零件失效分析.
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
金属零件失效分析
未及时发现和修复金属零件的损伤，可能使其在使用过程中发生突 然失效。
其他原因分析
材料缺陷
金属材料本身存在的缺陷，如夹杂物 、偏析等，可能导致其在使用过程中 发生失效。
外力损伤
金属零件在使用过程中受到外力损伤 ，如撞击、挤压等，可能导致其发生 变形或断裂。
04
金属零件失效预防措施
研究展望
• 针对新型金属材料（如高强度轻质合金、非晶合金等）的失效问题，需要深入 研究其失效机制和规律，建立更加完善的失效分析方法。
• 随着无损检测技术的发展，未来可以利用更加先进的检测手段（如超声检测、 X射线检测等）对金属零件进行早期预警和实时监测，提高失效预测的准确性 和及时性。
• 在失效分析过程中，应加强计算机模拟技术的应用，通过建立数值模型和仿真 分析，对金属零件的失效过程进行模拟和预测，为实际应用提供更加可靠的依 据。
目的和意义
通过对金属零件失效的分析，可以找 出失效原因，预防类似失效的再次发 生，提高机械装备的可靠性和安全性 。
同时，失效分析还可以为新材料的开 发和现有材料的改进提供理论依据和 实践指导，促进材料科学的发展。
02
金属零件失效类型
断裂失效
总结词
断裂失效是金属零件最常见的失效形式之一，表现为零件在应力作用下发生的 断裂现象。
磨损和腐蚀失效分析涉及对金 属零件表面形貌、成分、硬度 等方面的检测，以确定磨损和 腐蚀的原因和程度，并提出相 应的防护措施。
某化工设备中的金属管道在使 用过程中发生严重磨损和腐蚀 ，导致介质泄漏。通过失效分 析发现，管道内壁存在介质冲 刷和腐蚀性物质的共同作用， 导致表面损伤。
建议加强管道内壁防腐涂层保 护；同时优化介质输送方式， 减少对管道内壁的冲刷磨损。
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。
零件失效分析3-失效分析思路、程序及基本技能
收集与失效有关的物质，如气氛、物料粉尘、飞溅 物、反应物，并注意机械划伤、污染吸附等痕迹；
残骸的重要关键性部位，供实验室分析用； 清理现场时将编号的无用残骸有秩序地堆放在避 风雨的地方暂存、备用；
调查、访问和背景资料的收集
装备的工作原理及运行技术数据和有关的规程、 标准； 设计的原始依据； 选材的依据； 使用材料的牌号、性能指标、质量保证书、供应 状态、验收记录、供应厂家、出厂时间等； 加工、制造、装配的技术文件；
初步判断： 材料化学成材料组织有缺陷 材质分析 力学性能分析 断口分析 显微组织分析 分析论证开裂原因
结论
建立具体的分析 思路和工作程序
举例：汽车轮毂紧固螺栓断裂事故分析 现场信息调查：汽车轮毂紧固螺栓是汽车上至关重 要的零件，如果该零件出现问题，轻则造成交通事 故，重则造成车毁人亡，后果严重。某厂生产的汽 车的左后轮紧固螺栓全部断裂，5个螺栓中有4个螺 栓断裂前出现弯曲和扭转， 1个螺栓被剪切，造成 了车祸，该厂紧急召回了废车对其事故进行分析。
2. 失效分析的程序与步骤
（九）性能检验 性能检验是与设计所对应的性能 试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在 不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验 来推断其力学性能，如屈服强度等。 （十）失效分析 模拟失效原因，制作与失效件相 同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这 是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才 做。
初步判断： 螺栓的力学性能不够
可能原因
结构和装配问题 材质分析（材料成分、显微组织） 力学性能分析（工况、紧固、强度） 建立具体的分析 思路和工作程序 断口分析（形貌） 分析论证开裂原因 结论
失效树分析（FTA法） 失效模式及效应分析（FMEA法） 系统工程分析法 管理失误与风险树分析（MORT法） 事件树分析（ETA法） …
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。
13机械零件的失效分析和表面处理解析
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。
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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。
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三、失效(shī xiào)的原因
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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
失效分析实例
材料失效分析
材料失效分析
2、实验过程
• 图7 .58是两个断口表面的低倍放大照 片，图7. 59 和这两个端口表面的位 置和方向。在照片中分辨出两个明显 的区域：外表面，即承受载荷时的最 大纤维应力区，没有发生尺寸改变的 迹象，而在中心区域则看到一些尺寸 改变。此外在表面上有一些明显的塑 性变形，应该是发生最后断裂的地点。 • 将钳柄上的塑料套剥掉以曝露钳柄的 区域。钳的前部镀铬，直至塑料套的 边缘。钳柄的表面上有一层乌黑的物 质，该钳必定是要装塑料套后再进行 电镀的。表面上的乌黑层或是塑料套 留下的，或是一种热处理造成的。 • 目视检查后，分三步进行分析以决定 失效的原因。首先评价对改签剪线操 作的设计应力水平，之后对所用材料 及热处理工艺进行金相检验，最后利 用扫SEM对断口进行仔细的检验
材料失效分析
3、实验结果
• 断口形貌
低倍放大的断口形貌如图7.28所示，没有宏观塑性变形的迹 象。裂纹从左边缘向内扩展通过厚度1/4左右，断裂表面粗糙无 规律，而其余的断口表面是光滑的，在光滑的表面上可以看到贝 壳状花纹，故断裂模式是疲劳。粗糙的断口表面显示出这是最后 因超载而分离的区域并向前扩展到一个孔的边缘，表明疲劳裂纹 不是起源于此孔的边缘，而是沿着右边缘的。这一点在观察断口 表面时也就是在切开试样之后得到证实。贝壳状条纹的弯曲部分 表明疲劳裂纹直接起源于另一螺栓孔的下面(图7 .29)，与围绕 该螺栓孔的同心圆槽重合 • 在接近末端处偏离开其中之一螺棒孔的断口表面已严重研 磨（但仍能看到有贝壳状花纹）（图7. 28）而另一端则很少的 磨损伤，并发现有疲劳条纹（图7.31）（疲劳条纹在显微组织复 杂的钢中不常出现。本案例中的显微组织主要是晶粒尺寸均匀的 单相铁素体。）试块切开后产生的断口表面如图7 .32所示，且 有韧窝状的形貌，表面这个区域是因空洞聚集而产生的 •
金属零件失效分析及实例 (DEMO)
金属零件失效分析及实例一、轴的失效分析1．1 轴的失效类型轴是用来支承旋转，并传递动力和运动的部件。
轴可以承受各种类型的载荷，如拉伸、压缩、弯曲或扭转及各种复合载荷。
有时还承受振动应力。
在这些载荷作用下，使轴失效的最常见的类型是轴的疲劳断裂。
疲劳破坏起始于局部应力最高的部位，有些机械由于设计、制造、装配和使用不合理，也造成轴过早地发生疲劳断裂。
轴的疲劳通常可分为3种基本类型：弯曲疲劳、扭转疲劳和轴向疲劳。
弯曲疲劳可由下面几种类型的弯曲载荷造成：单向的、交变的和旋转的。
在单向弯曲时，任一点的应力都是变动的，变动应力只改变大小而不改变方向。
在交变弯曲和旋转弯曲时，任意一点的应力都是交变的，即应力在方向相反的应力之间循环变化。
扭转疲劳常因施加变动或交变的扭转力矩产生。
轴向疲劳则由于施加交变或变动的拉伸—压缩载荷的结果。
承受了变应力的轴，由于机械的或冶金的因素，或两者综合的结果导致轴的疲劳断裂。
机械影响因素包括了小圆角、尖角、凹槽、键槽、刻痕及紧配合处。
冶金影响因素包括了淬火裂纹、腐蚀凹坑、粗大的金属夹杂物及焊接缺陷等。
疲劳破坏占失效轴的50％以上。
在低温环境中或是在冲击及快速施加过载时，将会使轴发生脆性断裂。
脆性断裂的特征是裂纹以极高的扩展速度(大约1800m/s或更大)发生突然断裂，而在断裂源处只有小的变形迹象。
这种类型的断裂特征是断裂表面上存在着鱼骨状或人字形花样的标志，人字形的顶点指向断裂源。
一些表面处理能使氢溶解入高强度钢中，使轴脆化而断裂，例如，电镀金属会引起高强度钢的失效。
轴的韧性断裂(显微空穴聚合的结果)在断裂表面上呈现有塑性变形的迹象，类似在普通拉伸试验或扭转试验试样中所观察到的情况。
对拉伸断裂的轴这种变形，用目视检验是容易见到的，但是，当轴扭转断裂时，则变形是不明显的。
在正常工作条件下轴很少发生韧性断裂。
但是，如果对工作要求条件估计过低，或者所用材料强度达不到预定数值，或者轴受到单一过负载，也可能发生韧性断裂。
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2、断裂失效 断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效。 （1）韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于 空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。
（2）脆性断裂失效
断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲 劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。
① 疲劳断裂
低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿
晶断裂。
3、表面损失失效
由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的 形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。
⑴ 磨损(wear)失效 任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造 成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失 效。 ⑵ 腐蚀(corrosion)失效
指标的现象，称为高分子材料的老化。老化是
高分子材料不可避免的。
二、失效原因
造成零部件失效的原因很多，主要有设计、
选材、加工、装配使用等因素。
1、设计不合理
2、选材错误
3、加工工艺不当
4、装配使用不当
三、失效分析
1、失效分析的一般程序 ⑴ 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的 观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。 ⑵ 调查零部件的服役条件和失效过程。
（1）金属材料的工艺性能 金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不 仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。
（2）高分子材料工艺性能
高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工， 成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能 较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性 差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性
零部件的失效与选材
第一节 零部件的失效
失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、 或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成 指定的功能。
一、失效形式
常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效 及材料的老化失效等。
1、变形失效
（1）弹性变形失效 不恰当的弹性变形量导致失效。 （2）塑性变形失效 防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材 料，进行合理的热处理，防止超载。
由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效 称为腐蚀失效。
⑶ 表面疲劳失效
表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接 触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。
4、材料的老化
高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、
变硬或变软、变粘等现象，从而失去原有性能
塑料变软，使热固性塑料烧焦。
高分子材料的加工工艺路线
（3）陶瓷材料的工艺性能
陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是
成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可 塑成形等。 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂 磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。
陶瓷材料的加工工艺路线
3、经济性原则
时，承受冲击载荷。
⑵ 齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大） 产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产
生的弯曲疲劳应力造成的。②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使
齿厚变小、齿隙加大。③接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产 生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。
⑶ 对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和 接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。
2、典型齿轮的选材 ⑴ 机床齿轮
机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和
方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工
作平稳无强烈冲击。 一般可选中碳钢(45钢)制造， 为了提高淬透性，也可选用中碳合 金钢(40Cr钢)。
工艺路线为：
机床变速箱齿轮
下料--锻造--正火--粗加工--调质--精加工--高频 淬火及低温回火--精磨。 （2）汽车、拖拉机齿轮
与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力
在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的 屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，
称金属的疲劳断裂。
②低应力脆性断裂失效
石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工 作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自 身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂， 称为低应力脆性断裂。
⑶ 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、 加工、安装、使用维护等方面的资料。
⑷ 试验研究
2、失效分析实例——锅炉给水泵轴的断裂分析
某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运 行了 1400 多小时便先后发生断轴事故。泵轴的材质相当于我国的 42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小 直径为74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图为泵轴的断口照 片。
成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限
（0.45%）达到0.48%。泵轴的心部组织为魏氏组织，表 面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不 合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明 显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生 脆性断裂。
结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲
劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断 裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材 料。
第二节 零部件的选材
一、选材的基本原则
1、使用性能原则
材料的使用性能应满足使用要求。使用性能指 零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、 物理性能、化学性能。
2、工艺性能原则 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。
满足使用性能要求的前提下，采用便宜 的材料，把总成本降至最低，取得最大
的经济效益。
二、典型零部件选材及工艺分析
㈠ 齿轮类零件的选材 1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。 ⑴ 齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的 强烈磨擦和接触疲劳压应力。②传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮 齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。③换挡、启动、制动或啮合不均匀