机械零件失效分析

第一章

失效：产品丧失其规定功能的现象。

常见失效形式：有变形、断裂、损伤失效。

失效分析：研究机械装备的失效诊断、失效预测和失效预防的理论、技术、方法及其工程应用的一门学科。(综合性、实用性）

引起失效的因素是复杂的，归纳为两个方面：

材料因素：内因，包括材料品质及加工工艺方面的各种因素；

环境因素：外因，包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。

产品的失效都是在材料或零件的强度(韧性)与应力因素和环境条件不相适应的条件下发生的。失效总是从产品对服役条件最不适应的环节开始的，而且失效产品或零件的残骸上必然会保留有失效过程的信息。

产品的可靠度：

产品在规定的条件下和规定的时间内满意地完成规定功能的概率。

四个含义：即功能、时间、使用条件和满意地完成规定功能的概率。

第二章

按失效的宏观特征作为一级失效形式分类，分为变形失效、断裂失效和表面损伤失效。机械零件失效原因概述

1.服役条件---受力状况（载荷类型、载荷性质、应力状态）和环境（介质和温度）

2.材料因素

3.设计和工艺因素

4.使用和维修

α越大，应力状态越软，易引起塑性变形

硬性应力状态：α<1

α越小，应力状态越硬，易引起脆性断裂

第三章 P25+P69

常见失效形式（11种）：过量弹性变形失效、屈服失效（塑性变形失效）、塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、腐蚀失效、应力腐蚀失效、氢脆失效、腐蚀疲劳失效、磨损失效、蠕变失效。

脆性断裂失效：构件在断裂前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂形式。断裂应力低于材料屈服强度，因此称为低应力脆断。工作条件: 高速、高压、高温和低温导致材料的服役条件越来越苛刻。

低温脆性断裂主要发生于体心立方和密排六方金属材料中，这些材料称为低温脆性材料，低碳钢是其典型代表。

脆性断裂特征：

(1)断裂部位在宏观上几乎看不出或者完全没有塑性变形，碎块断口可以拼合复原。

(2)起裂部位常在变截面处即应力集中部位，或者存在表面缺陷或内部缺陷处。

(3)形成平断口，断口平面与主应力方向垂直。

(4)断口呈细瓷状，较光亮，对着光线转动，可看到闪光刻面，无剪切唇。

(5)断裂常发生于低温条件下，或受冲击载荷作用时。

(6)断裂过程瞬间完成，无预兆。

金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。疲劳断裂特点

⑴疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。

⑵疲劳断裂是突然断裂，即脆性断裂。断裂前没有明显的征兆，疲劳是一种潜在的突发性断裂。

⑶对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。

典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。

疲劳裂纹有贝纹线，贝纹线是以疲劳源为圆心的一簇同心圆弧；间距不同，近源者密，远源者疏。贝纹线的宽窄不同。与过载程度、材质有关，过载大、韧性差的线粗而不明显。贝纹线和疲劳辉纹的区别：

◆形成原因不同。

贝纹线是交变应力的频率、幅度变化或载荷停歇等原因造成的。

疲劳辉纹是一次交变应力循环使裂纹尖端塑性钝化形成的。

◆二者可以同时出现，也可以不同时出现。

有时在宏观断口上看不到贝纹线；

在电子显微镜下也不一定看到疲劳辉纹。

氢脆失效的类型及特征

1.白点：又称发裂，是由于钢中存在的过量的氢造成的。

2.氢蚀：如果氢与钢中的碳发生反应，生成CH4气体，也可以在钢中形成高压，并导致钢材塑性降低，这种现象称为氢蚀。

3.氢化物致脆：在纯钛、α－钛合金、钒、锆、铌及其合金中，氢易形成氢化物，使塑性、韧性降低，产生脆化。

4. 氢致延滞断裂

由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。这类氢脆是目前工程上所说的大多数氢脆。

防止氢脆的措施

1. 环境因素，设法切断氢进入金属内的途径

2．力学因素，在机件设计和加工过程中应避免各种产生残余拉应力的因素。

3．材料因素，含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中服役的高强度钢的强度应有所限制。

磨损失效：由磨损导致的功能丧失。

磨损：相互接触并作相对运动的物体由于机械、物理和化学作用，物体表面形状、尺寸或质量发生变化的过程。

分类：氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、接触磨损、微动损伤。

蠕变失效：金属零件在应力和高温的长期作用下，缓慢产生永久变形而导致的失效。

第四章 P81

故障树是表示事件因果关系的树状逻辑图

故障树分析(F T A)就是以故障树(F T)为模型对系统进行可靠性分析的方法。

如何建立故障树：

1．熟悉系统在建树之前，应该对所分析的系统进行深入的了解。为此，需要广泛收集有关系统的设计、运行、流程图、设备技术规范等技术文件和资料，并进行仔细的分析研究。2．选择和确定顶事件通常把最不希望发生的系统故障状态作为顶事件。它可以是借鉴其他类似系统发生过的重大故障事件，也可是指定的事件。任何需要分析的系统故障事件都可作为顶事件。但顶事件必须有明确的含义，而且一定是可以分解的。

3．定义故障树的边界条件即要对系统的某些组成部分(部件、子系统)的状态、环境条件等作出合理的假设。

第五章

T型法则：

如果零件上有一条裂纹与另一条裂纹相遇或垂直的情况，因为在同一零件上，后来产生的裂纹不可能穿越原有裂纹而扩展，所以这条裂纹是晚生的。

金属断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇

主裂纹与裂纹源区位置的确定

裂纹的走向与主应力垂直(即所谓的裂纹走向的应力原则)；

且总是希望沿最小阻力路线——即材料的薄弱环节(或缺陷)处扩展(即所谓裂纹走向的强度原则)；

而实际裂纹走向就是这两个因素综合作用的结果。

第六章 P126+P128