机械零件的失效分析
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机械零件的失效分析
失效分析方法和技术
1
外部检查
通过外部观察和测量，我们可以找到外部因素对失效的影响。
2
内部检查
通过内部切割和断面观察，我们可以了解零件的内部结构和缺陷情况。
3
材料分析
使用材料分析技术，如金相显微镜、扫描电镜等，可以帮助我们研究材料性质和 缺陷。
实例：钢件的疲劳失效分析
失效模式分析
通过分析钢件的疲劳失效形态， 我们可以确定失效模式和机制。
老化特征
通过观察塑料件的颜色变化、表面开裂等现象， 可以判断是否发生老化。
替代材料
通过寻找抗老化性能更好的材料，可以延长塑料 件的使用寿命。
结论和总结
机械零件的失效分析是提高产品可靠性和寿命的重要工具。通过深入研究失 效模式和原因，并采取相应的改进措施，我们可以更好地理解和应对机械零 件失效问题。
通过了解失效原因，我们可以改进设计、材料和制造过程，提高机械零件的可靠性和寿 命。
失效分析的基本原理
1 失效模式与机理
了解失效模式和机理可以帮助我们快速定位和识别失效的根本原因。
2 数据收集与分析
通过收集和分析失效数据，我们可以找到共同点和规律，帮助我们预测和预防将来的失 效。
3 实验与测试
通过实验和测试，我们可以验证我们对失效原因和机制的假设，从而得到更可靠的结论。
断口分析
观察钢件的断口形态，可以帮助 我们了Байду номын сангаас失效的根本原因。
金相分析
通过金相显微镜观察钢件的显微 组织，可以揭示材料的缺陷和组 织性质。
实例：塑料件的老化失效分析
老化机制
塑料件的老化失效通常由紫外线辐射、热氧化、 水解等因素引起。
老化测试
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。
机械零件的失效分析与选材概述(ppt 16页)
织为回火索氏体。 2.内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45～50,
表面3～5mm内金相组织为回火屈氏体和 少量回火马氏体。 3.花键部分硬度HRC48～50,金相组织同上。
三) 选材: 45钢。 四) 加工工艺路线: 下料 锻造 正火
粗加工 调质
半精加工 钻中心孔 精车加工
铣键槽 局部淬火(锥孔及外锥体)
结构或形状设计不合理。
2.原因
材料的选择不合理。 加工工艺不合理。
安装与使用不合理。
3.形式
过量变形失效 断裂失效 表面损伤失效
过量弹性变形
过量塑性变形
韧性断裂 脆性断裂 低应力断裂 疲劳断裂 蠕变断裂 应力腐蚀断裂
磨损 接触疲劳 腐蚀
第二节 材料选用的一般原则
1.材料的力学性能: 根据零件的工作条 件、损坏(或失效)形式 , 选择满足力 学性能的材料。
工程材料 机械制造基础
第10章 机械零件的失效分析与选材
第10章 机械零件的失效分析与选材
机械零件的失效分析 选材分析
➢选择材料的基本过程 ➢零件的失效分析
一.选择材料的基本过程
二.零件的失效分析
1.定义: 零件不能正常和安全的工作, 即零件失效。
回火马氏体(低碳)+铁素体+细珠光体。
三) 选材: 20 CrMnTi 钢。 四) 加工工艺路线: 下料 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 喷丸 磨齿
1、只要有坚强的意志力，就自然而然地会有能耐、机灵和知识。2、你们应该培养对自己，对自己的力量的信心，百这种信心是靠克服障碍，培养意志和锻炼意志而获得的。 3、坚强的信念能赢得强者的心，并使他们变得更坚强。4、天行健，君子以自强不息。5、有百折不挠的信念的所支持的人的意志，比那些似乎是无敌的物质力量有更强大 的威力。6、永远没有人力可以击退一个坚决强毅的希望。7、意大利有一句谚语：对一个歌手的要求，首先是嗓子、嗓子和嗓子……我现在按照这一公式拙劣地摹仿为：对 一个要成为不负于高尔基所声称的那种“人”的要求，首先是意志、意志和意志。8、执着追求并从中得到最大快乐的人，才是成功者。9、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 10、发现者，尤其是一个初出茅庐的年轻发现者，需要勇气才能无视他人的冷漠和怀疑，才能坚持自己发现的意志，并把研究继续下去。11、我的本质不是我的意志的结果， 相反，我的意志是我的本质的结果，因为我先有存在，后有意志，存在可以没有意志，但是没有存在就没有意志。12、公共的利益，人类的福利，可以使可憎的工作变为可 贵，只有开明人士才能知道克服困难所需要的热忱。13、立志用功如种树然，方其根芽，犹未有干；及其有干，尚未有枝；枝而后叶，叶而后花。14、意志的出现不是对愿 望的否定，而是把愿望合并和提升到一个更高的意识水平上。15、无论是美女的歌声，还是鬓狗的狂吠，无论是鳄鱼的眼泪，还是恶狼的嚎叫，都不会使我动摇。16、即使 遇到了不幸的灾难，已经开始了的事情决不放弃。17、最可怕的敌人，就是没有坚强的信念。18、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下 去。19、意志若是屈从，不论程度如何，它都帮助了暴力。20、有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。21、意志坚强，就会战胜恶运。22、只有刚强的人，才有神 圣的意志，凡是战斗的人，才能取得胜利。23、卓越的人的一大优点是：在不利和艰难的遭遇里百折不挠。24、疼痛的强度，同自然赋于人类的意志和刚度成正比。25、能 够岿然不动，坚持正见，度过难关的人是不多的。26、钢是在烈火和急剧冷却里锻炼出来的，所以才能坚硬和什么也不怕。我们的一代也是这样的在斗争中和可怕的考验中 锻炼出来的，学习了不在生活面前屈服。27、只要持续地努力，不懈地奋斗，就没有征服不了的东西。28、立志不坚，终不济事。29、功崇惟志，业广惟勤。30、一个崇高 的目标，只要不渝地追求，就会居为壮举；在它纯洁的目光里，一切美德必将胜利。31、书不记，熟读可记；义不精，细思可精；惟有志不立，直是无着力处。32、您得相 信，有志者事竟成。古人告诫说：“天国是努力进入的”。只有当勉为其难地一步步向它走去的时候，才必须勉为其难地一步步走下去，才必须勉为其难地去达到它。33、 告诉你使我达到目标的奥秘吧，我唯一的力量就是我的坚持精神。34、成大事不在于力量的大小，而在于能坚持多久。35、一个人所能做的就是做出好榜样，要有勇气在风 言风语的社会中坚定地高举伦理的信念。36、即使在把眼睛盯着大地的时候，那超群的目光仍然保持着凝视太阳的能力。37、你既然期望辉煌伟大的一生，那么就应该从今 天起，以毫不动摇的决心和坚定不移的信念，凭自己的智慧和毅力，去创造你和人类的快乐。38、一个有决心的人，将会找到他的道路。39、在希望与失望的决斗中，如果 你用勇气与坚决的双手紧握着，胜利必属于希望。40、富贵不能淫，贫贱不能移，威武不能屈。41、生活的道路一旦选定，就要勇敢地走到底，决不回头。42、生命里最重 要的事情是要有个远大的目标，并借助才能与坚持来完成它。43、事业常成于坚忍，毁于急躁。我在沙漠中曾亲眼看见，匆忙的旅人落在从容的后边；疾驰的骏马落在后头， 缓步的骆驼继续向前。44、有志者事竟成。45、穷且益坚，不坠青云之志。46、意志目标不在自然中存在，而在生命中蕴藏。47、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。 48、思想的形成，首先是意志的形成。49、谁有历经千辛万苦的意志，谁就能达到任何目的。50、不作什么决定的意志不是现实的意志；无性格的人从来不做出决定。我终 生的等待，换不来你刹那的凝眸。最美的不是下雨天，是曾与你躲过雨的屋檐。征服畏惧、建立自信的最快最确实的方法，就是去做你害怕的事，直到你获得成功的经验。 真正的爱，应该超越生命的长度、心灵的宽度、灵魂的深度。生活真象这杯浓酒，不经三番五次的提炼呵，就不会这样可口！人格的完善是本，财富的确立是末能力可以慢 慢锻炼，经验可以慢慢积累，热情不可以没有。不管什么东西，总是觉得，别人的比自己的好！只有经历过地狱般的折磨，才有征服天堂的力量。只有流过血的手指才能弹 出世间的绝唱。对时间的价值没有没有深切认识的人，决不会坚韧勤勉。第一个青春是上帝给的；第二个的青春是靠自己努力的。不要因为寂寞而恋爱，孤独是为了幸福而 等待。每天清晨，当我睁开眼睛，我告诉自己：我今天快乐或是不快乐，并非由我所遭遇的事情造成的，而应该取决于我自己。我可以自己选择事情的发展方向。昨日已逝，
表面3～5mm内金相组织为回火屈氏体和 少量回火马氏体。 3.花键部分硬度HRC48～50,金相组织同上。
三) 选材: 45钢。 四) 加工工艺路线: 下料 锻造 正火
粗加工 调质
半精加工 钻中心孔 精车加工
铣键槽 局部淬火(锥孔及外锥体)
结构或形状设计不合理。
2.原因
材料的选择不合理。 加工工艺不合理。
安装与使用不合理。
3.形式
过量变形失效 断裂失效 表面损伤失效
过量弹性变形
过量塑性变形
韧性断裂 脆性断裂 低应力断裂 疲劳断裂 蠕变断裂 应力腐蚀断裂
磨损 接触疲劳 腐蚀
第二节 材料选用的一般原则
1.材料的力学性能: 根据零件的工作条 件、损坏(或失效)形式 , 选择满足力 学性能的材料。
工程材料 机械制造基础
第10章 机械零件的失效分析与选材
第10章 机械零件的失效分析与选材
机械零件的失效分析 选材分析
➢选择材料的基本过程 ➢零件的失效分析
一.选择材料的基本过程
二.零件的失效分析
1.定义: 零件不能正常和安全的工作, 即零件失效。
回火马氏体(低碳)+铁素体+细珠光体。
三) 选材: 20 CrMnTi 钢。 四) 加工工艺路线: 下料 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 喷丸 磨齿
1、只要有坚强的意志力，就自然而然地会有能耐、机灵和知识。2、你们应该培养对自己，对自己的力量的信心，百这种信心是靠克服障碍，培养意志和锻炼意志而获得的。 3、坚强的信念能赢得强者的心，并使他们变得更坚强。4、天行健，君子以自强不息。5、有百折不挠的信念的所支持的人的意志，比那些似乎是无敌的物质力量有更强大 的威力。6、永远没有人力可以击退一个坚决强毅的希望。7、意大利有一句谚语：对一个歌手的要求，首先是嗓子、嗓子和嗓子……我现在按照这一公式拙劣地摹仿为：对 一个要成为不负于高尔基所声称的那种“人”的要求，首先是意志、意志和意志。8、执着追求并从中得到最大快乐的人，才是成功者。9、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 10、发现者，尤其是一个初出茅庐的年轻发现者，需要勇气才能无视他人的冷漠和怀疑，才能坚持自己发现的意志，并把研究继续下去。11、我的本质不是我的意志的结果， 相反，我的意志是我的本质的结果，因为我先有存在，后有意志，存在可以没有意志，但是没有存在就没有意志。12、公共的利益，人类的福利，可以使可憎的工作变为可 贵，只有开明人士才能知道克服困难所需要的热忱。13、立志用功如种树然，方其根芽，犹未有干；及其有干，尚未有枝；枝而后叶，叶而后花。14、意志的出现不是对愿 望的否定，而是把愿望合并和提升到一个更高的意识水平上。15、无论是美女的歌声，还是鬓狗的狂吠，无论是鳄鱼的眼泪，还是恶狼的嚎叫，都不会使我动摇。16、即使 遇到了不幸的灾难，已经开始了的事情决不放弃。17、最可怕的敌人，就是没有坚强的信念。18、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下 去。19、意志若是屈从，不论程度如何，它都帮助了暴力。20、有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。21、意志坚强，就会战胜恶运。22、只有刚强的人，才有神 圣的意志，凡是战斗的人，才能取得胜利。23、卓越的人的一大优点是：在不利和艰难的遭遇里百折不挠。24、疼痛的强度，同自然赋于人类的意志和刚度成正比。25、能 够岿然不动，坚持正见，度过难关的人是不多的。26、钢是在烈火和急剧冷却里锻炼出来的，所以才能坚硬和什么也不怕。我们的一代也是这样的在斗争中和可怕的考验中 锻炼出来的，学习了不在生活面前屈服。27、只要持续地努力，不懈地奋斗，就没有征服不了的东西。28、立志不坚，终不济事。29、功崇惟志，业广惟勤。30、一个崇高 的目标，只要不渝地追求，就会居为壮举；在它纯洁的目光里，一切美德必将胜利。31、书不记，熟读可记；义不精，细思可精；惟有志不立，直是无着力处。32、您得相 信，有志者事竟成。古人告诫说：“天国是努力进入的”。只有当勉为其难地一步步向它走去的时候，才必须勉为其难地一步步走下去，才必须勉为其难地去达到它。33、 告诉你使我达到目标的奥秘吧，我唯一的力量就是我的坚持精神。34、成大事不在于力量的大小，而在于能坚持多久。35、一个人所能做的就是做出好榜样，要有勇气在风 言风语的社会中坚定地高举伦理的信念。36、即使在把眼睛盯着大地的时候，那超群的目光仍然保持着凝视太阳的能力。37、你既然期望辉煌伟大的一生，那么就应该从今 天起，以毫不动摇的决心和坚定不移的信念，凭自己的智慧和毅力，去创造你和人类的快乐。38、一个有决心的人，将会找到他的道路。39、在希望与失望的决斗中，如果 你用勇气与坚决的双手紧握着，胜利必属于希望。40、富贵不能淫，贫贱不能移，威武不能屈。41、生活的道路一旦选定，就要勇敢地走到底，决不回头。42、生命里最重 要的事情是要有个远大的目标，并借助才能与坚持来完成它。43、事业常成于坚忍，毁于急躁。我在沙漠中曾亲眼看见，匆忙的旅人落在从容的后边；疾驰的骏马落在后头， 缓步的骆驼继续向前。44、有志者事竟成。45、穷且益坚，不坠青云之志。46、意志目标不在自然中存在，而在生命中蕴藏。47、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。 48、思想的形成，首先是意志的形成。49、谁有历经千辛万苦的意志，谁就能达到任何目的。50、不作什么决定的意志不是现实的意志；无性格的人从来不做出决定。我终 生的等待，换不来你刹那的凝眸。最美的不是下雨天，是曾与你躲过雨的屋檐。征服畏惧、建立自信的最快最确实的方法，就是去做你害怕的事，直到你获得成功的经验。 真正的爱，应该超越生命的长度、心灵的宽度、灵魂的深度。生活真象这杯浓酒，不经三番五次的提炼呵，就不会这样可口！人格的完善是本，财富的确立是末能力可以慢 慢锻炼，经验可以慢慢积累，热情不可以没有。不管什么东西，总是觉得，别人的比自己的好！只有经历过地狱般的折磨，才有征服天堂的力量。只有流过血的手指才能弹 出世间的绝唱。对时间的价值没有没有深切认识的人，决不会坚韧勤勉。第一个青春是上帝给的；第二个的青春是靠自己努力的。不要因为寂寞而恋爱，孤独是为了幸福而 等待。每天清晨，当我睁开眼睛，我告诉自己：我今天快乐或是不快乐，并非由我所遭遇的事情造成的，而应该取决于我自己。我可以自己选择事情的发展方向。昨日已逝，
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。
机械零件的失效
沿晶断裂 ,穿晶断裂,混晶断裂.
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
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
13机械零件的失效分析和表面处理解析
法，目的是研究材料的显微组织结构与失效的关系 ）、力学性能测试等，
必要时进行无损探伤和断裂力学分析。 失效分析的结果对零件的设计、选材、加工以及使用具有一定的指导意义。
3/20 第三页，共20页。
第二节 材料的表面处理技术(jìshù)简介
一、表面(biǎomiàn)处理的意义
在扭转、弯曲、冲击、疲劳等负荷作用(zuòyòng)下的零件，其表面层比
等现象，失去原有性能指标的现象，称高分子材料的老化。老化是高分子材料
不可避免的。 一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用，但是，各种失效因素相互
交叉作用，可以组合成更复杂的失效形式。例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨
损、蠕变疲劳交互作用等。
1/20 第一页，共20页。
三、失效(shī xiào)的原因
6/20 第六页，共20页。
2.堆焊(和du喷ī 焊hàn) (1)堆焊(du用ī 传hà统n)的电焊方法，将合金丝或焊条(hàntiáo)熔化堆结在 件表面形成冶金结合层的方法。如用气焊、焊条电弧焊及氩弧
焊等各种电弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件表面，达到 修复或改善工件表面性能的目的。
(2)喷焊 是采用气体火焰或等离子焰将自溶性合金粉末熔化
造成机械零件(línɡ jiàn)失效的原因很多，零件(línɡ jiàn)在设计选材加工以及安装
面的不当都可能(kěnéng)导致零件的失效。
(1)设计不合理 零件设计不当而导致失效的主要表现在两个方面：一是
零件的结构、尺寸设计不合理或结构工艺性差，例如过渡圆角太小、存在尖 角、孔槽位置不当等都会造成较大的应力集中；二是设计时错误地估计了零
有较高的吸附能力， — 般工业上作为表面涂装的底层，经化学氧化后再涂装， 可以大大提高铝及铝合金外观装饰件的抗蚀能力，使涂料的保持性增强。铝及 铝合金化学氧化的优点主要是生产效率高、成本低、不消耗电能，不需专门设
必要时进行无损探伤和断裂力学分析。 失效分析的结果对零件的设计、选材、加工以及使用具有一定的指导意义。
3/20 第三页，共20页。
第二节 材料的表面处理技术(jìshù)简介
一、表面(biǎomiàn)处理的意义
在扭转、弯曲、冲击、疲劳等负荷作用(zuòyòng)下的零件，其表面层比
等现象，失去原有性能指标的现象，称高分子材料的老化。老化是高分子材料
不可避免的。 一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用，但是，各种失效因素相互
交叉作用，可以组合成更复杂的失效形式。例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨
损、蠕变疲劳交互作用等。
1/20 第一页，共20页。
三、失效(shī xiào)的原因
6/20 第六页，共20页。
2.堆焊(和du喷ī 焊hàn) (1)堆焊(du用ī 传hà统n)的电焊方法，将合金丝或焊条(hàntiáo)熔化堆结在 件表面形成冶金结合层的方法。如用气焊、焊条电弧焊及氩弧
焊等各种电弧焊方法，把不同堆焊材料堆焊在工件表面，达到 修复或改善工件表面性能的目的。
(2)喷焊 是采用气体火焰或等离子焰将自溶性合金粉末熔化
造成机械零件(línɡ jiàn)失效的原因很多，零件(línɡ jiàn)在设计选材加工以及安装
面的不当都可能(kěnéng)导致零件的失效。
(1)设计不合理 零件设计不当而导致失效的主要表现在两个方面：一是
零件的结构、尺寸设计不合理或结构工艺性差，例如过渡圆角太小、存在尖 角、孔槽位置不当等都会造成较大的应力集中；二是设计时错误地估计了零
有较高的吸附能力， — 般工业上作为表面涂装的底层，经化学氧化后再涂装， 可以大大提高铝及铝合金外观装饰件的抗蚀能力，使涂料的保持性增强。铝及 铝合金化学氧化的优点主要是生产效率高、成本低、不消耗电能，不需专门设
机械零件失效分析
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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
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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材料强度越高，K1C 越低 材料塑性越好，K1C 越高
由K1 = Ysa1/2 知 ：
已知零件的工作应力和零件中的最大裂纹长度
使 K1 ＜ K1C ，能保证零件安全
已知零件中的最大裂纹长度和材料的 K1C
使 s ＜ sc ， 能保证零件安全
已知零件的工作应力和材料的 K1C
使 a ＜ac ， 能保证零件安全
工程材料基础
主讲：于光
绪论
1．材料是社会进步的先导
材料对人类社会发展起着巨大的推动作用 石器时代 铜器时代 钢铁时代 陶器时代 铁器时代 新材料时代
2．材料与技术进步
能源、信息和材料是现代技术的三大支柱 很多技术都是通过老材料的改进或新材料 的开发而获得突破性进展的
1911年，德国开发出了强度与软钢相近的
工程材料的性能 使用性能
材料的力学性能、 物理和化学性能及 生物功能
工艺性能
材料的切削加工、 铸造、压力加工、 焊接和热处理性能
第一章 机械零件的失效分析
一、失效的定义和失效分析的任务 1. 失效的定义 机械产品的主要质量标志: 功能、寿命、重量/容量比、经济型、 安全性和外观
失效; 指零件失去了设计所要求的功能
④ 裂纹向外扩展导致试样断裂
韧断：材料断裂前能发生大量塑性变形
脆断：材料断裂前没有明显塑性变形 韧性：材料在断裂过程中吸收能量的能力
材料在断裂过程中吸收的能量越多，材料 的韧性越好，脆断倾向越小 二、影响脆断的因素 1.加载方式和材料本质的影响
工件上任一点处的应力，都能分解成与受力面 平行的切应力和与受力面垂直的正应力两部分 切应力能导致塑性变形和断裂 正应力只能导致工件断裂 加载方式不同，最大切应力和最 大正应力的比值α不同 单向拉伸： α = 0.5
为防止构件发生过量弹性变 形，设计时需使用刚度。如 镗床的镗杆等
力学 性能 指标 的应 用
弹性极限是弹性零件考虑的 性能指标。如汽车板簧等 屈服强度和塑性指标可用于 结构零件的抗断裂设计 硬度指标是耐磨零件考虑的 性能指标。如滚珠轴承等
第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂
一、韧断和脆断的基本概念
形的极限抗力
强度：材料抵抗变形或断裂的能力
伸长率：指试样断裂后的残留变形Δ L 与试样原始长度Lo的百分比
δ = Lk － Lo / Lo ×100%
断面收缩率：指试样断裂后的截面收缩 量Δ F与试样原始截面积Fo的百分比 Ψ = Fo － Fk / Fo ×100%
洛氏硬度（HRC）：用钢球或金刚石锥压入材料
第三节
零件在交变载荷下的疲劳断裂
在欧州第一次工业革命期间，火车轴常在低于材 料屈服强度的应力作用下发生断裂
原因：由疲劳所引起
火车轴承受的交变载荷虽然低于材料的屈服强度， 但作用时间长了，火车轴就会产生疲劳而断裂
疲劳断裂：在交变载荷长期作用下发生的断裂
交变载荷：载荷大小或载荷大小与方向都随时 间发生周期性变化的载荷
利用车中超导磁体与地面线圈之间的电磁 排斥力能制造出时速高达500Km的磁悬浮 列车
3. 工程材料及分类
按照材料的性能特点和用途分类：
以力学性能为主要使 用性能 以物理、化学和生物 功能为主要使用性能
工 程 材 料
结构材料 功能材料
按照材料属性分类，工程材料分为：
金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料
提高强度和塑性的因素都能提高材料的冲击韧性
冲击试验的应用： 1. 能显示材料的各种脆性 低温脆性 ：冲击韧性随温度降低而显著降低的现象 Tk ：冲击韧性发生急剧变化时所对应的温度
材料的Ak越高，Tk越低，脆断倾向越小
2. 能控制冶炼和热加工的工艺质量
冲击韧性是材料的重要力学性能指标，是选 材和用材的重要参考依据
低碳钢的断裂过程：包括弹性变形、塑 性变形和最后的断裂三个阶段
弹性极限（ se ）： 衡量材料最大弹性 变形的抗力指标 se＝Pe / Fo 比例极限（sp）： 保证材料的弹性变 形能按正比关系变 化的最大抗力指标
sp＝PP / Fo
低碳钢拉伸时的应力应变曲线
屈服极限（sS ＝Ps / Fo）：材料抵抗起始塑性 变形的抗力指标 为避免零件发生塑性变形或发生过量塑性变形失 效，产品设计时应以屈服极限为依据
硬铝合金后，人类才能进行真正的航空事业 镍基高温合金的出现，使飞机制造业从此 迈进了能够制造特大型飞机的时代
半导体的出现，使人类文明迈上了新的台阶 单晶硅 → 大规模集成电路 → 信息时代
一根细丝能同时传输2000路通话
信号传输速度比铜缆快72000倍 光导纤维被誉为是百年不遇的重大发明
20世纪最后一次技术革命导致了超导技术的出现
缺口试样的力线分布
缺口试样的应力集中现象
小结：
韧性断裂：经过大量塑性变形后发生的断裂 脆性断裂：几乎不经塑性变形发生的断裂 韧性：材料在断裂过程中吸收能量的能力 加载方式不同，脆断倾向不同 材料不同，脆断倾向不同 工作温度越高，脆断倾向越小 加载速度越高，脆断倾向越大 应力集中越严重，脆断倾向越大 零件尺寸越大，脆断倾向越大
K1C的应用对象：飞机、火箭的重要零件，发电 机转子、汽轮机转子等大型构件
小结：
冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力 冲击试验的应用： ① 能显示材料的各种脆性 ② 能用来控制冶炼和热加工的工艺质量 Tk ：冲击韧性发生急剧变化所对应的温度 断裂韧性：能反映材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 K1＝K1C 是零件发生低应力脆断的临界条件
扭转载荷： α=0.8
α（ =τmax/σmax）：应力状态软性系数
α ＞1：软性应力状态
α =1：较软性应力状态 α＜1：硬性应力状态 应力状态图：能判断加载方式对断裂性质的影响
在α ＜0.5的三向不等拉伸状态下： 正断式脆断 在α =0.5的单向拉伸状态下： 正断式韧断 在α =0.8的扭转载荷作用下： 切断式韧断
四、断裂韧性
传统强度设计方法：
s≤[ s]＝ sS /n
n＞1
某些用高强度钢制作的零件以及用中、低强度钢 制造的大型构件，常会发生低应力脆断 美国北极星导弹爆炸、法国和英国核电站的压力 容器与大型锅炉开裂 ，都是由于机件发生了低应 力脆断所致 断裂力学为解决低应力脆断提供了有效判据
1. 断裂力学与传统强度设计的区别 传统强度设计：
以屈服强度为设计依据
未考虑零件中可能存在有原始缺陷
断裂力学特点：
把零件看作是裂纹体
认为零件中存在的宏观裂纹和冶金缺陷是造成其 发生低应力脆断的根本原因
2. K1c判据
K1 = Ysa1/2
单位： MPa·m1/2
K1C：材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标
K1＝K1C 是零件发生低应力脆断的临界条件 当 K1 ≥ K1C 时，零件会发生低应力脆断 当 K1 ＜ K1C 时，零件处于安全状态 K1C对材料的成分和内部组织很敏感，可通过合金 化和热处理加以改变
三、冲击韧性
冲击载荷：在极短时间内具有很大变化幅度的载荷
高加载速率 塑性变形来不及进行 脆断倾向增大 冲击韧性Ak（J）：冲断V型缺口试样所消耗的功
冲击韧度ak（J/cm²）：U型缺口试样单位面积所
吸收的功
ak＝Ak /Fk
Ak和ak：材料在冲击载荷作用下吸怍塑性 变形功和断裂功的能力
高塑性材料：选用V型缺口试样 低塑性材料：选用U型缺口试样
3. 失效分析的积极作用
① 能促进老材料的改进和新材料的开发
② 能促进产品结构的改进
③ 能促进生产工艺的改进
④ 有利于责任事故的仲裁
三、失效分析与防止的基本思路 1. 对不同服役条件下的零件做具体分析， 从中找出主要的失效方式和主要的失效 抗力指标
2. 运用金属学和材料强度学等知识，分 析主要失效抗力指标与材料成分和组 织结构的关系
加工硬化：由塑性变形导致的材料强度 升高、塑性降低现象 加工硬化的技术意义：
1.能提高机件的安全性 2.能获得截面均匀一致的产品
3. 是金属材料的一种有效强化方法
对热处理不能强化的金属，加工硬化是有效 的强化手段
当应力达到sb ，加工硬化导致的强度升高不 能补偿试样截面积减小所引起的承载能力降低 时，试样便会出现缩颈 抗拉强度（ sb＝Pb / Fo ）：材料对最大均 匀塑性变形的抗力指标 断裂强度( sk＝Pk / Fo ）：材料对塑性变
材料在弹性变形范围内，应力和应变遵守虎克定律
单向拉伸时的弹性模量：
s P A E
EA＝P/ε
EA：零件产生单位弹性变形所需的载荷大小 刚度：零件抵抗弹性变形的能力
材料抵抗过量弹性变形的指标：弹性模量
材料的弹性极限越高，弹性模量越低，弹性就越 好，在变形过程中吸收的弹性能就越多
金属材料的弹性模量是本身固有的性质
低碳钢在静拉伸时，断裂过程包括了弹性变形、 弹塑性变形和断裂三个阶段 韧性断裂：经过大量塑 性变形后发生的断裂 脆性断裂：几乎不经塑 性变形发生的断裂
微裂纹→扩展至临界裂纹→快速扩展至断裂 裂纹亚稳扩展阶段 扩展速度慢 裂纹失稳扩展阶段 扩展速度快
韧性断裂经过以下阶段：
① 发生塑性变形产生缩颈 ② 在缩颈中心产生显微空洞 ③ 空洞聚合形成中心裂纹
材料的Tk越低 , 越不容 易发生脆性断裂 工作温度越高，材料脆断 倾向越小 加载速度越高，材料脆断 倾向越大 材料屈服强度随温度变化图
3.应力集中和零件尺寸的影响
应力集中：截面发生突变，局部地方出现应力 最大值的现象
应力集中对断裂性质的影响： 使缺口截面处的材料处于三向不等拉伸应力状 态，导致材料脆断倾向增大 缺口越尖锐，应力集中越严重，脆断倾向越大 零件尺寸大，塑性变形难，脆断倾向越大
表面，以压入深度的大小来度量材料硬度 布氏硬度（HB）：用钢球压入材料表面，以单位压 痕面积承受的载荷大小来度量材料硬度