我对热处理的认识（7）

伯龙马

    （7）机械零件的失效规律
      机械零件的失效规律，可从三个方面进行探讨。
      1）零件失效源多起于其表面  研究表明，零件在正常运转条件下的破坏，总是起源于一点，发展到局部，直至整体。正如断裂力学所判断，任何宏观裂纹都是微观裂纹扩展的结果。大量失效分析表明，零件破坏的失效源普遍发生在其表面（层）。
工程力学认为，无论静载荷、冲击载荷、交变载荷，或是任何几种复合载荷，多数零件是承受扭转、弯曲、剪切、接触等复合应力状态。因此，零件承载应力在其表面或距表面一定深度处最大。如此，为了抵抗零件失效，零件表面应比其心部或内层具有较高的抗力。
物理冶金学证明，工程上使用的材料，其冶金缺陷，如加热过程造成的氧化、脱碳、过热、过烧以及锻轧加工产生的重皮、折叠等多集中在材料的表面或一定深度处；不进行加工的零件，如各种钢板弹簧、圆簧、铸锻件非加工面以及切削加工量较小的情况下，有些冶金缺陷被保留下来，也会成为零件早期破坏的既存失效源。
      机械零件的复杂结构存在应力集中的部位是很普遍的，例如零件上的沟槽、夹角、凸台、截面突变处以及表面太深的刀痕等。这些部位也与失效源多在表面的规律是一致的。
统计分析表明，零件失效大约80%以上属于疲劳破坏，而疲劳破坏的特点之一是源于零件表面。其次，零件的各种形式的磨损失效、腐蚀失效等，其失效源也位于零件表面。
      2）零件的低应力脆断  如所知，零件整体必须具有足够的屈服强度、弹性强度和断裂强度。但是，在追求高强度的同时，可能导致塑性、韧性的降低，最终使某些承受冲击载荷较大的零件发生脆性断裂。因此，人们一直在探讨获得强度、韧性和塑性兼优，即最佳力学性能的方法——零件整体强韧化工艺。
       材料内部缺陷，如气孔、白点、缩孔、严重疏松等也是经常存在的。这些缺陷将严重削弱材料的基体性能，其断裂韧性低，抵抗不了失效源的扩展，以致在外载应力较低条件下，在内部既存失效源发生一定扩展后突然断裂。这种失效不仅发生在高强度产品上，在低、中强度产品，如锅炉、高压容器、桥梁、船舶以及汽轮发动机转子和叶轮等零件上也是不容轻视的。
      零件用在一定的低温下，材料可能由韧性状态转为低温脆性状态，有时零件的承载应力远低于其屈服强度，甚至低于设计应力情况下就发生早期脆断。一般脆断总是在几个因素共同作用下发生的。材料的脆性转变温度是评定零件在低温条件下工作时抵抗失效的重要指标之一。
断裂力学认为，零件承受外载时裂纹尖端附近产生应力集中。如果裂纹尖端发生相应的塑性变形或具体足够高的韧性，使应力得到松弛或吸收冲击功，则可避免脆性断裂。但有时某些因素，如材料强度提高，或零件尺寸较大，限制了塑性变形区的发展，或因高速加载来不及应变等，使材料脆性激增而导致裂纹迅速扩展，以致在远低于设计应力的条件下发生脆性断裂。显然，材料具有较高的强韧性（断裂韧性）是避免这类脆断的重要保证。
无论冶炼、锻轧以及其他加工如何精细，金属材料的力学性能总存在着不均匀性，残存一定的缺陷，特别是尺寸较大的零件，由于锻冶工艺操作不易掌握和控制，晶粒粗化和产生缺陷的几率更大，致使零件各部位的强度不均，抗断能力下降。随着零件尺寸增大，如何避免低应力下的脆性断裂问题更加突出。
      综上所述，把零件在较低应力下的脆性断裂作为研究失效的基本规律之一，是提高热处理质量和探讨热处理工艺发展的另一重要内容。如此，促进了近年来为提高零件断裂韧性采取的各种强韧化工艺不断发展。
      3）零件形状和装配精度早期失稳  机器使用的寿命不仅与取决于基础件的性能，与其形状和装配位置精度有关。为了保证机器的装配精度，对零件的形状和位置精度公差在国标（GB/T 1182～1184-2004）中作了具体规定。这些精度不仅取决于机械加工和装配效果，同时与热处理质量密切相关。例如，汽车和拖拉机渗碳齿轮和轴类零件，热处理后直接装配，如果热处理变形较大将造成咬合面减小和局部磨损严重，降低使用寿命；若渗碳淬火过程变形较大，精磨后装配，将造成表面硬化层深度和硬度不均，且破坏了原有应力状态，也可导致局部磨损严重，尺寸精度早期失稳。因此，热处理变形是影响零件形状和位置精度早期失稳的重要因素。
再如，高合金钢制造的精密零件和工模具，在远未达到预期使用寿命，形状和尺寸就丧失了原有精度，有的甚至发生突然断裂。观察结果并不是疲劳损坏，而是由于金相组织中有新生马氏体，零件形状和尺寸发生了变化，导致原有装配精度丧失。实践表明，热处理后不稳定的组织，如淬火马氏体和残留奥氏体等，以及不稳定的应力状态，在常温或零下温度长时间存放或使用，将发生逐渐转变并趋于稳定。这一过程也伴有零件形状和位置精度的变化。因此，为了保持零件原有的尺寸精度的稳定，必须以组织和应力的稳定为基础，尽量减小热处理的变形。