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。
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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
对象：薄壁压力容器 1．应力状态 轴向应力：
pd σe 4t
切向应力：
pd σt 2t
t 2e
失效分析
2.制造时应注意的问题
用钢板(热轧态)制作这类容器时，使钢板的轧制方向承受 较大的应力
在拼焊压力容器时，特别注意沿轴向的焊缝质量
切向应力为轴向2倍，且与轴向焊缝垂直 焊缝处热影响区的强度较低 焊缝处的应力集中
材料的失效形式和应力状态
• 脆断：断裂前无明显宏观塑性变形。 • 剪断：沿最大剪应力方向发生的断裂。 • 屈服：经过一定的塑性变形后发生的断裂。
性能指标
• 屈服强度、抗剪强度、断裂韧性
失效分析
2）应力状态对塑性变形的影响 切应力——塑性变形、切断 应力 正应力——脆性断裂 正断一定是脆性断裂？ 应力状态柔度系数（软性系数）
τ max α＝ S max
软性应力状态：α >1 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
失效分析
失效分析
失效分析
单向应力状态
max [ ] max
n [ ] n
s s b b
对于塑性材料 对于脆性材料
全淬透——表层拉应力，心部压应力
失效分析
3．失效分析 断裂
形式：脆断和疲劳断裂 裂纹源：应力集中处、表面缺陷处及次表层夹杂物处 预防措施：减少应力集中，消除微观缺陷，防止零件 完全淬透
轴向裂纹
原因：材质；热处理时淬透性过大引起表面拉应力 预防措施：控制零件的淬硬层深度，并及时进行回火
浴盆曲线：设备故障率曲线 ，由产品的失效率λ 与其工作（使用）时
间t的曲线，因形似浴盆，故称为浴盆曲线 。
（1）早期失效期——“幼年期” （2）偶然失效期——“青壮年期”
（3）磨损失效期——“老年期”
失效分析
2.1失效分类及诊断 2.1.2失效形式的诊断 失效形式
一级失效形式 二级失效形式 三级失效形式
K Y a IC c
c
K IC Y a
根据裂纹形状和应力状态，查有关手册后可得与此有关的裂纹形状因子 数据，将有关数据代入后得 c =948.5MPa。 由此可见，零件最大承载能力为948.5MPa，低于实际的工作应力
960MPa，故发生断裂失效，又因其断裂时的应力小于材料的屈服极限，所
用中发生脆断，试分析原因。
分析一 按传统强度理论校核
2110 b n 2 . 2 b 960
1920 s n 2 . 0 s 960
结论：应是安全的 。
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失效分析
分析二 因为是高强度材料，还需进行断裂力学方面的校核。作为近似计 算，该裂纹认为是一个张开型的表面裂纹，其应力强度因子在临界条件 下，为
失效分析
3.失效分析
泄漏——韧性断裂
爆炸——脆性断裂
压力容器的防爆设计
保证先泄漏，不爆裂—— 临界裂纹ac必须大于容器壁厚 由
K a 1 c Y c
可得
1 K1c ac 2 Y
ac t 则先泄漏 ac t 则先爆破
2
则
失效分析
2.5.4 弯曲应力
对象：轴类零件及各种形式的梁等
纯剪切应力状态
max
max[]
复杂应力状态
max
s ns [ ] b nb
对于塑性材料
对于脆性材料
满足
max[] max[ ]
是否强度就没有问题了？
失效分析
max
《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
1.受力状况
载荷类型:
轴向载荷 弯曲载态:
载荷性质:
静载荷 冲击载荷 交变载荷 软性应力状态 硬性应力状态
失效分析
失效分析
失效分析
交变载荷
在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。 承受交变应力典型零件的应力循环特征
零件名称 轴 齿轮齿根 轴承 连杆 螺栓
变形量——脆性断裂、延性断裂 裂纹走向与晶粒组织的关系——沿晶断裂、穿晶断裂 断裂机制——微孔聚集型、(准)解理型、沿晶断裂、疲劳断裂 断口形貌——宏观和微观形貌 加工工艺和产品类别 断裂模式——过载、疲劳、材料脆性、环境诱发、混合断裂
表面损伤失效：磨损、腐蚀
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
（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
3、断裂分析 此类零件的断裂应首先区分是韧断还是脆断。 （１）韧断 a 首先按传统的强度理论进行强度校核，检查一下载荷是否估计不足， 即安全系数是否太小或者未予以考虑；
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 （2）安全系数 2、提高材料强韧性能的措施
[ ]
0 b
n n b
对于塑性材料
[ ] 0 s
n n s
失效分析
2.5.6 交变应力 一、交变应力
承受交变应力典型零件的应力循环特征
零件名称 轴 齿轮齿根 轴承 连杆 螺栓
应力变化
循环特征
应力性质
应力状态
对称循环
脉动循环
脉动循环
大压小拉
大拉小压
r =-1
对称弯曲
r=0
脉动弯曲
r = -
脉动压缩
- r -1
不对称
0r1
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。
1．应力状态
截面上的正应力呈线性分布，最大应力在构件的 最外层 应力分布表面大，中间小 三点弯曲试件： 中间截面上部受拉应力，下部受压应力 最大拉应力：
M σ＝ Wy
失效分析
2．选材及热处理特点
使零件从表层至3／4R(轴件半径)处的金属 层淬硬强化 心部不必淬硬 分析：
表面淬火——表层压应力，心部拉应力
以必然是脆性断裂。
结论：材料韧性不足，脆断。
19 失效分析
若将淬火低温回火改为调质处理，则得b =1540MPa，s =1440MPa， KIC =66.36 MPam-1/2，其结果：
1540 b n 1 . 6 b 960
n s
1440 s 1 . 5 960
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。
失效分析
解理型断口
微孔聚合型断口
晶间断裂
晶内断裂
失效分析
失效分析
2.1失效分类及诊断 2.1.1失效形式的分类
失效的宏观形态
变形失效 断裂失效 表面损伤失效 机械力 热应力 活性介质 摩擦力
失效的诱发原因
产品的使用过程
早期失效期 偶然失效期 磨损失效期
失效机理
失效分析
按失效的宏观形态 过量变形失效 断裂失效：
失效分析
例1 在汽车变速箱的传动系统中，变速箱的输入轴与发动机相连接，其转速 为2100r/min，输出轴与传动轮相联，输入轴、输出轴间的传动比为2.81：1， 传动轴的传递功率 50kW ，材料的许用剪切应力 [c]=60MPa ，该轴的直径为 35mm，在使用中发生韧断，试分析原因。
强度校核
失效分析
失效分析
2.1.2失效形式的诊断 失效形式的诊断
1.断裂失效形式诊断：
• 1）残骸分析 • 2）应力分析 • 3）失效模拟
2.磨损失效形式诊断：
• 1）磨损表面形貌和次表面 组织和性能 • 2）磨屑形貌、成分和组织 • 3）磨损系统中各参量的关 系和变化
失效分析
2.2 机械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役条件
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
失效分析
根据产品的使用过程
失效率：系统或部件在可能发生失效的某一段时间（通常为处于工作
状态的时间）内发生失效的次数。
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结论
Mn 75 .5 Wp 设计选择材料不当。
失效分析
例2 一台125MW的汽轮机组，转子轴的外径为464mm，中心孔径为70mm， 探伤发现距内孔表面82mm处，存在一个半径为6mm的圆片缺陷（大块非金 属夹杂物），转子用钢为CrMoV钢，其s =672MPa，KIC =1100 MPam-1/2， 此处的工作应力为 =375MPa。试问该转子轴是否有脆断的危险（能否继续 使用）？ 分析 塑性区的尺寸为
应力变化
循环特征
应力性质 应力状态
对称循环 r =-1 对称弯曲
脉动循环 r=0 脉动弯曲
脉动循环 r = - 脉动压缩
大压小拉 - r -1 不对称
大拉小压 0r1 不对称
循环特征
min r max
失效分析
2.2 机械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役条件 1.受力状况 1）应力状态
b 分析材料的组织状态，检查硬度，检查是否有氧化脱碳、淬火裂纹及 心部是否淬硬等；
c 如果上述问题不存在，应作化学成分分析。
（２）脆断
除作上述考虑外，尚需进行断裂韧性检查，主要分析微观裂缝的存 在对韧性的影响。
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失效分析
例
国产45Si2Mn高强度螺栓，在加工制造过程中，不可避免地存在着深为
a=0.5mm，半宽c=2.0mm的表面裂纹，其工作应力为 =960MPa。淬火并低温 回火后材料的强度 b =2110MPa，s =1920MPa，KIC=39.50MPam-1/2，在使
1 K 1 1100 IC x 0 . 85 s 672 s
2 2
临界条件下
2 K 1100 IC a 6 . 75 c 4 375 4 2
结论 实际裂缝半径尺寸a=6mm，而临界裂纹尺寸为6.75mm， 故此轴有脆断的危险。
失效分析
2.5.5 扭转应力
对象：传动轴、弹簧、凸轮轴、机床丝杠等 1．应力状态 垂直轴线的截面上只有切应力 Mn τ max 最外层的最大切应力 Wp 最大正应力与轴线呈45°角； 2．选材与热处理 选材：中碳钢或中碳合金钢 热处理 不要淬透 采用中温回火
Mn σmax τ max Wp
失效分析
3．失效分析
韧断 断口：齐平并与轴线垂直 原因：构件的最大切应力超过材料的抗剪强度 措施：降低回火温度。 脆断 断口：与轴线呈45°螺旋状 原因：最大正应力超过材料的正断强度 措施：适当提高回火温度 扭转角过大 原因：轴件的刚度不够引起 措施：淬火并进行高、中温回火的轴类零件，不必校核 断裂力学韧度；大型转子轴必须校核断裂力学韧度