机械零件的失效分析
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
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
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
机械零件失效分析
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
机械零件的失效与选材
陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件 ；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。
废气排放少 材料回收及降解
重要金属的世界储量
可用年数 再生率(%)
Fe 128
31.7
Al
35
16.9
Cu 32
40.9
Байду номын сангаасZn 24
21.2
W
47
Ag 15
41.0
Mn 14
Ni
49
第二 节 典型零部件选材及工艺分析
一、工程材料的应用概况 金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主要
的四大类工程材料。 高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在
金属材料,尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学 性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具 有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。 从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器 时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占65％、铸铁占20 ％、有色金属占3％、非金属材料约占12％。在轻型汽车和轿 车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。
2、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。
机械零部件的失败分析与预测
机械零部件的失败分析与预测近年来，机械行业发展迅速，机械零部件作为机械设备的基础和核心组成部分，其性能和可靠性对机械设备的正常运行起着至关重要的作用。
然而，由于各种因素的影响，机械零部件的失效现象时有发生。
本文将探讨机械零部件的失败分析与预测，以期提高机械设备的可靠性和使用寿命。
一、机械零部件的失效现象机械零部件的失效现象主要包括疲劳断裂、塑性变形、磨损、腐蚀等。
其中，疲劳断裂是最常见的失效形式之一。
疲劳断裂主要是由于零部件在长期受到交替加载的作用下，造成材料内部的微裂纹逐渐扩展，最终导致断裂。
塑性变形则是由于零部件在受力作用下发生形变超过其材料的弹性极限，从而导致变形或破裂。
磨损是因为零部件在摩擦过程中逐渐丧失材料表面，进而影响其正常使用。
腐蚀则是由于环境中的氧气、水分以及化学物质的作用，使零部件表面产生腐蚀现象，降低其力学性能和耐久性。
二、机械零部件失效的原因机械零部件失效的原因可以归纳为设计缺陷、材料问题、制造质量和运行条件等方面。
设计缺陷是指零部件在设计过程中出现的问题，如强度计算不准确、尺寸过小或过大等。
材料问题主要表现为材料的强度不足、硬度不均匀等。
制造质量是指零部件在加工过程中可能出现的问题，如加工精度不高、表面粗糙度过大等。
运行条件则是指零部件在工作环境中受到的影响，如温度过高、振动过大等。
三、机械零部件的故障分析方法为了找出机械零部件失效的原因，需要进行故障分析。
故障分析主要包括收集故障信息、现场调查、样品分析和实验验证。
首先，需要收集有关故障的信息，包括工作环境、工作条件、使用时间、维护记录等。
其次，进行现场调查，观察故障部位的状态和周围环境，以获得更多的细节信息。
接下来，对故障零部件进行样品分析，可以借助一些工具和设备，如金相显微镜、扫描电子显微镜等。
最后，进行实验验证，模拟故障条件和工作状态，以证实故障原因。
四、机械零部件失效的预测方法机械零部件失效的预测是为了及时采取相应的保养和维护措施，以延长机械设备的使用寿命和提高可靠性。
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• 韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段较长，
裂纹的扩展与塑性变形同时进行， 故有明显的塑性变形，断裂慢。
• 脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，
故无明显塑性变形，断裂快。
韧性
材料在塑性变形和断裂过程中吸收能 量的能力，是材料强度和塑性的综合 表现。
强度 σb, σs
五大力学 性能指标
塑性 δ,ψ
韧性 Ak/ak
实际材料中是存在微裂纹及各种冶金 缺陷的，而其中裂纹是最危险的一类缺陷， 因此有必要研究带裂纹体的问题。
断裂力学
应力强度因子
断裂力学研 究表明：裂 纹尖端的应 力应变场可
用物理量Ｋ
来表征。
σx , σy , τxy εx , εy , γxy
• 1999年1月4日晚6时50分左右，彩虹桥整体垮塌，
包括18名年轻武警战士在内的40人遇难。
• 调查组认为，这次垮塌事件由两方面的原因造
成。一是工程质量问题；二是工程承发包不合 法。调查结果表明，这次惨剧不是天灾，而是 人祸。其根本原因，是由于政府在工程开发建 设上没有遵循法律，履行必要的审核、论证程 序，采取了“特事特办”的方式，盲目追求效 率营造“献礼工程”，从而酿成大祸。
单位：MPa·m 1/2 或者 MN ·m-3/2
断裂判据
KI < KIC KI > KIC KI ＝ KIC
构件安全 构件发生脆性断裂 构件发生低应力脆性断裂的临界条件
应用
① 已知应力，材料，确定结构安全的
最大裂纹长度
ac
K IC
Y
2
② 已知裂纹长度，材料，确定结构安全的
最大应力
c
K IC Ya
赵祥忠 男，原重庆市市政工程质量监督站站长，因工程 重大安全事故罪，被判处有期徒刑5年，并处以罚金2万元。
贺际慎 女，原綦江县人大常委会副主任，因玩忽职守罪， 被判处有期徒刑3年。
费上利 男，“虹桥”工程组织承建者，因工程重大安全 事故罪，被判处有期徒刑10年，并处罚金50万元。
此外，李蒙泽、孙立、段浩、夏福利、阎珂、刘泽均、胡 开明、王远凯等人，及重庆通用工业技术服务部，因重大工程 重大安全事故罪、玩忽职守罪、生产销售不符合安全标准的产 品罪等罪名，被判处6年至10年的有期徒刑，并处以3万至25万 元罚金。
第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂
一、基本概念
• 静载荷和冲击载荷 • 断裂：材料在外力作用下分为两
个或者两个以上部分的现象。
• 断裂的分类
力学 宏观 微观
正断
切断
Байду номын сангаас韧断
脆断
微孔聚合 解理 晶间 晶内
綦江彩虹桥垮塌案
• “虹桥”系綦江县形象工程，形似彩虹而得名，
该桥跨越长江支流—綦河，连接城东城西，于 1994年11月5日动工建设，1996年2月16日竣工， 桥净空跨度120米，耗资368万元。
张开型裂纹 I型
滑移型裂纹 II型
撕裂型裂纹 III型
σ
KI Y a
Ｙ: 几何形状因子，
Y＝1～2；
2a
σ: 工作应力；
a : 裂纹半长度。
σ
研 扩究展表，明零：件当是安KI较全小的时；，当裂KI纹达不到会一 个临界值时，裂纹才会扩展，这 个临界值KIC是材料的性质。
断裂韧度
断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断 裂的力学性能指标，指的是材料抵抗 裂纹失稳扩展的能力。
材料力学知识
零件受外力作用时，
其内部各点的应力
状态可用三个主应 力 σ1 、 σ2 、 σ3 来 （ σ1> σ2 > σ3）来 表示。
m ax 1 ( 2 3 )
max
1
2
3
max max
α：应力状态软性系数，零件加载方式由α表示。
τmax
侧压 α>2
单向压 α＝2
τk
• 韧性越好，脆断倾向越小； • 力学性能指标：
冲击韧性 断裂韧性
二、冲击韧性
材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断 裂功的能力。是材料强度和塑性的综合 表现。
衡量指标：冲击吸收功 Ak 冲击韧度 ak (ak＝ Ak/Fk )
Ak mg(hh)
冲击韧性的应用
工程中常将材料的屈服强度与冲 击韧性结合在一起用于零件及结构的 设计。
③ 已知应力，裂纹长度，确定结构
安全的材料
KI Y aKIC
断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭 的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型 发电机转子等大型零件的重要性能指标。
四、影响脆性断裂的因素
• 加载方式 • 材料本质 • 温度和加载速度 • 应力集中 • 零件尺寸
（一）加载方式和材料本质
Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越好。
性能A指k标是。对γ材钢料韧的性成最分高和，无组明织显敏的感T的k
力学 ，低
温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有
明最差显，的即Tk使，室低温温韧韧性性好差很；低高。强度M钢韧性
三、断裂韧性
传统的零件及结构设计是基于“材料 是一个连续均质的整体”假设之上的，为 防止脆性断裂，除强度要求之外，还加上 了材料的塑性和韧性指标。
解理型断口
微孔聚合型断口
晶间断裂
晶内断裂
断裂过程
• 裂纹形成（萌生）阶段 • 裂纹扩展阶段
裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹 或以内部缺陷作为裂纹源。
裂纹扩展：微裂纹或裂纹源逐渐扩展至一临界 尺寸时，立即发生断裂。前者段 称裂纹亚稳扩展阶段，后者称裂 纹失稳扩展阶段。
裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展 阻力大，da/dt较小；
綦江彩虹桥垮塌案例
1999年3、4月，重庆第一中级人民法院对“綦江彩虹桥垮 塌案”14名责任被告人进行一审宣判。其中10人不服，并上诉。 同年12月，重庆市高院作出终审判决。
林世元 男，原綦江县委员会副书记，因受贿罪、玩忽职 守罪，被高级人民法院终审判处死刑，缓期2年执行。
张基碧 男，原綦江县城乡建设管理委员会主任，因玩忽 职守罪，被判处有期徒刑6年。
焊接结构设计中，除了强度的要 求外，规定焊接接头冲击吸收功
Ak > 27J
-59℃ -12℃ 4℃ 16℃ 24℃ 79℃
低强度铁素体钢冲击断口照片
系列冲击试验
奥氏体钢 低强度铁素体钢
冲击吸收功 Ak
高强度钢
Tk
温度 T
温度对材料的韧性影响很大，材料由
韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆
转变温度，Tk。
扭转 α＝0.8
单向拉 α＝0.5
τs σk
三向不等拉 α<0.5
σmax
加载方式不同，断裂方式不同