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1、第1章 機(jī)械設(shè)備維修的基本概念 1.1 機(jī)器的磨損規(guī)律 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 1.3 金屬零件的斷裂 1.4 機(jī)械零件的變形 1.1 機(jī)器的磨損規(guī)律在設(shè)備使用過程中，機(jī)械零件由于設(shè)計(jì)、材料、工藝及裝配等各種原因，喪失規(guī)定的功能，無法繼續(xù)工作的現(xiàn)象稱為失效。當(dāng)機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵零部件失效時，就意味著設(shè)備處于故障狀態(tài)。機(jī)械設(shè)備越復(fù)雜，引起故障的原因越多樣化，一般認(rèn)為是機(jī)械設(shè)備自身的缺陷(基因)和各種環(huán)境因素的影響。機(jī)械設(shè)備自身的缺陷是由材料存在缺陷和應(yīng)力、人為差錯(設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、維修、使用、操作不當(dāng))等原因造成的。環(huán)境因素主要指灰塵、溫度、有害介質(zhì)等而這兩大造成故障的因素都可能引起設(shè)備的磨

2、損。 下一頁返回 1.1 機(jī)器的磨損規(guī)律機(jī)器的各個組成部分或零件間配合的破壞是機(jī)器故障產(chǎn)生的最顯著表象，而這主要是由于機(jī)件過早磨損的結(jié)果。因此，研究機(jī)器故障應(yīng)首先研究典型零件及其組合的磨損。磨損的定義就廣義來說，系某種固體之一部分(包括從原子大小到固體粒子大小的東西)因摩擦被除掉的減量現(xiàn)象。磨損的存在，對我們有有害的一面，如輥道、剪斷機(jī)的剪刃、高爐的料鐘等的磨損，就是有害的。但也有為我們所用的一面，如滑動軸承的銅瓦只有經(jīng)過研刮才能達(dá)到配合的精度以付使用，這里說的研刮就是為我們所利用的磨損現(xiàn)象. 上一頁下一頁返回 1.1 機(jī)器的磨損規(guī)律一般磨損現(xiàn)象常表現(xiàn)為由于摩擦的機(jī)械性作用致使表面受傷而有所損

3、耗，進(jìn)而摩擦面的溫度因摩擦熱而上升，由于熱的作用會出現(xiàn)小小裂痕，受這個原因的影響有時表面一部分剝落，如果溫度過高，也會熔化流走;在腐蝕的環(huán)境中，因腐蝕也會減量。 上一頁下一頁返回 1.1 機(jī)器的磨損規(guī)律機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時，零件各部位的磨損并非相同，隨其工作條件而異，但是磨損的發(fā)展，也有其規(guī)律。如圖1-1所示中的曲線為組合機(jī)件磨損的典型曲線。這條曲線具有三個明顯的部分，分別表示不同的工作時期。 O1A段為初期磨損時期，即新組合機(jī)件的試運(yùn)轉(zhuǎn)磨合過程。在這時期內(nèi)曲線急劇上升，表示組合機(jī)件在工作初期具有較大的磨損，機(jī)件在加工時所得到的最初不平度受到破壞、劃傷或磨平形成新的不平度。間隙由S min增大到S

4、初，但曲線趨近A點(diǎn)時磨損速度逐漸降低。上一頁下一頁返回 1.1 機(jī)器的磨損規(guī)律 AB段為正常磨損時期(或叫穩(wěn)定磨損時期)，組合機(jī)件的磨損成直線均勻上升，與水平線成 角。當(dāng)機(jī)件工人經(jīng)t小時達(dá)到B點(diǎn)時，間隙增大為Smax。經(jīng)過B點(diǎn)后，磨損重新開始急劇增長，BC段為事故磨損時期，間隙超過最大的允許極限間隙Smax 。由于間隙過大增加了沖擊作用，潤滑油膜被破壞，磨損強(qiáng)烈，機(jī)件處于危險狀態(tài)。這時如果繼續(xù)工作，則可能發(fā)生意外的故障。 上一頁下一頁返回 1.1 機(jī)器的磨損規(guī)律從這條曲線得知，機(jī)件在試運(yùn)轉(zhuǎn)以后，即為正常工作的開始。而正常工作終了時，即轉(zhuǎn)入事故磨損時期，達(dá)到了允許的極限磨損量。這時，對機(jī)件必須進(jìn)

5、行修復(fù)或更換。機(jī)器的磨損可以分為兩類，即自然(正常的)磨損和事故(過早的、迅速增長的或突然發(fā)生意外的)磨損。 上一頁下一頁返回 1.1 機(jī)器的磨損規(guī)律自然磨損是機(jī)件在正常的工作條件下，由于接觸表面不斷受到摩擦力作用的結(jié)果。有時也是由于受到周圍環(huán)境溫度或腐蝕性物質(zhì)作用的結(jié)果，產(chǎn)生了逐漸增長的磨損。這種磨損是正常的，不可避免的現(xiàn)象。事故磨損是由于對機(jī)器檢修不及時，或維修質(zhì)量不高，或因機(jī)件結(jié)構(gòu)的缺陷和材料質(zhì)量的低劣以及嚴(yán)重地違反操作規(guī)程，所發(fā)生的劇烈磨損而形成事故的現(xiàn)象。由上可知，自然磨損是不可避免的。因此，我們的任務(wù)就是要對機(jī)件采取措施，提高機(jī)件的強(qiáng)度和耐磨性能，改善機(jī)件的工作條件，特別是對機(jī)件進(jìn)

6、行良好的潤滑和維護(hù)，從而減小磨損強(qiáng)度，達(dá)到延長機(jī)器使用壽命的目的。 上一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型據(jù)估計(jì)，世界上的能源消耗中約有1/3 1/2是由于摩擦和磨損造成的，一般機(jī)械設(shè)備中約有80%的零件因磨損而失效報廢。摩擦是不可避免的自然現(xiàn)象，磨損是摩擦的必然結(jié)果，二者均發(fā)生于材料表面。磨損是一種微觀和動態(tài)的過程，在這一過程中，零件不僅發(fā)生外形和尺寸的變化，而且會發(fā)生其他各種物理、化學(xué)和機(jī)械的變化。通常將磨損分為黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損種和微動磨損五種形式。 下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 1.2.1 機(jī)械磨損機(jī)械設(shè)備在工作過程中，因機(jī)件間不斷地摩擦或因介質(zhì)的沖刷

7、，其摩擦表面逐漸產(chǎn)生磨損，因此引起機(jī)件幾何形狀改變，強(qiáng)度降低，破壞了機(jī)械的正常工作條件，使機(jī)器喪失了原有的精度和功能，這稱為機(jī)械磨損。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 1.黏著磨損兩摩擦表面接觸時，由于表面不平，發(fā)生的是點(diǎn)接觸，在相對滑動和一定載荷作用下，在接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形或剪切，使其表面膜破裂，摩擦表面溫度升高，嚴(yán)重時表面金屬會軟化或熔化，此時，接觸點(diǎn)產(chǎn)生黏著，然后出現(xiàn)黏著剪斷再黏著再剪斷的循環(huán)過程，這就形成黏著磨損。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型根據(jù)黏著程度的不同，黏著磨損的類型也不同。若剪切發(fā)生在黏著結(jié)合面上，表面轉(zhuǎn)移的材料極輕微，則稱輕微磨損，如缸套

8、活塞環(huán)的正常磨損;當(dāng)剪切發(fā)生在軟金屬淺層里面，轉(zhuǎn)移到硬金屬表面上，稱為涂抹;如重載蝸輪副的蝸桿的磨損。若剪切發(fā)生在軟金屬接近表面的地方，硬表面可能被劃傷，稱為擦傷;如滑動軸承的軸瓦與軸摩擦的拉傷;當(dāng)剪切發(fā)生在摩擦副一方或兩方金屬較深的地方，稱為撕脫，如滑動軸承的軸瓦與軸的焊合層在較深部位剪斷時就是撕脫; 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 若摩擦副之間咬死，不能相對運(yùn)動，則稱為咬死，如滑動軸承在油膜嚴(yán)重破壞的條件下，過熱、表面流動、刮傷和撕脫不斷發(fā)生時，又存在尺寸較大的異物硬粒部分嵌入在合金層中，則此異物與軸摩擦生熱。上述兩種作用疊加在一起，使接觸面黏附力急劇增加，造成軸與滑動軸承

9、抱合在一起，不能轉(zhuǎn)動，相互咬死。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 2.磨料磨損由于一個表面硬的凸起部分和另一表面接觸，或者在兩個摩擦面之間存在著硬的顆粒，或者這個顆粒嵌入兩個摩擦面的一個面里，在發(fā)生相對運(yùn)動后，使兩個表面中某一個面的材料發(fā)生位移而造成的磨損稱為磨料磨損。在農(nóng)業(yè)、冶金、礦山、建筑、工程和運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械中許多零件與泥沙、礦物、鐵屑、灰渣等直接摩擦，都會發(fā)生不同形式的磨料磨損。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因磨料磨損而造成的損失，占整個工業(yè)范圍內(nèi)磨損損失的50%左右。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型由于產(chǎn)生的條件有很大不同，磨料磨損一般可以分為如下三種類型: (1)冶金機(jī)械的許

10、多構(gòu)件直接與灰渣、鐵屑、礦石顆粒相接觸，這些顆粒的硬度一般都很高，并且具有銳利的棱角，當(dāng)以一定的壓力或沖擊力作用到金屬表面上時，便會從零表層鑿下金屬屑。這種磨損形式稱為鑿削磨料磨損。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 (2)當(dāng)磨料以很大壓力作用于金屬表面時(如破碎機(jī)工作時，礦石作用于顆板)，在接觸點(diǎn)引起很大壓應(yīng)力，這時，對韌性材料則引起變形和疲勞，對脆性材料則引起碎裂和剝落，從而引起表面的損傷，粗大顆粒的磨料進(jìn)入摩擦副中的情況也與此相類似。零件產(chǎn)生這種磨損情況的條件是作用在磨料破碎點(diǎn)上的壓應(yīng)力必須大于此磨料的抗壓強(qiáng)度。而許多磨料(如砂、石、鐵屑)的抗壓強(qiáng)度是較高的。因此把這種磨損

11、稱為高應(yīng)力碾碎式磨料磨損。 (3)磨料以某種速度較自由地運(yùn)動，并與摩擦表面相接觸。磨料的摩擦表面的法向作用力甚小，如氣(液)流攜帶磨料在工作表面作相對運(yùn)動時，零件表面被擦傷，這種磨損稱為低應(yīng)力磨損。如燒結(jié)機(jī)用的抽 風(fēng)機(jī)葉輪、礦山用泥漿泵葉輪等的磨損都屬于低應(yīng)力磨料磨損。上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 3.影響機(jī)械磨損的因素及降低磨損的措施 (1)潤滑。在兩摩擦表面間充以潤滑油，可大大減小摩擦系數(shù)，從而促使摩擦阻力減小，使機(jī)械磨損減低。故機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)有無潤滑油以及正確選擇潤滑材料，合理制定潤滑制度以及加強(qiáng)潤滑管理都是很重要的，它對機(jī)器的使用壽命影響很大。 上一頁下一頁返回 1.2

12、機(jī)械零件常見磨損類型 (2)表面加工質(zhì)量。機(jī)件經(jīng)過加工后，其摩擦表面不可能得到理想的幾何形狀，總要留下切削工具的刀痕或砂輪磨削的痕跡而構(gòu)成凹凸?fàn)畹牟黄蕉取Ｒ话闱闆r下，表面加工粗糙的，開始磨損較快。當(dāng)磨到一定時間，不平度大致消除后，磨損便減慢下來，故表面加工精度的要求應(yīng)根據(jù)零件工作的特點(diǎn)來選擇，不要盲目追求過高的加工質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)指出，過于光滑的表面不一定具有好的耐磨性能，因?yàn)檫@時潤滑油不能形成均勻的油膜，兩接觸面容易發(fā)生黏結(jié)，反而使耐磨性變壞。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 (3)材料。材料的耐磨性主要取決于它的硬度和韌性。材料的硬度決定于金屬對其表面變形的抵抗能力。但過高的硬度

13、易使脆性增加，使材料表面產(chǎn)生磨粒的剝落。而材料的韌性可防止磨粒的產(chǎn)生，提高其耐磨性能。另外，增加材料的化學(xué)穩(wěn)定性還可以減少腐蝕磨損。增加材料本身的孔隙度可以蓄積潤滑劑，從而減少機(jī)械磨損，提高零件的耐磨性。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型不同材料有不同的機(jī)械性能，相同的材料采取不同的熱處理方式可使其機(jī)械性能得到改善。因此合理的選用材料和熱處理方式對減少機(jī)械磨損是很有意義的。 (4)安裝檢修的質(zhì)量。安裝零件的正確性對機(jī)器壽命有很大的影響，如不正確地擰緊軸承蓋與軸承座的連接螺釘、兩結(jié)合面不對中、配合表面不平以及軸承間隙調(diào)整得不合適等，都能引起單位載荷在表面上不正確的分布或者產(chǎn)生附加載

14、荷，因而使其磨損加快。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 1.2.2 疲勞磨損摩擦表面材料微觀體積受循環(huán)接觸應(yīng)力作用產(chǎn)生重復(fù)變形，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋和分離出微片或顆粒的磨損稱為疲勞磨損。如滾動軸承的滾動體表面、齒輪輪齒節(jié)圓附近、鋼軌與輪箍接觸表面等，常常出現(xiàn)小麻點(diǎn)或痘斑狀凹坑，就是疲勞磨損所形成。機(jī)件出現(xiàn)疲勞斑點(diǎn)之后，雖然設(shè)備可以運(yùn)行，但是機(jī)械的振動和噪聲會急劇增加，精度大幅度下降，設(shè)備失去原有的工作性能。因此，所生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量下降，機(jī)件的壽命也要迅速縮短。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型出現(xiàn)疲勞磨損的主要原因是在滾動摩擦面上，兩摩擦面接觸的地方產(chǎn)生了接觸應(yīng)力，表層發(fā)

15、生彈性變形。在表層內(nèi)部產(chǎn)生了較大的切應(yīng)力(這個薄弱區(qū)域最易產(chǎn)生裂紋)。由于接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，在達(dá)到一定次數(shù)后，其表層內(nèi)部的薄弱區(qū)開始產(chǎn)生裂紋，屆時，在表層外部也因接觸應(yīng)力的反復(fù)作用而產(chǎn)生塑性變形，材料表面硬化，最后產(chǎn)生裂紋。總而言之，是在材料的表面一層產(chǎn)生了裂紋。因?yàn)樽畲笄袘?yīng)力與壓應(yīng)力的方向呈45角，所以，裂紋也都是與表面呈45 角。在裂紋形成的兩個新表面之間，由于潤滑油的楔入，使裂紋內(nèi)壁產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，迫使裂紋加深并擴(kuò)展，這種裂紋的擴(kuò)展延伸，就造成了麻點(diǎn)剝落。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 由此可見，接觸應(yīng)力才是導(dǎo)致疲勞磨損的主要原因。降低接觸應(yīng)力，就能增加抵抗疲勞磨損

16、的強(qiáng)度。當(dāng)然改變材質(zhì)也可以提高疲勞強(qiáng)度。此外，潤滑劑對降低接觸應(yīng)力有重要作用，高鉆度的油不易從摩擦面擠掉，有助于接觸區(qū)域壓力的均勻分布，從而降低了最高接觸應(yīng)力值。當(dāng)摩擦面有允分的油量時，油膜可以吸收一部分沖擊能量，從而降低了沖擊載荷產(chǎn)生的接觸應(yīng)力值。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 1.2.3 腐蝕磨損在摩擦過程中，金屬同時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，使腐蝕和磨損共同作用而導(dǎo)致零件表面物質(zhì)的損失，這種現(xiàn)象稱為腐蝕磨損。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型腐蝕磨損可分為氧化磨損和腐蝕介質(zhì)磨損。大多數(shù)金屬表面都有一層極薄的氧化膜，若氧化膜是脆性的或氧化速度小于磨

17、損速度，則在摩擦過程中極易被磨掉，然后又產(chǎn)生新的氧化膜，然后又被磨掉，在氧化膜不斷產(chǎn)生和磨掉的過程中，零件表面產(chǎn)生物質(zhì)損失，此即為氧化磨損，但氧化磨損速度一般較小。當(dāng)周圍介質(zhì)中存在著腐蝕物質(zhì)時，例如潤滑油中的酸度過高等，零件的腐蝕速度就會很快。和氧化磨損一樣，腐蝕產(chǎn)物在零件表面生成，又在磨損表面磨去，如此反復(fù)交替進(jìn)行而帶來比氧化磨損高得多的物質(zhì)損失，由此稱為腐蝕介質(zhì)磨損這種化學(xué)機(jī)械的復(fù)合形式的磨損過程，對一般耐磨材料同樣有著很大破壞作用。 上一頁下一頁返回 1.2 機(jī)械零件常見磨損類型 1.2.4 微動磨損兩個接觸表面由于受相對低振幅振蕩運(yùn)動而產(chǎn)生的磨損叫做微動磨損。它產(chǎn)生于相對靜止的接合零件

18、上，因而往往易被忽視。微動磨損的最大特點(diǎn)是在外界變動載荷作用下，產(chǎn)生振幅很小(小于100m，一般為220m)的相對運(yùn)動，由此發(fā)生摩擦磨損。例如在鍵連接處、過盈配合處、螺栓連接處、鉚釘連接接頭處等結(jié)合上產(chǎn)生的磨損。微動磨損使配合精度下降，使配合部件緊度下降甚至松動，連接件松動乃至分離，嚴(yán)重者引起事故。此外，也易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致連接件疲勞斷裂。 上一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 1.3.1 斷裂斷裂是零件在機(jī)械、熱、磁、腐蝕等單獨(dú)作用或者聯(lián)合作用下，其本身連續(xù)性遭到破壞，發(fā)生局部開裂或分裂成幾部分的現(xiàn)象。零件斷裂后不僅完全喪失工作能力，而且還可造成重大的經(jīng)濟(jì)損失或傷亡事故。因此，盡管與磨損、變

19、形相比，斷裂所占的比例很小，但它仍是一種最危險的失效形式。尤其是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備日益向著大功率、高轉(zhuǎn)速的趨勢發(fā)展，斷裂失效的幾率有所提高。因此，研究斷裂成為日益緊迫的課題。斷裂的分類方法很多，這里介紹其中的延性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷 裂和環(huán)境斷裂四種。下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 1.延性斷裂零件在外力作用下首先產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)外力引起的應(yīng)力超過彈性極限時即發(fā)生塑性變形。外力繼續(xù)增加，應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時發(fā)生塑性變形而后造成斷裂就稱為延性斷裂。延性斷裂的宏觀特點(diǎn)是斷裂前有明顯的塑性變形，常出現(xiàn)縮頸，而從斷口形貌微觀特征上看，斷面有大量微坑(也稱韌窩)覆蓋。延性斷裂實(shí)際上是顯微空洞形成、長大、連

20、接以致最終導(dǎo)致斷裂的一種破壞方式。 2.脆性斷裂金屬零件或構(gòu)件在斷裂之前無明顯的塑性變形，發(fā)展速度極快的一類斷裂叫脆性斷裂。它通常在沒有預(yù)示信號的情況下突然發(fā)生，是一種 極危險的斷裂。上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 3.疲勞斷裂機(jī)械設(shè)備中的軸、齒輪、凸輪等許多零件，都是在交變應(yīng)力作用下工作的。它們工作時所承受的應(yīng)力一般都低于材料的屈服服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度，按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是安全的，但在實(shí)際中，在重復(fù)及交變載荷的長期作用下，機(jī)件或零件仍然會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂，它是一種普通而嚴(yán)重的失效形式。在實(shí)際失效件中，疲勞斷裂占了較大的比重，約80%90%。 上一頁下一頁返回 1.3

21、金屬零件的斷裂 4.環(huán)境斷裂實(shí)際上機(jī)械零部件的斷裂，除了與材料的特性、應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變速率有關(guān)外，還與周圍的環(huán)境密切相關(guān)。尤其是在腐蝕環(huán)境中，材料表面或裂紋邊沿由于氧化、腐蝕或其他過程使材料強(qiáng)度下降，促使材料發(fā)生斷裂?？梢钥闯?，環(huán)境斷裂是指材料與某種特殊環(huán)境相互作用而引起的具有一定環(huán)境特征的斷裂方式。環(huán)境斷裂主要有應(yīng)力腐蝕斷裂、氫脆斷裂、高溫蠕變斷裂、腐蝕疲勞斷裂及冷脆斷裂等。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 (1)應(yīng)力腐蝕斷裂。金屬材料在拉應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下引起的低應(yīng)力脆性斷裂稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。它的發(fā)生極為隱蔽，往往是事先無明顯征兆，造成災(zāi)難性的事故。研究表明，應(yīng)力腐蝕斷

22、裂通常是在一定條件下才產(chǎn)生的:要在一定的拉應(yīng)力作用下。一般情況下，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的拉應(yīng)力都很低，普遍認(rèn)為對于每一種材料與環(huán)境的組合，均存在一個拉應(yīng)力臨界值，低于這個應(yīng)力臨界值將不出現(xiàn)斷裂。如果沒有腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用，機(jī)件可以在該應(yīng)力下長期工作而不產(chǎn)生斷裂。腐蝕環(huán)境是特定的(包括介質(zhì)種類、濃度、溫度等)。對一種金屬或合金材料，只有特定的腐蝕環(huán)境才會使其產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂金屬材料本身對應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性，它取決于金屬材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)。應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展機(jī)理有許多理論試圖解釋，如機(jī)械化學(xué)效應(yīng)理論、閉塞電池腐蝕理論、表面膜破裂理論、氫蝕理論等，但尚無統(tǒng)一

23、的看法。這主要是因?yàn)閼?yīng)力腐蝕斷裂體系太大，影響因素復(fù)雜多樣的緣故，以至于機(jī)理可以轉(zhuǎn)變，用某一種理論模型是難以全面解釋清楚的。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂防止金屬材料應(yīng)力腐蝕的主要措施是合理選用材料，盡量使用對工作環(huán)境條件不敏感的材料;在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要合理，盡可能減少應(yīng)力集中，消減殘余應(yīng)力;采取改善腐蝕環(huán)境的措施。 (2)氫脆斷裂。由于氫滲入鋼件內(nèi)部而在應(yīng)力作用下導(dǎo)致的脆性斷裂稱為氫脆斷裂。氫氣的主要作用是其所產(chǎn)生的壓力，它往往有助于某種斷裂機(jī)制如解理斷裂、晶界斷裂等的進(jìn)行。由于氫脆斷裂也是裂紋萌生和擴(kuò)展的過程，而裂紋的擴(kuò)展速率受鋼中的含氫量以及氫在鋼中的擴(kuò)散速度影響很大。氫在鋼

24、中的溶解度越小，其擴(kuò)散系數(shù)越大，氫脆裂紋的擴(kuò)展速率也就越大，即越容易發(fā)生氫脆斷裂。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂氫脆斷裂在工程上是一種比較普通的現(xiàn)象，因而人們對氫脆機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，提出了多種理論。如其中的晶格脆化模型理論認(rèn)為，高濃度的固溶氫可以降低晶界上或相界上金屬晶體的原子間結(jié)合力，當(dāng)局部應(yīng)力等于已被氫降低了的原子間結(jié)合力時，原子間的鍵合就發(fā)生破壞，材料便產(chǎn)生脆性斷裂。 (3)高溫蠕變斷裂。金屬材料在長時間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。由于蠕變變形而導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象稱為蠕變斷裂。蠕變在低溫下也會產(chǎn)生，但只有當(dāng)溫度高于0.3T

25、m( Tm為熱力學(xué)溫度表示的熔點(diǎn))時才較顯著，故這種斷裂又稱為高溫蠕變斷裂。如高溫高壓工況下的螺栓緊固件，常因蠕變導(dǎo)致斷裂破壞。上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂蠕變斷裂宏觀斷口有明顯氧化色或黑色，有時還能見到蠕變孔洞。蠕變微觀斷口多為沿晶斷裂，無疲勞條痕。由于致使金屬零件蠕變斷裂失效的主要原因是應(yīng)力、溫度、時間和材料的耐熱性等，因此，必須從設(shè)計(jì)、制造及使用維修中采取措施以提高蠕變斷裂的抗力。例如，設(shè)計(jì)上避免應(yīng)力集中和早期微裂紋產(chǎn)生;采用隔熱涂層，避免局部工作溫度過高，降低零件實(shí)際溫度;制造中嚴(yán)格控制熱加工工藝;制造和修理中采用表面強(qiáng)化或預(yù)防措施消除表面的缺陷。 上一頁下一頁返回 1.3

26、 金屬零件的斷裂 (4)腐蝕疲勞斷裂。金屬材料在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，在低于抗拉強(qiáng)度的交變應(yīng)力的反復(fù)作用下所產(chǎn)生的斷裂稱為腐蝕疲勞斷裂。這種斷裂破壞在化工、石油和冶金工業(yè)中尤為常見。腐蝕疲勞斷裂和純機(jī)械疲勞斷裂都是在交變應(yīng)力作用下引起的疲勞斷裂，但純機(jī)械疲勞裂紋的萌生(生核)時間在整個的疲勞壽命中占很大的比例，而且交變應(yīng)力小于或等于某一數(shù)值時，疲勞裂紋不能萌生，此時疲勞壽命無限長。而腐蝕疲勞斷裂可以在很低的循環(huán)(或脈沖)應(yīng)力下發(fā)生斷裂破壞，并且往往沒有明顯的疲勞極限值，因而具有更大的危害性。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂腐蝕疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕斷裂都是應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下引起的斷裂。但

27、由于腐蝕疲勞的應(yīng)力是交變的，其產(chǎn)生的滑移具有累積作用，金屬表面的保護(hù)膜也更容易遭到破壞。因此，絕大多數(shù)金屬都會發(fā)生腐蝕疲勞，對介質(zhì)也沒有選擇性，即只要在具有腐蝕性的介質(zhì)中就能引起腐蝕疲勞直至斷裂，而且在容易產(chǎn)生孔蝕的介質(zhì)下更容易發(fā)生，介質(zhì)的腐蝕性越強(qiáng)，腐蝕疲勞也越容易發(fā)生。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂防止腐蝕疲勞斷裂的主要方法是首先要防止腐蝕介質(zhì)的作用。若必須在腐蝕介質(zhì)下工作，則采用耐腐蝕材料，或根據(jù)不同的介質(zhì)條件分別采用陰極保護(hù)或陽極保護(hù)。也可采取表面防腐涂層等表面處理方法。 (勸冷脆斷裂。當(dāng)金屬材料所處的溫度低于某一溫度Tk時，材料將轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，其沖擊韌度明顯下降，這種現(xiàn)

28、象稱為冷脆。由于材料的冷脆而造成的斷裂現(xiàn)象稱為冷脆斷裂。溫度T k為材料少出服點(diǎn) 、和斷裂強(qiáng)度 相等時的溫度，即由延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變的溫度，稱為冷脆溫度。上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 1.3.2 腐蝕 1.腐蝕的概念腐蝕是金屬受周圍介質(zhì)的作用而引起損壞的現(xiàn)象。金屬的腐蝕損壞總是從金屬表面開始，然后或快或慢地往里深入，同時常常伴隨發(fā)生金屬表面的外形變化，首先在金屬表面上出現(xiàn)不規(guī)則形狀的凹洞、斑點(diǎn)、潰瘍等破壞區(qū)域，其次破壞的金屬變?yōu)榛衔?通常是氧化物和氫氧化物)，形成腐蝕產(chǎn)物并部分地附著在金屬表面上，例如鐵生銹。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 2.腐蝕的分類金屬的腐蝕

29、按其機(jī)理可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種。 (1)化學(xué)腐蝕。金屬與介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用而引起的損壞叫化學(xué)腐蝕。腐蝕的產(chǎn)物在金屬表面形成表面膜，如金屬在高溫干燥氣體中的腐蝕，金屬在非電解質(zhì)溶液(如潤滑油)中的腐蝕。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 (2)電化學(xué)腐蝕。金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用的腐蝕稱為電化學(xué)腐蝕，屬于這類腐蝕的有金屬在酸、堿、鹽溶液及海水、潮濕空氣中的腐蝕，地下金屬管線的腐蝕、埋在地下的機(jī)器底座被腐蝕等。引起電化學(xué)腐蝕的原因是宏觀電池作用(如金屬與電解質(zhì)接觸或不同金屬相接觸)，微觀電池作用(如同種金屬中存在雜質(zhì))，氧濃差電池作用(如鐵經(jīng)過水插入砂中)和電解作用。電化

30、學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。以上兩種腐蝕，電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕強(qiáng)烈得多，金屬的蝕損大多數(shù)是電化學(xué)腐蝕所造成的。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 3.防止腐蝕的方法防腐蝕的方法包括兩個方面，首先是合理選材和設(shè)計(jì)，其次是選擇合理的操作工藝規(guī)程。這兩方面都不可忽視，目前生產(chǎn)中具體采用如下防腐措施: 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 (1)合理選材。根據(jù)環(huán)境介質(zhì)的和使用條件，選擇合適的耐腐蝕材料，如選用含有鎳、鉻、鋁、硅、欽等元素的合金鋼;或在條件許可的情況下，盡量選用尼龍、塑料、陶瓷等材料。 (2)合理設(shè)計(jì)。通用的設(shè)計(jì)規(guī)范是避免不均勻和多相性，即力求避免形成腐蝕電池的作用。

31、不同的金屬、不同的氣相空間、熱和應(yīng)力分布不均以及體系中各部位間的其他差別都會引起腐蝕破壞。因此，設(shè)計(jì)時應(yīng)努力使整個體系的所有條件盡可能地均勻一致，做到結(jié)構(gòu)合理、外形簡化、表面粗糙度合適。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 (3)覆蓋保護(hù)層。這種方法是在金屬表面覆蓋一層不同材料，改變零件表面結(jié)構(gòu)，使金屬與介質(zhì)隔離開來，以防止腐蝕。具體方法有金屬保護(hù)層和非金屬保護(hù)層。金屬保護(hù)層采用電鍍、噴鍍、熔鍍、氣相鍍和化學(xué)鍍等方法，在金屬表面覆蓋一層如鎳、鉻、錫、鋅等金屬或合金作為保護(hù)層。非金屬保護(hù)層是設(shè)備防腐蝕的發(fā)展方向，常用的辦法有如下幾種。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂)涂料。將油基

32、漆(成膜物質(zhì)，如干性油類)或樹脂基漆(成膜物質(zhì)，如合成脂)通過一定的方法將其涂覆在物體表面，經(jīng)過固化而形成薄涂層，從而保護(hù)設(shè)備免受高溫氣體及酸堿等介質(zhì)的腐蝕作用。采用涂料防腐的特點(diǎn)是涂料品種多，適應(yīng)性強(qiáng)，不受機(jī)械設(shè)備或金屬結(jié)構(gòu)的形狀及大小的限制，使用方便，在現(xiàn)場亦可施工。常用的涂料品種有防腐漆、底漆、生漆、瀝青漆、環(huán)氧樹脂涂料、聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料以及工業(yè)凡士林等。)磚、板襯里。常用的是水玻璃膠泥襯輝綠巖板。輝綠巖板是由輝綠巖石熔鑄而成，已的主要成分是二氧化硅，膠泥即是鉆合劑。它的耐酸堿性及耐腐蝕性較好，但性脆不能受沖擊，在有色冶煉廠用來做 儲酸槽壁，槽底則襯瓷磚。上一頁下一頁返回 1.3

33、 金屬零件的斷裂)硬(軟)聚氯乙烯。它具有良好的耐腐蝕性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，加工成形方便，焊接性能良好，可做成儲槽、電除塵器、文氏管、尾氣煙囪、管道閥門和離心風(fēng)機(jī)、離心泵的殼體及葉輪。它已逐步取代了不銹鋼、鉛等貴重金屬材料。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂)玻璃鋼。它是采用合成樹脂為黏結(jié)材料，以玻璃纖維及其制品(如玻璃布、玻璃帶、玻璃絲等)為增強(qiáng)材料，按照各種成形方法(如手糊法、模壓法、纏繞法等)制成。它具有優(yōu)良的耐腐蝕性，比強(qiáng)度(強(qiáng)度與質(zhì)量之比)高，但耐磨性差，有老化現(xiàn)象。實(shí)踐證明，玻璃鋼在中等濃度以下的硫酸、鹽酸和溫度在90 以內(nèi)作防腐襯里，使用情況是較理想的。)耐酸酚醛塑料。它是

34、以熱固性酚醛樹脂作黏結(jié)劑，以耐酸材料(玻璃纖維、石棉等)作填料的一種熱固性塑料，易于成形和機(jī)械加工，但成本較高，目前主要用做各種管道和管件。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂 (4)添加緩蝕劑。在腐蝕介質(zhì)中加入少量緩蝕劑，能使金屬的腐蝕速度大大降低。例如，在設(shè)備的冷卻水系統(tǒng)采用磷酸鹽、偏磷酸鈉處理，可以防止系統(tǒng)腐蝕和銹垢存積。 (5)電化學(xué)保護(hù)。電化學(xué)保護(hù)就是對被保護(hù)的金屬設(shè)備通以直流電流進(jìn)行極化，以消除電位差，使之達(dá)到某一電位時，被保護(hù)金屬可以達(dá)到腐蝕很小甚至無腐蝕狀態(tài)。它是一項(xiàng)較新的防腐蝕方法，但要求介質(zhì)必須是導(dǎo)電的、連續(xù)的。電化學(xué)保護(hù)又可分為陰極保護(hù)和陽極保護(hù)。陰極保護(hù)主要是在被

35、保護(hù)金屬表面通以陰極直流電流，可以消除或減少被保護(hù)金屬表面的腐蝕電池作用。 上一頁下一頁返回 1.3 金屬零件的斷裂陽極保護(hù)主要是在被保護(hù)金屬表面通以陽極直流電流，使其金屬表面生成鈍化膜，從而增大了腐蝕過程的阻力。 (6)改變環(huán)境條件。這種方法是將環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)去掉，減輕其腐蝕作用，如采用通風(fēng)、除濕及去掉二氧化硫氣體等方法。對常用金屬材料來說，把相對濕度控制在臨界濕度(50%70%)以下，可以顯著減緩大氣腐蝕。在酸洗車間和電解車間里要合理設(shè)計(jì)地面坡度和排水溝，做好地面防腐蝕隔離層，以防酸液滲透地面后，地面起凸而損壞儲槽及機(jī)器基礎(chǔ)。 上一頁返回 1.4 機(jī)械零件的變形機(jī)械零件或構(gòu)件在外力的作用

36、，產(chǎn)生形狀或尺寸變化的現(xiàn)象叫做變形。過量的變形是機(jī)械失效的重要類型，也是判斷韌性斷裂的明顯征兆。例如，起重機(jī)主梁在變形下?lián)锨蚺で?，汽車大梁的扭曲變形，?nèi)燃機(jī)曲軸的彎曲和扭曲等。變形量隨著時間的不斷增加，逐漸改變了產(chǎn)品的初始參數(shù)，當(dāng)超過允許極限時，將喪失規(guī)定的功能。有的機(jī)械零件因變形引起結(jié)合零件出現(xiàn)附加載荷、相互關(guān)系失常或加速磨損，甚至造成斷裂等災(zāi)難性后果。因此，對于因變形引起的失效應(yīng)給予足夠重視。根據(jù)外力去除后變形能否恢復(fù)，機(jī)械零件或構(gòu)件可分彈性變形和塑性變形。 下一頁返回 1.4 機(jī)械零件的變形 1.彈性變形金屬零件在作用力小于材料屈服強(qiáng)度時產(chǎn)生的變形稱為彈性變形。金屬零件在使用過程中，若

37、產(chǎn)生超過設(shè)計(jì)允許的彈性變形(稱為超量彈性變形)，則會影響零件正常工作。例如內(nèi)燃機(jī)曲軸超量彈性彎曲將引起連桿、活塞與氣缸相互配合位置關(guān)系變化，導(dǎo)致正常工況破壞，加劇磨損損壞。因此，在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中，防止超量彈性變形是十分必要的。 上一頁下一頁返回 1.4 機(jī)械零件的變形 2.塑性變形機(jī)械零件在外載荷去除后留下來的一部分不可恢復(fù)的變形稱為塑性變形或永久變形。塑性變形導(dǎo)致機(jī)械零件各部分尺寸和外形的變化，將引起一系列不良后果。例如，像內(nèi)燃機(jī)氣缸體這樣復(fù)雜的箱體零件，由于永久變形，致使箱體上各配合孔軸線位置發(fā)生變化，不能保證裝在它上面的各零部件的裝配精度，甚至不能順利裝配。 上一頁下一頁返回 1.4 機(jī)

38、械零件的變形金屬零件的塑性變形從宏觀形貌特征上看主要有翹曲變形、體積變形和時效變形等。 (1)翹曲變形。當(dāng)金屬零件本身受到某種應(yīng)力(如機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力等)的作用，其實(shí)際應(yīng)力值超過了金屬在該狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度后，就會產(chǎn)生呈翹曲、橢圓和歪扭的塑性變形。因此，金屬零件產(chǎn)生翹曲變形是它自身受復(fù)雜應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。此種變形常見于細(xì)長軸類、薄板狀零件以及薄壁的環(huán)形和套類零件。 上一頁下一頁返回 1.4 機(jī)械零件的變形 (2)體積變形。金屬零件在受熱與冷卻過程中，由于金相組織轉(zhuǎn)變引起質(zhì)量體積變化，導(dǎo)致金屬零件體積脹縮的現(xiàn)象稱為體積變形。如鋼件淬火相變時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體時質(zhì)量體積增大，

39、體積膨脹，淬火相變后殘留奧氏體的質(zhì)量體積減小，體積收縮。馬氏體形成時的體積變化程度，與淬火相變時馬氏體中的含碳量有關(guān)。鋼件中含碳量越多，形成馬氏體時的質(zhì)量體積變化越大，膨脹量也越大。此外，鋼中碳化物不均勻分布往往能夠增大變形程度。必須指出，由于金相組織轉(zhuǎn)變引起質(zhì)量體積變化而出現(xiàn)的體積變形，如果發(fā)生在金屬零件的局部范圍內(nèi)，則往往是在該區(qū)域產(chǎn)生微裂紋的原因。 上一頁下一頁返回 1.4 機(jī)械零件的變形 (3)時效變形。鋼件熱處理后產(chǎn)生不穩(wěn)定組織，由此引起的內(nèi)應(yīng)力是不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，在常溫或零下溫度較長時間的放置或使用，不穩(wěn)定狀態(tài)的應(yīng)力會逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，并趨于穩(wěn)定，由此伴隨產(chǎn)生的變形稱為時效變形。 3.

40、減少變形的措施變形是不可避免的，我們只能根據(jù)它的規(guī)律，針對變形產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的對策來減少變形。特別是在機(jī)械設(shè)備大修時，不能只檢查配合的磨損情況，對于相互位置精度必須認(rèn)真檢查。 上一頁下一頁返回 1.4 機(jī)械零件的變形 (1)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時不僅要考慮零件的強(qiáng)度，還要重視零件的剛度、制造、裝配、使用、拆卸和修理等問題。在設(shè)計(jì)中注意應(yīng)用新技術(shù)、新工藝和新材料，減少制造時的內(nèi)應(yīng)力和變形。 (2)加工。在加工中要采取一系列工藝措施來防止和減少變形。如對毛坯要進(jìn)行時效處理以消除其殘余內(nèi)應(yīng)力;高精度零件在精加工過程中必須安排人工時效。在制定零件機(jī)械加工工藝規(guī)程中，均要在工序、工步安排上、工藝裝備和操作上

41、采取減小變形的工藝措施。 上一頁下一頁返回 1.4 機(jī)械零件的變形在加工和修理中要減少基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，保留加工基準(zhǔn)留給維修時使用，減少維修加工中因基準(zhǔn)不一而造成的誤差。注意預(yù)留加工余量、調(diào)整加工尺寸和預(yù)加變形，這對于經(jīng)過熱處理的零件來說非常必要。也可預(yù)加應(yīng)力或控制應(yīng)力的產(chǎn)生和變化，使最終變形量符合要求，達(dá)到減少變形的目的。 (3)修理。在修理中，應(yīng)制定出與變形有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和修理規(guī)范;設(shè)計(jì)簡單可靠、好用的專用量具和工夾具;推廣三新技術(shù)，特別是新的修復(fù)技術(shù)，如刷鍍、黏接等，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接，盡量減少零件在修理中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。 (4)使用。加強(qiáng)設(shè)備管理，制定并嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，不超負(fù)荷運(yùn)行， 避免局部超載或過熱，加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的檢查和維護(hù)。上一頁返回 圖1-1 磨損的典型曲線 返回