零部件的失效与选材(参考模板)

第十三章零部件的失效与选材第一节零部件的失效一、失效概念所谓失效（failure）是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。

由于零部件的失效，会使机床失去加工精度、输气管道发生泄漏、飞机出现故障等，严重地威胁人身生命和生产的安全，造成巨大的经济损失。

因此，分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施便具有十分重要的意义。

二、失效形式零部件常见的失效形式有变形失效(deformation failure)、断裂失效(fracture failure)、表面损伤失效(surface damage failure)及材料老化失效(materials ageing failure)等。

1、变形失效⑴ 弹性变形失效一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。

例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。

引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。

因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性摸量大的材料。

⑵ 塑性变形失效零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。

塑性变形会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。

例如压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。

2、断裂失效断裂失效是零部件失效的主要形式，按断裂原因可分为以下几种：⑴ 韧性断裂(toughness fracture)失效材料在断裂之前所发生的宏观塑性变形或所吸收的能量较大的断裂称为韧性断裂。

工程上使用的金属材料的韧性断口多呈韧窝状，如图13-1所示。

韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧断产生的。

图13-1 韧窝断口⑵ 脆性断裂(brittle fracture)失效材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形很小（<2~5%）的断裂称为脆性断裂。

疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。

① 疲劳断裂(fatigue fracture)失效零部件在交变应力作用下，在比屈服应力低很多的应力下发生的突然脆断，称为疲劳断裂。

由于疲劳断裂是在低应力、无先兆情况下发生的，因而具有很大的危险性和破坏性。

据统计，80%以上的断裂失效属于疲劳断裂。

疲劳断裂最明显的特征是断口上的疲劳裂纹扩展区比较平滑，并通常存在疲劳休止线或疲劳纹疲劳断裂的断裂源多发生在零部件表面的缺陷或应力集中部位。

提高零部件表面加工质量，减少应力集中，对材料表面进行表面强化处理，都可以有效地提高疲劳断裂抗力。

② 低应力脆性断裂失效石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为低应力脆性断裂。

对于含裂纹的构件，要用抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标一断裂韧性（K1C）来衡量，以确保安全。

低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。

金属在正应力作用下，因原子间的结合键被破坏而造成的穿晶断裂称为解理断裂。

解理断裂的主要特征是其断口上存在河流花样（见图13-2），它是由于不同高度解理面之间产生的台阶逐渐汇聚而形成的。

沿晶断裂的断口呈冰糖状（见图13-3）。

图13-2 解理断口图13-3 沿晶断口3、表面损伤失效由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。

⑴ 磨损(wear)失效磨损失效是工程上量大面广的一种失效形式。

任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。

例如轴与轴承，齿轮与齿轮、活塞环与汽缸套等摩擦付在服役时表面产生的损伤。

工程上主要是通过提高材料的硬度来提高零部件的耐磨性。

另外，增加材料组织中硬质相的数量，并让其均匀、细小的分布；选择合理的磨擦付硬度配比；提高零部件表面加工质量；改善润滑条件等都能有效地提高零部件的抗磨损能力。

提高材料耐磨性的主要途径是进行表面强化，表13-1列出了表面强化工艺方法的分类及特点。

⑵ 腐蚀(corrosion)失效由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。

合理地选用耐腐蚀材料，在材料表面涂覆防护层，采用电化学保护及采用缓蚀剂等可有效提高材料的抗腐蚀能力。

表13-1 表面强化方法的分类和特点⑶ 表面疲劳失效表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。

4、材料的老化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，从而失去原有性能指标的现象，称为高分子材料的老化。

老化是高分子材料不可避免的。

一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用。

但是，各种失效因素相互交叉作用，可以组合成更复杂的失效形式。

例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨损、蠕变疲劳交互作用等。

三、失效原因造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用等因素。

1、设计不合理零部件设计不合理主要表现在零部件尺寸和结构设计上，例如过渡园角太小，尖锐的切口、尖角等会造成较大的应力集中而导致失效。

另外，对零部件的工作条件及过载情况估计不足，所设计的零部件承载能力不够；或对环境的恶劣程度估计不足，忽略和低估了温度、介质等因素的影响等，造成零部件过早失效。

2、选材错误选材所依据的性能指标，不能反映材料对实际失效形式的抗力，不能满足工作条件的要求，错误地选择了材料。

另外，材料的治金质量太差，如存在夹杂物、偏析等缺陷，而这些缺陷通常是零部件失效的发源地。

3、加工工艺不当零部件在加工或成形过程中，由于采用的工艺不当而产生的各种质量缺陷。

例如较深的切削刀痕、磨削裂纹等，都可能成为引发零部件失效的危险源。

零部件热处理时，冷却速度不够、表面脱碳、淬火变形和开裂等，都是产生失效的重要原因。

4、装配使用不当在将零部件装配成机器或装置的过程中，由于装配不当、对中不好、过紧或过松都会使零部件产生附加应力或振动，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。

使用维护不良，不按工艺规程操作，也可使零部件在不正常的条件下运转，造成零部件过早失效。

四、失效分析由于零部件失效造成的危害是巨大的，因而失效分析愈来愈受到重视。

通过失效分析，找出失效原因和预防措施，可改进产品结构，提高产品质量，发现管理上的漏洞，提高管理水平，从而提高经济效益和社会效益。

失效分析的成果也常是新产品开发的前提，并能推动材料科学理论的发展。

失效分析是一个涉及面很广的交叉学科。

掌握了正确的失效分析方法，才能找到真正合乎实际的失效原因，提出补救和预防措施。

1、失效分析的一般程序⑴ 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。

⑵ 调查零部件的服役条件和失效过程。

⑶ 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。

⑷ 试验研究：① 材料成分分析及宏观与微观组织分析。

检查材料成分是否附合标准，组织是否正常（包括晶粒度，缺陷，非金属夹杂物，相的形态、大小、数量、分布，裂纹及腐蚀情况等）。

② 宏观和微观的断口分析，确定裂纹源及断裂形式（脆性断裂还是韧性断裂，穿晶断裂还是沿晶断裂，疲劳断裂还是非疲劳断裂等）。

③ 力学性能分析。

测定与失效形式有关的各项力学性能指标。

④ 零部件受力及环境条件分析。

分析零部件在装配和使用中所承受的正常应力与非正常应力，是否超温运行，是否与腐蚀性介质接触等。

⑤ 模拟试验。

对一些重大失效事故，在可能和必要的情况下，应作模拟试验，以验证经上述分析后得出的结论。

⑸ 综合各方面的分析资料，最终确定失效原因，提出改进措施，写出分析报告。

2、失效分析实例⑴ 锅炉给水泵轴的断裂分析某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运行了1400多小时便先后发生断轴事故，严重地影响了工厂的正常试车和投产。

泵轴的材质相当于我国的42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小直径为74mm。

在试车期间，给水泵曾频繁开停车。

图13-4为泵轴的断口照片。

图13-4 锅炉给水泵轴的断口成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限（0.45%）达到0.48%。

泵轴的心部组织为魏氏组织，表面为粗大晶粒的回火索氏体组织。

显然，泵轴材料为不合格材料。

泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生脆性断裂。

断口上存在着明显的疲劳休止线，最终韧性断裂区为较小的椭圆形区域，并且偏心。

断口边缘存在许多撕裂台阶，为多源断裂。

结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲劳断裂。

深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断裂的主要原因。

泵轴材料是成分和热处理组织不合格材料。

根据这一分析结论，国外厂商对化肥厂进行了赔付。

⑵ 合成气压缩机提板阀杆断裂分析某大型合成氨厂合成气压缩机提板阀杆多次在开车后3~5天内断裂，严重影响正常生产，造成巨大经济损失。

该压缩机是按进口机仿制的。

阀杆材质为Cr11MoV，成分符合国标，组织基本正常（回火索氏体），工作介质为蒸汽。

阀杆断口存在疲劳纹，裂纹源位于阀杆一侧边缘，最终瞬断区占断面绝大部分面积，为高载荷小应力集中的弯曲疲劳断裂。

断裂发生于阀杆的上罗纹处（用以将阀杆固定在阀板上），在断口附近的罗纹根部与同侧下罗纹的根部发现了大量裂纹，这些裂纹平直，短而粗，尖端较钝，分支少而小，并成群出现，裂纹内充满腐蚀产物，为典型腐蚀疲劳裂纹。

根据裂纹出现位置和紧固螺母与垫片之间磨痕轻重程度发现，阀杆与阀板孔偏心，使阀杆受到弯矩作用。

结论：阀杆断裂为高载荷小应力集中弯曲腐蚀疲劳断裂，加工与装配不合理引起的弯曲应力是阀杆断裂的主要原因。

建议适当扩大阀板孔，消除导致阀杆弯曲的因素。

经改进后再未发生阀杆断裂事故。

⑶ 气化炉氧管线内壁裂纹分析某化工厂进口装置气化炉的氧管线因多次泄漏影响生产而被换下，将氧管剖开后，发现其内壁存在大量裂纹，如图13-5(a)所示。

氧管内通有314℃、105大气压的饱和蒸汽和150℃、100大气压纯氧的混合气体。

这些裂纹的存在会严重威胁人身生命和装置的安全。

氧管材质为进口TP321钢（1Cr19Ni11Ti），外径为114.3mm，壁厚为8.56mm。

其成分符合ASTM标准，组织正常，无明显塑性变形。

显微观察发现，裂纹起源于内壁并穿晶向外壁扩展，裂纹分支很多，尖端尖锐且存在腐蚀产物，其在径向上的形态为枯树枝状（见图13-5(b)），这些都是应力腐蚀裂纹的典型特征。