机械故障诊断技术11_其他故障诊断技术

为纤维状。
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图11-3（b）是沿晶断裂的示意图，沿晶断裂是化学腐蚀的结果。在 晶界处材料内的杂质全猬集于此，其中有化学性质活跃的硫、磷等，再加 上各类元素原子的键合度差异，存在许多薄弱环节，化学腐蚀最容易沿晶 界扩展。不锈钢就是利用了铬、镍原子与铁原子的高键合度，同时也在表 面生成化学性质牢固的强氧化膜阻挡了化学物质的入侵，合金原子的键合 度是改善钢铁材料机械性质的重要因素。在金属表面生成化学性质牢固的 氧化膜也是阻挡腐蚀的一种有效方式，铝合金的阳极氧化工艺就是走的这 样一种路线。
工序采用滚压或喷丸。
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11.1.3 突发断口的特征
突发断口是指快速断裂所产生的断口，根据材料断裂的特征，分为塑 性断裂和脆性断裂两类。
塑性断裂的特征是断口残留着塑性变形的痕迹，塑性材料的突发性断 裂是由突然超载造成的。因为塑性材料制造的机械零件都有一定的安全裕 度，突然超载多数是操作失误造成过大的动载荷，如在起吊满载或近满载 时，快速提升或下降陡停；在转炉旋转时突然打反转，都能产生的强烈的 惯性动载荷。例如：某钢铁公司冷轧厂天车因起吊动作过猛，引起钢卷上 下抖动，导致吊具发生突然断裂；某钢铁厂炼钢转炉因操作工在转动过位 时，突打反转，造成倾动大齿轮发生断齿；都是操作失误造成设备损坏的 例子。
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钢铁材料的主体是铁碳合金，在从液态凝固成固体时，首先形成晶 核的是纯铁的铁素体，碳及其他合金原子则被排挤分布到晶界处，因而 晶界是扭曲的，是抵抗变形错动的主要部分。这就是为什么细晶粒钢的 强度大于粗晶粒钢的原因，钢铁材料的热处理就是通过获得不同的晶粒 组织来获得所需的机械性能。因而断裂发生前塑性较高的铁素体晶粒被 拉长，断裂后，这些拉长的痕迹被保留下来，在断口处表现为参差不齐 的形态，通常称为纤维状。
山脊纹
中的表现，应力集中在多数情况是车
刀的刀痕造成。山脊纹是裂纹扩展残
留的痕迹，它是由无数的45°微裂
纹的组合，由于受到另一断面的约束
和挤压，山脊很低，必须仔细观察才
能察觉。纯扭转断裂的终断区位于圆
心，这是纯扭转疲劳断裂的特征。 提高传动轴抗疲劳的措施有：
终断区
提高表面光洁度，最后工序采用磨削； 图11-7 纯扭转断裂的断口 使轴表面存在残余挤压应力，如最后
终断区
的痕迹，而且随着材料承载面积的减小逐步
加大。
3．终断区，当残余材料承载面积上的应力
达到强度极限时，发生瞬间断裂。因此整个 断面面积与终断区面积之比为零件的安全裕 图11-5 表面光滑矩形断面图
度。如图11-5，安全裕度约为2。终断区的
宏观表象是纤维状。
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图11-6是存在应力集中的矩形截面断面图。特征如下：
1．裂源，与图11-5相同，疲劳断裂的 裂源只有一处。 2．贝壳纹，因试验梁的表面存在应力 集中，裂纹扩展速度表面快于芯部。 3．终断区。与图11-5相同，也是残余 材料承载面积上的应力达到强度极限时， 发生瞬间断裂。也可以用以判别零件的
裂源
贝壳纹
安全裕度。
疲劳断裂表面的判读：
1．首先观察裂源，若只有一个裂源， 则表明为疲劳断裂。多个裂源则为突发 性断裂。疲劳断裂有一个发展过程，是 可以事先预防的，突发性断裂发展时间
终断区
很短，是不可预防的。 2．观察贝壳纹的走向特征，判定表面 图11-6 存在应力集中的矩形断面图 是否存在应力集中。 3．观察终断区，估计零件的安全裕度。
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图11-7 所示为塑性材料传动轴纯扭转断裂的断口。
因为圆轴的外圆始终是最大应
力区，因而可以有多个裂源在圆周上 产生。圆周处的人字纹是存在应力集 人字纹
裂源
出现就抑制了其它裂源的产生。裂源产生后，
贝壳纹
因为裂纹扩展缓慢，反复的张开闭合使得表
面因挤压而光滑，工业现场因环境的影响，
裂源处还可能出现锈迹。
2．贝壳纹是裂纹扩展残留的痕迹。因试验
梁的外表面光滑而且残留加工的挤压应力，
因此芯部扩展快，边缘扩展慢。贝壳纹是受 载荷不均匀的影响，裂纹扩展快慢变化所留
承载梁的结构情况有两种，一种是表面光滑的矩形断面梁（表面残留 最后精磨加工的挤压应力）；另一种是在最大应力处做了环截面应力集中 沟痕的矩形断面梁。
这种情况下，疲劳断裂的断口有两种：
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图11-5表面光滑的矩形截面断面图。特征如下 ：
1．裂源出现在最大应力处，从存在原始缺
陷处开始。疲劳断裂的裂源只有一处，一旦
στ σ
τ
τ
σ
σ
τ
图11-1 剪切应力分析
图11-2 塑性材料的拉伸断口
这是因为在断裂前，拉应力首先超过屈服极限，材料内部的晶粒被拉 伸，同时出现流动。而材料表面的晶粒约束小，容易流动补充，所以伸长 多些，而内部的材料晶粒约束较多，流动补充不易，所以在芯棒中心的晶 粒首先发生断裂，断裂部位从中心向外延展。因而在断面处产生杯状断口。
11.1.1 断口分析基础知识
对于具有塑性特征的金属材料，断裂是拉伸应力作用的结果，压缩应 力只能造成压溃，断口边缘处的挤出飞边就是其特征，剪切断裂的主要作 用应力仍然是拉伸正应力，如图11-1所示，所以轴类零件的纯扭转断裂是 沿45°线开裂。
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一．拉伸试棒的断口特征
塑性材料（如结构钢类）制造的拉伸试棒的断口如图11-2，断口处明 显表现出缩颈现象，断面呈杯状。
二．穿晶断裂与沿晶断裂
如图11-3（a）所示，穿晶断
裂的裂纹穿过金属材料的晶体，这
是因为裂纹的延展总是沿着最弱方
向，而材料中由铁素体组成的晶粒
处于强度最弱的位置，存在扭曲错 位的晶界则是裂纹延展的阻力，晶 粒愈大，裂纹扩展愈易。
a) 穿晶断裂
(b) 沿晶wk.baidu.com裂
图11-3 断裂形态
穿晶断裂是应力断裂的微观特征，晶粒表现为残余的变形，断口表现
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第十一章 其它故障诊断技术
11.1 断口分析技术
断口记录了断裂过程的相关信息，是一个重要的物证。机械零部件的 断裂原因分析，涉及许多技术，他们有：材料元素组成方面的光谱分析技 术；金相组织方面的金相分析技术；材料性能方面的强度硬度分析技术； 零件结构方面的断口分析技术。光谱分析、金相分析、强度硬度分析都需 要依赖精密贵重的仪器仪表，断口分析技术靠的是人眼的观察，它是在工 业现场就能初步分析的技术。
沿晶断裂是化学腐蚀的微观特征，断口表面相对平滑。许多输送化学 物质的管道腐蚀穿孔的主要原因就是沿晶断裂。
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11.1.2 疲劳断口的特征 疲劳断口是在交变应力的作用下产生的。为了研究观察疲劳断口的特
征，构造了如图11-4形式的试验装置。
交变载荷力
承载梁的截面
图11-4 弯曲疲劳断裂试验装置