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1、机械零件的失效与强化第1页，此课件共11页哦1.1.1.1.过量弹性变形失效过量弹性变形失效过量弹性变形失效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。零件由于产生过大的弹性变形而失效，称为弹性变形失效。零件由于产生过大的弹性变形而失效，称为弹性变形失效。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，其过大例如对于受弯扭的轴类零件，其过大例如对于受弯扭的轴类零件，其过大例如对于受弯扭的轴类零件，其过大弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形会造成轴上啮合零件的会造成轴上啮合零件的会造成轴上啮合零件的会造成轴上啮合零件的严重偏载严重偏载严重偏载严重
2、偏载甚至甚至甚至甚至啮合失常啮合失常啮合失常啮合失常，进而导致传动失效。，进而导致传动失效。，进而导致传动失效。，进而导致传动失效。2.2.2.2.过量塑性变形失效过量塑性变形失效过量塑性变形失效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量的塑性变形会使量的塑性变形会使量的塑性变形会使零件的相对位置零件的相对位置零件的相对位置零件的相对位置发生变化，使整个机器运发生变化，使整个机器运发生变化，使整个
3、机器运发生变化，使整个机器运转不良。转不良。转不良。转不良。3.3.3.3.蠕变变形失效蠕变变形失效蠕变变形失效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（即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现（即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现（即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现（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，象）。如
4、锅炉、汽轮机、航空发动机及其它热机的零部件，象）。如锅炉、汽轮机、航空发动机及其它热机的零部件，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。常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。第2页，此课件共11页哦二、断裂失效二、断裂失效l l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
5、种。裂的原因，可分为下列几种。裂的原因，可分为下列几种。裂的原因，可分为下列几种。（1）韧性断裂失效）韧性断裂失效）韧性断裂失效）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。显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。（2 2）低温脆性断裂失效）低温脆性断裂失
6、效）低温脆性断裂失效）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。大降低并发生脆性断裂而失效。大降低并发生脆性断裂而失效。大降低并发生脆性断裂而失效。第3页，此课件共11页哦（3 3）疲劳断裂失效）疲劳断裂失效）疲劳断裂失效）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零件在承受交变载荷时，尽管
7、应力的峰值在抗拉强度甚至在屈服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，这种现象称为疲劳强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂，这种现象称为疲劳强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂，这种现象称为疲劳强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂为脆性断裂。疲劳断裂为脆性断裂。疲劳断裂为脆性断裂。疲劳断裂为脆性断裂。（4）蠕变断裂失效）蠕变断裂失效）蠕变断裂失效）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，零件内部产生在高温下工作的零件，当蠕变变
8、形量超过一定范围时，零件内部产生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。裂纹而很快断裂，有些材料在断裂前产生颈缩现象。裂纹而很快断裂，有些材料在断裂前产生颈缩现象。裂纹而很快断裂，有些材料在断裂前产生颈缩现象。（5 5）环境断破失效）环境断破失效）环境断破失效）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，往往在负载荷条件下，由于环境因素（例如腐蚀介质）的影响，往往在负载荷条件下，由于环境因素（例如腐蚀介质）的影响，往往在负载荷条件下，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
9、境破断失效应包括应力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。腐蚀、氢脆、腐蚀、疲劳等。腐蚀、氢脆、腐蚀、疲劳等。腐蚀、氢脆、腐蚀、疲劳等。第4页，此课件共11页哦三、表面损伤失效三、表面损伤失效1.1.1.1.磨损实效磨损实效磨损实效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相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面
10、发生损耗或产生塑变，使金属状态和尺寸改变的现象。生塑变，使金属状态和尺寸改变的现象。生塑变，使金属状态和尺寸改变的现象。生塑变，使金属状态和尺寸改变的现象。2.2.腐蚀失效腐蚀失效腐蚀失效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。作用而造成零件表面损耗，引起尺寸、性能变化，导致失效。作用而造成零件表面损耗，引起尺寸、性能变化，导致失效。作用而造成零件表面损耗，引
11、起尺寸、性能变化，导致失效。3.3.表面疲劳失效表面疲劳失效表面疲劳失效表面疲劳失效相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受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交变接触应力交变接触应力交变接触应力的的的的作用而导致表面层材料发生疲劳而脱落，造成失效。作用而导致表面层材料发生疲劳而脱落，造成失效。作用而导致表面层材料发生疲劳而脱落，造成失效。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，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，实际上零
12、件的失效形式往往不是单一的，随外界条件的变化，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，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，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，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。往往先有点蚀、剥落，后出现断齿等多种形式。往往先有点蚀、剥落，后出现断齿等多种形式。往往先有点蚀、剥落，后出现断齿等多种形式。第5页，此课件共11页哦四、零件失效分析的一般方法四、零件失效分析的一般方法(自学自学)l l为了开展失效分析，确定
13、失效形为了开展失效分析，确定失效形为了开展失效分析，确定失效形为了开展失效分析，确定失效形式，找出失效原因，提出预防和补救式，找出失效原因，提出预防和补救式，找出失效原因，提出预防和补救式，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：措施，所采用的一般分析程序是：措施，所采用的一般分析程序是：措施，所采用的一般分析程序是：调调调调查研究查研究查研究查研究残骸收集和分析残骸收集和分析残骸收集和分析残骸收集和分析试验试验试验试验分析研究分析研究综合分析，作出结论，综合分析，作出结论，综合分析，作出结论，综合分析，作出结论，写出报告写出报告写出报告写出报告。第6页，此课件共11页哦1.
14、1.调查研究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。于进一步分析判断。于进一步分析判断。于进一步分析判断。2.2.残骸收集和分析残骸收集和分析这是一项十分复杂和艰巨的工作，目的是确定首先破坏件及其失这是一项十分复杂和艰巨的工作，目的是确定首先破坏件及其失这是一项十分复杂和艰巨的工作，目的是确定首先破坏件及其失这是一项十分复杂和艰巨的工作，目的是确定首先破坏件及其失效源。效源。效源。效源。
15、3.3.试验分析试验分析通常开展下列一些试验分析通常开展下列一些试验分析通常开展下列一些试验分析通常开展下列一些试验分析1 1 1 1）无损检测）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。不改变材料的前提下，检查零件缺陷的位置、大小和数量等。不改变材料的前提下，检查零件缺陷的位置、大小和数量等。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 2 2 2）断口分析）断口分析）断口分析）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，可分为宏观分通常从零
16、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。析和微观分析两种。析和微观分析两种。析和微观分析两种。第7页，此课件共11页哦3 3 3 3）化学成分分析）化学成分分析）化学成分分析）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。准规定，或鉴别零件是由何种材料制造的。准规定，或鉴别零件是由何种材料制造的。准规定，或鉴别零件是由何种材料制造的。4
17、 4 4 4）金相分析）金相分析）金相分析）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。使用光学显微镜进行失效分析是一个普遍使用的方法。使用光学显微镜进行失效分析是一个普遍使用的方法。使用光学显微镜进行失效分析是一个普遍使用的方法。5 5 5 5）力学性能分析）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，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，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，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。必要时还要做硬度、塑性、断裂韧性等等试验
18、。必要时还要做硬度、塑性、断裂韧性等等试验。必要时还要做硬度、塑性、断裂韧性等等试验。6 6 6 6）其它试验方法）其它试验方法）其它试验方法）其它试验方法对于重要且复杂的失效产品，为分析机件的服役情况，采用试验性对于重要且复杂的失效产品，为分析机件的服役情况，采用试验性对于重要且复杂的失效产品，为分析机件的服役情况，采用试验性对于重要且复杂的失效产品，为分析机件的服役情况，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、应力测试法，如静态应变电测法、脆性涂层法、光弹法、应力测试法，如静态应变电测法、脆性涂层法、光弹法、应力测试法，如静态应变电测法、脆性涂层法、光弹法、X X X
19、X射线法射线法射线法射线法等等。等等。等等。等等。4.4.综合分析，作出结论，写出报告综合分析，作出结论，写出报告第8页，此课件共11页哦 第二节、工程材料的强化和强韧性第二节、工程材料的强化和强韧性一、工程材料的强化方法（一、工程材料的强化方法（6 6种）种）固溶、冷变形、细化、第二相、相变、复合固溶、冷变形、细化、第二相、相变、复合l l1.固溶强化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，
20、增加了塑性变形抗力。原因主要为：作为位错运动的障碍，增加了塑性变形抗力。原因主要为：作为位错运动的障碍，增加了塑性变形抗力。原因主要为：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，增加位错滑移阻力溶质原子引起晶格畸变，增加位错滑移阻力溶质原子引起晶格畸变，增加位错滑移阻力溶质原子引起晶格畸变，增加位错滑移阻力（2 2）溶质原子与位错的交互作用，钉扎位错溶质原子与位错的交互作用，钉扎位错溶质原子与位错的交互作用，钉扎位错溶质原子与位错的交互作用，钉扎位错l l2.冷变形强化（加工硬化）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
21、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。化后金属的塑性和韧性都有所下降。化后金属的塑性和韧性都有所下降。化后金属的塑性和韧性都有所下降。第9页，此课件共11页哦l l3.细晶强化（亦称晶界强化）细晶强化（亦称晶界强化）晶界的作用有两方面：晶界的作用有两方面：晶界的作用有两方面：晶界的作用有两方面：1 1 1 1）阻碍位错运动阻碍位错运动阻碍位错运动阻碍位错运动 2 2 2 2）是位错聚集的地点是位错聚集的地点是位错聚集的地点是位错聚集的地点。
22、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。错密度也越大、越聚集，从而导致强度升高。错密度也越大、越聚集，从而导致强度升高。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。细晶强化不但可提高强度，还可改善塑性和韧性。细晶强化不但可提高强度，还可改善塑性和韧性。细晶强化不但可提高强度，还可改善塑性和韧性。l l4.4.第二相强化第二相强化第二相
23、强化是指利用合金中存在的第二相进行强化的现象。其机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。理与第二相的形态、数量及在基体上的分布方式有关。理与第二相的形态、数量及在基体上的分布方式有关。理与第二相的形态、数量及在基体上的分布方式有关。（1 1）弥）弥散强化散强化 材料通过基体中分布有细小、弥散的第二相材料通过基体中分布有细小、弥散的第二相材料通过基体中分布有细小、弥散的第二相材料通过基体中分布有细小、弥散的第二相质点而产
24、生强化的方法，称为分散强化。质点而产生强化的方法，称为分散强化。质点而产生强化的方法，称为分散强化。质点而产生强化的方法，称为分散强化。（2 2）合金中的第二相强化合金中的第二相强化合金中的第二相强化合金中的第二相强化 当两相的体积和尺寸相当两相的体积和尺寸相当两相的体积和尺寸相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差不大，结构、成分、性能相差较大时，欲使第二相起强化作差不大，结构、成分、性能相差较大时，欲使第二相起强化作差不大，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。用，应使第二相成片层状，最好是粒状分布。用，
25、应使第二相成片层状，最好是粒状分布。用，应使第二相成片层状，最好是粒状分布。第10页，此课件共11页哦l l3.3.3.3.形变热处理形变热处理形变热处理形变热处理是将是将是将是将形变强化形变强化形变强化形变强化和和和和相变强化相变强化相变强化相变强化结合的强韧化方法。机理是：奥氏体形结合的强韧化方法。机理是：奥氏体形结合的强韧化方法。机理是：奥氏体形结合的强韧化方法。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，淬变使位错密度增加，一方面由于动态回复形成稳定
26、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。得弥散强化效果。得弥散强化效果。得弥散强化效果。l l4.4.4.4.低碳马氏体强韧化低碳马氏体强韧化低碳马氏体强韧化低碳马
27、氏体强韧化获得获得获得获得位错型低碳马氏体位错型低碳马氏体位错型低碳马氏体位错型低碳马氏体是钢材强化的一个重要途径。是钢材强化的一个重要途径。是钢材强化的一个重要途径。是钢材强化的一个重要途径。l l5.5.下贝氏体强韧化下贝氏体强韧化下贝氏体强韧化下贝氏体强韧化是指经等温淬火获得下贝氏体组织。是指经等温淬火获得下贝氏体组织。是指经等温淬火获得下贝氏体组织。是指经等温淬火获得下贝氏体组织。l l6.6.6.6.表面强化表面强化表面强化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。表面性能。表面性能。表面性能。第11页，此课件共11页哦