机械零件的失效形式
机械零件失效形式及诊断
机械零件失效形式及诊断1. 引言机械零件是任何机械设备中最关键的组成部分之一。
随着机械设备的运行时间增加，零件的失效概率也会增加。
因此，了解机械零件的失效形式以及如何进行诊断对于设备的维护和保养至关重要。
本文将讨论常见的机械零件失效形式以及相应的诊断方法，希望能给读者提供一些有益的知识和实用的技巧。
2. 机械零件失效形式2.1 磨损失效磨损是机械设备常见的失效形式之一。
机械零件在长时间的摩擦和磨损中会出现磨损现象，导致零件尺寸变小、表面质量下降等问题。
常见的磨损形式包括表面磨损、疲劳磨损和焊接磨损等。
2.2 塑性变形失效塑性变形是指机械零件在受外力作用下发生塑性变形，导致零件形状和尺寸的永久性变化。
塑性变形常见的形式有弯曲、扭转和压扁等。
2.3 断裂失效断裂是机械设备中最严重的失效形式之一。
机械零件在受到较大的外力作用下可能会发生断裂，导致机械设备无法正常工作。
常见的断裂形式包括静态断裂、疲劳断裂和韧性断裂等。
2.4 腐蚀失效腐蚀是指机械零件在介质中受到化学反应导致金属表面发生腐蚀破坏的现象。
腐蚀会导致机械零件的表面质量下降、尺寸变化等问题。
3. 机械零件失效的诊断方法3.1 监测技术通过使用各种监测技术，可以实时监测机械零件的工作状态和性能参数。
这些监测技术包括振动监测、噪声监测、温度监测等。
通过对监测数据的分析和比对，可以及时发现机械零件的异常情况，进而进行相应的维修和更换。
3.2 检查和观察定期的检查和观察是诊断机械零件失效的有效方法之一。
通过检查和观察，可以发现机械零件的磨损、变形、断裂等异常情况。
同时，还可以观察机械零件的润滑情况、磨损程度等。
这些信息对于及时诊断并防止机械零件失效具有重要意义。
3.3 非破坏性检测技术非破坏性检测技术可以在不破坏机械零件的情况下检测其内部的缺陷和损伤。
这些技术包括超声波检测、磁粉检测、射线检测等。
通过分析和评估检测结果，可以及时发现机械零件的问题，并采取相应的修复措施。
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
第2章机械零件的工作能力和计算准则
复合应力计算安全系数为：
s sca [s] s 2 2 2 ( ) s
或： sca
s s s s
2 2
[s]
3.允许少量塑性变形的零件(可按 1.5 s 作为极限应 力)
这类零件可按允许一定塑性变形时的载荷进行强度计算。 看课本图2.3，受弯矩M的简支梁，用塑性材料制成时，随 着弯矩M的增大，由（a）到（c）变化，到（c）图时材料 全部屈服。此时梁承受的弯矩计为 M lim ，因此，可以按 进行强度计算。 M lim
第2章 机械零件的工作能力 和计算准则
1.失效：机械零件丧失工作能力或达不到设 计要求的性能时，称为失效。 有人平时不说“失效”，而说“坏了”，是 不准确的。有些零件看上去没有“坏”但 已经失效了。 2.常见的失效形式
零件失效表现在强度问题、刚度问题、表面 失效和其他方面。
零件的失效形式有： 1）断裂; 2）过大塑性变形； 3）过量的弹性变形； 4）表面失效（工作表面的过度磨损或损伤 等）； 5）其他形式（联接的松弛、摩擦传动的打滑 等）。
单位接触线载荷。B为接触线长度。
F P B
(2)两球接触
1 3 6F 2 2 1 1 1 2 E E2 1
2
F Hmax 2
H max
1
1 2 E1、E2 两接触体材料的弹性模 量 1、 2 两接触体材料的泊松比
式中 : 相应的强度条件可表示为:
σ、τ——零件的最大工作应力。其中σ为 正应力，可由拉伸、压缩、弯曲等产生；τ 为切应力，可由扭转、剪切等产生； 2.[σ]、[τ]——许用正应力、许用切应力； 3.σlim、τlim——材料的极限正应力、极限 切应力； 4.[Sσ],[Sτ]——对应于正应力、切应力的许 用安全系数。
机械零件的主要失效形式有
机械零件的主要失效形式有：根断表面压碎表面点蚀塑性变形过量弹性形变共振过热和过量磨损等平键按用途分为平键导键滑键普通平键用于静联接，即轴与轴上零件之间没有先对移动。
按端部形状不同分为A型（圆头） B型（平头） C型（单圆头） 3种导键和滑键均用于动联接。
导键适用于轴上零件轴向位移量不大的场合；滑键用于轴上零件轴向位移较大的场合。
平键的宽度应根据轴的直径选取润滑剂的主要作用是减小抹茶，磨损，降低工作表面温度。
常用的润滑剂有：液体润滑剂，半固体润滑剂，固体润滑剂，气体润滑剂径向滑动轴承动压油膜的形成过程静止时，轴与轴承孔自然形成油楔；刚启动，速度低。
由于轴径与轴承之间摩擦，轴承沿轴承孔上爬。
随着速度增大，被轴径带动起来的润滑油进入楔形间隙并产生东亚力将轴径推离，形成动压油膜。
提高螺纹连接强度的措施有：1. 改善螺纹牙间的载荷分配;2. 减小螺栓的应力幅3. 采用合理的制造工艺（冷镦，液压，冷作硬化）4. 避免附加弯曲应力5. 减小应力集中的影响6. 氰化氮化，喷丸等表面硬化处理改善螺纹牙间的载荷分配，避免附加弯曲应力是针对静强度，其余是疲劳强度当螺纹公称直径，牙型角，螺纹线数相同时，细牙螺纹的自锁性能比粗牙螺纹的自锁性能好螺纹联接的主要类型有1. 螺栓联接，常用语被联接件不太厚和周边有足够装配空间的场合2. 双头螺栓联接，用于常装拆或结构上受限制不能采用螺栓联接的场合3. 螺钉联接，用于不经常装拆联接的场合4. 紧定螺钉联接，多用于轴和轴上零件的联结，可传递不大的力和转矩对于普通螺栓组联接，当被联接件受横向工作载荷作用时，其螺栓本身主要受拉应力。
带传动中的两种滑动弹性滑动：带传动中，拉力差使带的弹性型变量变动，而引起带与带轮之间的相对滑动，称为弹性滑动。
使带传动比不精确，且使带与带轮之间产生磨损；打滑：当外界传递功率过大，所需有效拉力大于极限有效拉力时，带与带轮之间的显著滑动。
使带传动失效，但起过载保护作用。
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 。
机械零件的失效形式-
整理ppt
一、腐蚀的定义和分类
1 腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反 应或者电化学反应所引起的表面损伤现 象。
2 分类：
3
化学腐蚀
4
电化学腐蚀
二、腐蚀过程及防止 1 化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主）
2 失效的定义和形式
3 定义: 零件失去设计所要求的效能（功 能）称为失效。
4
5 常见的失效形式：过量变形、断裂、
磨损、腐蚀
整理ppt
第一节 零件在常温静载下的过量变形
问题
• 材料的静载性能指标有哪些? • 什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性
变形的原因是什么?设计时应选择什么性 能指标? • 发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指 标有哪些?
试样的静拉伸过程
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弹性变形
弹性变形、 塑性变形
非线性弹 性变形
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（1）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力
比例极限sp 弹性极限se 屈服强度ss 抗拉强度sb 断裂强度sk
强度指标单位：MPa
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（2）弹性和塑性指标
弹性：材料发生弹性变形的大小。 塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力。 • 弹性指标：弹性能（弹性比功）m 塑性指标：断后伸长率d
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总结
• 磨损是机械零件常见的一种失效形式， 总是从零件表面开始发生。各种磨损的 过程和机理不同，因此其主要的预防措 施也不同。
• 提高零件表面硬度，合理设计减小压应 力，以及提高表面光洁度等对降低磨损 都有利。
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第五节 零件的腐蚀失效
问题 1 什么是腐蚀？可分为几类？ 2 高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热
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m 1NN m 1N0C
材料应的力持应循久力环疲循N劳次环极时基限，数 材料的疲劳极限。
对应于循环次数N的弯曲疲劳极限：1N
1m
N0 N
★式 许对用中 称应m C 循力－ ： － － 环1N：－ － － [－ 1不 常 ]对 随 数 k应 S应 ； 1 于 力的 尺表N 循 应状 寸的 面力幂 系环 状集态 疲 数态中指 次 系系变 劳 数数数 数 化 极 。限 ；
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
max min m a 0
r min 1 max
静应力
对称循环
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
非周期性变应力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
脉动循环
：[0]
0
k S
§6-3 机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀
机械零件在载荷重 复作用下，首先在表层 内产生初始疲劳裂纹， 然后裂纹逐渐扩展， （如有润滑油，则被挤 进裂纹中产生高压，使 裂纹加快扩展）最终使 表层金属呈小片状剥落 下来，而在零件表面形 成一些小坑。
后果：1、损坏零件的光滑表面； 2、减小了接触面积，降 低承载能力; 3、引起振动和噪声 。
机械零件设计概论
基本要求：理解机械零件设计的基本要求、机械 零件的工作能力、计算准则、材料选 择的一般要求；了解机械零件的工艺 性、公差与配合及其标准的意义。
重 点：机械零件的工作能力和整体强度；机 械零件的接触强度。
§9-1 机械零件设计概述
★机械零件设计应满足的基本要求：工作可靠、成本低廉。
★机械零件的失效：由于某种原因不能正常工作的现象。
•载荷的类型：动静载载荷荷
名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件 上的载荷。 载荷系数
计算载荷： 计算载荷=K×名义载荷
不随时间变化的应力。
静应力
对称循环
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
非周期性变应具力 有周期性的变应力 。
随时间变化的应力。
平均应力
m
max
min 2
★机械零件设计的一般步骤:
1、拟定零件的计算简图； 2、确定作用在零件上的载荷； 3、选择合适的材料； 4、根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件
的形状和主要尺寸； 5、绘制工作图并标注必要的技术条件。 注意:
1、通过设计计算出的零件尺寸一般并不是最终采用的数值，设计 者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整；
机械零件的失效形式： 破坏性失效和非破坏性失效 1、断裂或塑性变形 2、过大的弹性变形 3、磨损 4、强烈的振动 5、其他：联接的松弛；摩擦传动的打滑等
§9-1 机械零件设计概述
★机械零件设计应满足的基本要求：工作可靠、成本低廉。
★机械零件的失效：由于某种原因不能正常工作的现象。
★机械零件的工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能 安全工作的限度。 载荷——称为承载能力 磨损——称为耐磨性 振动——称为稳定性
max min a r min 1
max
静应力
对称循环
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
非周期性变应力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
max min r min
max
静应力
对称循环
－－曲率半径；
－－材料的泊松比；
E－－材料的弹性模量。
机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀 2. 接触应力的计算
H
11
Fn
b1 1 122源自1 22E1E23. 接触疲劳强度的判定条件 HH，HS HH lim
式 中 H： li m实 验 测 得 的 疲材 劳料 极的 限接 ；触
变应力下的许用应力
★变应力下零件的失效形式：疲劳断裂
★疲劳断裂 特征：
1、疲劳断裂的最大应力＜材料的屈服极限； 2、疲劳断口均表现为无明显塑性变形； 3、断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区； 4、疲劳断裂是损伤的积累的结果。
★疲劳曲线
1、应力越小，能经受的循环次数越多。
2、疲劳曲线的左半部（N≤N0），可 用下列方程表示：
非周期性变应力 脆塑性材料σBS
2.
许
用
应
力 变 静
应 应
力 力
下 下
的 的
许 许
用 用
应力
应力
min
S
S1.2~1.5
3.安
全
系 静数应
力
下
的
安 塑 脆全性 性系材 材 或 数 SS料 料 31~ .54~2.5
变 应 力 下 的 安 S 全 1 .3 ~ 系 1 .7 或 数S 1 .7 ~ 2 .5
2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和 尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计 ；
3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设 计参数，才能得到比较合理的结果。
§6-2 机械零件的强度
•计算准则 :
， lim
S
， lim
S
•载荷：作用在零件上的 外力或外力矩。
§9-1 机械零件设计概述
★机械零件设计应满足的基本要求：工作可靠、成本低廉。 ★机械零件的失效：由于某种原因不能正常工作的现象。
★机械零件的工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能 安全工作的限度。
★机械零件设计的计算准则：计算量≤许用量 例如：强度判定条件：工作应力≤许用应力 刚度判定条件：变形量≤许用变形量
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
非周期性变应力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
max 0、 min 0
a
m
max 2
r min 0 max
静应力
对称循环
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
§6-3 机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀
2. 接触应力的计算
由弹性力学知，当两个轴
线平行的圆柱体相互接触并受
压时，其接触面积为一狭长矩
形，最大接触应力发生在接触
区中线上，其值为:
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
式中：
－－最大接触应力；
H
b －－接触长度；
Fn－－作用在圆柱体上的 载荷；