机械零件失效与选用
机械零件的失效形式及其对策
以摩擦副为主要零件的机械设备，在正常运转时，机械零件的磨损过程一般可分为磨
合(跑合)阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，
％的零件因磨损而失效报废。据估计，世界上的能源消耗约有30％～50％是由于摩擦和磨
损造成的。
摩擦和磨损涉及的科学技术领域甚广，特别是磨损，它是一种微观和动态的过程，
在这一过程中，机械零件不仅会发生外形和尺寸的变化，而且会出现其他各种物理、化学和
机械现象。零件的工作条件是影响磨损的基本因素。这些条件主要包括：运动速度、相对压
生尺寸、形状和表面质量变化的现象称为磨损。摩擦是不可避免的自然现象；磨损是摩擦的
必然结果，两者均发生于材料表面。摩擦与磨损相伴产生，造成机械零件的失效。当机械零
件配合面产生的磨损超过一定限度时，会引起配合性质的改变，使间隙加大、润滑条件变坏。
产生冲击，磨损就会变得越来越严重，在这种情况下极易发生事故。一般机械设备中约有80
强烈振动、出现不正常的声响等。
机电设备的故障分为自然故障和事故性故障两类。自然故障是指机器各部分零件的正常
磨损或物理、化学变化造成零件的变形、断裂、蚀损等，使机器零件失效所引起的故障。事
故性故障是指因维护和调整不当，违反操作规程或使用了质量不合格的零件和材料等造成的
故障，这种故障是人为造成的，可以避免。
机器的故障和机械零件的失效密不可分。机械设备类型很多，其运行工况和环境条件差
异很大。机械零件失效模式也很多，主要有磨损、变形、断裂、蚀损等四件的磨损及其对策
机械零件的磨损及其对策
机械零件的磨损及其对策
机械零件的磨损及其对策
相接触的物体相互移动时发生阻力的现象称为摩擦。相对运动的零件的摩擦表面发
机械零件的失效与选材原则10969
弹性失稳， 疲劳破坏，
断裂
磨损 脆断
综合机械性能强度 、韧性、局部表面
耐磨性
心部强度、韧性表 面高强度
及疲劳极限 耐磨性
弹性极限， 屈强比， 疲劳极限
硬度，足够的 强度，韧性
8.3.2 工艺性能原则
材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。
一、高分子材料零件选材的工艺性能原则
两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时 ，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲 劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损 。
六、腐蚀磨损
腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周 围介质发生化学或电化学反应，产生表层金 属的损失或迁移现象。
老师提示 采用耐磨性高的材料，进行合理的
表面强化处理，改变材料的组织结构 ，适度提高硬度。
●材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺或 冷热加工(特别是热处理)工艺过程产生的材料 内部缺陷导致失效。
五、运转维修因素
●不正确的运转工况参数(载荷、速度等 )导致零件失效。
●忽视维修，未进行定期大、中、小检 修
●润滑条件未保证, 润滑剂和润滑方法不 合适
老师提示 在影响失效的基本因素中，特 别要强调人的因素，即注意人的素质条件 的影响。
失效导致严重事故
失效因素
一、设计因素
为了保证产品质量，必须精心设计，精心施 工。
根据零件工作条件、可能发生的失效模式， 提出技术指标，确定合适的材质、尺寸、结构 ，提出必要的技术文件。
如设计有误, 则机械设备或零件将不能使用 或过早失效。
二、制造(工艺)因素
工艺缺陷是零件失效的重要因素。 ●零件在铸造过程中产生的疏松、夹渣； ●锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹； ●焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹； ●机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合 适； ●热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、 回火脆性； ●精加工磨削中的磨削裂纹等。
机械零件失效的概念
机械零件失效是指在使用过程中，由于各种原因导致机械零件无法继续正常工作或完成其预期功能的状态。
这种失效可能发生在单个零件上，也可能涉及整个机械系统。
机械零件失效可以分为以下几种类型：
1.功能失效：机械零件无法继续执行其设计的功能。
例如，一个齿轮出现损坏，导致传动
系统停止工作。
2.结构失效：机械零件的结构损坏或破裂，无法承受设计负载或应力。
这可能是由于材料
疲劳、强度不足、过载等原因引起的。
3.磨损失效：机械零件由于长时间摩擦和磨损而失去预期的尺寸、形状或表面质量。
这包
括磨损、磨蚀、划伤、疲劳断裂等问题。
4.腐蚀失效：机械零件由于腐蚀作用而失去其材料的强度、质量或形状。
腐蚀可以是由化
学反应、湿气、酸碱介质等引起的。
5.疲劳失效：机械零件在长期循环加载下发生疲劳断裂。
这常常出现在频繁受力、振动或
应力集中的部位。
6.过载失效：机械零件由于超负荷工作而失效，导致其结构或性能受损。
7.安装和组装失效：机械零件在安装和组装过程中未正确安装或组装，导致功能故障或结
构失效。
机械零件失效可能对机械设备的正常运行造成严重影响，甚至引发事故。
因此，在设计、制造、安装和维护机械系统时，需要考虑失效模式和原因，并采取相应的预防措施，如材料选择、强度计算、润滑和维护等。
定期检查、维护和更换关键零件也是预防失效的重要措施。
机械零件的失效分析-学习领悟
机械零件的失效分析失效：零件或部件失去应有的功效零件在工作过程中最终都要发生失效。
所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。
只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。
一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。
失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。
根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。
一、零件的失效形式失效形式分3种基本类型：变形、断裂和表面损伤。
1、变形失效与选材（机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效）①弹性变形失效（由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效）弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。
金刚石与陶瓷的弹性模量最高，其次是难溶金属、钢铁，有色金属则较低，有机高分子材料的弹性模量最低。
因此，作为结构件，从刚度及经济角度看，选择钢铁是比较合适。
②塑性变形失效（零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效）塑性变形失效是零件中的工作应力超过材料的屈服迁都的结果。
一般陶瓷材料的屈服强度很高，但脆性非常大，因此，不能用来制造高强度结构件。
有机高分子材料的强度很低，最高强度的塑料也不超过铝合金。
因此，目前用作高强度结构的主要材料还是钢铁。
2、断裂失效①塑性断裂零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂；②脆性断裂脆性断裂发生时，事先不产生明显的塑性变形，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断；③疲劳断裂在低于材料屈服强度的交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂；④蠕变断裂在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效；3、表面损伤①磨损失效磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。
机械零部件FMEA的常见失效
机械零部件FMEA的常见失效& 应对措施机械设备中各种零件或构件都具有一定的功能，如传递运动、力或能量，实现规定的动作，保持一定的几何形状等等。
当机件在载荷（包括机械载荷、热载荷、腐蚀及综合载荷等）作用下丧失最初规定的功能时，即称为失效。
一般机械零件的失效形式是按失效件的外部形态特征来分类的，大体包括：磨损失效、断裂失效、变形失效和腐蚀与气蚀失效。
一、磨损失效摩擦与磨损是自然界的一种普遍现象。
当零件之间或零件与其他物质之间相互接触，并产生相对运动时，就称为摩擦。
零件的摩擦表面上出现材料耗损的现象称为零件的磨损。
材料磨损包括两个方面：一是材料组织结构的损坏；二是尺寸、形状及表面质量（粗糙度）的变化。
1、磨料（粒）磨损零件表面与磨料相互摩擦，而引起表层材料损失的现象称为磨料磨损或磨粒磨损。
磨料也包括对零件表面上硬的微凸体。
在磨损失效中，磨料磨损失效是最常见、危害最为严重的一种。
磨料磨损分为三种情况：第一种是直接与磨料接触的机件所发生的磨损，称为两体磨损；第二种是硬颗料进入摩擦副两对摩表面之间所造成的磨损，称为三体磨损；第三种是坚硬、粗糙的表面微凸体在较软的零件表面上滑动所造成的损伤，称为微凸体磨损。
减少磨料磨损的应对措施对工程机械、农业机械、矿山机械中的许多遭受二体磨损机件，主要是选择合适的耐磨材料，优化结构与参数设计。
对所有机械设备中可能遭受三体磨损的摩擦副，如轴颈与轴瓦，滚动轴承，缸套与活塞，机械传动装置等，应设法阻止外界磨料进入摩擦副，并及时清除摩擦副磨合过程中产生的磨屑及硬微凸体磨损产生的磨屑。
具体措施是对空气、油料过滤；注意关键部分的密封；经常维护、清洗换油；提高摩擦副表面的制造精度；进行适当的表面处理等。
2、粘着磨损粘着磨损是指两个作相对滑动的表面，在局部发生相互焊合，使一个表面的材料转移到另一个表面所引起的磨损。
由于摩擦表面粗糙不平，两摩擦表面实际上只是在一些微观点上接触。
机械零件的失效
一． 断口分析方法
对金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察,可以看到其断 口可分为纤维状区,放射状区及剪切唇区三个不同的区域.
脆性断裂
工程构件在很少或不出现宏 观塑性变形(一般按光滑拉 伸试样的ψ<5%)情况下发 生的断裂称作脆性断裂,因 其断裂应力低于材料的屈服 强度,故又称作低应力断裂。 钢丝绳：断裂有预兆。
磨损失效的基本影响因素
摩擦，磨损和润滑，即磨损失效涉及到摩擦 副的材质和磨损工况
磨损失效
触的一对金属表面，相对运动时金属表 面不断发生损耗或产生塑性变形，使金 属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损
防止和减少 磨损的方法 和途径
正确的选材是提高耐磨性的关键。
尽量保证液体润滑，对设备进行正确、 合理的润滑，能有效减少设备零部件 的磨损，延长设备使用寿命。
采用多种表面处理方法：如滚压、化 学表面热处理、镀铬、喷涂等
正确进行摩擦副的结构设计
设备正确的维护与使用对设备的寿命 影响很大。
皮带传动与 磨损：
在同一组中，皮带长短不一或者因为磨 损造成皮带轮槽深浅不一，皮带轮轴弯 曲均会产生较大的振动，对那些精密的 设备还可能形成振动源。
若调得太松，起动时会产生怪叫声，并 且会发生起转慢，主动轮发热；
失效的基本因素
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
STEP5
设计因素—确定 材质，尺寸，结 构，提出必要的 技术文件：图纸, 说明书等.（非标 设备）
制造因素—铸、 锻、焊,机加工和 热处理等达不到 设计要求而导致 零件失效.
装配调试因素— 在安装过程中 , 未达到要求的质 量指标.
材质因素—选材 不当,材质内部缺 陷,毛坯加工或冷 热加工产生的缺 陷
机械零件失效分析
18.1 零件常见的失效形式
使用维护不良，不按照工艺规程正确操作，从而使零件在不正 常的条件下运行，造成早期失效。 零件的失效原因还可能有其他因素，在进行零件的具体失效 分析时，应该从多方面进行考查，确定引起零件失效的主要 原因，从而有针对性地提出改进措施。 零件的失效形式主要是与其具体的工作条件密不可分的。如 齿轮，当载荷大，摩擦严重时常发生断齿或磨损失效，而当 承载小，摩擦较大时，常发生麻点剥落失效。 零件的工作条件主要包括:受力情况(力的大小、种类、分布、 残余应力及应力集中情况等)，载荷性质(静载荷、冲击载荷、 循环载荷等);温度(低温、常温、高温、变温等);
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18.1 零件常见的失效形式
在失效分析中，有两项最重要的工作。一是收集失效零件的 有关资料，这是判断失效原因的重要依据，必要时作断裂力 学分析。二是根据宏观及微观的断口分析，确定失效发源地 的性质及失效方式。这项工作最重要，因为它除了告诉我们 失效的精确地点和应该在该处测定哪些数据外，同时还对可 能的失效原因能作出重要指示。例如，沿晶界断裂应该是材 料本身、加工或介质作用的问题，与设计关系不大。
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18.湿、腐蚀性介质等);摩擦润滑(干摩擦、滑动 摩擦、滚动摩擦、有无润滑剂等)以及运转速度，有无振动等。 2.失效分析的一般方法 正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的 基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大 致有如下程序。 (1)尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定 重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效 的性质与特点的地方。 (2)详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况(图纸)、 实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面
机械零件的失效分析
u : 弹性能
u
1
2
e e
1
2 e
2E
4. 塑性 是指材料断裂前发生塑性变形的能力。常用
断后伸长率和断面收缩率来衡量材料的塑性。
断后伸长率 LL0 100%
L0
断面收缩率 A0 A100%
A0
显然，断后伸长率和断面收缩率越大，材料的 塑性越好。
5. 硬度 表征材料软硬程度的性能，具体来说是指材
其他材料的应力－应变曲线 1–纯金属, 2–脆性材料, 3–高弹性材料
二、静载性能指标
1. 刚度 —零（构）件受力时抵抗弹性变形的能力，它
等于材料弹性模量与零（构）件横截面积的乘积。
单向拉伸(或压缩):
E F A EA F
纯剪切:
G F A G A F
第一章机械零件的失效分析
FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS
2. 零件失效的原因：为了预防零件失效，必须做到设 计正确，选材恰当和工艺合理。为此，我们不仅要 熟悉零件的工作条件，掌握零件的受力和运动规律， 还要把它们和材料的性能结合起来，即从零件的工 作条件中找出其对材料的性能要求，然后才能做到 正确选择材料和合理制定冷、热加工的技术条件及 工艺路线。 而研究零件各种形式的失效是深刻了解零件工作 条件的基础。
FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS
3. 常见的失效方式
过量变形 Excessive deformation 断裂 Fracture 疲劳 Fatigue 磨损 Wear 高温蠕变 High temperature creep 腐蚀 Corr形
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机械零件失效与选用
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四、腐蚀失效
腐蚀：材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产 生的损坏或变质现象。
1. 均匀腐蚀——全面腐蚀 2. 点腐蚀——局部腐蚀 3. 晶间腐蚀——局部腐蚀
机械零件失效与选用
16
轴瓦磨损
齿面接触疲劳
失效统计：
断裂仅占5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%
机械零件失效与选用
（2）磨粒（料）磨损
外来硬颗粒或表面微突体的作用 造成表面损伤的磨损。 主要特征是表面被犁削形成沟漕。
磨粒磨损磨痕
磨粒磨损示意图
磨料磨损是最常见的、危害最为严重的磨损形式。在各类 磨损形式中，磨料磨损大约占50%。
机械零件失效与选用
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（3）表面疲劳磨损
接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压 应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失。 齿轮副、凸轮副、滚动轴承的滚动体与外座圈、轮箍 与钢轨等都可能产生表面疲劳磨损。形成麻坑。
图8-4 高分子材料的加工工艺路线
机械零件失效与选用
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图8-5 陶瓷材料的加工工艺路线
机械零件失效与选用
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金属材料零件选材的工艺性能原则
图8-6 金属材料的加工工艺路线
机械零件失效与选用
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工艺性能 ：铸、锻、焊、机加工、热处理
1. 一般金属零件的工艺路线
毛坯正火或退火切削加工零件。
2. 性能要求较高的金属零件的工艺路线（轴、齿轮 等）
机械零件失效与选用
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零件使用时的工作条件
（1）受力状况 载荷的类型(例如动载、静载、循 环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式（拉伸） ；载荷的特点（均匀、集中）等。
（2）环境状况 温度特性、介质情况等。 （3）特殊要求 对导电性、磁性、热膨胀、密度 、外观等的要求。
机械零件失效与选用
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零件根据使用性能选材的步骤
17
7.1.2 失效分析的基本方法
任务：找出失效的主要原因，制订改进措施。
导致零件失效的主要原因的示意图
机械零件失效与选用
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失效分析程序：
1.事故调查 失效现场；背景材料。 2.资料搜集 3.实验分析
失效机械的结构分析 宏观和微观断口分析 失效件材料的成分分析 金相分析 失效件材料的组成相分析 失效件材料的力学性能检测、应力分析、测定
机械零件失效与选用
10
1. 磨损失效的基本类型
（1）粘着磨损 （2）磨料磨损 （3）表面疲劳磨损 （4）冲刷磨损 （5）腐蚀磨损
机械零件失效与选用
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（1）粘着磨损
局部粘结(固相粘着)，使材料从 一个表面转移到另一表面或撕下 作为磨料留在两个表面之间
粘着磨损磨痕
机械零件失效与选用
粘着磨损示意图
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受载 状态
--
轴颈 摩擦
摩擦 振动
振动
常见失效形式
性能要求
过量变形，断裂
强度，塑性
疲劳断裂，过量变形 疲劳断裂，接触疲劳
弹性失稳， 疲劳破坏
表面高硬度及疲劳极限 心部强度及韧性 弹性极限，屈强比 疲劳极限
机械零件失效与选用
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7.2.2 工艺性能原则
满足生产工艺的要求
毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火+回火，固 溶时效或渗碳等)精加工零件。
3. 精密金属零件的工艺路线（精密丝杠、镗床主轴）
毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、 低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工稳定化处理或氮化 精加工稳定化处理零件。
4、分析结果提交：提出失效性质、失效原因，预防措施 或建议，提交失效分析报告。
机械零件失效与选用
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7.2 机械零件选材原则
7.2.1 使用性能原则（首要原则）
使用性能是零件在使用状态下材料应该具有的机 械性能、物理性能和化学性能。
特殊条件下 工作的零件
大量机器零件 和工程构件
材料的使用性能应满足使用要求
机械零件失效与选用
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一、畸变失效
畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。 1. 弹性畸变失效——刚度 2. 塑性畸变失效——强度 3. 翘曲畸变失效
机械零件失效与选用
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二、断裂失效
机械零件失效与选用
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1. 断裂失效的分类（按断裂性质）
（1）韧性断裂 断裂前发生明显的宏观上的塑性变形 断口特征：明显缩颈，杯锥状、灰暗 （2）脆性断裂 断裂前未发生明显的宏观上的塑性变 形，或产生很小的永久变形 断口特征：断口平整、光亮 （3）韧性—脆性断裂
（4）冲刷磨损 含固态粒子的流体(常为液体) 冲刷造成表面材料损失
（5）腐蚀磨损
冲刷磨损示意图
摩擦的同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表
层金属的损失或迁移现象。
机械零件失效与选用
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2. 影响磨损失效的基本因素
（1）摩擦副材质 互溶性； 表面强化处理情况； 表层组织和结构缺陷。
（2）工况参数 接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条
机械零件失效与选用
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1. 断裂失效的分类（按断裂路径）
（1）沿晶断裂 指多晶体材料的裂纹萌生
与扩展是在晶界处发生的 分离过程 （2）穿晶断裂 指裂纹萌生和扩展是在晶 粒内部发生的断裂。 （3）混晶断裂
机械零件失效与选用
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2. 断口分析方法
断裂失效分析的核心和向导 断口三要素
F - 纤维状区 R - 放射状区（脆性特征） S - 剪切唇区（灰色）
第七章 机械零件的失效与 选用
7.1 机械零件的失效及失效分析 7.2 机械零件选材原则 7.3 典型零件的加工工艺
7.1 机械零件的失效及失效分析
失效：零件在使用过程中由于某种原因而不能圆满完成 指定的功能的现象。 失效导致严重事故
机械零件失效与选用
2
7.1.1 零件失效形式
零件失效的模式及其失效机理
零件工作条件和失效形式分析，确定使用性能要求；
性能要求指标化：如强硬度、塑韧性等的具体数值。
几何形状、尺寸及载荷，计算应力分布；
利用手册选材。 局限性：力学性能与零件尺寸有关
零件 螺栓 传动轴 传动齿轮 弹簧
工作条件 应力 载荷 种类 性质 拉、剪 静载
弯、扭
循环 冲击
压、弯 扭、弯
循环 冲击 交变 冲击
机械零件失效与选用
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3. 断裂的微观特征
韧 性 断 裂 断 口 （ 韧 窝 ）
滑 移 分 离 之 蛇 形 机械零滑件失效与选用
( )
)
(
脆 性 断 裂 断 口
解 理 花 样
沿 晶 断 样口
冰 糖 花
9
三、磨损失效
磨损：相对运动时两金属表面不断损耗，使金属表面 状态和尺寸改变的现象。
活塞环与缸套之间的摩擦