第11章零件失效与选材北大.ppt

机械工程材料 挑战者号爆炸事故挑战者号爆炸事故 55亿亿•19861986年年1 1月月2828日，日，““挑战者挑战者””号航号航天飞机在升空后天飞机在升空后7373秒之后发生爆炸秒之后发生爆炸坠毁，起因只是由于一个小密封圈坠毁，起因只是由于一个小密封圈出现故障，造成液态氢泄漏，最终出现故障，造成液态氢泄漏，最终引发大爆炸引发大爆炸•该航天飞机的造价为该航天飞机的造价为4545亿美元，另亿美元，另外在外在19861986至至19871987年间用于事故调年间用于事故调查、错误纠正、损失装置更换的费查、错误纠正、损失装置更换的费用也花费了用也花费了1010亿美元亿美元机械工程材料某国炮弹试射的炸膛事故机械工程材料机械工程材料•引例引例•产品失效的后果是引发事故，甚至重大或灾难性的事故，造成生命财产的巨大损失•美国挑战者号航天飞机第10次飞行故障航天飞机起飞1分钟后爆炸，这次爆炸使航天飞机顷刻之间化为灰烬，机毁人亡，7名宇航员全部遇难事故原因是右侧固体火箭助推器尾部连接处的密封垫圈失效 机械工程材料 “挑战者挑战者”号航天飞机号航天飞机19861986年年1 1月月2828日失事日失事机械工程材料•1979年年9月月7日我国某电化厂氯气车间日我国某电化厂氯气车间的液氯瓶爆炸，使的液氯瓶爆炸，使10t氯液外溢扩散，氯液外溢扩散，波及范围达波及范围达7.35平方公里，致使平方公里，致使59人人死亡，死亡，779人中毒，直接损失达人中毒，直接损失达63万元。

万元•1972年年10月，一辆由齐齐哈尔开往富月，一辆由齐齐哈尔开往富拉尔基的公共客车，行使至嫩江大桥拉尔基的公共客车，行使至嫩江大桥时因过小坑受到震动，前轴突然折断，时因过小坑受到震动，前轴突然折断，致使客车坠入江中，造成致使客车坠入江中，造成28人死亡 机械工程材料•机械产品失效分析是一门新的跨学科的综合性技机械产品失效分析是一门新的跨学科的综合性技术它研究失效的形式、机理，并提出预测和预术它研究失效的形式、机理，并提出预测和预防失效的措施防失效的措施•失效分析涉及学科领域广：机械设计，工艺学，失效分析涉及学科领域广：机械设计，工艺学，材料学，无损检测，工程力学，断口学，断裂力材料学，无损检测，工程力学，断口学，断裂力学，腐蚀化学，摩擦学，质量管理等等学，腐蚀化学，摩擦学，质量管理等等•掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料是从事机械设计与制造的工程技术人员的基本料是从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为选材是否合理直接关系到产品质量和要求，因为选材是否合理直接关系到产品质量和经济效益大量事实证明许多机器的重大质量事经济效益。

大量事实证明许多机器的重大质量事故也都来源于选材问题，因此掌握选材方法的要故也都来源于选材问题，因此掌握选材方法的要领，了解正确选材的过程是十分必要和有实际意领，了解正确选材的过程是十分必要和有实际意义的随着科学技术的发展，选材工作正向科学义的随着科学技术的发展，选材工作正向科学化和规范化发展化和规范化发展 机械工程材料机械工程材料机械工程材料机械工程材料11．．1．．1失效概念失效概念•工件丧失规定的功能即称为失效工件丧失规定的功能即称为失效（（Failure）零件在使用过程中如果发生）零件在使用过程中如果发生下述三种情况中的任何一种，即认为该零下述三种情况中的任何一种，即认为该零件已失效件已失效•1．完全损伤而不能工作；．完全损伤而不能工作；•2．虽然能工作但不能满意地起到预定的作．虽然能工作但不能满意地起到预定的作用；用；•3．损伤不严重但继续工作不安全．损伤不严重但继续工作不安全机械工程材料•分析失效原因，提出预防措施，使工件正分析失效原因，提出预防措施，使工件正常安全运行，是每一个工程设计人员的重常安全运行，是每一个工程设计人员的重大责任•分析零件的失效，一般要弄清楚以下问题：分析零件的失效，一般要弄清楚以下问题：用的是什么材料？它的主要力学性能是什用的是什么材料？它的主要力学性能是什么？失效是在什么条件下产生的？零件工么？失效是在什么条件下产生的？零件工作了多长时间？零件在工作中起什么作用作了多长时间？零件在工作中起什么作用？性能有哪些变化？失效的形式和失效原？性能有哪些变化？失效的形式和失效原因是什么？因是什么？机械工程材料11．．1．．2 失效形式失效形式•零件失效的具体形式是多种多样的，例如零件失效的具体形式是多种多样的，例如有弹性变形、塑性变形、塑性断裂、脆性有弹性变形、塑性变形、塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、表面腐蚀、表面磨损等。

断裂、疲劳断裂、表面腐蚀、表面磨损等但归纳起来，一般机器零件常见的失效形但归纳起来，一般机器零件常见的失效形式主要有以下三种：式主要有以下三种：•1．过量变形．过量变形•2．断裂．断裂•3．表面损伤．表面损伤机械工程材料1．过量变形•即在外力作用下发生整体或局部的过量的弹性变形、塑性变形即在外力作用下发生整体或局部的过量的弹性变形、塑性变形或高温蠕变等在机器结构中，有时需要专门选用弹性模量小、或高温蠕变等在机器结构中，有时需要专门选用弹性模量小、弹性极限高有较大弹性的材料，如用弹簧钢、铍青铜等来制造弹性极限高有较大弹性的材料，如用弹簧钢、铍青铜等来制造弹性零件，但是大多数情况要限制过量弹性变形，要求有足够弹性零件，但是大多数情况要限制过量弹性变形，要求有足够的刚度如镗床的镗杆，弹性变形大就不能保证精度飞机上的刚度如镗床的镗杆，弹性变形大就不能保证精度飞机上的一些零件，过量弹性变形甚至导致整个结构丧失稳定的一些零件，过量弹性变形甚至导致整个结构丧失稳定•过量的塑性变形是机械零件失效的重要方式，轻则使机器工作过量的塑性变形是机械零件失效的重要方式，轻则使机器工作情况变坏，重则使它不能继续运行，甚至破坏。

如齿轮的塑性情况变坏，重则使它不能继续运行，甚至破坏如齿轮的塑性变形会使啮合不良，甚至卡死、断齿变形会使啮合不良，甚至卡死、断齿•在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不可避免的，通常是以金属在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不可避免的，通常是以金属在一定温度和应力下，经过一定时间所引起的变形量来衡量在一定温度和应力下，经过一定时间所引起的变形量来衡量•过量变形失效的特点是非突发性失效，一般不会造成灾难性事过量变形失效的特点是非突发性失效，一般不会造成灾难性事故但塑性变形失效和蠕变变形失效有时也可造成灾难性事故，故但塑性变形失效和蠕变变形失效有时也可造成灾难性事故，应引起充分重视应引起充分重视机械工程材料2．断裂．断裂（（1）塑性断裂失效）塑性断裂失效 其特点是断裂前有一定程度的塑料其特点是断裂前有一定程度的塑料变形，一般是非灾难性的变形，一般是非灾难性的•（（2）脆性断裂失效）脆性断裂失效 断裂前无明显的塑性变形，它是断裂前无明显的塑性变形，它是突发性的断裂突发性的断裂•（（3）疲劳断裂）疲劳断裂 疲劳的最终断裂是瞬时的，因此它的疲劳的最终断裂是瞬时的，因此它的危害性较大，甚至会造成机毁人亡的重大损失。

工程危害性较大，甚至会造成机毁人亡的重大损失工程上疲劳断裂占大多数，约占失效总数的上疲劳断裂占大多数，约占失效总数的80％以上•（（4）蠕变断裂失效）蠕变断裂失效 在高温缓慢变形过程中发生的断在高温缓慢变形过程中发生的断裂属于蠕变断裂失效最终的断裂也是瞬时的在工裂属于蠕变断裂失效最终的断裂也是瞬时的在工程中常见的多属于高温低应力的沿晶蠕变断裂程中常见的多属于高温低应力的沿晶蠕变断裂•断裂是金属材料最严重的失效形式，特别是在没有明断裂是金属材料最严重的失效形式，特别是在没有明显塑性变形的情况下突然发生的脆性断裂，往往会造显塑性变形的情况下突然发生的脆性断裂，往往会造成灾难性的事故成灾难性的事故机械工程材料3．表面损伤．表面损伤•包括过量磨损、腐蚀破裂、疲劳麻坑等包括过量磨损、腐蚀破裂、疲劳麻坑等机器零件磨损过量后，运转就会恶化，甚机器零件磨损过量后，运转就会恶化，甚至报废有关资料介绍，至报废有关资料介绍，70%的机器是由的机器是由过量磨损而失效的磨损不仅消耗材料，过量磨损而失效的磨损不仅消耗材料，损坏机器，而且消耗大量能源损坏机器，而且消耗大量能源•金属与周围介质之间发生化学或电化学作金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而造成的破坏，属于腐蚀失效。

如应力用而造成的破坏，属于腐蚀失效如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及点腐蚀等腐蚀腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及点腐蚀等腐蚀失效的特点是失效形式众多，机理复杂，失效的特点是失效形式众多，机理复杂，占金属材料失效事故中的比率较大占金属材料失效事故中的比率较大机械工程材料11．1．3 失效原因分析工件失效的原因可概括为设计、选材、加工和安装使用等四个方面具体如下 机械工程材料零件和工具的工件条件、失效形式及要求的力学性能零件和工具的工件条件、失效形式及要求的力学性能零零 件件工工 作作 条条 件件主要失效方式主要失效方式要求的主要力学性能指要求的主要力学性能指标标紧紧固螺栓固螺栓拉拉应应力，剪切力，剪切应应力力过过量塑性量塑性变变形，断裂形，断裂强强度、塑性度、塑性连连杆螺栓杆螺栓交交变变拉拉应应力，冲力，冲击击过过量塑性量塑性变变形，疲形，疲劳劳断裂断裂疲疲劳劳强强度，屈服度，屈服强强度度连连杆杆交交变变拉拉压应压应力，冲力，冲击击疲疲劳劳断裂断裂拉拉压压疲疲劳劳强强度度活塞活塞销销交交变变剪切剪切应应力，冲力，冲击击，，表面接触表面接触应应力力疲疲劳劳断裂断裂疲疲劳劳强强度，耐磨性度，耐磨性曲曲轴轴及及轴类轴类零零件件交交变变弯曲、扭弯曲、扭转应转应力，力，冲冲击击，振，振动动疲疲劳劳，，过过量量变变形，磨形，磨损损弯扭疲弯扭疲劳劳强强度，屈服度，屈服强强度，度，耐磨性，耐磨性，韧韧性性传动齿轮传动齿轮交交变变弯曲弯曲应应力，交力，交变变接接触触压应压应力，摩擦，冲力，摩擦，冲击击断断齿齿，，齿齿面麻点剥落，面麻点剥落，齿齿面磨面磨损损，，齿齿面胶合面胶合弯曲、接触疲弯曲、接触疲劳劳强强度，表面度，表面耐磨性，心部屈服耐磨性，心部屈服强强度度弹弹簧簧交交变变弯曲或扭弯曲或扭转应转应力，力，冲冲击击过过量量变变形，疲形，疲劳劳弹弹性极限，屈性极限，屈强强比，疲比，疲劳劳极极限限滚动轴滚动轴承承交交变压应变压应力，接触力，接触应应力，力，温升，腐温升，腐蚀蚀，冲，冲击击过过量量变变形，疲形，疲劳劳接触疲接触疲劳劳强强度，耐磨性，耐度，耐磨性，耐蚀蚀性性滑滑动轴动轴承承交交变变拉拉应应力，温升，腐力，温升，腐蚀蚀，冲，冲击击 过过量量变变形，疲形，疲劳劳，咬合，，咬合，腐腐蚀蚀接触疲接触疲劳劳强强度，耐磨性，耐度，耐磨性，耐蚀蚀性性汽汽轮轮机叶片机叶片交交变变弯曲弯曲应应力，高温燃力，高温燃汽，振汽，振动动过过量量变变形，疲形，疲劳劳，腐，腐蚀蚀高温弯曲疲高温弯曲疲劳劳强强度，蠕度，蠕变变极极限及持久限及持久强强度，耐度，耐蚀蚀性，性，韧韧性性机械工程材料l1）断裂被动轴（四段）。

断裂被动轴（四段）l2））7224轴承滚子轴承滚子1个，个，42224轴承滚子轴承滚子2个l3）该轮设计计算书）该轮设计计算书1份l4））该该轴轴冷冷、、热热加加工工工工艺艺热热处处理理工工艺艺为为：：850℃淬淬火火（（油油冷冷）），，150℃回回火火3小时，热处理后硬度规定为：小时，热处理后硬度规定为：HB444～～321l5）该轴装配及零件图纸）该轴装配及零件图纸2张1.1   1.1   委托方提供的原始资料委托方提供的原始资料委托方提供的原始资料委托方提供的原始资料1.  被动轴断裂失效分析被动轴断裂失效分析 机械工程材料1.2  观察与分析观察与分析 1.2.1  化学成份分析化学成份分析在已断裂的被动轴上取样，经化学分析其成份如下：在已断裂的被动轴上取样，经化学分析其成份如下：         CSiMnPSCrNi0.230.360.38/0.0111.253.45 上述分析结果与上述分析结果与 GB3077－－82 中的中的 20Cr2Ni4A 钢的化学成份钢的化学成份相符，该轴选材符合图纸（相符，该轴选材符合图纸（321.16.017）技术要求技术要求 机械工程材料图图4.1  被动轴的显微组织光学照片被动轴的显微组织光学照片 500×   a)  内表面附近区域；内表面附近区域； b）中间区域）中间区域1.2.2  显微组织分析显微组织分析 光学显微镜的观察结果表明，该轴的显微组织比较均匀，从铀的外表面光学显微镜的观察结果表明，该轴的显微组织比较均匀，从铀的外表面至内表面均为回火马氏体组织。

图至内表面均为回火马氏体组织图2a、、b分别为该轴横截试样内表面附近分别为该轴横截试样内表面附近和中间区域处的显微组织光学照片这种板条马氏体经过扫描电镜观察和中间区域处的显微组织光学照片这种板条马氏体经过扫描电镜观察得到进一步证实，见图得到进一步证实，见图3a和和b  a)b)机械工程材料图图4.2  该被动轴的显微组织扫描电镜照片该被动轴的显微组织扫描电镜照片 1200× a)b)机械工程材料1.2.3  机械性能测试机械性能测试1、硬度、硬度测试该轴的硬度在径向上的分布，其结果如下：测试该轴的硬度在径向上的分布，其结果如下： 硬硬度度测测试试结结果果表表明明，，硬硬度度在在该该轴轴径径向向分分布布较较均均匀匀，，硬硬度度值值均均符符合合图图纸纸技技术术要要求求(321.16.017中规定中规定)轴承滚子硬度测试结果如下：轴承滚子硬度测试结果如下：滚子类型滚子类型硬度值硬度值(HRC)平均值平均值(HRC)722463.062.561.562.561.562.24222461.561. 061. 060. 562. 061. 22、强度指标、强度指标        σb＝＝1790MPa σs＝＝1280MPa δ＝＝10.8%3、韧性指标、韧性指标        ak＝＝5.15kg·m/cm2距外表面径向距离距外表面径向距离(mm)2.07.013.019.524.529.033.0硬硬          度度(HRC)46.546.546.547.047.046.045.0相相    当当    于于(HB)439439439445445433422机械工程材料图图4.3  该轴断裂后经拼合的全貌该轴断裂后经拼合的全貌 4、断裂与断口分析、断裂与断口分析 1）断裂分析）断裂分析图图4是此轴断裂后经拼合的全貌照片，整个轴已断裂为四段。

可以发现，该是此轴断裂后经拼合的全貌照片，整个轴已断裂为四段可以发现，该轴动力输入端部分曾因承受异常载荷而发生严重扭曲，这说明该轴在断裂前轴动力输入端部分曾因承受异常载荷而发生严重扭曲，这说明该轴在断裂前已发生明显的塑性变形，见图已发生明显的塑性变形，见图4.3机械工程材料图图4.4  该轴动力输入端花键部分的扭曲变形该轴动力输入端花键部分的扭曲变形 机械工程材料图图4.5  沿螺旋面扩展而形成的断口沿螺旋面扩展而形成的断口 机械工程材料图图4.6  该轴安装轴承处的轴外表面的挤压伤痕该轴安装轴承处的轴外表面的挤压伤痕 机械工程材料2)  断口分析断口分析由由断断口口的的宏宏观观照照片片（（图图4.7 和和4.8 ））可可见见，，断断口口呈呈现现明明显显的的放放射射状状条条纹纹，，且且快快速速扩扩展展区区的的断断口口比比较较粗粗糙糙，，见见图图4.9 根根据据放放射射状状条条纹纹的的走走向向，，最最后后确确定定裂裂纹纹起起源源于于油油孔孔与与轴轴外外表表面面的的交交角角处处，，见见图图4.10和和图图4.7、、4.8由由图图4.10可可见见，，断断口口上上有有两两个个裂裂纹纹源源，，它它们们分分别别位位于于油油孔孔的的两两侧侧。

裂裂纹纹由由此此两两处处启启裂裂，，继继而而沿沿螺螺旋旋面分别向两侧扩展，直至最后断裂成四段面分别向两侧扩展，直至最后断裂成四段 图图4.7  断口的宏观照片断口的宏观照片 机械工程材料图图4.9 断口的宏观照片断口的宏观照片 机械工程材料图图4.10  断口的宏观照片断口的宏观照片 图中注示处为启裂点图中注示处为启裂点(裂纹源裂纹源) 机械工程材料图图4.8  断口的宏观照片断口的宏观照片 机械工程材料在在裂裂纹纹源源附附近近可可以以观观察察到到较较小小的的平平滑滑区区域域经经扫扫描描电电镜镜高高倍倍观观察察，，发发现现在在裂裂纹纹源源附附近近区区域域有有疲疲劳劳条条纹纹，，见见图图4.11在在远远离离裂裂纹纹源源处处的的断断口口主要以韧窝型为主，参见图主要以韧窝型为主，参见图4.12 图图4.11  裂纹源附近区域断口的疲劳条纹（裂纹源附近区域断口的疲劳条纹（SEM照片）照片）a 2400×b 3600×机械工程材料图图4.12 快速扩展区的韧窝型断口（快速扩展区的韧窝型断口（SEM照片）照片）600×ab机械工程材料结论结论 1.  根根据据计计算算，，能能使使被被动动轴轴动动力力输输入入端端花花键键部部分分产产生生扭扭转转塑塑性性变变形形的的最最小小扭扭矩矩应应当当为为：：21000kg·m，，此此为为设设计计力力矩矩（（4744kg·m））的的4.4拖拖倍倍。

因因此此，，断断裂裂前前输输入入端端花花键键部部分分发发生生塑塑性性变变形形说说明明该该轴轴承承受受了了异异常常的的突突加加载载荷荷超超载载导导致被动轴断裂，这是本次事故的主要原因致被动轴断裂，这是本次事故的主要原因2.  经经分分析析测测试试，，该该轴轴用用材材的的化化学学成成份份及及热热处处理理后后的的硬硬度度均符合生产图纸（均符合生产图纸（32.16.017）技术要求技术要求3.  在在裂裂纹纹启启裂裂点点附附近近有有疲疲劳劳区区，，但但根根据据断断裂裂前前花花健健部部分分的的塑塑性性变变形形可可以以判判断断，，此此疲疲劳劳裂裂纹纹尚尚未未达达到到该该轮轮在在正正常常运行条件下发生失稳扩展的临界尺寸运行条件下发生失稳扩展的临界尺寸机械工程材料  结论结论 4.  此被动轴断裂为四段是一次性断裂所致此被动轴断裂为四段是一次性断裂所致5. 至至于于超超载载的的原原因因，，根根据据现现有有的的分分析析结结果果及及资资料料，，尚尚无无法给出唯一的结论，但可以得出如下两个推断法给出唯一的结论，但可以得出如下两个推断l））被被动动轴轴外外表表面面的的挤挤压压伤伤痕痕（（见见图图8））恰恰好好位位于于装装配配7224和和42224轴轴承承的的轴轴肩肩处处由由此此可可以以认认为为，，此此伤伤痕痕是是由由于于轴轴承承破破碎碎后后挤挤压压造造成成的的（（因因在在现现场场仅仅找找到到三三个个破破损损的的轴轴承承滚滚子子，，未未找找到到其其余余的的滚滚子子和和轴轴承承内内外外环环残残体体））；；从从而而可可进进一一步步认认为为，，超超载载是是由由于于破破碎碎轴轴承承的的嵌嵌入入和和挤挤压压作作用用而导致正常运转的被动轴骤然停转所致。

而导致正常运转的被动轴骤然停转所致2）被动轮动力输出端出现异常负载被动轮动力输出端出现异常负载。