机械零件失效的概念
机械设备修理工艺——失效理论概述
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第三章 失效理论概述
§3.6 老化
老化：机械设备和零部件制造后，在长 期的使用或保管、闲置过程出现精度下降、 性能变坏、价值贬低的现象。 一、老化的分类
1、有形老化：因摩擦磨损、变形、断裂、 腐蚀等作用产生的实物形态变化。
2、无形老化：因技术进步产生的使用价值 降低的现象。
术依据、提供改进措施等。 二、失效分析的基本内容
1、调查检测 2、分析诊断 3、处置与预测
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第三章 失效理论概述
§3.8 失效分析技术简介
三、失效形式的特征及其判断（表3-3） 弹性变形失效、屈服失效、疲劳断裂失
效、腐蚀失效、磨损失效、蠕变失效等。
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第三章 失效理论概述
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第三章 失效理论概述
§3.8 失效分析技术简介
五、失效分析举例 1、带式运输机的托辊轴承； 2、柴油机缸套外圆受到气蚀破坏； 3、转子液压泵的转子与轴套咬死； 4、挖掘机斗齿的磨损失效分析。
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简答题及参考答案
1、故障和失效有何不同？ 答:机器失去正常工作能力称故障。机器零件失去正常工
主要原因：应力超过材料的屈服强度。 1、外载荷——永久变形； 2、温度——屈服强度下降、蠕变（缓慢塑性变 形）、内应力和热应力； 3、内应力——弹性变形，对策：时效处理； 4、结晶缺陷（位错，空位）——金属滑移变形。
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第三章 失效理论概述
§3.2 变形 四、减少变形的措施
1、设计：重视强度、刚度、制造、装配、 使用、拆卸、修理等问题，正确选材。
1第一章 零件的失效
摩擦分类 形成良好润滑的措施
磨损分类 减少磨损的途径 减轻腐蚀的措施
一、零件失效的含义及基本形式 1.含义： 零部件失去原设计所规定的功能称为失效。失效不仅 是指完全丧失原定功能，而且还包含功能降低和有严 重损伤或隐患、继续使用会失去可靠性和安全性的零 部件。 2.失效的基本形式 零部件按失效模式分类可分为磨损、疲劳断裂、 变形、腐蚀等； 一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。
4.混合摩擦
• 当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时， 就会出现液体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存 在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。
三、减少摩擦的有效措施—润滑 1.润滑剂及主要性能
（1）润滑油：有机油、矿物油、合成油 性能指标：1）粘度 2）油性 3）凝点 4）闪点 和燃点 5）极压性能 6）氧化稳定性 （2）润滑脂： 钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑 脂 性能指标： 1）针入度 2）滴点 3）安定性 （3）固体润滑剂 ：石墨、二硫化钼、氮化硼 蜡、 聚氟乙烯、 酚醛树脂
• ２、按断口的微观特征分 • 晶间断裂 • 穿晶断裂 • ３、按零件断裂前所承受的载荷性质分 一次加载断裂 疲劳断裂
二、疲劳断裂
特点：零件破坏时的应力远低于零件材料 的抗拉强度，甚至低于材料的屈服强度 表现：脆性断裂
疲劳断裂失效机理： 金属零件疲劳断裂实质上是 一个累计损伤过程。大体可划分 为滑移、裂纹成核、微观裂纹扩 展、宏观裂纹扩展、最终断裂几 个过程。
（4）腐蚀磨损
形成：摩擦表面与酸、碱、盐、接触发生腐蚀， 在有相对运动时表面金属剥落形成腐蚀磨损。 影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。
分类：氧化磨损、微动磨损、化学腐蚀磨损
①氧化磨损
氧化磨损是金属与空气中的氧作用形成氧化膜， 氧化膜被磨损形成氧化磨损。是最常见的一种 磨损形式，曲轴轴颈、气缸、活塞销、齿轮啮 合表面、滚珠或滚柱轴承等零件都会产生氧化 磨损。与其它磨损类型相比，氧化磨损具有最 小的磨损速度，有时氧化膜还能起到保护作用； 影响因素：影响氧化磨损的因素有滑动速度、 接触载荷、氧化膜的硬度、介质中的含氧量、 润滑条件以及材料性能等。
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
《机械设计原理》零件失效与失效类型
1) 干摩擦
干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净材
料表面间的摩擦。
工程实际中并不存在干摩擦。通常是将未经人为润滑的摩擦状态 当作干摩擦处理。干摩擦时摩擦阻力很大，磨损严重，应避免。
干摩擦时金属间的摩擦系数 f ≈ 0.3 ~ 1.5。
2) 边界摩擦
边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性 质取决于边界膜和表面的吸附性能。
失效不仅会给人们带来巨大的直接 经济损失、同时也会造成惊人的间接 经济损失。所谓间接经济损失，主要 包括：
❖ （1）由于失效迫使企业停产或减产所造成 的损失（云天化的甲醛预热器开裂，损失 近亿元）；
❖ （2）引起其他企业停产或减产的损失；
❖ （3）影响企业的信誉和市场竞争能力所造 成的损失。
零件失效的模式及其失效机理
失效导致严重事故:
据美国1982年统计，因机械零件 断裂、腐蚀和磨损失效，每年造 成的经济损失达3400亿美元，其 中断裂失效造成的损失约为1190
亿美元（占1/3）。
1980年3月27日，北海的石 油钻探船Alexander Kielland号， 由于连接五条立柱的水平横梁发 生腐蚀疲劳断裂而完全倾覆，损
采取润滑是控制摩擦、减少磨损的最有效方法。
此外，在有些场合则需增大摩擦，但同时仍应减小磨损。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)这一新 兴学科。
1. 摩擦的分类
内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。 静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。 根据摩擦面间摩擦状态的不同，滑动摩擦可分为 4 种状态：
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
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 。
第2章机械零件的工作能力和计算准则
表面挤压强度与表面磨损强度
表面挤压强度设计准则：
P [ P ]
F P [ P ] A
表面磨损强度设计准则：
p [ p] pv [ pv ] v [v ]
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-5 机械零件的刚度
刚度:零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
§2-7 机械零件的振动稳定性
振动：零件发生周期弹性变形的现象称为振动。 零件受周期性变化的作用力作用，会出现共振现象（失稳）。 设计准则：零件的自振频率与外力作用频率不相接近。
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-8 机械零件的可靠性
一.可靠性概念
可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，正常工作的能力。
温度对材料膨胀和收缩的影响
第2章机械零件的工作能力和计算准则
§2-6 温度对机械零件工作能力的影响
温度对蠕变的影响： 蠕变：在一定工作温度和应力作用下， 零件塑性变形缓慢而连续增长 的现象。 温度对松弛的影响 松弛：在预紧情况下工作的零件，虽 然总变形不变，但在高温影响 下，其弹性变形会随时间逐渐 转化为塑性变形，引起应力降 低的现象称为松弛。 第2章机械零件的工作能力和计算准则
工作表面失效 （磨损、点蚀、胶合、塑性流动、压溃和腐蚀等）
§2-1 机械零件的失效形式及设计准则
三、设计准则 机械零件设计时，保证零件能正常工作而不产生失效所必 须遵循的条件。 如：强度条件、刚度（稳定性）条件、耐磨性条件等 均是机械零件的设计准则。 四、机械零件设计计算的类型 设计计算 校核计算
弹性范围内
Fl Ek E p y EA
F y ' F y'
冲击系数
2h F' ( 1 1 )F K1F y
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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。