零件的失效形式
机械零件失效形式及诊断
同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得
c =1564.5MPa（工作应力，960MPa）。
在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关 键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地追求高 强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易 促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。
19
失效分析本章总结失效形式的分类失效形式的分类重点掌握重点掌握零件的服役条件零件的服役条件重点掌握重点掌握设计制造因素设计制造因素使用维修因素使用维修因素失效的宏观形态失效的诱发原因产品的使用过程失效机理失效等级评定受力状况工作环境修复替代衰老损伤器官成为医学界的重点研究领域再生医学研究和应用成为治疗许多传统医学难以解决的重大疾病如白血病帕金森氏症的新希望
根据题意 传动轴的转速 n=2100/2.81=747.3 r/min ， 传动轴的功率 N=50 kW 得： 传动轴的扭矩Ｍn：
50 3 M 9550 10 n 2100 747 . 3
传动轴的抗扭截面系数Wp：
传动轴的最大剪切应力max：
W p
max
3 d3 35
章机械零件失效形 式
及诊断
2010.10.28
主要内容
2.1 失效分类及诊断 2.2 机械零件失效原因概述
失效分析
失效分析
大型汽轮机 转子
失效分析
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
失效分析
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
失效分析
叶片击穿厂房
失效分析
抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）
静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程 中最为关注的基本失效模式。
失效分析
2.5.3 平面拉应力
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。
第一章机械零件失效的模式及其机理
第一章机械零件失效的模式与其机理在设备使用过程中，机械零件由于设计、材料、工艺与装配等各种原因，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、变形、断裂等；而失效机理是指失效的物理、化学、机械等变化的过程和内在原因的实质。
第一节机械零件的磨损通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。
一、粘着磨损当构成摩擦副的两个摩擦外表相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触外表的材料从一个外表转移到另一个外表所引起的磨损称为粘着磨损。
粘着磨损又称粘附磨损。
二、磨料磨损磨料磨损又称磨粒磨损。
它是当摩擦副的接触外表之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。
磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。
其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量损耗。
三、疲劳磨损疲劳磨损是摩擦外表材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和别离出微片或颗粒的一种磨损。
四、腐蚀磨损在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反响或电化学反响，引起金属外表的腐蚀产物剥落，这种现象称为腐蚀磨损。
它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。
它是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质条件下。
按腐蚀介质的不同类型，腐蚀磨损可分为氧化磨损和特殊介质下腐蚀磨损两大类。
五、微动磨损两个接触外表由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。
它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被无视。
微动磨损的最大特点是：在外界变动载荷作用下，产生振幅很小〔一般为2－20微米〕的相对运动，由此发生摩擦磨损。
机械零件的失效形式
抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限
零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足
抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
强 调！ 金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变。
总 结
强度和塑性指标：屈服强度和塑性用于一般零件的抗断裂设计。
本节中所讲的材料的力学性能指标及应用
弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等
一、基本概念
01
02
03
04
05
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：韧性断裂和脆性断裂
断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展
韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。
韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌 韧性断口 脆性断口
二、冲击韧性及衡量指标
STEP5
第六节 零件在高温下的蠕变变形和 断裂失效
问 题 金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？ 什么是蠕变？ 评价金属材料高温力学性能指标有哪些？ 高温下零件的失效方式有哪些？如何防止？
一、材料在高温下的力学行为
二、评价材料高温力学性能指标
蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标成为蠕变极限。 表示方法（1）在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值 ，符号为 材料的强度随温度的升高而降抵。 高温下材料的强度随时间的延长而降抵。 高温下材料的变形量随时间的延长而增加。 蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。
02
03
问 题
第一节 零件在常温静载下的过量变形
一、材料的静载性能指标
01
刚度和强度指标
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。
零件失效的形式与原因-精选文档
于其表面相对运动而在承载表面上不断出现材料损失的过 程。”
据统计有75%的汽车零件由于磨损而报废。因此磨损 是引起汽车零件失效的主要原因之一。
一、摩擦学基础理论
• ⒈摩擦理论；
Evaluation only. eated with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. • ⒉摩擦分类；
变形 化学腐蚀、电化学腐蚀、 穴蚀 过量弹性变形、过量塑性 变形
湿式汽缸套外壁麻点、孔穴
曲轴弯曲、扭曲，基础件（汽缸体、 变速器壳、驱动桥壳）变形
老化
龟裂、变硬
橡胶轮胎、塑料器件
三、零件失效的基本原因
⒈工作条件 包括零件的受力状况和工作环境； Evaluation only. ⒉设计制造 eated with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0 设计不合理、选材不当、制造工艺不 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 当等； ⒊使用维修
形式只在某些特定条件下才会发生。
三、磨料磨损及其失效机理
定义：物体表面与硬质颗 • 磨料的来源； 粒或硬质凸出物（包括硬金属） 粒度为20μm～ 相互摩擦引起表面材料损失的 Evaluation only. 30 μm的尘埃将引起 现象称为磨料磨损；
eated with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0 曲轴轴颈、气缸表 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 面的严重磨损，而 在 各 类 磨 损 形 式 中 大 约 占 磨
汽车主要失效形式
汽车零件失效的五种形式：一、磨损：零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的现象称为磨损，它包括物理的、化学的、机械的、冶金的综合作用。
对于一个表面的磨损，可能是由于单独的磨损机理造成的，也可能是由于综合的磨损机理造成的。
磨损的发生将造成零件形状、尺寸及表面性质的变化，使零件的工作性能逐渐降低。
二、腐蚀：金属零件的腐蚀是指表面与周围介质起化学或电化学作用而发生的表面破坏现象。
腐蚀损伤总是从金属表面开始，然后或快或慢地往里深入，并使表面的外形发生变化，出现不规则形状的凹洞、斑点等破坏区域。
腐蚀的结果使金属表面产生新物质，时间长久将导致零件被破坏。
三、穴蚀：穴蚀是一种比较复杂的破坏现象，它是机械、化学、电化学等共同作用的结果。
当液体中含有杂质或磨料时会加速破坏过程。
穴蚀常发生在柴油机缸套的外壁、水泵零件、水轮机叶片、液压泵等处。
四、断裂断裂是零件在机械力、热、磁、声响、腐蚀等单独或联合作用下，发生局部开裂或分成几部分的现象。
断裂是零件破坏的重要原因致意，它是金属材料在不同情况下，当局部裂纹发展到零件裂缝尺寸时，剩余截面所承受的外载荷超过其强度极限而导致的完全断裂。
断裂是零件使用过程中的一种最危险的破坏形式。
断裂往往会造成重大事故，产生严重后果。
五、变形多年的维修实践证实，虽然将磨损的零件进行修复，恢复了原来的尺寸、形状和配合性质，但装配皇后仍达不到预期的效果。
出现这种情况，通常是由于零件变形，特别是基础零件变形，使零部件之间的相互位置精度遭到破坏，影响了各组成零件之间的相互关系。
在高科技迅速发展的今天，变形问题将越来越突出，它已成为维修质量低、大修周期短的一个重要原因。
汽车各类易损件：一、发动损件：（1）气缸体：除气缸正常磨损可进行镗磨加大尺寸予以修理外，在冬季因缸体未放尽积水被冻裂，运行中因气缸缺少冷缺冷却水被过热膨胀裂缝漏水，以及在行车事故中被碰撞损坏和孔孔径数次镗销扩大至极限。
（2）气缸套：常见故障有缸孔自然磨损、外径压配不当漏水（湿式缸套）、缸壁因敲缸损伤，或在突发情况下如连杆螺栓松脱被连杆击穿等。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
新疆大学专用 作者： 潘存云教授
变应力: σ随时间变化
2
max min
应力幅: a
σ
max min
2
变应力的循环特性: -1 ----对称循环变应力 ----脉动循环变应力 r min = 0 max +1 ----静应力
σ σmax T
静应力是变应力的特例
σ=常数 o σ σmax σa σmin σm σa t t
[ ] [ ]
其中
[ ] S lim [ ] S
lim
[σ]=、[τ]-----许用应力
新疆大学专用
S-----安全系数
作者： 潘存云教授
σlim、τ lim -----极限应力，由实验方法测定。
一、应力的种类 静应力: σ =常数 平均应力: m
机械设计应满足的要求： 在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本 低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修 简单和造型美观等。 机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。 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。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上 又称为：承载能力。 断裂或塑性变形; 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带 传动等。机械零件虽然有多种可能的 失效形式，归纳起来最主要的为 过大的弹性变形; 零件的失效形式: 工作表面的过度磨损或损伤; 发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。
k S
当应力是脉动循环变化时，许用应力为：[ 0 ]
0
k S
σ 0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上 各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命” ，
有限寿命时，用σ
新疆大学专用
-1N代入得：
[ 1 ]
1 m N0
k S N
作者： 潘存云教授
m m 当N<N0 时, 有近似公式： 1N N 1N0 C
对应于N 的弯曲疲劳极限： 1N 1
新疆大学专用
m
N0 N
作者： 潘存云教授
2、许用应力 在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同 时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸 和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸 系数ε σ 和表面状态系数β 等。 1 当应力是对称循环变化时，许用应力为：[ 1 ]
新疆大学专用 作者： 潘存云教授
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件 强度条件：计算应力<许用应力； 刚度条件：变形量<许用变形量； 防止失效的判定条件是： 计算量<许用量 ----工作能力计算准则。 机械零件设计的步骤： 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 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用
σaபைடு நூலகம்
σa
σ
r =+1
σmax σa σa σmin 对称循环变应力 r =- 1
σmin σm
o
循环变应力
新疆大学专用
t o
to
脉动循环变应力 r =0
作者： 潘存云教授
二、静应力下的许用应力 静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形 塑性材料，取屈服极限σS [ ] s S 作为极限应力,许用应力为： B 脆性材料：取强度极限σB [ ] S 作为极限应力,许用应力为： 三、变应力下的许用应力 变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂 具有以下特征： 1) 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低; 不管脆性材料或塑性材料， 2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂; 3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是
第9章 机械零件设计概论
§9－1 机械零件设计概论
§9－2 机械零件的强度
§9－3 机械零件的接触强度 §9－4 机械零件的耐磨性 §9－5 机械制造常用材料及其选择 §9－6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 §9－7 机械零件的工艺性及标准化
新疆大学专用 作者： 潘存云教授
§9－1 机械零件设计概论
的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。
作者： 潘存云教授
新疆大学专用
§9－2 机械零件的强度
名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。 然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入 名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。 载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。 计算应力-----按名义载荷计算所得之应力： σ、τ 强度判 定条件：
四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 S↑ → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。 典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取： 1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2～１.5 铸钢件：S =1.５～２.5 ２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =3～4 3）变应力下， S =1.3～1.7 材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7～2.5
1、疲劳曲线 应力σ与应力循环次数N 之间 的关系曲线称为：疲劳曲线
由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试 验表明，当 N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循 环时试件将不会断裂。
σ
σ-1N
O N
σ-1
N0 N
当N>N0 时, 试件将不会断裂。
N0 ----循环基数 N0 对应的应力称为：疲劳极限 用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。