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。

磨损可能是被硬质点切削下来，也可能是在大的压力下焊合撕开，所以材料表面的硬度愈高，抵抗磨损的能力愈强。

磨粒磨损：相对运动的零件表面间嵌入硬质颗粒而造成的磨损粘着磨损：两个相对运动零件表面的微观凸起发生粘合而撕裂②表面疲劳（在交变接触应力作用下，使机件表面产生点蚀而发生磨损）相互接触的两个运动表面(特别是滚动接触),在工作过程中承受交变接触应力的作用，使材料表层发生疲劳破坏而脱落，造成零件失效。

接触疲劳按其损伤程度分为麻点(浅层剥落)与剥落(深层剥落)。

提高表面接触疲劳抗力要求在一定的层深范围内有高的硬度。

③腐蚀失效由于化学或电化学腐蚀作用造成的零件失效。

腐蚀的种类有多种，如点腐蚀、裂隙腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀。

重点在于改善材料的化学性能，不仅材料整体的化学稳定性，特别是晶界的化学稳定性。

二、零件失效的原因1、零件设计不合理：主要是指零件的强度设计不足，或结构工艺性不当。

由于零件设计时对①其工作条件估计错误，如对工作时的过载估计不足，散热、润滑、环境腐蚀气氛了解不足等，设计依据不合理；②结构外形设计不合理，往往容易忽视高应力处的应力集中，仅考虑结构而出现尖角、缺口、过小的圆角。

2、选材不合理：①对零件的失效形式判断错误，所选材料不能满足使用要求；②选材依据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力，错选材料；③材料本身的缺陷，如杂质元素过多、夹杂物过多或存在夹层、裂纹的宏观缺陷，即材料的质量问题。

3、加工工艺不合理：由于生产加工的工艺不良，也会造成各种缺陷。

如铸、锻、焊工艺不良产生的偏析、带状组织或过热、过烧现象；机械加工的光洁度不足，存在过深的刀痕、磨痕；热处理不良出现的过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足导致较大的残余内应力等。

值得注意的是零件的结构不合理会造成或加大产生各中加工缺陷的可能性。

4、安装与使用不正确：零件安装时的配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等会造成零件的早期失效，在使用时的非法过载或维护不良(润滑、散热、粉尘)也会造成零件的早期失效。

5、意外事故：人为或非人为因素造成零件出现了不可承受的载荷。

三、失效分析的步骤、方法包括逻辑推理和实验研究两个方面。

实验研究的步骤：（1）对失效零件进行观察，测量并记录损坏位置、尺寸变化和断口的宏观特征。

（2）了解零件的工作环境和失效经过，观察相邻零件的损坏情况，判断损坏顺序收集有关零件设计、材料、加工、安装、使用和维修等方面的资料。

（3）根据需要选择以下项目进行试验：①化学分析②断口分析③金相分析④机械性能测试⑤断裂力学分析⑥应力分析（4）综合分析以上调查材料，测试结果，判明失效原因，提出改进措施并在实践中检验效果小结：一、失效形式主要失效形式是断裂、变形、和表面损伤三大类。

二、失效原因（1）设计不当（2）选材不合理（3）加工不当（4）安装使用不当三、失效分析方法选材的一般原则一、材料的使用性能原则1.零件使用条件与失效形式分析（1）零件使用条件①受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；③特殊要求：如导电性、导热性、密度与磁性等。

（2）零件失效形式分析根据零件的失效形式，分析得出起主导作用的使用性能，并以此作为选材的主要依据。

2.确定使用性能指标和数值通过分析零件的工作条件和失效形式，确定零件对使用性能的要求后，必须进一步转化为实验室性能指标和数值，这是选材的极其重要的步骤。

3.根据力学性能选材时应注意的问题（1）学会正确使用手册和有关资料（2）正确使用硬度指标（3）强度与韧性应合理配合（4）KIC在选材中的应用二、材料的工艺性能原则所用材料要有相应的工艺能制造出来。

工艺性能好坏对零件加工生产有直接影响，主要的工艺性能：①铸造性能凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。

②压力加工性能包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。

③焊接性能钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。

④机械加工性能主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。

一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。

⑤热处理工艺性能三、经济性原则所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。

选材时应注意以下几点：（1）尽量降低材料及其加工成本（2）用非金属材料代替金属材料（3）零件的总成本在这三条原则中，要依次选择，首先要满足性能，其次考虑加工、兼顾成本。

技术的发展不断对材料提出新要求，工艺的发展不断创新加工方法。

典型零件的选材与工艺一、提高疲劳强度与耐磨性的选材与工艺1. 提高疲劳强度的选材与工艺承受交变应力的零件主要分为三种情况：①承受交变拉、压应力的零件②承受交变弯曲、扭转应力③吸收、储存能量。

要求较高的疲劳强度，推荐选用金属材料来制造抗疲劳零部件（以钢铁材料为最佳）2. 耐磨性的选材与工艺承受摩擦、磨损的零件大致可分为以下三类：①对整体硬度要求较高的零件②自身要耐磨，又要求减摩以保护配偶件，如滑动轴承③对心部强韧性有较高要求的零件。

要求较高耐磨，减摩性，各种材料中除金刚石外，陶瓷硬度最高，耐磨性最好，含碳量高的钢硬度较高，耐磨性也较好，铸铁、部分有色金属、塑料等具有较低的摩擦系数和较高的减摩性。

3.零件选材的方法①以综合力学性能为主时选材时：应综合考虑材料的淬透性及尺寸效应。

一般可采用调质或正火态的碳钢；调质或渗碳合金钢；正火或等温淬火的球铁。

同时结合强韧化热处理新工艺，使材料具有较好的综合力学性能。

②以疲劳强度为主时：一般选中碳（合金）钢，调质后表面淬火；或低碳（合金）钢渗C、N等化学热处理。

并采取一些提高疲劳强度的措施。

③以磨损为主时：可采用高碳（合金）钢淬火+低温回火；或低中碳（合金）钢表面渗C、N 等。

二、齿轮类与轴类零件的选材与工艺1. 齿轮类零件的选材与工艺（1）齿轮的性能要求。

①失效形式主要有齿轮疲劳冲击断裂、过载断裂、齿面接触疲劳与磨损②要求材料具有高的疲劳强度和接触疲劳强度；齿面具有高的硬度和耐磨性；齿轮心部具有足够的强度与韧性。

（2）齿轮用材的特点。

机械齿轮通常采用锻造钢件制造，而且，一般均先锻成齿轮毛坯，以获得致密组织和合理的流线分布。

就钢种而言，主要有调质钢齿轮和渗碳钢齿轮两类。

①调质钢齿轮。

一种是对耐磨性要求较高，而冲击韧度要求一般的硬齿面，另一种是对齿面硬度要求不高的软齿面齿轮。

②渗碳钢齿轮。

主要用于制造速度高、重载荷、冲击较大的硬齿面齿轮。

③铸钢、铸铁齿轮。

④塑料齿轮。

（3）典型齿轮选材具体实例机床齿轮主要用于传递动力，改变运动速度和方向，载荷不大，工作平稳无强烈冲击，转速也不很高，工作条件较好。

一般选用调质钢制造，如40钢，45钢，40Cr，42SiMn等，经调质（或正火）、高频感应加热淬火、低温回火即可达到使用要求。

但随着机床工业的发展，机床中也出现了高速且承受冲击载荷较大的重要齿轮（如立式车床上的一些齿轮），这种情况下，宜选20CrMnTi钢、20Ｃr钢等合金渗碳钢制造，经渗碳、淬火、低温回火处理使之达到使用要求。

工作中，通过拨动主轴箱外手柄使齿轮在轴上滑移，利用与不同齿数的齿轮啮合，可得到不同转速，工作时转速较高。

其热处理技术条件是：轮齿表面硬度50～55HRC，齿心部硬度20～25HRC，整体强度σb=780～800MPa，整体韧性aK=40～60J·cm－2。

从下列材料中选择合适的钢种，并制订其加工工艺路线，分析每步热处理目的：35，45，T12，20Cr，40Cr，20CrMnTi，38CrMoAl，1Cr18Ni9Ti，W18Cr4V。

典型齿轮选材具体实例1）分析及选材该齿轮是普通车床主轴箱滑动齿轮，是主传动系统中传递动力并改变转速的齿轮。

该齿轮受力不大，在变速滑移过程中，虽然同与其相啮合的齿轮有碰撞，但冲击力不大，转动过程平稳。

根据题中要求，轮齿表面硬度只要求50～55HRC，故不必要采用渗碳等化学热处理，整体的强度、韧性由调质就可以达到。

因此，选用淬透性适当的调质钢经调质、高频感应加热淬火和低温回火即可达到要求。

因为该齿轮较厚，为提高其淬透性，可选用合金调质钢，油淬即可使截面大部分淬透，同时也可尽量减少淬火变形量，回火后基本上能满足性能要求。