机械零部件失效机理与分析
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<1α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。
机械零件失效形式及诊断
r = 0
r = -
- r -1
0 r 1
应力状态
对称弯曲
脉动弯曲
脉动压缩
不对称
不对称
失效分析
二、疲劳失效特征只有在交变应力作用下，疲劳才会发生。破坏起源于高应力、高应变局部。疲劳损伤的结果是形成裂纹。疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程。
失效分析
三、交变应力下材料的抗力指标及性质（1）疲劳抗力材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力。（2）疲劳抗力指标及性质 a 疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力r，称该材料的疲劳极限。 b 条件疲劳极限（疲劳强度） 对于铝合金等有色金属及在高温和腐蚀条件下工作的黑色金属，无疲劳极限，其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限表示。一般规定，承受大于5×107～5×108次应力循环而不破坏的最大应力称该材料的条件疲劳极限。
纯剪切应力状态
对于塑性材料
对于脆性材料
对于塑性材料
对于脆性材料
复杂应力状态
失效分析
《失效分析基础与应用》孙智 机械工业出版社2.5 应力分析与失效分析
失效分析
2.5.2 单向拉（压）应力
在生产实际中，受拉（压）应力的构件是多种多样的，如连杆、螺栓、钢丝绳等。1、评定单向应力的指标（1）数学表达式 对于脆性材料 对于塑性材料（2）安全系数 2、提高材料强韧性能的措施（1）零件承受拉应力，并且在整个截面上的分布是均匀的，此时，在选材和确定热处理工艺时，应当根据零件的截面大小，确保零件内部完全淬；（2）防止氧化、脱碳、过热、过烧等一切降低材料性能的缺陷发生。
失效分析
按失效的诱发原因
机械力——弹性变形，塑性变形，断裂，疲劳，剥落热应力——蠕变，热松弛，热冲击，热疲劳，蠕变疲劳摩擦力——粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，冲击磨损，微动磨损，咬合活性介质——化学腐蚀，电化学腐蚀，应力腐蚀，腐蚀疲劳，生物腐蚀，辐照腐蚀，氢致损伤
机械零件的失效与分析
第11章 机械零件的失效与分析 教学提示：机械零件的失效是指其服役期内因受到损伤而使机器低效工作或提前退役的现象。
失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施和引出机械零件选材原则。
教学要求：本章让学生在学习了机械零件失效形式的基础上，通过比较和综合分析各种失效原因，掌握机械零件选材应考虑的主要问题，并通过对各种机械零件常用材料的分析和课堂讨论，进一步熟悉和掌握针对不同应用场合选择机械零件材料的一般原则和方法。
11.1 机械零件的失效与分析失效是机械或机械零件在使用过程中，由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件不能完成指定功能，或机械构件丧失了原设计功能的现象。
机械零件的失效是其服役期内因受到损伤而使机器低效工作或提前退役的现象。
零件具有以下表现均可视为失效：完全破坏而不能工作；虽然能工作但达不到预定的功能；损坏不严重，但继续工作不安全。
常见的失效形式可分为下列三种：变形失效、破断或断裂失效、表面损伤引起的失效。
失效分析的目的是找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施。
零件的损坏往往会带来严重的后果，因此对零件的可靠性将提出越来越高的要求。
此外，从经济性考虑，也要求不断提高零件的寿命。
所以机械或机械零件的失效分析将越来越重要。
失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工以及使用，都有重要的指导意义。
11.1.1 机械零件的失效形式零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因而造成零件的不同失效形式。
零件的失效形式有断裂、过量变形和表面损伤三大类型。
1. 断裂断裂是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象，它是金属构件常见的失效形式之一。
断裂是一种严重的失效形式，它不但使零件失效，有时还会导致严重的人身和设备事故。
断裂可分为韧性断裂、低温脆性断裂和疲劳断裂以及蠕变断裂等几种形式。
当零件在外载荷作用下，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限或断裂强度，将发生前两种断裂；当零件在循环交变应力作用下，工作时间较长的零件，最易发生疲劳断裂，此为机械零件的主要失效形式。
机械结构的材料失效及破坏机理分析
机械结构的材料失效及破坏机理分析一、引言机械结构在各个领域中扮演着重要的角色，它们被广泛应用于航空、航天、建筑等行业。
然而，由于长期运行和受力环境的原因，机械结构中的材料可能会出现失效和破坏。
本文将对机械结构材料失效和破坏的机理进行分析。
二、应力与应变在开始讨论材料失效和破坏机理之前，我们首先需要了解应力和应变的概念。
应力是指物体单位面积上的内部力，而应变是指物体由于受到外力作用而发生的形变。
应力和应变是机械结构材料失效的重要参数。
三、材料失效的类型1. 疲劳失效疲劳失效是机械结构材料在受到交变应力或周期性应力作用下出现的失效现象。
长期受到应力循环的作用，材料内部会产生微小的裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐扩展，并最终导致材料的破坏。
2. 塑性失效塑性失效是指在材料的受力过程中，材料发生可逆的塑性形变。
当受到应力超过其强度极限时，材料会发生塑性流动，产生永久性形变，导致失效。
3. 强度失效强度失效是指在材料所承受的应力超过其抗拉或抗压极限时，材料发生破坏。
这种失效主要发生在承载能力和刚度较低的部分。
四、材料失效的机理1. 裂纹扩展裂纹扩展是机械结构材料失效的常见机理之一。
它可以由各种因素引起，如疲劳、应力集中等。
一旦裂纹形成并扩展，它会进一步削弱材料的强度，最终导致破坏。
2. 塑性变形塑性变形是材料失效的另一个重要机理。
当材料受到应力时，它可能会发生塑性流动，导致材料的形状和结构发生变化。
如果塑性变形过大或超出材料的承载能力，就会导致失效。
3. 疲劳破坏疲劳破坏是由于机械结构材料长期受到应力循环的作用引起的。
在应力循环的作用下，材料内部会出现微小的裂纹，随着应力的循环作用，裂纹逐渐扩展，最终导致材料的破坏。
五、材料失效的预防和改善措施1. 优化设计在机械结构的设计中，应该尽量避免应力集中，减小边缘效应，合理选择材料和结构形式，以提高机械结构的强度和耐久性。
2. 疲劳寿命评估通过对材料的疲劳寿命进行评估和预测，可以提前采取相应措施，延长机械结构的使用寿命。
机械零件的失效分析(ppt 72页)
断裂的整个过程可分为裂纹亚稳扩展阶段和失稳扩展 阶段。
裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界裂纹长 度的过程。在这一阶段裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢。
裂纹失稳扩展阶段：裂纹达到临界裂纹长度后的扩展 阶段。在这一阶段裂纹扩展阻力小，扩展速度很快。
对于脆性断裂，裂纹形成后很快达到临界长度，几乎 不经历裂纹亚稳扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹 扩展速度极快，所以脆性断裂前无明显塑性变形。
（或切变模量G）越高，零件的弹性变形愈小，则刚度
愈好。
3. 防止措施 选用弹性模量E高的材料。
增大零件的横截面积A。
4. 各种材料的弹性模量
弹性模量以陶瓷材料最高，钢铁材料次之，有色金 属材料再次之，高分子材料最低。
弹性模量E（或切变模量G）主要取决于材料中原 子本性和原子间结合力。熔点高低可以反映原子间结合 力强弱，通常材料的熔点越高，其弹性模量也越高。另 外，弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低。
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 Corrosion
第一节 零件在常温静载下的过量变形
一、工程材料在静拉伸时的应力－应变行为 1. 低碳钢的应力－应变行为
OA: 弹性变形 ABC: 屈服 CDE: 塑性变形 E: 断裂
退火态低碳钢的应力－应变曲线
p : 比例极限 e : 弹性极限
s :屈服强度 b :抗拉强度 k :断裂强度
2. 其他类型材料的应力应变行为
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
《机械设计原理》零件失效与失效类型
1) 干摩擦
干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净材
料表面间的摩擦。
工程实际中并不存在干摩擦。通常是将未经人为润滑的摩擦状态 当作干摩擦处理。干摩擦时摩擦阻力很大，磨损严重，应避免。
干摩擦时金属间的摩擦系数 f ≈ 0.3 ~ 1.5。
2) 边界摩擦
边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性 质取决于边界膜和表面的吸附性能。
失效不仅会给人们带来巨大的直接 经济损失、同时也会造成惊人的间接 经济损失。所谓间接经济损失，主要 包括：
❖ （1）由于失效迫使企业停产或减产所造成 的损失（云天化的甲醛预热器开裂，损失 近亿元）；
❖ （2）引起其他企业停产或减产的损失；
❖ （3）影响企业的信誉和市场竞争能力所造 成的损失。
零件失效的模式及其失效机理
失效导致严重事故:
据美国1982年统计，因机械零件 断裂、腐蚀和磨损失效，每年造 成的经济损失达3400亿美元，其 中断裂失效造成的损失约为1190
亿美元（占1/3）。
1980年3月27日，北海的石 油钻探船Alexander Kielland号， 由于连接五条立柱的水平横梁发 生腐蚀疲劳断裂而完全倾覆，损
采取润滑是控制摩擦、减少磨损的最有效方法。
此外，在有些场合则需增大摩擦，但同时仍应减小磨损。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)这一新 兴学科。
1. 摩擦的分类
内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。 静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。 根据摩擦面间摩擦状态的不同，滑动摩擦可分为 4 种状态：
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
如何认识失效和分析失效
如何认识失效和分析失效1.失效概述1.1失效定义一个机械系统由若干零件、若干部件或构件以及附属装置构成，系统、机器、部件或零件丧失规定功能的现象就称为失效。
失效会导致设备发生故障，使系统丧失功能，严重的会造成人员伤亡或其他损失的重大事故。
1.2失效分类失效按程度可分为轻微失效、中度失效和严重事故三类，轻微失效包括变形、磨损、轻微腐蚀等，中度失效包括断裂、应力腐蚀开裂、氢脆等，严重事故则包括设备失控和爆炸等。
每年因失效引起的事故在世界范围内非常多，具有频发性。
1.3失效机理导致失效的物理、化学、热力学或其他变化过程称为失效机理，微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早要表现出一系列的宏观（外在）性能、性质的变化，如强度、疲劳、腐蚀、蠕变和磨损等。
造成失效的外部因素包括载荷、介质、温度、环境等，载荷可分为静载荷、动载荷、偶然载荷、交变载荷等，介质则包括腐蚀和应力腐蚀，环境包括辐射、大气、海洋等。
它们通过系统、子系统（机器、部件）、元素（零件）而发挥作用，使机械系统失效。
1.4失效形式失效的形式主要包括变形失效、断裂失效、磨损失效和腐蚀失效，变形失效又包括弹性变形失效和塑性变形失效，断裂失效包括韧性断裂失效、脆性断裂失效和疲劳断裂失效，腐蚀失效则包括均匀腐蚀失效和局部腐蚀失效。
1.5失效原因失效发生在某种特定原因下，不管它们是否可预见，大多数是与用户的特定操作相关的。
失效主要来自于制造商对用户需求和期望的忽视、设计不当、物料选择与管理不当或物料组合不当、材料缺陷、制造或组装工艺不当、缺乏适当的技术、用户使用不当和产品质量失控等。
1.6失效危害系统、零部件的失效会带来人员伤亡和直接巨大的经济损失。
同时失效也会造成惊人的间接经济损失。
所谓间接的经济损失，主要包括由于失效迫使企业停产或减产所造成的损失；引起其他企业停产或减产的损失；影响企业的信誉和市场竞争力所造成的损失等。
由于设备失效引起企业及与其相关的其他企业停产而造成的损失，往往难于精确计算，实际的损失可能比估算的数字还要大。
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机械零部件失效机理与分析
引言
机械零部件是构成机械设备重要组成部分，其失效可能导致设备无法正常运行，给生产和工作带来不利影响。
因此，理解机械零部件失效的机理并能进行合理的分析和预防措施对于保障设备的稳定运行至关重要。
本文将探讨机械零部件失效的机理和分析方法。
一、机械零部件失效的机理
机械零部件失效的机理主要包括以下几个方面。
1.疲劳失效
在机械装置中，通常会不断受到交变的载荷作用，使得零部件产生应力和应变
的变化。
长时间内反复交替的应力作用会导致疲劳失效。
疲劳裂纹的产生和扩展是疲劳失效的重要原因。
2.磨损失效
磨损失效是机械零部件常见的一种失效形式，主要包括磨粒磨损、磨磨损和疲
劳磨损等。
机械零部件由于长时间的摩擦会出现表面变得粗糙，导致零部件之间的相互接触面积增大，从而加速磨损过程。
3.材料腐蚀
机械零部件在工作过程中，可能会受到一些介质的侵蚀，导致材料表面的腐蚀
和损害。
腐蚀会使材料表面产生裂纹和孔隙，降低其强度和耐久性，最终导致失效。
4.过载失效
过载失效是指机械零部件在超出其正常工作范围的载荷作用下发生力学性能的突然变化，从而导致零部件失常甚至破裂。
过载失效通常发生在突发事件或设计错误等情况下。
二、机械零部件失效的分析
为了准确分析机械零部件失效的原因，可以采取以下方法。
1.外观检查
首先进行外观检查，检查零部件的外观是否有裂纹、变形或腐蚀等情况。
通过观察表面痕迹和形貌，可以初步判断零部件可能的失效原因。
2.材料分析
通过对零部件材料的成分分析和显微组织观察，可以判断材料的性能是否符合要求，是否有明显的缺陷或异物存在。
这对于进一步了解零部件失效的原因非常重要。
3.断裂分析
如果零部件发生断裂，可以进行断裂分析，分析其断口的形貌和特征。
通过断口分析，可以了解断裂发生的形式，如韧性断裂、脆性断裂等，从而进一步判断失效原因。
4.力学性能测试
针对机械零部件的失效，可以通过力学性能测试来检测零部件的强度、硬度和韧性等参数。
通过与设计要求进行对比，可以判断零部件是否满足工作要求，从而找出失效的原因。
结论
机械零部件失效的机理和分析方法对于设备的正常运行至关重要。
疲劳失效、磨损失效、材料腐蚀和过载失效等都是造成机械零部件失效的重要因素。
通过外观检查、材料分析、断裂分析和力学性能测试等方法可以进行详细的失效分析。
在实际工作中，我们需要根据具体情况，采取相应的技术手段来解决零部件失效问题，以保障设备的正常运行。