂纹边沿由于氧化、腐蚀或其它过程使材料强度下降，促使材料发生断裂。可以看出，环境断裂是指材料与某种特殊环境相互作用而引起的具有一定环境特征的断裂方式。环境断裂主要有应力腐蚀断裂、氢脆断裂、高温蠕变、腐蚀疲劳断裂和冷却断裂等。金属零件的腐蚀损伤按金属与介质作用机理，腐蚀可分为两大类：化学腐蚀和电化学腐蚀。一、金属零件的化学腐蚀单纯由化学作用而引起的腐蚀叫化学腐蚀。在这一腐蚀过程中不产生电流，介质是非导电的，如十燥空气、高温气体、有机液体、汽油、润滑油等，其中前二类介质中的腐蚀称为气体腐蚀，其余的称为非电解质溶液中的腐蚀。它们与金属接触时进行化学反应形成表面膜，在不断脱落又不断生成的过程中使零件腐蚀。大多数金属在室温下的空气中就能自发地氧化，但在表面形成氧化物层之后，如能有效地隔离金属与介质间的物质传递，就成为保护膜。如果氧化物层不能有效阻止氧化反应的进行，那么金属将不断地被氧化。据研究，金属氧化膜要在含氧气的条件下起保护膜作用必须具有以下条件：①膜必须是紧密的，能完整地把金属表面全部覆盖住；②膜在气体介质中是稳定的；③膜和基体金属的结合力强，巨有一定的强度和塑性；④膜具有与基体金属相当的热膨胀系数。在高温空气中，铁和铝都能生成完整的氧化膜，但是铝的氧化膜同时具备了上述四种条件，具有良好保护性能，而铁的氧化膜与铁结合不良，则起不了保护作用。二、金属零件的电化学腐蚀电化学腐蚀是金属与电解质物质接触时产生的腐蚀。它与化学腐蚀的不同点在于其腐蚀过程有电流产生。常见的电化学腐蚀形式有：①大气腐蚀，即潮湿空气中的腐蚀；②土壤腐蚀，如地下金属管线的腐蚀；③在电解质溶液中的腐蚀，如酸、碱、盐溶液和水中的腐蚀；④在熔融盐中的腐蚀，如热处理车间，熔盐加热炉中的盐炉电极和所处理的金属发生的腐蚀。大多数金属的腐蚀都属于电化学腐蚀，其涉及面广，造成的损失大，腐蚀过程比化学腐蚀强烈得多。电化学腐蚀的根本原因是腐蚀电池的形成。需要形成腐蚀电池的三个条件是：①有两个或两个以上的不同电极电位的物体，或在同一物体具有不同电极电位的区域，以形成正、负极；②电极之间需要有导体相连接或电极直接接触；③要有电解液。三、减轻腐蚀危害的措施1．正确选材根据环境介质和使用条件，选择合适的耐腐蚀材料，如含有镍、铬、铝、硅、钛等元素的合金钢；在条件许可的情况下，尽量选用尼龙、塑料、陶瓷等材料。2．合理设计在制造机械设备时，即使应用了较优质的材料，但如果在结构的设计上不从金属防护角度加以全面考虑，则常会引起机械应力、热应力以及流体的停滞和聚集、局部过热等现象，从而加速腐蚀过程。因此设计结构时应尽量使整个部位的所有条件均匀一致，做到结构合理、外形简化、表面粗糙度合适。3．覆盖保护层覆盖保护层即在金属表面上覆盖一层不同的材料，改变表面结构，使金属与介质隔离开来，以防止腐蚀。常用的覆盖材料有金属或合金、非金属保护层和化学保护层等。4．电化学保护对被保护的机械设备通以直流电流进行极化，以消除电位差，使之达到某一电位时，被保护金属的腐蚀可以很小甚至呈无腐蚀状态。这种方法要求介质必须是导电的、连续的。根据被保护设备所接电源极性，可分为：（1）阴极保护法主要是在被保护金属表面通以阴极直流电流，消除或减少被保护金属表面的腐蚀电池作用。（2）阳极保护法主要是在被保护金属表面通以阳极直流电流，使其金属表面生成钝化膜，从而5增大了腐蚀过程的阻力。此外，可用一个比零件材料的化学性能更活泼的金属铆接到零件上，形成一个腐蚀电池，零件作为阴性，不会发生腐蚀。这种运用电化学原理的方法常称为牺牲阳极法。如在海洋中，航行的船舶底部常铆接有锌块，以保护铁壳不受海水腐蚀。5．添加缓蚀剂在腐蚀性介质中加人少量能减少腐蚀速度的物质，即缓蚀剂，可减轻腐蚀。按化学性质，缓蚀剂有无机和有机二种。如重铬酸钾、硝酸钠、亚硫酸钠等无机类，能在金属表面形成保护，使金属与介质隔开；胺盐、琼脂、动物胶、生物碱等有机化合物，能吸附在金属表面上，使金属溶解和还原反应都受到抑制，从而减轻金属腐蚀。6．改变环境条件即将环境中的腐蚀介质去除，以减少其腐蚀作用。如采用通风、除湿、去除二氧化硫气体等。对常用的金属材料来说，把相对湿度控制在临界湿度（50％－70％）以下，可显著减缓大气腐蚀。在酸洗车间和电解车间里，合理设计地面坡度和排水沟，做好地面防腐蚀隔离层，来防止酸液渗透地面而使其凸起，以免损坏贮槽及机械基础。作业布置：习题1.3,1.4小结：重点掌握减轻腐蚀危害的措施。审核：教学后记：参考资料：《机械设计手册(第5版)》，成大先，化学工业出版社；《钳工工艺学(第4版)》，技工学校机械类通用教材编审委员会，机械工业出版社。第三