張永友
摘 要:本文列舉了生產(chǎn)中發(fā)生的8種產(chǎn)品破壞的事例,分析了它們各自失效的原因.歸納出它們的損壞有一個(gè)共同的特點(diǎn),就是機(jī)械過(guò)載,即拉伸應(yīng)力,剪切應(yīng)力,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,彎曲應(yīng)力等過(guò)載.
關(guān)鍵詞:機(jī)械過(guò)載;拉伸應(yīng)力;剪切應(yīng)力;扭轉(zhuǎn)應(yīng)力;彎曲應(yīng)力
1引言
機(jī)械過(guò)載是產(chǎn)品在使用過(guò)程中比較常見(jiàn)的一種現(xiàn)象.具體的表現(xiàn)方式有過(guò)載的拉伸,過(guò)載的彎曲,過(guò)載的扭轉(zhuǎn),高的交變壓縮應(yīng)力,高的交變剪切應(yīng)力,以及強(qiáng)烈的摩擦等等.由于機(jī)械過(guò)載而導(dǎo)致的產(chǎn)品失效或損壞的事例很多,下面看一些實(shí)例。
2拉伸,彎曲,剪切及扭轉(zhuǎn)過(guò)載
過(guò)載是在應(yīng)力過(guò)高或者材料的強(qiáng)度過(guò)分降低時(shí)發(fā)生的.對(duì)于擁有了必要純度的材料,要判斷其是否滿足規(guī)定的強(qiáng)度,是不難的.但是,要使材料能承受預(yù)期的載荷,而倒推材料該做成不大不小的尺寸,通常比較困難.做大了,浪費(fèi)材料;做小了,零件承受不起工作的載荷。
某聯(lián)接螺栓裝夾工件時(shí)發(fā)生了頸縮現(xiàn)象,檢查原因:該螺栓化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn),金相組織是均勻的調(diào)質(zhì)組織,螺栓的抗拉強(qiáng)度為930兆帕,也符合標(biāo)準(zhǔn).只所以出現(xiàn)拉伸過(guò)度即頸縮的原因,是因?yàn)槁菟〝Q的過(guò)緊,即拉伸應(yīng)力過(guò)大.超過(guò)了屈服強(qiáng)度,螺栓過(guò)載而大量伸長(zhǎng)及頸縮。
某塔吊上的螺栓,失效方式與上例不同.已經(jīng)破壞的螺栓,在第一圈螺紋部分,由于剪切力的作用,在垂直軸線的方向上偏離了原來(lái)的位置,觀察其破壞面,是通過(guò)縱斷面的韌性斷裂,分析其金相組織,是均勻的細(xì)晶粒,沒(méi)有組織缺陷,所以是過(guò)度的剪切應(yīng)力導(dǎo)致了該螺栓的破壞。
某大噸位的礦山運(yùn)輸車,啟動(dòng)時(shí)沖擊載荷過(guò)大,使得變速箱里的齒輪產(chǎn)生了裂紋,雖然齒輪滲碳及其淬火都符合要求,滲碳層深度有1個(gè)毫米,但是齒兩側(cè)的齒根部分還是有多處產(chǎn)生了疲勞裂紋,甚至有兩處的齒都斷掉了.齒輪心部的硬度約為1400兆帕,偏高,降低了沖擊韌性,對(duì)于過(guò)載的沖擊載荷,造成變速箱齒輪的提前損壞。
下面是一個(gè)比較復(fù)雜的事例.某石油鉆井裝置中發(fā)生了破壞.該裝置中有一個(gè)起吊桿,長(zhǎng)3600米,在進(jìn)行起吊操作時(shí)其下端的連接管接頭發(fā)生了損壞.進(jìn)行力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),該桿在工作狀態(tài)下,承受拉伸應(yīng)力,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,彎曲應(yīng)力的綜合作用.總體載荷大,且頻繁作用,導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展.具體分析是,起吊桿在起吊的過(guò)程中,受到偏大的拉伸載荷,使得桿下部的連接管接頭產(chǎn)生了初期裂紋;之后,起吊桿抱緊與其相配的鉆桿,會(huì)受到扭轉(zhuǎn)力矩,造成初期裂紋發(fā)展成裂縫.對(duì)已經(jīng)破壞的連接管接頭進(jìn)行分析和檢查,連接管接頭的材料是中合金鋼三六鉻鎳鉬四,毛坯是無(wú)縫鋼管,進(jìn)行了調(diào)質(zhì),抗拉強(qiáng)度約為1100兆帕.破壞從裝在接頭中的襯套的螺紋部和圓柱部之間呈銳角環(huán)形發(fā)生.判斷最初的破壞是沖擊性剪切載荷引起的.最終破壞卻是另外一種現(xiàn)象.裂紋擴(kuò)展成與纖維方向垂直,而且圍繞中心軸呈螺旋狀延伸.破壞的襯套殘留部分,照原樣套在連接管接頭的螺紋部分中,這說(shuō)明:起吊桿抱緊與其相配的鉆桿時(shí),扭轉(zhuǎn)應(yīng)力造成了裂紋的擴(kuò)展.襯套的成分,組織及其韌性都符合標(biāo)準(zhǔn),這種情況下的破壞,明顯是過(guò)載的緣故.為了增加襯套的承載能力,希望襯套具有合理的纖維組織,所以,襯套的毛坯,最好不用無(wú)縫鋼管,而應(yīng)在機(jī)械加工之前,鍛造出毛坯.鍛件內(nèi)部纖維組織保持連續(xù),具有更高的承載能力。
也有的破壞發(fā)生在溫度比較高的時(shí)候.某蒸汽鍋爐,在切線方向上,受到拉應(yīng)力,超過(guò)了其本身的高溫強(qiáng)度,就在管子的全長(zhǎng)上出現(xiàn)裂紋.此時(shí),溫度往往會(huì)明顯地超過(guò)規(guī)定值,但導(dǎo)致這一現(xiàn)象發(fā)生的原因,并不止一個(gè).可能有多個(gè)原因.究竟是水的中斷,還是蒸氣流的中斷,還是由于給水生成的水垢的絕熱,還有待進(jìn)一步的研究。
某耐熱鋼十五鉬三,制成的過(guò)熱器管發(fā)生裂紋破壞.觀察其橫斷面組織,未加熱部分的組織是鐵素體和細(xì)小的珠光體,是正常組織,在發(fā)生裂紋附近區(qū)域的組織,珠光體顯著球化了,并且,在鐵素體晶粒內(nèi),還析出了聚集起來(lái)的鉬的碳化物.在裂縫的邊緣,一部分珠光體轉(zhuǎn)變成了馬氏體.這個(gè)現(xiàn)象表明,溫度超過(guò)了臨界點(diǎn),比合理溫度超過(guò)兩百度以上.在這個(gè)溫度下,該耐熱鋼的蠕變強(qiáng)度極低.因此發(fā)生了裂紋而破壞。
還有一個(gè)由于明顯過(guò)熱,所加載荷超過(guò)了材料的高溫強(qiáng)度,引起了破壞事故的事例.某高爐的熱風(fēng)爐,使用一年半之后進(jìn)行檢查,燃燒室完好.又使用三個(gè)月,燃燒室破壞而變得粉碎.以前平整的噴嘴,現(xiàn)在變得凸凹不平,并且上附大量的鱗片.檢查噴嘴的鋼材化學(xué)成分,是規(guī)定的鑄鋼,該鋼具有很好的耐熱性,高溫強(qiáng)度也很高,所以,這個(gè)噴嘴,在最后的三個(gè)月發(fā)生了破壞,是異常的.從噴嘴的嘴部取樣,進(jìn)行金相觀察,發(fā)現(xiàn)噴嘴鱗片下方有許多空穴,碳的濃度也有增加.為探查許多空穴及碳濃度增加的原因,另外做了一個(gè)退火試驗(yàn),得到同樣的結(jié)果,是在1200度以上的溫度,加熱兩小時(shí)后開(kāi)始出現(xiàn)的.根據(jù)這個(gè)試驗(yàn)可知,最后的幾個(gè)月,由于燃燒室火焰倒流,噴嘴的嘴部,經(jīng)常被加熱到1200度以上,超過(guò)了正常值(1100度),使得所加載荷超過(guò)了材料的高溫強(qiáng)度(此時(shí)噴嘴的高溫強(qiáng)度已經(jīng)下降),導(dǎo)致了燃燒室的破壞。
下面是剪切應(yīng)力造成損壞的事例.某四五鉻鎳鉬合金鋼制造的鍛造模具,從型腔底部為起點(diǎn)發(fā)生了裂紋,鍛工認(rèn)為是材料缺陷或淬火缺陷.分析裂紋的成因,先是確定了材料化學(xué)成分符合規(guī)定,材料沒(méi)有缺陷,再回過(guò)頭來(lái)分析裂紋.裂紋從型腔底部發(fā)生,然后,不管是底部還是側(cè)壁,都沿著約45度方向在材料中傳播,這是典型的剪切應(yīng)力裂紋的傳播方式,完全可以與淬火裂紋區(qū)分開(kāi)來(lái),排除了淬火缺陷.另外,該鍛造模具在制造過(guò)程中,型腔上端也產(chǎn)生裂紋,這個(gè)裂紋不再是剪切應(yīng)力造成的,而是型腔上沿的周邊拉伸應(yīng)力引起的,該裂紋可以用奧氏體鋼焊條進(jìn)行焊接修補(bǔ).最終的結(jié)論是,該模具的破壞,排除了其它的因素,完全是操作過(guò)程中,剪切應(yīng)力過(guò)載引起了型腔底部裂紋。
3.結(jié)束語(yǔ):
機(jī)器或者零件出現(xiàn)損壞或者失效,需要具體情況具體分析,從而找到避免或者解決的辦法。