机械零件失效形式及诊断
机械零件失效形式及诊断
同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得
c =1564.5MPa（工作应力，960MPa）。
在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关 键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地追求高 强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易 促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。
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失效分析本章总结失效形式的分类失效形式的分类重点掌握重点掌握零件的服役条件零件的服役条件重点掌握重点掌握设计制造因素设计制造因素使用维修因素使用维修因素失效的宏观形态失效的诱发原因产品的使用过程失效机理失效等级评定受力状况工作环境修复替代衰老损伤器官成为医学界的重点研究领域再生医学研究和应用成为治疗许多传统医学难以解决的重大疾病如白血病帕金森氏症的新希望
根据题意 传动轴的转速 n=2100/2.81=747.3 r/min ， 传动轴的功率 N=50 kW 得： 传动轴的扭矩Ｍn：
50 3 M 9550 10 n 2100 747 . 3
传动轴的抗扭截面系数Wp：
传动轴的最大剪切应力max：
W p
max
3 d3 35
章机械零件失效形 式
及诊断
2010.10.28
主要内容
2.1 失效分类及诊断 2.2 机械零件失效原因概述
失效分析
失效分析
大型汽轮机 转子
失效分析
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
失效分析
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
失效分析
叶片击穿厂房
失效分析
抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）
静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程 中最为关注的基本失效模式。
失效分析
2.5.3 平面拉应力
机械零件失效形式及诊断
机械零件失效形式及诊断1. 引言机械零件是任何机械设备中最关键的组成部分之一。
随着机械设备的运行时间增加，零件的失效概率也会增加。
因此，了解机械零件的失效形式以及如何进行诊断对于设备的维护和保养至关重要。
本文将讨论常见的机械零件失效形式以及相应的诊断方法，希望能给读者提供一些有益的知识和实用的技巧。
2. 机械零件失效形式2.1 磨损失效磨损是机械设备常见的失效形式之一。
机械零件在长时间的摩擦和磨损中会出现磨损现象，导致零件尺寸变小、表面质量下降等问题。
常见的磨损形式包括表面磨损、疲劳磨损和焊接磨损等。
2.2 塑性变形失效塑性变形是指机械零件在受外力作用下发生塑性变形，导致零件形状和尺寸的永久性变化。
塑性变形常见的形式有弯曲、扭转和压扁等。
2.3 断裂失效断裂是机械设备中最严重的失效形式之一。
机械零件在受到较大的外力作用下可能会发生断裂，导致机械设备无法正常工作。
常见的断裂形式包括静态断裂、疲劳断裂和韧性断裂等。
2.4 腐蚀失效腐蚀是指机械零件在介质中受到化学反应导致金属表面发生腐蚀破坏的现象。
腐蚀会导致机械零件的表面质量下降、尺寸变化等问题。
3. 机械零件失效的诊断方法3.1 监测技术通过使用各种监测技术，可以实时监测机械零件的工作状态和性能参数。
这些监测技术包括振动监测、噪声监测、温度监测等。
通过对监测数据的分析和比对，可以及时发现机械零件的异常情况，进而进行相应的维修和更换。
3.2 检查和观察定期的检查和观察是诊断机械零件失效的有效方法之一。
通过检查和观察，可以发现机械零件的磨损、变形、断裂等异常情况。
同时，还可以观察机械零件的润滑情况、磨损程度等。
这些信息对于及时诊断并防止机械零件失效具有重要意义。
3.3 非破坏性检测技术非破坏性检测技术可以在不破坏机械零件的情况下检测其内部的缺陷和损伤。
这些技术包括超声波检测、磁粉检测、射线检测等。
通过分析和评估检测结果，可以及时发现机械零件的问题，并采取相应的修复措施。
机械零件失效分析
机械零件失效分析机械零件是构成机械设备的基本组成部分，其质量和性能的好坏直接关系到整个机械设备的可靠性和安全性。
然而，在机械设备的长期运行中，由于各种原因，机械零件可能会出现失效现象。
失效分析是一种通过分析失败机械零件的失效原因来帮助我们改进设计、制造和维修策略的方法。
一、失效类型机械零件的失效类型多种多样，常见的包括疲劳失效、磨损失效、腐蚀失效、断裂失效等。
疲劳失效是指材料在交变载荷作用下的长期疲劳过程中逐渐出现的损伤。
磨损失效是指机械零件在运行过程中由于与其他零件或外界环境的摩擦而造成的表面磨损。
腐蚀失效是指机械零件由于环境中的化学腐蚀而失效。
断裂失效是指机械零件由于超过其承载能力而发生断裂。
二、失效原因机械零件失效的原因也是多种多样的，常见的有材料问题、设计问题、制造问题、装配问题、使用问题等。
材料问题是指机械零件材料的质量或性能不达标，如含气体、夹杂物、晶粒非均匀等。
设计问题是指机械零件在设计过程中存在结构强度不足、刚度不够的问题。
制造问题是指机械零件在加工过程中存在加工质量不合格、工艺控制不严等问题。
装配问题是指机械零件在装配过程中存在装配不当、配合间隙设计不合理等问题。
使用问题是指机械零件在使用过程中存在操作不当、润滑不足等问题。
三、失效分析方法失效分析是通过分析失效零件的失效样品、现场情况以及相关维修记录来查找失效原因。
常用的失效分析方法包括物理分析、化学分析、力学分析、金相分析等。
物理分析是通过观察失效零件的外部形态和内部结构来判断失效形式。
化学分析是通过对失效零件进行化学成分分析以及腐蚀产物分析来判断失效原因。
力学分析是通过对失效零件进行力学性能测试以及有限元分析等方法来判断失效原因。
金相分析是通过对失效零件进行金相组织观察以及晶体学分析等方法来判断失效原因。
四、失效分析结果的应用失效分析的最终目的是为了指导我们改进机械零件的设计、制造和维修策略，提高机械设备的可靠性和安全性。
机械零件的主要失效形式有
机械零件的主要失效形式有：根断表面压碎表面点蚀塑性变形过量弹性形变共振过热和过量磨损等平键按用途分为平键导键滑键普通平键用于静联接，即轴与轴上零件之间没有先对移动。
按端部形状不同分为A型（圆头） B型（平头） C型（单圆头） 3种导键和滑键均用于动联接。
导键适用于轴上零件轴向位移量不大的场合；滑键用于轴上零件轴向位移较大的场合。
平键的宽度应根据轴的直径选取润滑剂的主要作用是减小抹茶，磨损，降低工作表面温度。
常用的润滑剂有：液体润滑剂，半固体润滑剂，固体润滑剂，气体润滑剂径向滑动轴承动压油膜的形成过程静止时，轴与轴承孔自然形成油楔；刚启动，速度低。
由于轴径与轴承之间摩擦，轴承沿轴承孔上爬。
随着速度增大，被轴径带动起来的润滑油进入楔形间隙并产生东亚力将轴径推离，形成动压油膜。
提高螺纹连接强度的措施有：1. 改善螺纹牙间的载荷分配;2. 减小螺栓的应力幅3. 采用合理的制造工艺（冷镦，液压，冷作硬化）4. 避免附加弯曲应力5. 减小应力集中的影响6. 氰化氮化，喷丸等表面硬化处理改善螺纹牙间的载荷分配，避免附加弯曲应力是针对静强度，其余是疲劳强度当螺纹公称直径，牙型角，螺纹线数相同时，细牙螺纹的自锁性能比粗牙螺纹的自锁性能好螺纹联接的主要类型有1. 螺栓联接，常用语被联接件不太厚和周边有足够装配空间的场合2. 双头螺栓联接，用于常装拆或结构上受限制不能采用螺栓联接的场合3. 螺钉联接，用于不经常装拆联接的场合4. 紧定螺钉联接，多用于轴和轴上零件的联结，可传递不大的力和转矩对于普通螺栓组联接，当被联接件受横向工作载荷作用时，其螺栓本身主要受拉应力。
带传动中的两种滑动弹性滑动：带传动中，拉力差使带的弹性型变量变动，而引起带与带轮之间的相对滑动，称为弹性滑动。
使带传动比不精确，且使带与带轮之间产生磨损；打滑：当外界传递功率过大，所需有效拉力大于极限有效拉力时，带与带轮之间的显著滑动。
使带传动失效，但起过载保护作用。
零件的失效形式
造成接触面金属损耗。
表面疲劳磨损：两接触表面在交变接触压应力的作用下，
材料表面因疲劳而产生物质损失。
腐蚀磨损：零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介
质发生化学或电化学反应，因而出现的物质损失。
一、零件的失效形式
2、零件的变形失效
（1）变形失效的概念
一、零件的失效形式
4、零件的腐蚀失效
4.2腐蚀失效的类型
常见的腐蚀失效形式有：点蚀、 缝隙腐蚀、应力腐蚀、 腐蚀疲劳、晶间腐蚀、均匀腐蚀、磨损腐蚀、氢脆等。
机械设备在外力载荷作用下机械设备的变形量不断增加， 经过弹性变形阶段和塑性变形阶段后，发生的形状和尺寸的 变化而出现裂纹、裂纹扩展直至失效。
一、零件的失效形式
2、零件的变形失效
（2）工程上常见的变形失效形式有：
1、弹性变形失效：机械设备在外力作用下将发生弹性变 形，如果弹性变形过量。会使零部件失去有效 T作能力。引 起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此， 要预防弹性变形失效，应选用弹性模量大的材料。
机械设备维修工程学
机械零件的失效
1零件的失效形式
在设备使用过程中，机械零件由于设计、材料、工艺及装配等各种原因，丧 失规定的功能，无法继续工作的现象称为失效。当机械设备的关键零部件失 效时，就意味着设备处于故障状态。机械零件失效的模式，即失效的外在表 现形式，主要表现为磨损、疲劳断裂、变形和锈蚀等。 磨损一种常发生于传动齿轮的齿面（如变速箱、换向箱、车轴齿轮箱里 的齿轮）、发动机凸轮轴、滑动轴承、滚动轴承中 ，离合器摩擦片、轮对的 磨损。 疲劳断裂过程一般都存在于受交变负荷的零件中。常见于各种联接螺栓、 减震弹簧、车体走行各部的焊接部件（比如转向架上的制动吊耳）等零件， 也会发生在齿轮的轮齿、传动轴等重要零件中。 变形主要是发生在各类构件中，比如收轨作业车的插盒、保护边框，会 在装卸钢轨作业中发生撞击变形失效。 锈蚀常发生在车体表面，制动系统的各部风管及接头 。
机械零件的失效形式
1.机械零件的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳）、破坏正常工作条件引起的失效2.设计零件应满足的要求：避免在预定寿命期内失效的要求（强度、刚度、寿命）、结构工艺性要求、经济性要求、质量小的要求、可靠性要求3.零件的设计准则：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则4.零件的设计方法：理论设计、经验设计、模型试验设计5.机械零件常用的材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料6.零件的强度分为：静应力强度和变应力强度7.应力比r=-1为对称循环应力；r=0为脉动循环应力8.BC阶段为应变疲劳（低周疲劳）；CD为有限寿命疲劳阶段；D点以后的线段代表了试件无限寿命疲劳阶段；D点为持久疲劳极限9.提高零件疲劳强度的措施：尽可能降低零件上应力集中的影响（减载槽、开环槽）、选用疲劳强度高的材料和规定能提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺10.滑动摩擦：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦及混合摩擦11.零件的磨损过程：磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段；应该力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来12.磨损的分类：粘附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损13.润滑剂分为：气体、液体、固体和半固体四种；润滑脂分为：钙基润滑脂、纳基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂14.普通连接螺纹牙型为等边三角形，自锁性较好；矩形传动螺纹的传动效率比其他螺纹高；梯形传动螺纹是最常用的传动螺纹15.常用的连接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹16.普通螺栓连接（被连接件上开有通孔或铰制孔）、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接17.螺纹连接预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或相对滑移。
螺纹连接放松的根本问题：防止螺旋副在受载时发生相对转动。
（摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松）18.提高螺纹连接强度的措施：降低影响螺栓疲劳强度的应力幅（减少螺栓刚度或增大被连接件刚度）、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象、减小应力集中的影响、采用合理的制造工艺19.键连接类型：平键连接（两侧面是工作面）、半圆键连接、锲键连接、切向键连接20.带传动分为：摩擦型和啮合型21.带的瞬间最大应力发生在带的紧边开始绕上小带轮处；带一周，应力变化四次22.V带传动的张紧：定期张紧装置、自动张紧装置、采用张紧轮的张紧装置23.滚子链的链节数一般为偶数（链轮的齿数取奇数），滚子链为奇数时采用过度链节24.链传动张紧的目的：避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条振动现象，同时为了增加链条与链轮的啮合包角25.齿轮的失效形式：轮齿折断、齿面磨损（开式齿轮）、齿面点蚀（闭式齿轮）、齿面胶合、塑性变形（从动轮出现脊棱、主动轮出现沟槽）26.齿轮工作面的硬度大于350HBS或38HRS的称为硬面齿；反之为软齿面齿轮27.提高制造精度，减小齿轮直径以降低圆周速度，均可减小动载荷；为了减小动载荷，可将齿轮进行齿顶修缘；将齿轮的轮齿做成鼓形是为了改善齿向载荷分布28.Tanr=z1:q（直径系数）导程角越大，效率越高，自锁性越差29.对蜗轮进行变位，变位后蜗轮的分度圆和节园仍旧重合，只是蜗杆的节线有所改变不再与其分度圆重合30.蜗杆传动的失效形式：点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损；失效经常发生在蜗轮上31.闭式蜗杆传动的功率损耗：啮合磨损损耗、轴承磨损损耗、进入油池中的零件搅油时的溅油损耗32.蜗杆传动必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量条件进行热平衡计算措施：加装散热片以及增大散热面积、在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流动、在传动箱内装循环冷却管路33.形成液体动力润滑的条件：相对滑动的两表面必须形成收敛的锲形间隙；被油膜分开的两表面必须有足够的相对滑动速度，其运动必须使润滑油由大口流进小口流出；润滑油必须有一定的粘度，供油要充分34.滚动轴承的基本结构：内圈、外圈、液动体、保持架35. 3圆锥滚子轴承、5推力球轴承、6深沟球轴承、7角接触轴承、N圆柱滚子轴承00、01、02、03分别d=10mm、12mm、15mm、17mm 04表示d=20mm，12表示d=60mm 36.基本额定寿命：一组轴承中百分之十的轴承发生点蚀破坏，而百分之九十的不发生点蚀破坏的转速或工作小时数作为轴承的寿命37.基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷38.轴承配置方法：双支点各单向固定、一支点双向固定另一端支点游动、两端游动支承39.轴承按载荷分：转轴（弯矩和扭矩）、心轴（弯矩）、传动轴（扭矩）。
机械零件失效形式及简要分析
I断裂脆性断裂是一种构件未经明显的变形而发生的断裂，当零件在外载荷作用下，由于某一危险截面上的应力超过零件的抗拉强度时将会发生脆性断裂，发生脆性断裂时，零件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。
图1. 脆性断裂实例分析：传统力学把材料看成是没有缺陷的、没有裂纹的、均匀的和连续的理想固体，但是，实际工程材料在制备、加工（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、冷加工等）及使用中（疲劳、冲击、环境温度等）都会产生各种缺陷（白点、气孔、渣、未焊透、热裂、冷裂、缺口等）。
如上图所示的齿轮，由于其内部的缺陷和裂纹会在零件使用过程中产生应力集中，该处所受拉应力为平均应力的数倍。
过分集中的拉应力如果超过该齿轮材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。
图2. 韧性断裂实例分析：韧性断裂又称延性断裂。
断裂前发生过明显的塑性变形的断裂，是塑性变形的终结。
消耗较高能量,以金属撕裂为特征的一种断裂，是与脆性断裂相对应的一种断裂模式。
物体受力时其最危险截面或区域,从弹性变形逐渐转入塑性变形状态,这时截面的某一邻域内力学参量的某一组合达到临界点,断裂口附近出现明显的宏观塑性变形, 微观断口表面呈韧窝状。
图3. 疲劳断裂实例分析：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。
一开始，疲劳微裂纹在零件应力最高强度最低的基体上产生，之后裂纹会稳定扩展，但扩展速度较低，最后，当裂纹尺寸足够大结构有效受力截面小到不足以承受所加载荷时，零件即发生断裂，如图所示。
II磨损磨擦副表面的材料微粒，由于机械力与化学腐蚀的作用而脱离母体，使零件尺寸和表面状态改变，最终导致功能丧失，称为磨损失效。
磨损是机械的重要失效形式，它包括复杂的化学过程和物理过程，其主要形式有：粘着磨损（材料从一个磨擦表面移到另一个表面）、磨料磨损（硬磨料在摩擦表面犁出沟槽或道痕，使材料从零件表面脱落）、腐蚀磨损（化学腐蚀参与作用下的磨料磨损）和疲劳磨损（接触应力作用使材料表面疲劳剥落）等。
机械零件失效形式及诊断
主要内容
1、失效形式分类及诊断 2、机械零件失效原因概述
2.1 失效分类及诊断
(1)失效形式：失效的表现形式，也可称为失效的 类型，失效模式。
外部表现与内在本质的联系是失效分析的基础。 而多因素本质产生的众多表现是分类的前提。
外部 表现
决定 反映
Байду номын сангаас
内在 本质
失
物理作用
效
设计时工作条件考虑不周（如过载或者冲击、 动载荷）。
案例1:容器碟形封头的设计，按国家标准GB 150规定的强度公式进行强度尺寸计算，原要求 过渡区尺寸r／Di≥0.06％，运行中多次出现事 故,后修订为按r／Di≥0.10％进行结构设计， 则减少过渡区失效的发生。
案例2:某酒精厂蒸煮锅上封头采用a=80o的无 折边锥形封头，在0.5 MPa的工作压力下操作 发生爆炸引起事故。后国家标准修正规定无折 边锥形封头使用范围半锥角α≤30o。
案例3：某厂引进的大型再沸器，结构为卧式U 形管束换热器，由于管束上方汽液通道截面过 小，形成汽液流速过高，造成管束冲刷腐蚀失 效。
（二）材料缺陷以及材料选择不当与零件失效 1、材料冶炼过程质量缺陷 夹杂物、气孔、疏松、白点、残余缩孔、成分偏 析 2、构件轧制过程中的缺陷 表面粗糙、产生划痕折叠
3、锻造工艺中的缺陷：过热、裂纹
Sn、Zn-钢、Pb-钢、K-不锈 金属腐蚀、合金中的Ni、Cr元素
钢
在液体Pb中选择性溶解
中子辐射，紫外线照射
造成材料脆化，造成高分子材料 老化
磨料：矿石、煤、岩石（润 磨粒磨损，腐蚀磨损综合作用 滑剂）、泥浆、水溶液
案例：某工厂生产的继电器，春天放进仓库贮 存，到秋天就发现大批继电器的弹簧片发生沿 晶界断裂，经失效分析，判定是氨引起的应力 腐蚀开裂。但仓库里从来没有存放过能释放氨 气的化学物质。
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τ max
Mn Wp
σ max
τmax
Mn Wp
▪ 选材：中碳钢或中碳合金钢
▪ 热处理
▪ 不要淬透
▪ 采用中温回火
失效分析
3．失效分析
▪ 韧断 断口：齐平并与轴线垂直 原因：构件的最大切应力超过材料的抗剪强度 措施：降低回火温度。 ▪ 脆断 断口：与轴线呈45°螺旋状 原因：最大正应力超过材料的正断强度 措施：适当提高回火温度 ▪ 扭转角过大 原因：轴件的刚度不够引起 措施：淬火并进行高、中温回火的轴类零件，不必校核 断裂力学韧度；大型转子轴必须校核断裂力学韧度
（1）疲劳抗力
▪ 材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力。
（2）疲劳抗力指标及性质
▪
a 疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发生疲劳破
坏的最大应力r，称该材料的疲劳极限。
▪
b 条件疲劳极限（疲劳强度） 对于铝合金等有色金
属及在高温和腐蚀条件下工作的黑色金属，无疲劳极限，
其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限表示。一般规定，承受
交变载荷
在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。
承受交变应力典型零件的应力循环特征
零件名称
轴
齿轮齿根 轴承
连杆
螺栓
应力变化
循环特征 对称循环 脉动循环 脉动循环 大压小拉 大拉小压
应力性质
r =-1
r=0
r = - - r -1 0 r 1
应力状态 对称弯曲 脉动弯曲 脉动压缩 不对称 不对称
2010.10.28
第二章 机械零 件失效形式 及诊断
主要内容
2.1 失效分类及诊断 2.2 机械零件失效原因概述
失效分析
失效分析
大型汽轮机 转子
失效分析
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
失效分析
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
失效分析
叶片击穿厂房
失效分析
抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）
静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程 中最为关注的基本失效模式。
得： 传动轴的扭矩Ｍn：
传动轴的抗扭截面系数Wp：
Mn
9550 103
50 2100 747.3
传动轴的最大剪切应力max：
d 3 353
Wp 16 16
结论 设计max选 WM择pn材 7料5.5不当。
失效分析
例2 一台125MW的汽轮机组，转子轴的外径为464mm，中心孔径为70mm， 探伤发现距内孔表面82mm处，存在一个半径为6mm的圆片缺陷（大块非金
单向应力状态
max [ ]
s
[ ]
ns
b
nb
对于塑性材料 对于脆性材料
纯剪切应力状态 s m max [ ]a [ ] x nbs
nb
复杂应力状态
满足 max [ ]
max
max [ ]
对于塑性材料 对于脆性材料
max
是否强度就没有问题了？
失效分析
▪ 《失效分析基础与应用》孙智 机械工业出版社
失效分析
▪ 2）应力状态对塑性变形的影响
切应力——塑性变形、切断
应力 正应力——脆性断裂
正断一定是脆性断裂？
应力状态柔度系数（软性系数）
α＝τmax Smax
软性应力状态：α>1 α越大，应力状态越软，易引起塑性变形 硬性应力状态：α<1 α越小，应力状态越硬，易引起脆性断裂
失效分析
失效分析
失效分析
变形量——脆性断裂、延性断裂 裂纹走向与晶粒组织的关系——沿晶断裂、穿晶断裂 断裂机制——微孔聚集型、(准)解理型、沿晶断裂、疲劳断裂 断口形貌——宏观和微观形貌 加工工艺和产品类别 断裂模式——过载、疲劳、材料脆性、环境诱发、混合断裂
表面损伤失效：磨损、腐蚀
失效分析
➢按失效的诱发原因
机械力——弹性变形，塑性变形，断裂，疲劳，剥落 热应力——蠕变，热松弛，热冲击，热疲劳，蠕变疲劳 摩擦力——粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，冲击 磨损，微动磨损，咬合 活性介质——化学腐蚀，电化学腐蚀，应力腐蚀，腐蚀 疲劳，生物腐蚀，辐照腐蚀，氢致损伤
19
失效分析
2.5.3 平面拉应力
对象：薄壁压力容器1．应力状态轴向应力：σ e
pd 4t
切向应力：
σ t
pd 2t
失效分析
2.制造时应注意的问题
▪ 用钢板(热轧态)制作这类容器时，使钢板的轧制方向承受 较大的应力
▪ 在拼焊压力容器时，特别注意沿轴向的焊缝质量 切向应力为轴向2倍，且与轴向焊缝垂直 焊缝处热影响区的强度较低 焊缝处的应力集中
（1）零件承受拉应力，并且在整个截面上的分布是均匀的，此时，在选 材和确定热处理工艺时，应当根据零件的截面大小，确保零件内部完 全淬；
（2）防止氧化、脱碳、过热、过烧等一切降低材料性能的缺陷发生。
失效分析
3、断裂分析 此类零件的断裂应首先区分是韧断还是脆断。 （１）韧断 a 首先按传统的强度理论进行强度校核，检查一下载荷是否估计不足，
nb
b
1540 960
1.6
ns
s
1440 960
1.5
同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得
c =1564.5MPa（工作应力，960MPa）。
在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关 键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地追求高 强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易 促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。
• 2）磨屑形貌、成分和组织
• 3）磨损系统中各参量的关 系和变化
失效分析
2.2 机械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役条件
1.受力状况
载荷类型:
轴向载荷 弯曲载荷 扭转载荷 剪切载荷 接触载荷
载荷性质:
静载荷 冲击载荷 交变载荷
应力状态:
软性应力状态 硬性应力状态
失效分析
失效分析
失效分析
失效分析
3.失效分析
泄漏——韧性断裂 爆炸——脆性断裂
压力容器的防爆设计
保证先泄漏，不爆裂—— 临界裂纹ac必须大于容器壁厚
由
K1c Y ac
可得
ac
1 Y2
K1c
2
则
ac t 则先泄漏
ac t 则先爆破
失效分析
2.5.4 弯曲应力
对象：轴类零件及各种形式的梁等
1．应力状态 ▪ 截面上的正应力呈线性分布，最大应力在构件的 最外层 ▪ 应力分布表面大，中间小 ▪ 三点弯曲试件： 中间截面上部受拉应力，下部受压应力 最大拉应力：
由此可见，零件最大承载能力为948.5MPa，低于实际的工作应力 960MPa，故发生断裂失效，又因其断裂时的应力小于材料的屈服极限，所 以必然是脆性断裂。
结论：材料韧性不足，脆断。
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失效分析
若将淬火低温回火改为调质处理，则得b =1540MPa，s =1440MPa，
KIC =66.36 MPam-1/2，其结果：
循环特征
r min max
失效分析
2.2 机械零件失效原因概述
2.2.1零件的服役条件 1.受力状况 ▪ 1）应力状态
▪ 材料的失效形式和应力状态
• 脆断：断裂前无明显宏观塑性变形。 • 剪断：沿最大剪应力方向发生的断裂。 • 屈服：经过一定的塑性变形后发生的断裂。
▪ 性能指标
• 屈服强度、抗剪强度、断裂韧性
失效分析
2.1失效分类及诊断 2.1.2失效形式的诊断 ▪ 失效形式
▪ 一级失效形式 ▪ 二级失效形式 ▪ 三级失效形式
失效分析
失效分析
2.1.2失效形式的诊断
▪ 失效形式的诊断
▪ 1.断裂失效形式诊断：
• 1）残骸分析 • 2）应力分析 • 3）失效模拟
▪ 2.磨损失效形式诊断：
• 1）磨损表面形貌和次表面 组织和性能
a=0.5mm，半宽c=2.0mm的表面裂纹，其工作应力为 =960MPa。淬火并低温 回火后材料的强度 b =2110MPa，s =1920MPa，KIC=39.50MPam-1/2，在使
用中发生脆断，试分析原因。 分析一 按传统强度理论校核
nb
b
2110 960
2.2
ns
s
1920 960
即安全系数是否太小或者未予以考虑； b 分析材料的组织状态，检查硬度，检查是否有氧化脱碳、淬火裂纹及
心部是否淬硬等； c 如果上述问题不存在，应作化学成分分析。 （２）脆断 除作上述考虑外，尚需进行断裂韧性检查，主要分析微观裂缝的存
在对韧性的影响。
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例 国产45Si2Mn高强度螺栓，在加工制造过程中，不可避免地存在着深为
σ＝ M Wy
失效分析
2．选材及热处理特点
使零件从表层至3／4R(轴件半径)处的金属 层淬硬强化 心部不必淬硬 分析： 表面淬火——表层压应力，心部拉应力 全淬透——表层拉应力，心部压应力
失效分析
3．失效分析 ▪ 断裂
▪ 形式：脆断和疲劳断裂 ▪ 裂纹源：应力集中处、表面缺陷处及次表层夹杂物处 ▪ 预防措施：减少应力集中，消除微观缺陷，防止零件
大于5×107～5×108次应力循环而不破坏的最大应力称该
材料的条件疲劳极限。
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▪
c 疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下（＞r），破坏前的
应力循环次数，叫疲劳破坏的持久值。
▪
d 裂纹扩展速率
da C(K )n dN
▪ 对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲劳极限是不 同的：
对称弯曲 对称拉压 对称扭转 脉动弯曲
6.75
结论 实际裂缝半径尺寸a=6mm，而临界裂纹尺寸为6.75mm， 故此轴有脆断的危险。