機械零件缺陷、失效分析與實例

第1章 設計不當引起的失效
1.1 常見的設計不合理因素
1.1.1 幾何形狀
1.1.2 對零件製造應力認識不足，設計結構不合理
1.1.3 設計硬度要求不合理
1.1.4 選材和狀態要求不合理
1.2 設計不當引起的失效案例
1.2.1 計量泵失效分析
1.2.2 齒輪端面開裂失效分析
1.2.3 液壓泵斜盤失效分析
1.2.4 齒輪泵齒輪與軸咬合失效分析
1.2.5 齒輪泵主動齒輪軸折斷分析
1.2.6 配油盤壓印模沖頭失效分析
1.2.7 傳動軸斷裂失效分析
1.2.8 F3主減速箱大齒輪失效分析
1.2.9 提升機構制動器軸斷裂分析

第2章 材料缺陷與失效
2.1 常見的材料缺陷
2.1.1 疏鬆
2.1.2 錠形偏析（也稱方形偏析）
2.1.3 點狀偏析（又稱斑點狀偏析）
2.1.4 皮下氣泡
2.1.5 殘餘縮孔（又稱縮尾）
2.1.6 翻皮
2.1.7 軸心晶間裂縫
2.1.8 非金屬夾雜物
2.1.9 白點
2.1.1 0異金屬夾雜
2.1.1 1成分不均勻和軸心碳偏析
2.1.1 2表面腐蝕
2.2 材料缺陷引起的失效案例
2.2.1 雙頭螺柱斷裂分析
2.2.2 托輪軸斷裂失效分析
2.2.3 接骨板斷裂失效分析
2.2.4 六角鎖緊螺栓斷裂分析
2.2.5 連接螺栓失效分析
2.2.6 A14傳動軸淬火開裂分析
2.2.7 GIS氣管連接螺母失效分析
2.2.8 大齒輪組裝開裂原因分析
2.2.9 球磨機變速箱輸出軸斷裂分析
2.2.10 離合器膜片彈簧斷裂分析
2.2.11 解吸塔再沸器上管板失效分析
2.2.12 二米輾壓機錐輥軸斷裂分析
2.2.13 摩托車齒輪失效分析
2.2.14 前輪轂壓鑄模失效分析
2.2.15 材質對壓鑄模具失效和使用壽命的影響

第3章 鑄造缺陷與失效
3.1 常見的鑄造缺陷及其影響
3.1.1 縮孔和縮松（疏鬆）
3.1.2 白口和反白口
3.1.3 球墨鑄鐵球化不良與衰退
3.1.4 夾渣（夾雜）
3.1.5 石墨漂浮（開花狀石墨）
3.1.6 偏析碳化物與磷共晶的影響
3.1.7 鐵素體形態和數量
3.1.8 鑄造裂紋
3.1.9 灰鑄鐵件中常見的不良石墨形態
3.2 鑄造缺陷引起的失效案例
3.2.1 航空液壓泵斜盤斷裂分析
3.2.2 柴油機汽缸套的咬合損傷失效分析
3.2.3 隔離開關拐臂斷裂失效分析
3.2.4 柴油機曲軸斷裂失效分析
3.2.5 轉子與柱塞卡死問題的分析

第4章 鍛造缺陷與失效分析
4.1 鍛造缺陷的常見形式
4.1.1 過熱和過燒
4.1.2 鍛造裂紋
4.1.3 鍛造折疊
4.1.4 熱脆和銅脆
4.1.5 低合金鋼高溫內氧化
4.1.6 鍛後退火不充分
4.1.7 鍛造白點
4.1.8 鍛造流線缺陷
4.2 鍛造缺陷案例
4.2.1 大型輸出軸齒輪開裂分析
4.2.2 航空液壓泵斜盤斷裂失效分析
4.2.3 內齒輪淬火斷裂分析

第5章 焊接缺陷與失效
5.1 常見的焊接缺陷
5.1.1 焊接裂紋
5.1.2 焊縫中夾渣與氣孔
5.1.3 未焊透和未熔合
5.1.4 咬邊
5.1.5 焊接預熱不當形成的缺陷
5.1.6 釺焊缺陷
5.1.7 接觸焊（點焊、滾焊）常見缺陷
5.1.8 摩擦焊的缺陷與失效
5.2 奧氏體鋼焊接件的晶間腐蝕破壞
5.2.1 晶間腐蝕
5.2.2 刀狀腐蝕
5.2.3 應力腐蝕
5.3 焊接缺陷引起的失效案例
5.3.1 汽車轉向器斷裂失效分析
5.3.2 水環真空泵葉片斷裂分析
5.3.3 開關鋁筒失效分析
5.3.4 閘閥焊接件斷裂分析
5.3.5 擺臂支撐板斷裂分析
5.3.6 供熱管道開裂失效分析
5.3.7 污水泵葉片斷裂分析
5.3.8 汽車驅動橋殼帶套管斷裂分析

第6章 熱處理缺陷與失效
6.1 常見的熱處理缺陷
6.1.1 淬火裂紋
6.1.2 回火裂紋
6.1.3 鋼的表層脫碳
6.1.4 校正裂紋
6.1.5 滲碳、碳氮共滲缺陷
6.1.6 滲氮缺陷
6.1.7 氮碳共滲（軟氮化）缺陷
6.2 熱處理缺陷引起的失效實例
6.2.1 摩托車1001241骨架開裂分析
6.2.2 柱塞帽組裝收口開裂
6.2.3 鉸盤車傳動軸齒部斷裂分析
6.2.4 電機主軸斷裂失效分析
6.2.5 太陽輪失效分析
6.2.6 風力發電機高速軸失效分析
6.2.7 真空泵驅動接頭斷裂分析
6.2.8 機油泵主動齒輪斷齒原因分析

第7章 冷加工成形缺陷與失效
7.1 常見的磨削缺陷
7.1.1 磨削燒傷及其特徵
7.1.2 磨削裂紋
7.1.3 磨削應力的形成
7.1.4 影響磨削燒傷和磨削裂紋的因素
7.2 切削加工缺陷與失效
7.3 電火花線切割加工缺陷與失效
7.3.1 變質層組織與缺陷
7.3.2 線切割變形與開裂
7.4 冷鐓缺陷與失效
7.4.1 冷鐓硬化
7.4.2 冷鐓折疊
7.4.3 冷鐓螺栓頭部斷裂
7.4.4 十字槽和內六角螺釘掉頭
7.5 滾絲不當產生的缺陷與失效
7.6 沖、擠和拉伸成形缺陷
7.7 其它加工缺陷與失效
7.7.1 剪切缺陷
7.7.2 加工毛刺與失效
7.7.3 電解加工的缺陷
7.7.4 機械損傷與變形
7.7.5 電鍍氫脆斷裂
7.8 冷加工不當引起的失效
7.8.1 FD齒輪失效分析
7.8.2 齒輪軸齒面裂紋分析
7.8.3 鍍鋅水管斷裂分析
7.8.4 ZD514和ZD414電機軸斷裂分析
7.8.5 輸入齒輪軸斷裂失效分析
7.8.6 收縮盤外環斷裂分析
7.8.7 低溫過熱器管裂紋分析
7.8.8 鉸盤車YTJ12提升機構失效分析
7.8.9 75kW齒輪變速箱中間軸斷裂分析
7.8.10 汽車發動機曲軸斷裂失效分析
7.8.11 雙頭螺栓斷裂分析
7.8.12 低速級齒輪斷裂分析
7.8.13 電力中溫再熱器冷卻管爆管分析
7.8.14 撥叉鍛模斷裂失效
7.8.15 滾絲輪崩齒問題的分析
7.8.16 顯像管包箍斷裂失效分析
7.8.17 同軸泵齒輪軸斷裂分析

第8章 安裝、使用和維護不當引起的失效
8.1 安裝不當
8.1.1 安裝緊度控制不妥
8.1.2 安裝清潔度的影響
8.1.3 安裝零件的混錯
8.1.4 安裝中心距偏差與受力不均
8.1.5 安裝零位表面損傷
8.2 使用不當
8.2.1 超載斷裂
8.2.2 操作不當
8.3 使用、維修和保養
8.4 環境介質影響
8.4.1 溫度的影響
8.4.2 氣氛與介質
8.4.3 管道的爆裂與應力腐蝕
8.5 管理不當
8.6 安裝、使用和維護不當引起的失效案例
8.6.1 一段預熱管滲漏事故分析
8.6.2 變速箱齒輪失效分析
8.6.3 汽車發動機曲軸斷裂分析
8.6.4 主動錐齒輪崩齒失效分析
8.6.5 齒輪軸齒磨損分析
8.6.6 汽輪機第十二級動葉片開裂分析
8.6.7 渦輪盤裂紋分析
8.6.8 凝結水泵筒體連接螺栓斷裂失效分析
8.6.9 變速箱齒輪軸斷裂分析
參考文獻

隨著科學技術和工業生產的迅速發展，人們對機械零部件的品質要求也越來越高。材料品質和零部件的精度雖得到很大的提高，但各行業中使用的機械零部件的早期失效仍時有發生。通過失效分析，找出失效原因，提出有效改進措施以防止類似失效事故的重複發生，從而保證工程的安全運行是必不可少的。

經長期失效分析，筆者深感缺陷分析是失效分析的重要基礎之一。一般失效分析常以脆性斷裂、疲勞斷裂、塑性斷裂、蠕變斷裂和剝落、腐蝕、磨損等失效模式來描述失效形式，但不是失效的原因。造成結構失效的根本原因往往是材料或零部件製造過程遺留的各種缺陷或設計考慮不周、安裝與使用不當、使用環境等因素引起應力集中、受力狀態的改變及表面損傷導致零部件的變形與裂紋的形成或多種因素綜合的結果。

本書是筆者在長期從事金相檢測和失效分析、生產實踐經驗積累和收集相關資料的基礎上編寫而成。全書共分八章，第1章為設計不當引起的失效，第2章為金屬材料缺陷與失效，第3章至第6章為鑄造、鍛造、焊接和熱處理生產過程中形成的缺陷與由此引起的失效，第7章為冷加工缺陷與失效，第8章為安裝和使用不當引起的失效。各章分別介紹了材料和製造過程中常見的各種缺陷與設計、管理和使用不當導致零部件的早期失效。突出了各種缺陷的形成、特徵及其危害和失效分析中的斷口、組織形貌，並附有各類缺陷引起的失效案例。

本書內容翔實，圖文並茂，可供機械、冶金、航空、電力、汽車、輕工等企業和技術部門的金相檢測、鑄造、熱處理、鍛造、焊接和設計等與失效分析人員使用，也可供高等院校相關專業師生參考。

本書編寫過程中得到了江蘇省機械研究設計院等單位和王建懷高級工程師的幫助和支援，引用了一些單位和學者發表的科技資料和技術標準，在此一併表示衷心感謝。

由於水準有限，書中不足之處，敬請讀者賜教和指正。

編著者
2012年10月