单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,/20,*,第十章 机械零件的失效分析和表面处理,第一节 机械零件的失效分析,一、失效的概念,所谓失效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。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安全，造成巨大的经济损失。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具有十分重要的意义。,二,、失效形式,常见失效形式有变形失效、断裂失效、表面损伤失效及材料老化失效。,(1),过量变形,失效-是指零件在工作过程中受力产生的变形量超过了允许值，使机器设备无法正常工作或虽正常工作但达不到预期效果的现象。,(2),断裂,失效,-零件在工作的过程中发生断裂的现象称断裂失效。,（3),表面损伤,失效-主要是指零件表面的磨损、接触疲劳和腐蚀。,(,4),材料老化,失效,-,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，失去原有性能指标的现象，称高分子材料的老化。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。,1/20,第十章 机械零件的失效分析和表面处理,1,三、失效的原因,造成机械零件失效的原因很多，零件在设计选材加工以及安装使用四个方面的不当都可能导致零件的失效。,(1),设计不合理,零件设计不当而导致失效的主要表现在两个方面：一是零件的结构、尺寸设计不合理或结构工艺性差，例如过渡圆角太小、存在尖角、孔槽位置不当等都会造成较大的应力集中；二是设计时错误地估计了零件的工作条件，例如对零件承载能力设计得不够，或是忽略、低估了温度、介质等因素的影响，致使零件早期失效。近年来，由于设计不合理而导致零件失效情况已随着应力分析水平等的提高而大大减少。,(2),选材不合理,选材时首先应满足零件的使用性能要求，保证零件正常工作和有足够抵抗破坏的能力。往往一个零件需要同时满足几个方面的性能要求，这就要求以最关键的性能作为选材的主要依据。,(3),加工工艺不当,零件在制造过程中，要经过一系列冷、热加工工序：任何不正确的加工工艺都可能造成缺陷，如冷加工时零件表面有较深的刀痕；热加工时零件内部存在裂纹、晶粒粗大等，这些都是造成零件失效的原因。,(4),安装使用不正确,在装配或安装的过程中，机械零件配合过松或过紧。对中不良，固定太松或太紧等原因都会使机器在运转时产生附加应力和振动，致使零件发生早期失效。,2/20,三、失效的原因2/20,2,四、失效分析方法,造成机械零件失效的原因很多，零件在设计、选材、加工以及安装使用四个方面的不当都可能导致零件的失效。,失效分析是研究失效的过程并进行分析，以求弄清失效的本质、产生的原因以及提出预防的措施，以防止类似的问题重复发生。基本过程如下：,（1）,使用现场调查,了解使用环境和失效经过，记录使用寿命和损坏情况，收集保存残体供分析。,（2）,用材和成形制造工艺调查,复查化学成分和原材料质量，详细了解零件的成形工艺，机械加工，热处理等工艺和操作过程。,（3）,检测分析,外观分析、断口分析（包括确定裂纹源、断裂机制以及引起断裂的原因）、,显微分析（可以分为金相显微分析与电子显微分析两种方法，,目的是研究材料的显微组织结构与失效的关系,）、力学性能测试等，必要时进行无损探伤和断裂力学分析。,失效分析的结果对零件的设计、选材、加工以及使用具有一定的指导意义。,3/20,四、失效分析方法 造成机械零件失效的原因很多，零件在,3,第二节 材料的表面处理技术简介,一、表面处理的意义,在扭转、弯曲、冲击、疲劳等负荷作用下的零件，其表面层比心部承受更高的应力。摩擦副或相对运动部位，在接触面上会受到相配合零件或外来磨粒的擦伤、刻划甚至犁削等作用；金属(或合金)在有腐蚀的环境中工作时，表面将受到介质的侵蚀作用。因此，材料表面很容易受到各种类型的损伤。许多破坏往往是从表面开始的，比如表面疲劳裂纹的扩展会导致整个零件破坏；不均匀磨损或腐蚀造成的表面沟痕引起应力集中，成为断裂的起源。,因此，有必要对材料的表面进行特殊的强化或防护处理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，防止或减轻表面损伤，提高零件的可靠性和使用寿命。有时进行表面处理是为了提高零件的装饰性。通过表面处理，在保持材料本体承载能力的前提下提高表面抗失效能力，显然具有积极的经济意义。,4/20,第二节 材料的表面处理技术简介 一、表面处理的意义4/,4,二、表面处理方法与分类,表面处理方法有很多，主要分为两大类：表面强化处理和表面防护处理。常用的表面处理工艺方法有：表面热处理【包括表面淬火(含激光表面热处理)与化学热处理】、气相沉积（包括：化学气相沉积和物理气相沉积）、热喷涂、堆焊与喷焊、喷丸、滚压、氧化处理、磷化、电镀、化学镀、热浸镀、搪瓷、涂料与涂装等等。各种新方法也还在不断出现。,三、表面预处理,材料在进行表面处理前，一般需要经过预处理，包括除油、除锈、粗化、活化和抛光。表面预处理的目的是：预先制备清洁的表面，以便后续表面处理工序的进行、或保证覆盖层与材料基体有牢固的结合强度。对许多表面处理工艺而言，如气相沉积、热喷涂、电镀等表面预处理质量的好坏，在很大程度上决定着表面处理工艺的成败。,5/20,二、表面处理方法与分类5/20,5,四、常用表面强化处理技术方法,常用表面强化处理方法有：表面淬火（工业上广泛应用的有火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火和激光加热表面淬火），化学热处理，气相沉积（包括：化学气相沉积和物理气相沉积），热喷涂，堆焊与喷焊，电火花表面强化等。其中，表面淬火、化学热处理和气相沉积已经在第四章第七节钢的表面热处理和热处理新工艺简介中作了介绍，这里不再重复讨论。,1.热喷涂,它是采用气体、液体、燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料，加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。若将喷涂层再加热重熔，则产生冶金结合。这种方法称为热喷涂方法。根据需要选用不同的涂层材料，可以获得耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热等方面的一种或数种性能。,6/20,四、常用表面强化处理技术方法6/20,6,2.,堆焊,和,喷焊,(1)堆焊 用传统的电焊方法，将合金丝或焊条熔化堆结在工件表面形成冶金结合层的方法。如用气焊、焊条电弧焊及氩弧焊等各种电弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件表面，达到修复或改善工件表面性能的目的。,(2)喷焊 是采用气体火焰或等离子焰将自溶性合金粉末熔化或半熔化后，高速喷射到经预热的工件表面，再继续加热至10001300，合金熔化后经冷凝生成涂层，使其和基体表面达到良好结合的方法。,3、,电火花表面强化,是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料熔渗进金属工件的表层，形成合金化的表面强化层，使工件的物理化学和机械性能得到改善的工艺。它是直接利用电能的高能量密度对工件表面进行强化的工艺方法。,7/20,2.堆焊和喷焊7/20,7,4.激光束表面合金化,激光热处理的,基本原理,激光是二十世纪60年代出现的重大科学技术成就之一，70年代开始应用于金属热处理。激光是由激光器产生的，金属热处理大多使用CO2激光器。,激光束具有以下特性：高方向性。光束的发散角可小于一个到几个毫弧度，基本上是平行的。高亮度性。光束非常强，并可聚集成很小的光斑，具有很高的能量密度。高单色性。频率范围非常窄，有很好的相干性。,当激光束照射到金属表面时，其能量几乎全被表面层吸收转变成热，可在极短时间内将工件表层加热或熔化，而工件心部仍保持室温。当激光束离去后，通过向工件心部的传热，表层可获得极大的冷却速度，从而实现“自冷却”淬火或快速凝固。因此，可用激光束对钢铁零件进行表面淬火和表面合金化。,8/20,4.激光束表面合金化8/20,8,五、常用表面防护性处理方法,1.,氧化处理,(1),钢铁的氧化处理,钢铁的化学氧化是将钢铁零件浸在浓碱溶液中煮沸，在金属表面生成稳定的四氧化三铁(Fe304)的过程。因四氧化三铁氧化膜呈蓝黑色，所以又称其为“发蓝”。发蓝是提高黑色金属防护能力的一种简便而又经济的方法。膜厚在0.5-1.6m。膜层具有很好的吸附性，发蓝后的零件再进行浸油及其它填充处理，能进一步提高膜层的耐蚀性。发蓝膜薄，不影响零件的装配尺寸；对表面光洁要求高或抛光的精密件，发蓝后表面既亮又黑，具有防护和装饰的效果。这一工艺在精密仪器、光学仪器以及机械制造上广为应用。,(2),铝及铝合金的氧化处理,主要有化学氧化和电化学氧化-阳极氧化。,1）铝及铝合金的化学氧化 是把工件置入适当溶液中，使其表面生成人工氧化膜。一般是将铝件浸在含有碱溶液和碱金属的铬酸盐溶液中，铝和溶液互相作用,很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜，其膜厚度大约0.5-4m。这种氧化膜具有较高的吸附能力，般工业上作为表面涂装的底层，经化学氧化后再涂装，可以大大提高铝及铝合金外观装饰件的抗蚀能力，使涂料的保持性增强。铝及铝合金化学氧化的优点主要是生产效率高、成本低、不消耗电能，不需专门设备，适于大批量生产。因此，化学氧化法在面饰中大量采用。,2）铝及铝合金的电化学氧化 铝及铝合金零件在电解液中进行电化学氧化，其工艺象电镀的逆过程，因零件作为阳极，故也称铝阳极氧化。,9/20,五、常用表面防护性处理方法9/20,9,2,钢铁的磷化处理,钢铁的磷化处理是将零件浸入磷酸盐溶液中进行化学处理，在金属表面生成难溶于水的磷酸盐膜的过程。简称“磷化”。磷化也是金属氧化方法之一，因此磷酸盐膜也是一种化学转化膜。磷化是钢铁表面防护的常用方法之一，应用愈来愈广泛。有色金属如锌、铝、铜、锡等都可以进行磷化处理。,磷化溶液品种甚多，按磷化温度，可分为高温磷化(85-98)、中温磷化(50-70)、低温磷化(35)；按磷化溶液成分，可分为锌系、锰系、锌钙系等。但应用较多的是锌系的磷酸二氢锌和锰系的磷酸锰铁制剂等。磷酸盐膜的厚度可由3-20m，甚至更厚。膜与基体金属有较好的结合，膜的性能较好。对大气相在有机油类、苯、甲苯及各种气体燃料中有很好的耐蚀性；对润滑油有很好的吸附性；不粘附熔融金属、不影响零件的焊接性能；磷酸盐膜是高电阻膜层，有很好的电绝缘性。磷酸盐膜的颜色由暗灰到黑色，随基体合金成分及磷酸盐处理工艺的不同，可以呈不同的颜色。磷酸盐是一种无机盐膜，其不足在于膜本身机械强度不高，有一定脆性。磷酸盐处理过程伴随着氢的析出、对氢脆敏感的材料，应考虑氢脆问题，特别是对高强钢。一般对受力较小的低碳或中碳钢不会造成危害。,10/20,2钢铁的磷化处理10/20,10,3,电镀和化学镀,镀层装饰技术能在制品表面形成具有金属特性的镀层，这是一种较典型的表面装饰技术。金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性，而且能够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效果，因此能保护和美化表面，由于有优异的镀层，常常使制品的品位和档次得到提高。,按镀层的表面状态可分成镜面镀层和粗面镀层两类。按镀层装饰技术可分为电镀、化学镀、真空蒸发沉积镀、气相镀等。镀层装饰的金属有Cu、Ni、Cr、Fe、Zn、Sn、Al、Pb、Au、Ag、Pt。,电镀,：是将金属工件浸入要镀金属盐溶液中并作为阴极，通以直流电，在直流电场作用下，金属盐溶液中的阳离子在工件表面上沉积形成电镀层。,化学镀,：是一种在无外加电流的情况下,利用还原剂在具有催化活性的表面进行氧化还原反应而沉积出镀层的方法。溶液中一般含有主盐，提供形成镀层的主要成分；还原剂，还原主盐中的离子；络合剂，拓宽镀液工作的pH值范围,提高沉积速度,改善镀层光洁致密性,防止镀液中沉淀的析出,增加其稳定性并延长使用寿命；稳定剂，抑制镀液自发分解；缓冲剂。,11/20,3电镀和化学镀11/