第十章機械零件的失效分析和外表處理第一節機械零件的失效分析一、失效的概念所謂失效是指零部件在使用過程中，由于尺寸、外形或材料的組織與性能等的變化而失去預定功能的現象。零部件的失效，會使機床失去加工精度、輸氣管道發生泄漏、飛機消逝故障等，嚴峻地威逼人身生命和生產安全，造成巨大的經濟損失。分析零部件的失效緣由、爭論失效機理、提出失效的預防措施具有特殊重要的意義。二、失效形式常見失效形式有變形失效、斷裂失效、外表損傷失效及材料老化失效。(1)過量變形失效-是指零件在工作過程中受力產生的變形量超過了允許值，使機器設備無法正常工作或雖正常工作但達不到預期效果的現象。(2)斷裂失效-零件在工作的過程中發生斷裂的現象稱斷裂失效。〔3)外表損傷失效-主要是指零件外表的磨損、接觸疲乏和腐蝕。(4)材料老化失效-高分子材料在貯存和使用過程中發生變脆、變硬或變軟、變粘等現象，失去原有性能指標的現象，稱高分子材料的老化。老化是高分子材料不行避開的。一個零部件失效，總是以一種形式起主導作用，但是，各種失效因素相互穿插作用，可以組合成更簡潔的失效形式。例如應力腐蝕、腐蝕疲乏、腐蝕磨損、蠕變疲乏交互作用等。1/20三、失效的緣由造成機械零件失效的緣由很多，零件在設計選材加工以及安裝使用四個方面的不當都可能導致零件的失效。(1)設計不合理零件設計不當而導致失效的主要表現在兩個方面：一是零件的構造、尺寸設計不合理或構造工藝性差，例如過渡圓角太小、存在尖角、孔槽位置不當等都會造成較大的應力集中；二是設計時錯誤地估量了零件的工作條件，例如對零件承載力氣設計得不夠，或是無視、低估了溫度、介質等因素的影響，致使零件早期失效。近年來，由于設計不合理而導致零件失效狀況已隨著應力分析水公正的提高而大大削減。(2)選材不合理選材時首先應滿足零件的使用性能要求，保證零件正常工作和有足夠反抗破壞的力氣。往往一個零件需要同時滿足幾個方面的性能要求，這就要求以最關鍵的性能作為選材的主要依據。(3)加工工藝不當零件在制造過程中，要經過一系列冷、熱加工工序：任何不正確的加工工藝都可能造成缺陷，如冷加工時零件外表有較深的刀痕；熱加工時零件內部存在裂紋、晶粒粗大等，這些都是造成零件失效的緣由。(4)安裝使用不正確在裝配或安裝的過程中，機械零件協作過松或過緊。對中不良，固定太松或太緊等緣由都會使機器在運轉時產生附加應力和振動，致使零件發生早期失效。2/20四、失效分析方法造成機械零件失效的緣由很多，零件在設計、選材、加工以及安裝使用四個方面的不當都可能導致零件的失效。失效分析是爭論失效的過程并進展分析，以求弄清失效的本質、產生的緣由以及提出預防的措施，以防止類似的問題重復發生。根本過程如下：〔1〕使用現場調查了解使用環境和失效經過，記錄使用壽命和損壞狀況，收集保存殘體供分析。〔2〕用材和成形制造工藝調查復查化學成分和原材料質量，具體了解零件的成形工藝，機械加工，熱處理等工藝和操作過程。〔3〕檢測分析外觀分析、斷口分析〔包括確定裂紋源、斷裂機制以及引起斷裂的緣由〕、顯微分析〔可以分為金相顯微分析與電子顯微分析兩種方法，目的是爭論材料的顯微組織構造與失效的關系〕、力學性能測試等，必要時進展無損探傷和斷裂力學分析。失效分析的結果對零件的設計、選材、加工以及使用具有確定的指導意義。3/20其次節材料的外表處理技術簡介一、外表處理的意義在扭轉、彎曲、沖擊、疲乏等負荷作用下的零件，其外表層比心部承受更高的應力。摩擦副或相對運動部位，在接觸面上會受到相協作零件或外來磨粒的擦傷、刻劃甚至犁削等作用；金屬(或合金)在有腐蝕的環境中工作時，外表將受到介質的侵蝕作用。因此，材料外表很簡潔受到各種類型的損傷。很多破壞往往是從外表開頭的，比方外表疲乏裂紋的擴展會導致整個零件破壞；不均勻磨損或腐蝕造成的外表溝痕引起應力集中，成為斷裂的起源。因此，有必要對材料的外表進展特殊的強化或防護處理，以提高外表硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性，防止或減輕外表損傷，提高零件的牢靠性和使用壽命。有時進展外表處理是為了提高零件的裝飾性。通過外表處理，在保持材料本體承載力氣的前提下提高外表抗失效力氣，明顯具有樂觀的經濟意義。4/20二、外表處理方法與分類外表處理方法有很多，主要分為兩大類：外表強化處理和外表防護處理。常用的外表處理工藝方法有：外表熱處理【包括外表淬火(含激光外表熱處理)與化學熱處理】、氣相沉積〔包括：化學氣相沉積和物理氣相沉積〕、熱噴涂、堆焊與噴焊、噴丸、滾壓、氧化處理、磷化、電鍍、化學鍍、熱浸鍍、搪瓷、涂料與涂裝等等。各種新方法也還在不斷消逝。三、外表預處理材料在進展外表處理前，一般需要經過預處理，包括除油、除銹、粗化、活化和拋光。外表預處理的目的是：預先制備清潔的外表，以便后續外表處理工序的進展、或保證掩蓋層與材料基體有堅固的結合強度。對很多外表處理工藝而言，如氣相沉積、熱噴涂、電鍍等外表預處理質量的好壞，在很大程度上預備著外表處理工藝的成敗。5/20四、常用外表強化處理技術方法常用外表強化處理方法有：外表淬火〔工業上廣泛應用的有火焰加熱外表淬火、感應加熱外表淬火和激光加熱外表淬火〕，化學熱處理，氣相沉積〔包括：化學氣相沉積和物理氣相沉積〕，熱噴涂，堆焊與噴焊，電火花外表強化等。其中，外表淬火、化學熱處理和氣相沉積已經在第四章第七節鋼的外表熱處理和熱處理新工藝簡介中作了介紹，這里不再重復爭論。1.熱噴涂它是承受氣體、液體、燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它們的復合材料等噴涂材料，加熱到熔融或半熔融狀態，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經過預處理的工件外表，從而形成附著堅固的外表層的加工方法。假設將噴涂層再加熱重熔，則產生冶金結合。這種方法稱為熱噴涂方法。依據需要選用不同的涂層材料，可以獲得耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐熱等方面的一種或數種性能。6/202.堆焊和噴焊(1)堆焊用傳統的電焊方法，將合金絲或焊條熔化堆結在工件外表形成冶金結合層的方法。如用氣焊、焊條電弧焊及氬弧焊等各種電弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件外表，到達修復或改善工件外表性能的目的。(2)噴焊是承受氣體火焰或等離子焰將自溶性合金粉末熔化或半熔化后，高速噴射到經預熱的工件外表，再連續加熱至1000～1300℃，合金熔化后經冷凝生成涂層，使其和基體外表到達良好結合的方法。3、電火花外表強化是通過火花放電的作用，把作為電極的導電材料熔滲進金屬工件的表層，形成合金化的外表強化層，使工件的物理化學和機械性能得到改善的工藝。它是直接利用電能的高能量密度對工件外表進展強化的工藝方法。7/204.激光束外表合金化激光熱處理的根本原理激光是二十世紀60年月消逝的重大科學技術成就之一，70年月開頭應用于金屬熱處理。激光是由激光器產生的，金屬熱處理大多使用CO2激光器。激光束具有以下特性：①高方向性。光束的發散角可小于一個到幾個毫弧度，根本上是平行的。②高亮度性。光束特殊強，并可聚攏成很小的光斑，具有很高的能量密度。③高單色性。頻率范圍特殊窄，有很好的相干性。當激光束照射到金屬外表時，其能量幾乎全被外表層吸取轉變成熱，可在極短時間內將工件表層加熱或熔化，而工件心部仍保持室溫。當激光束離去后，通過向工件心部的傳熱，表層可獲得極大的冷卻速度，從而實現“自冷卻”淬火或快速凝固。因此，可用激光束對鋼鐵零件進展外表淬火和外表合金化。

8/20五、常用外表防護性處理方法1.氧化處理(1)鋼鐵的氧化處理鋼鐵的化學氧化是將鋼鐵零件浸在濃堿溶液中煮沸，在金屬外表生成穩定的四氧化三鐵(Fe304)的過程。因四氧化三鐵氧化膜呈藍黑色，所以又稱其為“發藍”。發藍是提高黑色金屬防護力氣的一種簡便而又經濟的方法。膜厚在0.5-1.6μm。膜層具有很好的吸附性，發藍后的零件再進展浸油及其它填充處理，能進一步提高膜層的耐蝕性。發藍膜薄，不影響零件的裝配尺寸；對外表光滑要求高或拋光的周密件，發藍后外表既亮又黑，具有防護和裝飾的效果。這一工藝在周密儀器、光學儀器以及機械制造上廣為應用。(2)鋁及鋁合金的氧化處理主要有化學氧化和電化學氧化-陽極氧化。1〕鋁及鋁合金的化學氧化是把工件置入適當溶液中，使其外表生成人工氧化膜。一般是將鋁件浸在含有堿溶液和堿金屬的鉻酸鹽溶液中，鋁和溶液相互作用,很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜，其膜厚度大約0.5-4μm。這種氧化膜具有較高的吸附力氣，—般工業上作為外表涂裝的底層，經化學氧化后再涂裝，可以大大提高鋁及鋁合金外觀裝飾件的抗蝕力氣，使涂料的保持性增加。鋁及鋁合金化學氧化的優點主要是生產效率高、本錢低、不消耗電能，不需特地設備，適于大批量生產。因此，化學氧化法在面飾中大量承受。2〕鋁及鋁合金的電化學氧化鋁及鋁合金零件在電解液中進展電化學氧化，其工藝象電鍍的逆過程，因零件作為陽極，故也稱鋁陽極氧化。9/202．鋼鐵的磷化處理鋼鐵的磷化處理是將零件浸入磷酸鹽溶液中進展化學處理，在金屬外表生成難溶于水的磷酸鹽膜的過程。簡稱“磷化”。磷化也是金屬氧化方法之一，因此磷酸鹽膜也是一種化學轉化膜。磷化是鋼鐵外表防護的常用方法之一，應用愈來愈廣泛。有色金屬如鋅、鋁、銅、錫等都可以進展磷化處理。磷化溶液品種甚多，按磷化溫度，可分為高溫磷化(85-98℃)、中溫磷化(50-70℃)、低溫磷化(＜35℃)；按磷化溶液成分，可分為鋅系、錳系、鋅鈣系等。但應用較多的是鋅系的磷酸二氫鋅和錳系的磷酸錳鐵制劑等。磷酸鹽膜的厚度可由3-20μm，甚至更厚。膜與基體金屬有較好的結合，膜的性能較好。對大氣相在有機油類、苯、甲苯及各種氣體燃料中有很好的耐蝕性；對潤滑油有很好的吸附性；不粘附熔融金屬、不影響零件的焊接性能；磷酸鹽膜是高電阻膜層，有很好的電絕緣性。磷酸鹽膜的顏色由暗灰到黑色，隨基體合金成分及磷酸鹽處理工藝的不同，可以呈不同的顏色。磷酸鹽是一種無機鹽膜，其缺乏在于膜本身機械強度不高，有確定脆性。磷酸鹽處理過程伴隨著氫的析出、對氫脆敏感的材料，應考慮氫脆問題，特殊是對高強鋼。一般對受力較小的低碳或中碳鋼不會造成危害。10/203．電鍍和化學鍍鍍層裝飾技術能在制品外表形成具有金屬特性的鍍層，這是一種較典型的外表裝飾技術。金屬鍍層不僅能提高制品的耐蝕性和耐磨性，而且能夠增加制品外表的顏色、光澤和肌理的裝飾效果，因此能疼惜和美化外表，由于有優異的鍍層，常常使制品的品位和檔次得到提高。按鍍層的外表狀態可分成鏡面鍍層和粗面鍍層兩類。按鍍層裝飾技術可分為電鍍、化學鍍、真空蒸發沉積鍍、氣相鍍等。鍍層裝飾的金屬有Cu、Ni、Cr、Fe、Zn、Sn、Al、Pb、Au、Ag、Pt。電鍍：是將金屬工件浸入要鍍金屬鹽溶液中并作為陰極，通以直流電，在直流電場作用下，金屬鹽溶液中的陽離子在工件外表上沉積形成電鍍層。化學鍍：是一種在無外加電流的狀況下,利用復原劑在具有催化活性的外表進展氧化復原反響而沉積出鍍層的方法。溶液中一般含有主鹽，供給形成鍍層的主要成分；復原劑，復原主鹽中的離子；絡合劑，拓寬鍍液工作的pH值范圍,提高沉積速度,改善鍍層光滑致密性,防止鍍液中沉淀的析出,增加其穩定性并延長使用壽命；穩定劑，抑制鍍液自發分解；緩沖劑。11/204.涂層裝飾技術在制品外表形成以有機物為主體的涂層，并枯燥成膜的工藝，稱為涂裝技術，這是一種簡潔而又經濟可行的外表裝飾方法，在工業上通常簡稱為涂裝。涂裝的目的有三方面：①疼惜作用。②裝飾作用:使制品外觀在視覺感受上成為美觀悅目的制品。③特殊作用。使制品具有隔熱、絕緣、耐水、耐輻射、阻尼、殺菌、吸取雷達波、隔音、導電等特殊功能。特殊是通過涂裝與其它外表處理技術相疊加的多重處理，可獲得能適應相當苛刻條件和使用環境的防護裝飾涂層。涂裝所用的材料是各種涂料。它們一般由主要成膜物質、顏料和溶劑混合加工而成。其中主要成膜物質是涂料中的主要組分，大多數為各種合成樹脂，其主要作用是將其它組分粘結成一個整體，并能附著在被覆金屬制品外表，形成堅韌的疼惜膜，所以也稱固著劑。由于有機溶劑涂料在使用時對環境有污染，同時為了節省資源，現代涂料已從有機溶劑型向水性涂料、粉末涂料、高固體組分涂料和反響性涂料轉化，并向無有機溶劑涂料過渡。12/20第十一章機械零件的選材機械零件的設計包括零件構造設計、材料選擇和工藝設計三個方面。在很多狀況下，選材或用材不當是造成零件失效的重要緣由之一。因此，了解選材的思路，把握合理選材的原則，在把握各種工程材料性能的根底上，正確、合理地選擇和使用材料是從事機械設計與制造的工程技術人員的一項重要任務，具有很重要的實際意義。13/20

遵循三條根本原則：使用性能足夠,工藝性能良好,經濟性合理。第一節選材的根本原則14/20使用性能是保證零件完成指定功能的必要條件。使用性能是指零件在工作過程中應具備的力學性能、物理性能和化學性能，它是選材的最主要依據，對于機械零件，最重要的使用性能是力學性能。對零件力學性能的要求，一般是在分析零件的工作條件(溫度、受力狀態、環境介質等)和失效形式的根底上提出來的。依據使用性能選材的步驟如下：1.分析零件的工作條件，確定使用性能零件的工作條件是簡潔的。工作條件分析包括受力狀態(拉伸、壓縮、彎曲、剪切等)、載荷性質(靜載、動載、交變載荷)、載荷大小及分布、工作溫度(低溫、室溫、高溫、變溫)、環境介質(潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等)、對零件的特殊性能要求(電、磁、熱)等。在對工作條件進展全面分析的根底上確定零件的使用性能。2.分析零部件的失效緣由，確定主要使用性能。對零件使用性能的要求，往往是多項的。例如傳動軸，要求其具有高的疲乏強度、韌性和軸頸的耐磨性。因此，需要通過對零部件失效緣由的分析，找出導致失效的主導因素，準確確定出零件所必需的主要使用性能。例如，曲軸在工作時承受沖擊、交變等載荷作用，而失效分析說明，曲軸的主要失效形式是疲乏斷裂，而不是沖擊斷裂，因此應以疲乏抗力作為主要使用性能要求來進展曲軸的設計。制造曲軸的材料也可由鍛鋼改為價格廉價、工藝簡潔的球墨鑄鐵。表11-1列出了幾種常見零件的工作條件、失效形式及對性能的要求。一、使用性能足夠的原則15/203.將對零件的使用性能要求轉化為對材料性能指標的要求有了對零件使用性能的要求，還不能立刻進展選材，還需要通過分析、計算或模擬試驗將使用性能要求指標化和量化。例如“高硬度”這一使用性能要求，需轉化為“﹥60HRC”或“62-65HRC”等。這是選材最關鍵、最困難的一步。需依據零部件的尺寸及工作時所承受的載荷，計算出應力分布，再由工作應力、使用壽命或安全性與材料性能指標的關系,確定性能指標的具體數值。4.材料的預選依據對零件材料性能指標數據的要求查閱有關手冊，找到適宜的材料，依據這些材料的大致應用范圍進展推斷、選材。對用預選材料設計的零件，其危急截面在考慮安全系數后的工作應力，必需小于所確定的性能指標數據值。然后再比較加工工藝的可行性和制造本錢的凹凸，以最優方案的材料作為所選定的材料。16/20二、工藝性能良好原則材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。在滿足使用性能選材的同時，必需兼顧材料的工藝性能。工藝性能的好壞，直接影響零件的質量、生產效率和本錢。工藝性能對大批量生產的零件尤為重要，由于在大批量生產時，工藝周期的長短和加工費用的凹凸，常常是生產的關鍵。金屬材料、高分子材料、陶瓷材料的工藝性能概括介紹如下：1.金屬材料的工藝性能：加工工藝路線簡潔，要求的工藝性能比較多，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理工藝性能等。鑄造性能最好的是共晶成分四周的合金，鑄造鋁合金和銅合金的鑄造性能優于鑄鐵，鑄鐵又優于鑄鋼。鍛造性能最好的是低碳鋼，中碳鋼次之，高碳鋼則較差。形變鋁合合和銅合金的鍛造性較好，而鑄鐵、鑄造鋁合金不能進展冷熱壓力加工。焊接性能低碳鋼最好，隨碳和合金元素含量增加，焊接性能下降，鑄鐵則很難焊接，鋁合