零件失效與選材北大.ppt

挑戰者號爆炸事故 55億,1986年1月28日，“挑戰者”號航天飛機在升空后73秒之后發生爆炸墜毀，起因只是由于一個小密封圈出現故障，造成液態氫泄漏，最終引發大爆炸 該航天飛機的造價為45億美元，另外在1986至1987年間用于事故調查、錯誤糾正、損失裝置更換的費用也花費了10億美元,某國炮彈試射的炸膛事故,引例 產品失效的后果是引發事故，甚至重大或災難性的事故，造成生命財產的巨大損失。 美國挑戰者號航天飛機第10次飛行故障。航天飛機起飛1分鐘后爆炸，這次爆炸使航天飛機頃刻之間化為灰燼，機毀人亡，7名宇航員全部遇難。事故原因是右側固體火箭助推器尾部連接處的密封墊圈失效。,“挑戰者”號航天飛機,1986年1月28日失事,1979年9月7日我國某電化廠氯氣車間的液氯瓶爆炸，使10t氯液外溢擴散，波及范圍達7.35平方公里，致使59人死亡，779人中毒，直接損失達63萬元。 1972年10月，一輛由齊齊哈爾開往富拉爾基的公共客車，行使至嫩江大橋時因過小坑受到震動，前軸突然折斷，致使客車墜入江中，造成28人死亡。,機械產品失效分析是一門新的跨學科的綜合性技術。它研究失效的形式、機理，并提出預測和預防失效的措施。 失效分析涉及學科領域廣：機械設計，工藝學，材料學，無損檢測，工程力學，斷口學，斷裂力學，腐蝕化學，摩擦學，質量管理等等。 掌握各種工程材料的特性，正確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基本要求，因為選材是否合理直接關系到產品質量和經濟效益。大量事實證明許多機器的重大質量事故也都來源于選材問題，因此掌握選材方法的要領，了解正確選材的過程是十分必要和有實際意義的。隨著科學技術的發展，選材工作正向科學化和規范化發展。,11．1．1失效概念,工件喪失規定的功能即稱為失效（Failure）。零件在使用過程中如果發生下述三種情況中的任何一種，即認為該零件已失效。 1．完全損傷而不能工作； 2．雖然能工作但不能滿意地起到預定的作用； 3．損傷不嚴重但繼續工作不安全。,分析失效原因，提出預防措施，使工件正常安全運行，是每一個工程設計人員的重大責任。 分析零件的失效，一般要弄清楚以下問題：用的是什么材料？它的主要力學性能是什么？失效是在什么條件下產生的？零件工作了多長時間？零件在工作中起什么作用？性能有哪些變化？失效的形式和失效原因是什么？,11．1．2 失效形式,零件失效的具體形式是多種多樣的，例如有彈性變形、塑性變形、塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、表面腐蝕、表面磨損等。但歸納起來，一般機器零件常見的失效形式主要有以下三種： 1．過量變形 2．斷裂 3．表面損傷,1．過量變形,即在外力作用下發生整體或局部的過量的彈性變形、塑性變形或高溫蠕變等。在機器結構中，有時需要專門選用彈性模量小、彈性極限高有較大彈性的材料，如用彈簧鋼、鈹青銅等來制造彈性零件，但是大多數情況要限制過量彈性變形，要求有足夠的剛度。如鏜床的鏜桿，彈性變形大就不能保證精度。飛機上的一些零件，過量彈性變形甚至導致整個結構喪失穩定。 過量的塑性變形是機械零件失效的重要方式，輕則使機器工作情況變壞，重則使它不能繼續運行，甚至破壞。如齒輪的塑性變形會使嚙合不良，甚至卡死、斷齒。 在恒定載荷和高溫下，蠕變一般是不可避免的，通常是以金屬在一定溫度和應力下，經過一定時間所引起的變形量來衡量。 過量變形失效的特點是非突發性失效，一般不會造成災難性事故。但塑性變形失效和蠕變變形失效有時也可造成災難性事故，應引起充分重視。,2．斷裂,（1）塑性斷裂失效 其特點是斷裂前有一定程度的塑料變形，一般是非災難性的。 （2）脆性斷裂失效 斷裂前無明顯的塑性變形，它是突發性的斷裂。 （3）疲勞斷裂 疲勞的最終斷裂是瞬時的，因此它的危害性較大，甚至會造成機毀人亡的重大損失。工程上疲勞斷裂占大多數，約占失效總數的80％以上。 （4）蠕變斷裂失效 在高溫緩慢變形過程中發生的斷裂屬于蠕變斷裂失效。最終的斷裂也是瞬時的。在工程中常見的多屬于高溫低應力的沿晶蠕變斷裂。 斷裂是金屬材料最嚴重的失效形式，特別是在沒有明顯塑性變形的情況下突然發生的脆性斷裂，往往會造成災難性的事故。,3．表面損傷,包括過量磨損、腐蝕破裂、疲勞麻坑等。機器零件磨損過量后，運轉就會惡化，甚至報廢。有關資料介紹，70%的機器是由過量磨損而失效的。磨損不僅消耗材料，損壞機器，而且消耗大量能源。 金屬與周圍介質之間發生化學或電化學作用而造成的破壞，屬于腐蝕失效。如應力腐蝕、氫脆、腐蝕疲勞及點腐蝕等。腐蝕失效的特點是失效形式眾多，機理復雜，占金屬材料失效事故中的比率較大。,,11．1．3 失效原因 分析工件失效的原因可概括為設計、選材、加工和安裝使用等四個方面。具體如下,零件和工具的工件條件、失效形式及要求的力學性能,1）斷裂被動軸（四段）。 2）7224軸承滾子1個，42224軸承滾子2個。 3）該輪設計計算書1份。 4）該軸冷、熱加工工藝。熱處理工藝為：850℃淬火（油冷），150℃回火3小時，熱處理后硬度規定為：HB444～321。 5）該軸裝配及零件圖紙2張。,1.1 委托方提供的原始資料,1. 被動軸斷裂失效分析,1.2 觀察與分析,1.2.1 化學成份分析 在已斷裂的被動軸上取樣，經化學分析其成份如下：,上述分析結果與 GB3077－82 中的 20Cr2Ni4A 鋼的化學成份相符，該軸選材符合圖紙（321.16.017）技術要求。,圖4.1 被動軸的顯微組織光學照片 500× a) 內表面附近區域； b）中間區域,1.2.2 顯微組織分析 光學顯微鏡的觀察結果表明，該軸的顯微組織比較均勻，從鈾的外表面至內表面均為回火馬氏體組織。圖2a、b分別為該軸橫截試樣內表面附近和中間區域處的顯微組織光學照片。這種板條馬氏體經過掃描電鏡觀察得到進一步證實，見圖3a和b。,,圖4.2 該被動軸的顯微組織掃描電鏡照片 1200×,a),b),1.2.3 機械性能測試 1、硬度 測試該軸的硬度在徑向上的分布，其結果如下：,硬度測試結果表明，硬度在該軸徑向分布較均勻，硬度值均符合圖紙技術要求(321.16.017中規定)。軸承滾子硬度測試結果如下：,2、強度指標 σb＝1790MPa σs＝1280MPa δ＝10.8% 3、韌性指標 ak＝5.15kg·m/cm2,圖4.3 該軸斷裂后經拼合的全貌,4、斷裂與斷口分析 1）斷裂分析 圖4是此軸斷裂后經拼合的全貌照片，整個軸已斷裂為四段。可以發現，該軸動力輸入端部分曾因承受異常載荷而發生嚴重扭曲，這說明該軸在斷裂前已發生明顯的塑性變形，見圖4.3。,圖4.4 該軸動力輸入端花鍵部分的扭曲變形,圖4.5 沿螺旋面擴展而形成的斷口,圖4.6 該軸安裝軸承處的軸外表面的擠壓傷痕,2) 斷口分析 由斷口的宏觀照片（圖4.7 和4.8 ）可見，斷口呈現明顯的放射狀條紋，且快速擴展區的斷口比較粗糙，見圖4.9 。根據放射狀條紋的走向，最后確定裂紋起源于油孔與軸外表面的交角處，見圖4.10和圖4.7、4.8。由圖4.10可見，斷口上有兩個裂紋源，它們分別位于油孔的兩側。裂紋由此兩處啟裂，繼而沿螺旋面分別向兩側擴展，直至最后斷裂成四段。,圖4.7 斷口的宏觀照片,圖4.9 斷口的宏觀照片,圖4.10 斷口的宏觀照片 圖中注示處為啟裂點(裂紋源),圖4.8 斷口的宏觀照片,在裂紋源附近可以觀察到較小的平滑區域。經掃描電鏡高倍觀察，發現在裂紋源附近區域有疲勞條紋，見圖4.11。在遠離裂紋源處的斷口主要以韌窩型為主，參見圖4.12。,圖4.12 快速擴展區的韌窩型斷口（SEM照片）600×,結論,1. 根據計算，能使被動軸動力輸入端花鍵部分產生扭轉塑性變形的最小扭矩應當為：21000kg·m，此為設計力矩（4744kg·m）的4.4拖倍。因此，斷裂前輸入端花鍵部分發生塑性變形說明該軸承受了異常的突加載荷。超載導致被動軸斷裂，這是本次事故的主要原因。 2. 經分析測試，該軸用材的化學成份及熱處理后的硬度均符合生產圖紙（32.16.017）技術要求。 3. 在裂紋啟裂點附近有疲勞區，但根據斷裂前花健部分的塑性變形可以判斷，此疲勞裂紋尚未達到該輪在正常運行條件下發生失穩擴展的臨界尺寸。,結論,4. 此被動軸斷裂為四段是一次性斷裂所致。 5. 至于超載的原因，根據現有的分析結果及資料，尚無法給出唯一的結論，但可以得出如下兩個推斷。 （l）被動軸外表面的擠壓傷痕（見圖8）恰好位于裝配7224和42224軸承的軸肩處由此可以認為，此傷痕是由于軸承破碎后擠壓造成的（因在現場僅找到三個破損的軸承滾子，未找到其余的滾子和軸承內外環殘體）；從而可進一步認為，超載是由于破碎軸承的嵌入和擠壓作用而導致正常運轉的被動軸驟然停轉所致。 （2）被動輪動力輸出端出現異常負載。,