常见失效形式以及特征和诊断3--腐蚀疲劳断裂等

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1、3.4 环 境 破 断 失 效 1、 定 义 ： 金 属 在 特 定 的 介 质 条 件 下 ， 受 拉 应 力作 用 ， 发 生 裂 纹 及 断 裂 现 象 。 2、 特 点 ： a： 脆 性 断 裂 ， 即 使 是 延 性 材 料 。 b、 局 部 腐 蚀 ： 没 有 征 兆 。 危 害 大(一 ） 应 力 腐 蚀 c、 延 迟 断 裂 速 度 介 于 均 匀 腐 蚀 速 度 与 快速 机 械 断 裂 速 度 之 间 。d、 拉 应 力 :包 括 外 加 拉 应 力 和 残 余 拉 应 力通 常 存 在 应 力 腐 蚀 断 裂 的 临 界 应 力e、 特 定 介 质 ： 3、 应 力 腐

2、蚀 评 定 方 法 恒 定 应 力 下 的 断 裂 时 间 tf， 或 者 指 定 时 间 内 发生 应 力 腐 蚀 断 裂 的 最 低 应 力 SCC以 及 应 力 腐 蚀 的门 槛 应 力 。评 定 应 力 腐 蚀 的 断 裂 力 学 参 量 为 指 定 时 间 内 应 力腐 蚀 的 界 限 应 力 强 度 因 子 KISCC 。 4、 应 力 腐 蚀 开 裂 的 形 貌a 宏 观 形 貌 及 断 口 特 征 呈 现 脆 性 断 裂 的 特 征 起 源 于 表 面 膜 层 的 缺 陷 处 ， 颜 色 比 较 深 ； 外表 面 及 裂 缝 内 壁 的 腐 蚀 程 度 轻 ,裂 纹 深 而 窄

3、 。 主 裂 纹 上 常 大 量 分 叉 ， 并 在 大 致 垂 直 于 应 力方 向 上 连 续 扩 展 ， 有 强 烈 的 方 向 性 失 稳 扩 展 区 没 有 腐 蚀 产 物 覆 盖 ； 呈 现 过 载 断裂 的 特 征 波 纹 管 表 面 腐 蚀 形 态 b 微 观 形 貌 及 断 口 特 征 （ 1） 裂 纹 走 向 扩 展 路 径 有 穿 晶 的 、 沿 晶 的或 二 者 混 合 的 。 易 平 面 滑 移 的 材 料 倾 向 于 穿 晶 断 裂 ； 易 发 生 交 错滑 移 的 金 属 材 料 更 倾 向 于 沿 晶 断 裂 。 碳 钢 及 低 合 金 钢 、 铬 不 锈 钢

4、、 铝 、 钛 、 镍 等 多 为 沿晶 的 ； 奥 氏 体 不 锈 钢 则 多 为 穿 晶 的 . （ 2） 特 征 花 样 ： 河 流 花 样 、 扇 形 花 样 、 羽 毛状 花 样 、 鱼 骨 花 样 、 准 解 理 等 腐 蚀 断 口 表 面 的 准 解 理 （ 韧 窝 ） 特 征 6、 防 止 应 力 腐 蚀 开 裂 的 措 施（ 1） 合 理 选 材 ： 针 对 零 件 所 受 的 应 力 和 使 用 条 件 选用 耐 应 力 腐 蚀 的 材 料 ： 在 接 触 氨 的 环 境 中 避 免 用 铜 的 合 金在 高 浓 度 氯 化 物 介 质 ， 考 虑 氯 对 镍 的 腐 蚀

5、。在 选 材 时 ， 尽 可 能 选 用 应 力 腐 蚀 界 限 强 度 因 子 KISCC高的 材 料 。 (2)减 少 或 消 除 零 件 中 的 残 余 拉 应 力设 计 上 尽 可 能 减 小 零 件 的 应 力 集 中工 艺 上 加 热 冷 却 均 匀 ， 必 要 时 采 用 退 火 工艺 消 除 内 应 力采 用 喷 丸 处 理 或 者 表 面 热 处 理 ， 在 零 件 表面 产 生 一 定 的 残 余 压 应 力 。 （ 3） 改 善 介 质 条 件（ 4） 采 用 电 化 学 保 护 。采 用 净 化 方 式 ， 减 少 或 消 除 应 力 腐 蚀 开 裂 的 有害 化 学

6、离 子添 加 缓 蚀 剂 。（ 5） 在 设 计 中 对 应 力 进 行 控 制 。 二 、 氢 脆 失 效1 定 义 ： 在 氢 （ 0.0001w%） 和 应 力 共 同 作 用 下使 金 属 材 料 的 塑 性 、 韧 性 下 降 的 一 种 现 象 。2、 氢 的 来 源 ：（ 1） 熔 炼 过 程 中 ， 水 分 和 油 垢 在 高 温 下 分 解（ 2） 机 加 工 中 （ 酸 洗 、 电 镀 ） 引 入 。（ 3） 有 氢 环 境 中 服 役 引 入 。 3、 氢 的 存 在 方 式 ：（ 1） 间 隙 固 溶 ；（ 2） 以 氢 分 子 扩 散 聚 集 在 空 洞 或 裂 纹

7、处 。（ 3） 和 过 渡 族 、 稀 土 金 属 、 碱 土 金 属 元 素 作 用 ，以 氢 化 物 形 式 存 在 。 3、 氢 脆 失 效 的 类 型 、 特 征 以 及 评 定根 据 氢 存 在 方 式 以 及 氢 与 金 属 作 用 方 式 ， 氢 脆 理 论 包括 ： 氢 压 理 论 、 氢 化 理 论 、 减 聚 理 论氢 脆 失 效 的 类 型1、 白 点 ： 也 称 为 发 裂 。 由 于 含 有 过 量 的 氢 造 成 。 在断 口 上 可 见 银 白 色 椭 圆 形 斑 点 。 在 钢 的 纵 向 剖 面 上 呈现 发 纹 状 。 可 以 通 过 精 炼 除 气 、 锻

8、 后 缓 冷 或 等 温 退 火以 及 加 入 稀 土 和 微 量 元 素 消 除 。 2、 氢 蚀 ： 与 碳 化 合 ， 生 成 CH4 ， 产 生 高 压 ,导 致 钢 的塑 性 降 低 。 呈 沿 晶 断 裂 ， 在 200 以 上 出 现 。 通 过减 碳 加 合 金 （ Ti、 V） 消 除 。 3、 氢 化 物 致 脆 ：纯 Ti、 V、 Nb、 锆（ Zi） 合 金4、 氢 致 延 滞 断 裂（ 高 强 钢 或 - Ti合 金 ） -100150 慢 速 加 载显 著 降 低 延 伸 率 、 断 面 收 缩 率裂 纹 路 径 与 应 力 有 关高 浓 度 自 发 形 成 氢 化

9、 物应 力 感 生 氢 化 物 氢 脆 的 评 定 %100 0 I分 别 为 不 含 氢 和 含 氢 试 样 的 断 面 收 缩 率0 采 用 氢 脆 敏 感 性 表 示 或 者 da/dtKith曲 线 表 示 4、 防 止 氢 脆 的 措 施1、 环 境 因 素切 断 氢 进 入 金 属 内 途 径 。 表 面 涂 层加 入 抑 制 剂电 镀 酸 洗 后 及 时 去氢 2、 力 学 因 素3、 材 料 因 素避 免 产 生 残 余 拉 应 力尽 量 避 免 在 含 氢 介 质 中 使 用 高 强 度 钢制 定 正 确 工 艺 ， 避 免 出 现 氢 脆 敏 感 性 的 组 织细 化 晶

10、粒 ， 提 高 抗 氢 脆 能 力 三 、 腐 蚀 疲 劳 断 裂1、 定 义 ： 在 腐 蚀 介 质 和 循 环 应 力 共 同 作 用 下 的 一 种 失效 形 式 。叠 加 模 型竞 争 模 型 2、 腐 蚀 疲 劳 损 伤 的 特 点a、 表 面 受 到 腐 蚀 破 坏 ， 断 口 有 较 多 的 二 次 裂 纹 、腐 蚀 坑 和 锈 斑 特 征 。b、 腐 蚀 疲 劳 断 口 的 疲 劳 条 纹 ， 因 腐 蚀 而 较 模 糊 。 c、 碳 钢 和 铜 合 金 的 腐 蚀 疲 劳 断 口 多 为 沿 晶 断裂 ， 奥 氏 体 不 锈 钢 和 镁 合 金 断 口 为 穿 晶 断 裂 。

11、d、 腐 蚀 疲 劳 电 子 断 口 上 ， 经 常 可 观 察 到 腐蚀 坑 ， 泥 裂 花 样 以 及 腐 蚀 产 物 。 3、 提 高 腐 蚀 疲 劳 抗 力 的 措 施a、 表 面 感 应 淬 火 ， 提 高 表 面 层 的 强 度 。b、 喷 丸 或 表 面 滚 压 ， 造 成 表 面 压 应 力 ， 提高 表 面 层 的 强 度 。c、 表 面 化 学 热 处 理 。 渗 碳 、 氮 化 、 氰 化以 及 渗 Cr、 渗 碳 化 铬 ， 提 高 腐 蚀 疲 劳 抗 力 。 d、 电 镀 :表 面 电 镀 Cr、 Ni、 Cu等 高 熔 点 金属 ， 在 表 面 呈 拉 应 力 状

12、态 ， 对 抗 腐 蚀 疲 劳不 力 ， 而 镀 Zn和 镀 Cd（ 镉 ） 在 镀 层 中 产 生残 余 压 应 力 ， 提 高 抗 疲 劳 腐 蚀 强 度 。e、 涂 层 保 护 。 腐 蚀 疲 劳 失 效 案 裂例 蒸 汽 涡 轮 发 电 机 上 的 保 险 阀 弹 簧 在 潮 湿 空 气 中的 腐 蚀 疲 劳 断 裂 该 弹 簧 由 工 具 钢 H21制 成 。 当 气 压达 到 2.45MPa时 ， 保 险 阀 开 启 ， 但 在 压 力 尚 未 达 到1.79MPa时 ， 保 险 阀 弹 簧 却 破 碎 为 12片 。 弹 簧 工 作 环境 为 水 蒸 气 ， 其 温 度 在 33

13、0 400 范 围 变 化 。 对 碎片 目 视 检 查 发 现 ， 每 一 断 口 上 均 有 拇 指 状 断 裂 源 ， 具有 典 型 的 疲 劳 断 口 特 征 。 弹 簧 断 口 表 面 特 征 及 同 时 碎成 12片 的 事 实 说 明 ， 弹 簧 所 受 均 匀 载 荷 主 要 为 扭 矩 ，而 且 疲 劳 裂 纹 在 多 处 造 成 应 力 集 中 ， 由 断 口 碎 片 穿 过断 裂 源 垂 直 于 断 口 平 面 制 成 剖 面 试 样 。 观 察 发 现 断 口表 面 有 腐 蚀 坑 ， 并 且 有 以 腐 蚀 坑 为 核 心 的 发 散 状 裂 纹 。在 其 中 一 块

14、 试 样 中 ， 在 直 径 约 1.2m m 的 腐 蚀 坑 边 缘 产生 了 约 0.7m m 和 1.5m m 的 两 条 裂 纹 ， 裂 纹 面 上 的 腐 蚀产 物 为 氧 化 铁 。 上 述 分 析 表 明 ， 弹 簧 断 裂 属 腐 蚀 疲 劳 失 效 ， 其 原 因 是 潮 湿 空 气 条 件 下 的 循 环 应 力 。 3、 5 磨 损 失 效摩 擦 、 磨 损 、 润 滑磨 损 的 分 类 ： 氧 化 磨 损 、 咬 合 磨 损 、热 磨 损 、 磨 粒 磨 损 和 表 面 疲 劳 磨 损一 、 磨 损 机 制 及 其 行 为 特 征1、 氧 化 磨 损两 个 表 面 之

15、间 相 对 运 动 时 ， 在 发 生 塑 性变 形 的 同 时 ， 由 于 已 经 形 成 的 氧 化 物 在接 触 点 遭 到 破 坏 ， 又 重 新 形 成 再 遭 破 坏脱 落 并 逐 渐 损 耗 的 过 程 。 特 点 ：a、 在 任 意 滑 动 速 度 和 比 压 下 均 可 能 发 生 ， 只是 程 度 不 同 。b、 磨 损 速 度 最 小 的 磨 损 。 可 允 许 的 磨 损 ，其 失 效 可 认 为 是 正 常 失 效 。c、 是 防 止 或 降 低 其 他 磨 损 的 终 极 环 节 2、 咬 合 磨 损 （ 第 一 类 粘 者 磨 损 ） 对 偶 件 金 属 表 面

16、某 些 摩 擦 点 处 氧 化 膜 遭 到破 坏 ， 而 形 成 金 属 结 合 点 并 逐 渐 被 磨 损 的 现象 。 如 结 合 点 强 度 比 金 属 基 体 高 ， 金 属 基体 遭 到 破 坏 ， 反 之 ， 结 合 点 遭 到 破 坏 。 磨 损 量 V与 载 荷 F、 滑 动 距 离 以 及 材 料 硬 度HB有 关 ：K为 粘 着 概 率 防 止 粘 着 磨 损 的 措 施1、 合 理 选 择 配 合 表 面 的 材 料 。2、 在 金 属 表 面 覆 以 特 殊 的 薄 膜 ， 改变 表 面 的 特 性 。3、 减 小 表 面 粗 糙 度 。4、 提 高 材 料 的 硬 度

17、 。 3、 热 磨 损 （ 第 二 类 粘 着 磨 损 ）定 义 ： 滑 动 摩 擦 时 ， 当 滑 动 速 度 大 ， 比 压 也很 大 时 ， 将 产 生 大 量 摩 擦 热 蚀 的 润 滑 油 变 质 ，并 使 得 表 层 金 属 加 热 到 熔 化 温 度 ， 在 接 触 点处 发 生 局 部 金 属 粘 着 ， 出 现 金 属 质 点 的 撕 脱甚 至 熔 化 ， 这 种 现 象 称 为 热 磨 损 。 是 高 速 重载 机 器 发 展 中 的 重 大 阻 碍 。 防 止 措 施 ：（ 1） 减 小 摩 擦 形 成 热 和 降 低 温 度 。 如 水 冷 却 ，或 在 表 面 造 成

18、 S、 P或 者 氯 的 非 金 属 表 面 层 。（ 2） 设 法 提 高 金 属 热 稳 定 性 和 润 滑 油 的 热稳 定 性 。 如 堆 焊 热 稳 定 硬 质 合 金 4、 磨 粒 磨 损定 义 ： 硬 质 点 在 压 力 下 划 过 或 滚 过 一 个 表面 ， 产 生 的 磨 损 ， 称 为 磨 粒 磨 损 。影 响 因 素 ： 磨 粒 性 质 （ 硬 度 ） 、 形 状 和 大 小 磨 粒 磨 损 的 三 种 状 态 ：(1) 低 磨 损 状 态 HaHm为 了 减 小 磨 粒 磨 损 ， 金 属 的 硬 度 Hm应 比 磨粒 Ha的 硬 度 高 0.3倍 ， 即Hm 1.3

19、Ha 5、 接 触 疲 劳A、 定 义 ： 零 件 表 面 在 接 触 应 力 的 反 复 作 用下 引 起 的 表 面 疲 劳 破 坏 ， 称 为 接 触 疲 劳 。B、 接 触 疲 劳 的 类 型 及 行 为 特 征（ 1） 裂 纹 源 于 次 表 层 的 麻 点 剥 落 。（ 纯 滚 动 源 于 次 表 层 平 行 接 触 面 的 切 应 力 作 用 ） （ 2） 裂 纹 源 于 表 层 的 麻 点 剥 落 。 （ 滚 动 带 有滑 动 场 合 ） （ 表 层 的 接 触 应 力 引 起 。 ）（ 3） 裂 纹 源 于 硬 化 层 与 心 部 交 界 处 的 表 层 剥落 。 （ 表 面

20、 有 强 化 场 合 ） （ 在 结 合 处 ， 切 应 力与 材 料 的 剪 切 强 度 之 比 超 过 某 一 值 0.55） 6、 微 动 磨 损 定 义 ： 在 紧 配 合 件 和 连 接 件 的 配 合 处 ，发 生 的 一 种 表 面 损 伤 。 特 征 ：褐 红 色 和 黑 色 碎 屑 ， 零 件 配 合 表 面 有 磨 痕和 坑 斑防 治 措 施 ：1、 加 强 紧 配 合 ， 使 不 出 现 微 振 。2、 载 摩 擦 幅 之 间 加 绝 缘 层 。 二 、 磨 损 失 效 判 断 和 改 善 耐 磨 性 的 措 施从 结 构 、 加 工 工 艺 、 改 善 运 动 条 件 着 手2、 改 善 耐 磨 性 的 措 施1、 失 效 机 理 和 判 据 见 表 3、 8