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1、机械设备维修工程学,主讲：郭智勇,第二章 机械零件失效的模式及其机理,第一节 机械零件的磨损,第二节 金属零件的断裂,第三节 金属零件的腐蚀损伤,第四节 机械零件的变形,机械零件的失效及其对策,机械零件的磨损及其对策,以摩擦副为主要零件的机械设备，在正常运转时，机械零件的磨损一般可分为磨合（走合）阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，如图1-1所示。,图1-1 机械磨损过程,第一节 机械零件的磨损,通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。,一、粘着磨损,2.粘着磨损的分类,3.影响粘着磨损的因素,当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对的运动时，由于粘着作用，接
2、触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为粘着磨损。粘着磨损又称粘附磨损。,（1）摩擦表面的状态,（2）摩擦表面的材料的成分和金相组织,1.粘着磨损机理,磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副的接触表面之间存在这硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触表面上有明显的切削痕迹。,2.磨料磨损的分类,磨料磨损的形式可分为三类，如表所示：,二、磨料磨损,3.影响磨料磨损的因素,由于磨料模塑主要是由磨料颗粒与摩擦表面的机械作用而引起的，而影响它的因素也就取决于这两方面。,（1）磨料 磨料磨损与磨料的相对硬度、形状、大小有密切
3、关系。,（2）摩擦表面材料 摩擦表面材料的显微组织，力学性能如硬度、断裂 韧度、弹性模量等，与磨料磨损也有很大的关系。,三、疲劳磨损,疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。,1.疲劳磨损机理,按裂纹产生的位置，疲劳磨损的机理有两种情况：,(1)滚动接触疲劳磨损,（2）滚滑接触疲劳磨损,四、微动磨损,两个接触表面由于受相对低振幅震荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。,1.微动磨损的机理,2.影响微动磨损的主要因素,微动磨损是一种兼有磨料磨损、粘着磨损和氧化磨损的复合磨损形式。,实践与试验表明，外界条件（载荷、振幅、温度、润滑等）及材质对
4、微动磨损影响相当大。,第二节 金属零件的断裂,断裂是零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或者联合作用下，其本身连续性遭到破坏，发生局部开裂或分裂成几部分的现象。,断裂的分类方法很多，本书介绍其中的延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂和环境断裂四种。,过载断裂,外加载荷超过金属构件危险截面所能承受的极限应力时所发生的断裂。2、疲劳断裂零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象就叫作疲劳断裂。尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏。第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度。第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂
5、纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。,断裂的分类1、过载断裂,一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区、最终断裂区三部份构成。疲劳断口有各种型式，它取决于载荷的类型，即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力，同时与应力的大小和应力集中程度有关。,3、脆性断裂构件未经明显的变形而发生的断裂。断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。如杆件脆断时没有明显的伸长或弯曲，更无缩颈，容器破裂时没有直径的增大及壁厚的减薄。脆断的构件常形成碎片。材料的脆性是引起构件脆断的重要原因。,金属与周围介质发生化学，电化学作用或物理溶解产生变质和破坏的现象称为腐蚀。金属腐蚀破坏发生在零件表面，逐渐向内部扩展或同时
6、向四周蔓延。腐蚀是现代工业中极为有害的破坏因素。不仅造成机器、零部件的失效，且造成大最金属材料的浪费和巨大的经济损失。例如，全世界每年因腐蚀浪费的钢铁约占当年钢铁产盘的10%。此外，腐蚀破坏还带来安全性和资源保护等问题，导致机器设备的突然破坏，严重危及人身安全和使地球上有限资源日渐枯竭，使人类生存受到威胁。,第三节 金属零件的腐蚀损伤,金属零件的腐蚀损伤，是指金属材料与周围介质产生化学或电化学反应而导致的破坏。金属腐蚀是普遍存在的自然现象。,一、金属零件的化学腐蚀,单纯由化学作用而引起的腐蚀叫化学腐蚀。,金属氧化膜要在含氧气的条件下其保护膜作用必须具有以下条件：,电化学腐蚀的根本原因是腐蚀电池
7、的形成。需要形成腐蚀电池的三条是：,有两个或两个以上的不同电极电位的物体，或在同一物体具有不同电极电位的区域，以形成正、负极；电极之间需要有导体相连接或电极直接接触；要有电解液。,二、金属零件的电化学腐蚀,电化学腐蚀是金属与电解物质接触时产生的腐蚀。,一、金属腐蚀过程 自然界中大多数金属是以金属化合物的形式存在于矿石中，例如铁以Fe2O3，形式存在于赤铁矿中，而Fe2O3也是铁的腐蚀产物铁锈的成分。冶炼金属是消耗能量把矿石中的化合物转变成金属，所以金属比其化合物具有更高自由能。金属腐蚀是使金属恢复其自然状态，金属释放出能量回到热力学上更稳定的自然存在形式化合物状态，即金属从金属状态自发地变成离
8、子状态，生成氧化物、硫化物等。所以腐蚀过程是金属释放出能量使自身稳定的自发过程，也是冶金的逆过程。金属释放的能最就是腐蚀的动力，而其他破坏形式，如磨损、裂纹等则要消耗有用功。,二、金属腐蚀的分类 依金属腐蚀过程的特点分为:化学腐蚀、电化学腐蚀。依腐蚀表面的特征分为:全面腐蚀、局部腐蚀。全面腐蚀是机件整个表面上发生的腐蚀，一般多为全面不均匀腐蚀。局部腐蚀是机件表面局部发生的腐蚀，而表面上其他部分几乎不发生腐蚀。局部腐蚀较多，危害也比全面腐蚀严重，往往会发生突然破坏，造成机件的损坏，甚至恶性事故。,根据化学腐蚀的机理，可在零件表面上覆盖一层保护膜，如镀锡、镀锌、发蓝处理等。排气阀等的高温腐蚀，可选
9、用含钒、钠、硫少的燃油，控制其成分;加强燃烧室零件的冷却，使零件温度在550以下等。此外，还应注意零件材料的选择，对腐蚀环境下工作的零件应选用耐腐蚀性强的材料。,第二节 电化学腐蚀 金属表面与离子导电的电解介质溶液发生电化学作用产生的破坏称为电化学腐蚀。电化学腐蚀过程中产生电流。电化学腐蚀是自然界和生产中最普遍和最常见的腐蚀，破坏作用也显著。金属在大气、湿空气、海水、土壤及酸、碱、盐溶液中都能发生电化学腐蚀。在船上，船体和船机发生电化学腐蚀的部位和零部件较多。,一、电化学腐蚀原理 电池作用原理可以充分说明金属在电解质溶液中的腐蚀过程。图的Fe-Cu电池示意图中，铁板和铜板分别为阳极和阴极，同装
10、于盛有电解质溶液(如稀硫酸)的容器中，并用导线连接两极。电池反应发生后导线中有电流通过。电池反应:阳极氧化反应后铁被溶解 Fe Fe+2 阴极还原反应后放出氢气 2H+2H2 所以，电池作用使阳极铁板不断地被腐蚀，溶液中氢离子不断地从阴极获得电子变成氢气逸出。,Fe-Cu电池示意图,电化学腐蚀中，腐蚀电池起着重要作用。依电池中电极大小分为宏观电池与微观电池。1.宏观腐蚀电池 宏观腐蚀电池是肉眼可见电极构成的宏观大电池，引起局部宏观腐蚀。主要有:1)异金属接触电池 两种具有不同电位的金属或合金相互接触(直接接触或用导线连接)，并处于同一电解质溶液中时，会使电位低的金属不断地被腐蚀，这种电池称为异
11、金属接触电池。两种金属的电位差越大，腐蚀也越严重。例如，Fe-Cu电池、海水中船的碳钢尾轴与铜质螺旋桨等也构成这种电池。,2)浓差电池 同一金属的不同部位与浓度(含氧量或含盐量)或温度不同的介质接触构成的电池称浓差电池。最常见的有氧浓差电池、盐浓差电池和温差电池等。金属与含氧量不同的介质接触，在氧浓废低处金展的电位较低;氧浓度较离处金属的电位较高。例如铁棒埋于土壤中，因土壤深度不同含氧量不同，氧的浓度不同，则氧的分压不同。浓度越高分压越大，铁棒的电位越高，否则电位越低，于是构成氧浓差电池，使深埋于土壤中的铁棒端腐蚀最严重。同样，分别插入浓、稀硫酸铜溶液中的铜棒两端电位不同，稀硫酸铜溶液中的棒端
12、电位低，另一端电位高，构成盐浓差电池。浸于电解质溶液中的金属当不同部位的温度不同时构成温差电池。例如,换热器的高温端比低温端腐蚀严重。,2.微观电池 微观电池使指金属表面由于电化学不均匀性构成无数微小电极的电池,又称微电池。零件金属表面电化学不均匀性使由于金属表面的微观不均匀性引起的,主要有:（1）化学成分不均匀性 工业用的金属材料不同程度含有杂质、或有偏析,使金属表面化学成分不均匀。金属、杂质、非金属夹杂物的电极电位不同,当有电解质溶液时就会构成无数微小电池,如图,（2）金属组织不均匀性 零件金属材料中不同的金相组织和晶体缺陷具有不同的电极电位,在有电解质溶液的情况下就会构成微电池,如图,（
13、3）物理性质或状态的不均匀性 金属材料冷、热加工后材料各部分的受力和变形不同或物理性质不均匀,在有电解质溶液的情况下构成微电池,如图中变形大的1处电位较低，易被腐蚀。,(4)金属表面膜不完整 金属表面都有一层氧化膜，当膜破裂、有孔等不完整时，破裂处和有孔处电位较低，易构成微电池的阳极，如图所示。,二、船上常见的电化学腐蚀(1)电偶腐蚀 船上的机器零部件或船体构件只要构成异金属接触电池就会发生电偶腐蚀，且较为普遍。例如，螺旋桨与尾轴、离心泵的叶轮与轴等。(2）氧浓差腐蚀 金属浸入含氧溶液中形成氧电极产生氧浓差腐蚀。例如，工程上连接件的结合面缝隙处、气缸套与气缸体下部密封圈的缝隙处，因充气不足或冷
14、却水的停滞使氧浓度低。此处金属为阳极与附近氧浓度高处金属，即阴极构成氧浓差电池，发生氧浓差腐蚀。,(3）选择性腐蚀 是由微观电池引起的电化学腐蚀。例如黄铜制件的脱锌黄铜在酸性或盐溶液中构成无数微电池使锌被腐蚀。又如铸铁气缸套外圆表面在冷却水中发生铁素体被腐蚀的(仅剩下石墨)微观电化学腐蚀。(4）应力腐蚀碳钢、不锈钢、黄铜等工程材料的加工制件均会由于加1引起的内应力较大而发生微观电化学腐蚀。例如黄铜制件的季裂就是这种应力腐蚀。(5）海水腐蚀 海水是唯一含盐浓度高的电解质溶液，是腐蚀性最强的天然腐蚀剂之一。船舶常年航行在海上，在海水与海洋大气包围之中，船体、甲板机械和与海水接触的零部件等受到严重的
15、腐蚀。如船体钢板、螺旋桨、尾轴、舵及甲板机械起货机、起锚机、绞缆机等。此外，柴油机的空冷器、冷却器、冷凝器、空气压缩机的机体、各种海水管等郡与海水接触，均会受到海水腐蚀。,海水的成分和总盐度恒定，内海则因地而异。海水中的盐类主要是氯化物(NaCl、MgCl2)，其次是硫酸盐(MgS04、CaSO4)。由于海水能离解盐类，所以海水是一种导电性很强的电解质溶液。海水中的大量氯离子，能使零件金属表面的氧化膜遭到破坏，因而海水对大多数金属有很强的腐蚀作用。腐蚀可能是微观电池作用，也可能是宏观电池作用。钢铁在海水中的腐蚀速度为0.13mm/a。如果海水流速增加、海水温度升高等还会加速海水腐蚀。此外，海水
16、中的含氧量、pH值、海洋生物等物理、化学因素都会影响海水腐蚀速度。,三、防止电化学腐蚀的措施 根据电化学腐蚀原理可知，只要破坏产生电化学腐蚀的条件之一，就能有效地阻止腐蚀的发生，这是防止电化学腐蚀的基本原。另外，由于电化学腐蚀破坏的形式较多，每种破坏形式都有其产生的具体原因和条件，所以防止腐蚀的方法也是多种多样的，根据不同情况选用不同方法。生产中主要有以下几种:(1)合理选材 根据介质和机器的使用条件，零件的材料尽最选用相同材料或电位相近的材料或其他耐腐蚀的材料。,(2）阴极保护 利用电化学腐蚀原理使被保护零件成为阴极则可防止腐蚀，一种方法是将被保护零件与外加直流电源的负极相连，用外加阴极电流
17、使阴极电位向负的方向变化，阻止腐蚀过程的进行。另一种方法是牺牲阴极保护法，即在被保护零件上安装电位更低的金属使之成为阳极，被保护零件成为阴极而不被腐蚀。例如，在船体钢板上、气缸套外表面上安装锌块。(3)阳极保护 将被保护零件与外加直流电源的正极相连，用外加电流使阳极电位向正的方向变化，腐蚀速度迅速降低并保持一定的稳定低电位，使阳极钝化降低腐蚀。,(4)介质处理 除去介质中促进腐蚀的有害成分。例如，锅炉给水的除氧处理；调节介质的pH值和改变介质的湿度；在介质中添加阻止和减缓腐蚀的物质，例如常在柴油机冷却水中添加铬酸盐、亚硝酸盐等无机缓蚀剂，使在零件金属表面上形成钝化膜，抑制阳极腐蚀。此外，还可在
18、冷却水中添加乳化防锈油。（5）引表面覆盖保护膜 在零件表面上覆盖一层金属或非金属保护膜，使与腐蚀介质隔开防止腐蚀，如采用电镀、电刷镀、喷涂或磷化、氧化处理等工艺在零件表面上形成金属模或非金属膜。（6）加强维护和管理,5.添加缓蚀剂,在腐蚀性介质中加入少量能减少腐蚀速度的物质，即缓蚀剂，可减轻腐蚀。,6.改变环境条件,即将环境中的腐蚀介质除去，以减少其腐蚀作用。,腐蚀失效主要表现形态1、均匀腐蚀 腐蚀发生在金属表面的全部或大部，也称全面腐蚀。多数情况下，金属表面会生成保护性的腐蚀产物膜，使腐蚀变慢。有些金属,如钢铁在盐酸中,不产生膜而迅速溶解。通常用平均腐蚀率（即材料厚度每年损失若干毫米）作为衡
19、量均匀腐蚀的程度，也作为选材的原则,一般年腐蚀率小于 1 1.5mm,可认为合用（有合理的使用寿命）。2、点腐蚀钝性金属在含有活性离 子的介质中发生的一种局部腐蚀。又称小孔腐蚀。点腐蚀会导致设备或管线穿孔，泄漏 物料，污染环境，容易引起火灾;在有应力时，蚀孔往 往是裂纹的发源处。碳 钢、不锈钢、铝、铜等金属在活性离子,3、许多金属构件是由螺钉、铆、焊等方式连接的，在这些连接件或焊接接头缺陷处可能出现狭窄的缝隙，其缝宽（一般在0.0250.1mm）足以使电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并且在缝内发生强烈的腐蚀，这种局部腐蚀称为缝隙腐蚀。4、晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀。金属腐
20、蚀沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域发展，材料晶粒本身腐蚀很轻微，材料这种腐蚀便称为晶间腐蚀。,这种腐蚀使晶粒间的结合力大大削弱，材料严重时可使机械强度完全丧失。金属例如遭受这种腐蚀的不锈钢，材料表面看起来还很光亮，材料但经不起轻轻敲击便破碎成细粒。金属由于晶间腐蚀不易检查，材料所以廷民设备的突然破十，材料它的危害性很大。金属不锈钢、金属镍基合金、金属铝合金、金属镁合金等都是晶间腐蚀敏感性高的材料。金属在受热情况下使用或焊接过程都会造成晶间腐蚀的问题。金属以晶间腐蚀为起源，材料在应力和介质的共同作用下，材料可使不锈钢、金属铝合金等诱发晶间应力腐蚀，材料所以晶间腐蚀有时是应力腐蚀的先导。,5
21、、析氢腐蚀一.在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气，这种腐蚀叫做析氢腐蚀。二.在钢铁制品中一般都含有碳。在潮湿空气中，钢铁表面会吸附水汽而形成一层薄薄的水 膜。水膜中溶有二氧化碳后就变成一种电解质溶液，使水里的H 增多。是就构成无数个以铁为负极、碳为正极、酸性水膜为电解质溶液的微小原电池。,6、材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效叫做腐蚀疲劳。这里需注意的是，腐蚀疲劳和应力疲劳不同，虽然两者都是应力和腐蚀介质的联合作用，但作用的应力是不同的，应力腐蚀指的是静应力，而且主要是指拉应力，因此也叫静疲劳。而后者则强调的是交变应力。在空气介质中，氧和水蒸气是引起腐蚀的主要成分。它们
22、对降低材料和腐蚀疲劳强度作用很大。对于铜、黄铜和碳钢等韧性材料，起腐蚀作用主要的是氧。而对于高强度钢，高强度铝合金等对应力腐蚀敏感的材料，水蒸气对裂纹扩展速率有很大影响。材料强度越高，腐蚀疲劳裂纹扩展越快。,7、腐蚀磨损,在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应引起金属表面的腐蚀产物剥落，这种现象成为腐蚀磨损。,1.氧化磨损,摩擦表面要能够发生氧化，而且氧化膜生成速度要大于其磨损破坏速度；,氧化膜与摩擦表面的结合强度大于摩擦表面承受的切应力；,氧化膜厚度大于摩擦表面破坏的深度。,2.特殊介质下的腐蚀磨损,它是摩擦副金属材料与酸、碱、盐等介质作用生成的各种化合物，在摩擦过程中不断
23、被除去的磨损过程。,基于氧化磨损的特点，可以看出发生氧化磨损必须同时具备三个条件：,腐蚀介质来源常有以下方面：,2）摩擦金属表面受到工作过程中产生的腐蚀性介质作用。,3）极压齿轮油中由于油极压添加剂。,1）工作介质。,4）润滑油在工作中因氧化而形成机酸。,减轻气蚀的主要措施有：,四、气蚀,气蚀是一种比较复杂的破坏现象，它不单是机械作用，还有化学、电化学作用，当液体中含有杂质或磨粒时，就会加剧这一破坏过程。,第四节 机械零件的变形,机械零件或构件在外力的作用下，产生形状或尺寸变化的现象称为变形。过量的变形是机械失效的重要类型，也是判断韧性的明显征兆。,一、弹性变形,金属零件在作用应力小于材料屈服强度时产生的变形称为弹性变形。,二、塑性变形,机械零件在外载荷去除后留下来的一部分不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。,金属零件的塑性变形从宏观形貌特征上看主要有翘曲变形、体积变形和时效变形等。,本章完,
