机械零件的失效分析
机械零件失效形式及诊断
机械零件失效形式及诊断1. 引言机械零件是任何机械设备中最关键的组成部分之一。
随着机械设备的运行时间增加，零件的失效概率也会增加。
因此，了解机械零件的失效形式以及如何进行诊断对于设备的维护和保养至关重要。
本文将讨论常见的机械零件失效形式以及相应的诊断方法，希望能给读者提供一些有益的知识和实用的技巧。
2. 机械零件失效形式2.1 磨损失效磨损是机械设备常见的失效形式之一。
机械零件在长时间的摩擦和磨损中会出现磨损现象，导致零件尺寸变小、表面质量下降等问题。
常见的磨损形式包括表面磨损、疲劳磨损和焊接磨损等。
2.2 塑性变形失效塑性变形是指机械零件在受外力作用下发生塑性变形，导致零件形状和尺寸的永久性变化。
塑性变形常见的形式有弯曲、扭转和压扁等。
2.3 断裂失效断裂是机械设备中最严重的失效形式之一。
机械零件在受到较大的外力作用下可能会发生断裂，导致机械设备无法正常工作。
常见的断裂形式包括静态断裂、疲劳断裂和韧性断裂等。
2.4 腐蚀失效腐蚀是指机械零件在介质中受到化学反应导致金属表面发生腐蚀破坏的现象。
腐蚀会导致机械零件的表面质量下降、尺寸变化等问题。
3. 机械零件失效的诊断方法3.1 监测技术通过使用各种监测技术，可以实时监测机械零件的工作状态和性能参数。
这些监测技术包括振动监测、噪声监测、温度监测等。
通过对监测数据的分析和比对，可以及时发现机械零件的异常情况，进而进行相应的维修和更换。
3.2 检查和观察定期的检查和观察是诊断机械零件失效的有效方法之一。
通过检查和观察，可以发现机械零件的磨损、变形、断裂等异常情况。
同时，还可以观察机械零件的润滑情况、磨损程度等。
这些信息对于及时诊断并防止机械零件失效具有重要意义。
3.3 非破坏性检测技术非破坏性检测技术可以在不破坏机械零件的情况下检测其内部的缺陷和损伤。
这些技术包括超声波检测、磁粉检测、射线检测等。
通过分析和评估检测结果，可以及时发现机械零件的问题，并采取相应的修复措施。
机械零件的失效分析
失效分析方法和技术
1
外部检查
通过外部观察和测量，我们可以找到外部因素对失效的影响。
2
内部检查
通过内部切割和断面观察，我们可以了解零件的内部结构和缺陷情况。
3
材料分析
使用材料分析技术，如金相显微镜、扫描电镜等，可以帮助我们研究材料性质和 缺陷。
实例：钢件的疲劳失效分析
失效模式分析
通过分析钢件的疲劳失效形态， 我们可以确定失效模式和机制。
老化特征
通过观察塑料件的颜色变化、表面开裂等现象， 可以判断是否发生老化。
替代材料
通过寻找抗老化性能更好的材料，可以延长塑料 件的使用寿命。
结论和总结
机械零件的失效分析是提高产品可靠性和寿命的重要工具。通过深入研究失 效模式和原因，并采取相应的改进措施，我们可以更好地理解和应对机械零 件失效问题。
通过了解失效原因，我们可以改进设计、材料和制造过程，提高机械零件的可靠性和寿 命。
失效分析的基本原理
1 失效模式与机理
了解失效模式和机理可以帮助我们快速定位和识别失效的根本原因。
2 数据收集与分析
通过收集和分析失效数据，我们可以找到共同点和规律，帮助我们预测和预防将来的失 效。
3 实验与测试
通过实验和测试，我们可以验证我们对失效原因和机制的假设，从而得到更可靠的结论。
断口分析
观察钢件的断口形态，可以帮助 我们了Байду номын сангаас失效的根本原因。
金相分析
通过金相显微镜观察钢件的显微 组织，可以揭示材料的缺陷和组 织性质。
实例：塑料件的老化失效分析
老化机制
塑料件的老化失效通常由紫外线辐射、热氧化、 水解等因素引起。
老化测试
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。
机械零件的失效分析
总结
• 磨损是机械零件常见的一种失效形式， 总是从零件表面开始发生。各种磨损的 过程和机理不同，因此其主要的预防措 施也不同。 • 提高零件表面硬度，合理设计减小压应 力，以及提高表面光洁度等对降低磨损 都有利。
第五节 零件的腐蚀失效
1 2 3 4 问 题 什么是腐蚀？可分为几类？ 高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热 钢为什么具有抗高温氧化能力？ 发生电化学腐蚀的条件是什么？ 改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么
3
硬度
硬度：表征材料软硬程度的一种性能。 硬度指标：物理意义与试验方法有关
• 滑痕法硬度值（莫氏硬度） • 弹性回跳法硬度值（肖氏硬度） • 压入法硬度值（工业中应用广泛） 布氏硬度（HBS)淬火钢球 洛氏硬度(HRC)（锥角为120°的金刚石圆锥体） 维氏硬度(HV)（锥面角为136 °的金刚石四棱锥体为压 头
一、材料在高温下的力学行为
1 材料的强度随温度的升高而降抵。
2 高温下材料的强度随时间的延长而降抵。 3 高温下材料的变形量随时间的延长而增加。
二 蠕变和蠕变曲线
1 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。 蠕变曲线
2
I 减速蠕变阶段 II 恒速蠕变阶段
III 加速蠕变阶段
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
1 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 ) 应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结 合用于一般零件抗断裂设计。 低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK)
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-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
机械零件失效形式及简要分析
I断裂脆性断裂是一种构件未经明显的变形而发生的断裂，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抗拉强度时将会发生脆性断裂，发生脆性断裂时，零件几乎没有发生过塑性变形。
如杆件脆断时没有明显的伸长或弯曲，更无缩颈，容器破裂时没有直径的增大及壁厚的减薄。
图1. 脆性断裂实例分析：传统力学把材料看成是没有缺陷的、没有裂纹的、均匀的和连续的理想固体，但是，实际工程材料在制备、加工（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、冷加工等）及使用中（疲劳、冲击、环境温度等）都会产生各种缺陷（白点、气孔、渣、未焊透、热裂、冷裂、缺口等）。
如上图所示的齿轮，由于其内部的缺陷和裂纹会在零件使用过程中产生应力集中，该处所受拉应力为平均应力的数倍。
过分集中的拉应力如果超过该齿轮材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。
图2. 韧性断裂实例分析：韧性断裂又称延性断裂。
断裂前发生过明显的塑性变形的断裂，是塑性变形的终结。
消耗较高能量,以金属撕裂为特征的一种断裂，是与脆性断裂相对应的一种断裂模式。
物体受力时其最危险截面或区域,从弹性变形逐渐转入塑性变形状态,这时截面的某一邻域内力学参量的某一组合达到临界点,断裂口附近出现明显的宏观塑性变形, 微观断口表面呈韧窝状。
图3. 疲劳断裂实例分析：零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象就叫作疲劳断裂。
一开始，疲劳微裂纹在零件应力最高强度最低的基体上产生，之后裂纹会稳定扩展，但扩展速度较低，最后，当裂纹尺寸足够大结构有效受力截面小到不足以承受所加载荷时，零件即发生断裂，如图所示。
II磨损磨擦副表面的材料微粒，由于机械力与化学腐蚀的作用而脱离母体，使零件尺寸和表面状态改变，最终导致功能丧失，称为磨损失效。
磨损是机械的重要失效形式，它包括复杂的化学过程和物理过程，其主要形式有：粘着磨损（材料从一个磨擦表面移到另一个表面）、磨料磨损（硬磨料在摩擦表面犁出沟槽或道痕，使材料从零件表面脱落）、腐蚀磨损（化学腐蚀参与作用下的磨料磨损）和疲劳磨损（接触应力作用使材料表面疲劳剥落）等。
第二章 机械零件的失效及分析
设备管理与维修
第二节 机械零件的磨损
据估计，世界上的能源消耗中约有1／3～1／2 是由于摩擦和磨损造成的。 一般机械设备中约有80％的零件因磨损而失 效报废。 摩擦是不可避免的自然现象，磨损是摩擦的 必然结果，二者均发生于材料表面。摩擦和磨损 涉及的科学技术领域甚广，特别是磨损，它是一 种微观和动态的过程，在这一过程中，零件不仅 发生外形和尺寸的变化，而且会发生其它各种物 理、化学和机械现象。
设备管理与维修
4、断裂失效分析的步骤
1．现场记载与拍照 2．分析主导失效件 3．找出主导失效件上的主导裂纹 （1）排除法 （2）T形法 （3）分叉法
设备管理与维修
4、断裂失效分析的步骤
4．寻找失效源区 5．断口处理 6．确定失效原因 （1）设计方面 （2）工艺方面 （3）安装使用方面
设备管理与维修
设备管理与维修
四、微动磨损
两个接触表面由于受相对低振幅震荡运动而产生的磨损叫 做微动磨损。 1. 微动磨损的机理
微动磨损是一种兼有磨料磨损、
粘着磨损和氧化磨损的复合磨损形 式。
设备管理与维修
设备管理与维修
设备管理与维修
2. 影响微动磨损的主要因素
实践与试验表明，材料性能和外界条件（载荷、振幅、温度、 润滑等）对微动磨损影响相当大。
设备管理与维修
第二节 机械零件的磨损
机械零件的磨损及其对策 以摩擦副为主要零件的机械设备，在正常运转 时，机械零件的磨损一般可分为磨合（走合）阶段、 稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，如图2-1所示。
磨 损 量
磨合阶段
稳定磨损阶段
剧烈磨损阶段
b
Hale Waihona Puke ao设备管理与维修
图2-1 机械磨损过程
机械零件失效分析 ppt课件
一般用于测量经过淬火的钢件等。
PPT课件
锥角为120°的金刚石圆1锥9 体
维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
一般用于测量经表面处理的
锥面角为136 °的金刚石四棱锥体为压头
表面层硬度或薄件的硬度。 PPT课件
20
影响金属材料力学性能的主要因素
含碳量：碳，强度和硬度，塑性 合金元素：改善综合性能，得到特殊性能 温度：温度，强度和硬度，塑性 热处理工艺：改变力学性能
第一章 机械零件失效分析
PPT课件
1
概述：
定义: 零件不能正常和安全的工作，即失效。
结构或形状设计不合理。
原因
材料的选择不合理。 加工工艺不合理。
安装与使用不合理。
由于外界载荷、温度、介质等的损害作用超过了材料抵抗损害的能力造成的。
PPT课件
2
失效形式
过量弹性变形 过量变形失效
过量塑性变形
断裂失效
24
总结
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
1.3过量变形失效
1.3.2过量塑性变形
过量塑性变形—外加应力超过零件材料的屈服极限 时发生明显的塑性变形。
PPT课件
例如：重载且摩擦力很大时，齿面较 软的齿轮表面就会沿摩擦力方向产生 塑性变形。
压入法硬度是材料抵抗局部塑性变形能力的性能指标。
PPT课件
17
布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
布氏硬度计
一般用于测量HB<450较软材P料PT、课件毛坯、 成品的硬度。
淬火钢球
机械零件的失效分析
如机床主轴、大型立式车床横梁、镗 床镗杆，机床导轨等。为了保证加工精度，要 求立式车床横梁因刀架重力产生的弹性变形要 小。若横梁刚度不够，则会造成车削的工件端 面中间凸的平面度误差，外圆有锥度。
接触疲劳磨损是零件表面在接触压应力的长期不断 反复作用下引起的一种表面疲劳剥落破坏现象。表现为在 接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑称麻点。如长期工 作的齿轮的齿表面产生大量麻点后其啮合情况恶化，引起 噪声增大，振动增加，甚至齿根折断。
1.1 机械零件常见的失效形式
高温下工作零件的失效
对于许多在高温下工作的零件，只考虑室温下的 力学性能是不够的，因为高温下材料的强度随温度升高和 加载时间的延长而降低。
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
韧性断裂1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
脆性断裂
脆性断裂实物
河流花样
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
疲劳断裂
疲劳断裂实物
疲劳断裂显微形貌
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
断裂是最危险的一种失效形式，在 机械零件设计时，认真考虑如何防止断裂 事故发生是非常重要的。
1.2 机械零件失效的原因
•零件选材
选材错误或不合理会造成成批 零件报废，另外，材料的杂质、组织 状态对零件性能有显著的影响，因此 选材时应充分考虑并做认真检查。
1.2 机械零件失效的原因
•零件加工与装配
因零件的冷热加工或热处理不当 而产生的质量缺陷，也会构成引发零件 失效的危险源。机器装配或安装过程中， 由于装配不良，对中性较差等问题，使 机器在运转时产生附加应力及振动，就 会使零件过早失去应有功能。
机械零件失效附分析报告
目录3第一章机械零件的失效及分析3第一节基本概念3 一、失效的概念3二、失效的危害3 三、机械零件失效的基本形式4四、失效分析4第二节零件的磨损失效4 一、磨损的一般规律5 二、磨料（粒）磨损6 三、粘着磨损8 四、疲劳磨损9 五、微动磨损10 六、冲蚀磨损11第三节零件的断裂失效11 一、断裂的分类11 二、过载断裂12 三、疲劳断裂14四、脆性断裂15 五、断裂失效分析的步骤16第四节零件的腐蚀失效17 一、腐蚀与腐蚀失效危害的严重性17 二、金属的化学腐蚀与电化学腐蚀18 三、腐蚀失效主要表现形态20第五节零件的畸变失效21 一、弹性畸变失效21 二、塑性畸变失效22 三、翘曲畸变失效23四、畸变失效分析23第二章设备的使用与维护第一节设备的使用24一、合理安排生产任务24二、配备合格的设备操作人员24三、设备操作的基本功培训24四、建立健全的设备使用管理规章制度25第二节延长机械的使用寿命的方法26一、优秀的设计是延长机械使用寿命的首要环节26二、提高机械产品的质量使之经久耐用27三、正确合理使用是延长施工机械的寿命的关键2828四、实行定期保养五、掌握正确的机械维修的方法有效地延长使用寿命28六、其它29第三节润滑保养29一、润滑油检测的传统方法30二、油品的报废判断31三、传统润滑油检测方法的不足之处31四、专业、科学的润滑油检测方法32六、设备润滑的作用33七、润滑管理的基本要求3434参考文献第一章机械零件的失效及分析第一节基本概念一、失效的概念机械设备中各种零件或构件都具有一定的功能，如传递运动、力或能量，实现规定的动作，保持一定的几何形状等等。
当机件在载荷（包括机械载荷、热载荷、腐蚀及综合载荷等）作用下丧失最初规定的功能时，即称为失效。
一个机件处于下列三种状态之一就认为是失效：①完全不能工作；②不能按确定的规范完成规定功能；③不能可靠和安全地继续使用。
这三个条件可以作为机件失效与否的判断原则。
机械零件的失效分析
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。
硬度：在耐磨零件中必须考虑的 性能指标。如滚珠轴承、活塞环 等.
第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂
问题
• 断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？ • 断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断
• 对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表 面涂层；电化学保护；加缓蚀剂
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？ •什么是材料的蠕变？ •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
• 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。
头
二、过量变形失效
• 过量弹性变形及抗力指标
• （1）零构件发生过量弹性变形失效： • Dl[Dl] (拉压或者弯曲条件下） • 或者 q [q] （扭转条件下） • （2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够 • （3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
• 过量塑性变形及抗力指标
• （1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量 • （2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑
裂过程的区别在哪里？ • 什么是材料的韧性？评价材料韧性的力学性能指标
有哪些？ • 材料韧性指标的含义及应用？
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：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
机械零件失效分析(刘瑞堂)第一章
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 失达几千万美元。
• 我国，机械零部件失效率也很高， 由此造成的损失也是惊人的。 1979年9月7日，我国某工厂氯气 车间的液氯瓶爆炸，使10吨氯液 （5.12地震期间有一化工厂氯液泄 露，造成恐慌）外溢扩散，波及范 围达7.35km2，致使59人死亡， 779人中毒，直接经济损失达63万 元。
失效学是研究机械装备 （Machinery Equipment）的 失效诊断、失效预测和失效预防 的理论、技术和方法及其工程应 用的一门综合性学科。
失效学发展的三大基础 （理论基础，技术基础， 方法基础）
理论基础
• 近代材科科学与工程、工程力学和疲
劳学科等对断裂(60年代提出的新术语 KIC,JIC,COD,KISCC,da/dN,da/dt) 、 腐 蚀和磨损的深入研究，积累了相当丰 富的具有创新意义的观点、见解和物 理模型，为失效学的形成奠定了理论 基础.
2.3.2 影响可靠性的主要因素
• (1)装置或系统越复杂，越容易发生失效； 使用的零件、软件(计算机程序、文件类)的数量越多。 并且牵涉到的组织或人员越多，失效或错误就越多。这几 乎都与系统的失效有联系 。零件的数量级：电视机力l02 一103，汽车为104，喷气式飞机为105，阿波罗号为106， 计算机为105－106。 • (2)使用环境多样化使失效变得复杂； 必须能承受严酷的应力 并且要延长产品的使用寿命 • (3)在系统或产品开发中采用新材科、新技术会导致新的 失效。 此时，只靠过去的经验进行高可靠件的设计是很因难的。 并且这些技术开发的速度很快，开发的时间愈来愈缩短， 因此，在没有进行充分鉴定和试验的情况下就让产品出厂 或开始使用，就会使以后连续发生失效的危险增大。
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断面收缩率：指试样断裂后的截面收缩 量ΔF与试样原始截面积Fo的百分比
Ψ = Fo － Fk / Fo ×100%
洛氏硬度（HRC）：用钢球或金刚石锥压入材料
表面，以压入深度的大小来度量材料硬度 布氏硬度（HB）：用钢球压入材料表面，以单位压 痕面积承受的载荷大小来度量材料硬度
工程材料基础
绪论
1．材料是社会进步的先导
材料对人类社会发展起着巨大的推动作用
石器时代
陶器时代
铜器时代 钢铁时代
铁器时代 新材料时代
2．材料与技术进步
能源、信息和材料是现代技术的三大支柱 很多技术都是通过老材料的改进或新材料 的开发而获得突破性进展的
1911年，德国开发出了强度与软钢相近的
硬铝合金后，人类才能进行真正的航空事业 镍基高温合金的出现，使飞机制造业从此 迈进了能够制造特大型飞机的时代
紧固螺栓：s ＜ ss/n弹n ＞1 ＝ se
进一步提高材料强度，提高零件自身抵抗塑性 变形的能力
要求：
① 掌握加工硬化的定义和技术意义
② 掌握静拉伸指标的物理意义及用途
力学 性能 指标 的应 用
为防止构件发生过量弹性变 形，设计时需使用刚度。如 镗床的镗杆等
屈服极限（sS ＝Ps / Fo）：材料抵抗起始塑性 变形的抗力指标
为避免零件发生塑性变形或发生过量塑性变形失 效，产品设计时应以屈服极限为依据
加工硬化：由塑性变形导致的材料强度 升高、塑性降低现象
加工硬化的技术意义：
1.能提高机件的安全性 2.能获得截面均匀一致的产品
3. 是金属材料的一种有效强化方法
塑性：材料在断裂前能够发生塑性变形 的能力
塑性变形：弹塑性变形
低碳钢的断裂过程：包括弹性变形、塑 性变形和最后的断裂三个阶段
弹性极限（ se ）： 衡量材料最大弹性 变形的抗力指标
se＝Pe / Fo 比例极限（sp）： 保证材料的弹性变 形能按正比关系变 化的最大抗力指标
sp＝PP / Fo
低碳钢拉伸时的应力应变曲线
对热处理不能强化的金属，加工硬化是有效 的强化手段
当应力达到sb ，加工硬化导致的强度升高不
能补偿试样截面积减小所引起的承载能力降低 时，试样便会出现缩颈 抗拉强度（ sb＝Pb / Fo ）：材料对最大均 匀塑性变形的抗力指标
断裂强度( sk＝Pk / Fo ）：材料对塑性变 形的极限抗力
强度：材料抵抗变形或断裂的能力 伸长率：指试样断裂后的残留变形ΔL 与试样原始长度Lo的百分比
刚度：零件抵抗弹性变形的能力
材料抵抗过量弹性变形的指标：弹性模量
材料的弹性极限越高，弹性模量越低，弹性就越 好，在变形过程中吸收的弹性能就越多
金属材料的弹性模量是本身固有的性质
2.过量塑性变形失效及抗力指标
产生过量塑性变形的原因： 偶然过载或零件自身抵抗塑性 变形的能力不足
炮筒： s ＜ sp/n n ＞1
失效类型
腐蚀
化学腐蚀、电化学腐蚀
2. 失效分析的任务
产品生产过程：
产品设计
合格产品
材料选择
可靠性和耐久性试验
冷热加工
效原因进行分析和判断，为积极 预防失效找到有效途径
二、失效分析的重要性和作用 1. 失效的危害性
美国1983年统计：零件失效造成的经济损失每 年可达3400亿美元
基本要素：材料的成分、结构、制造工艺 和使用性能
5. 学习目的
① 了解材料成分、结构、制备工艺与性能的关系 ② 熟悉各种工程材料的特性 ③ 能够做到正确选材和用材
工程材料的性能
使用性能
材料的力学性能、 物理和化学性能及 生物功能
工艺性能
材料的切削加工、 铸造、压力加工、 焊接和热处理性能
第一章 机械零件的失效分析
2. 运用金属学和材料强度学等知识，分 析主要失效抗力指标与材料成分和组 织结构的关系
3. 根据不同服役条件下，材料的强度、 塑性及韧性应具有不同配合的规律， 分析失效零件现行的选材和用材技术 条件所存在的问题，提出改进措施
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 弹性：材料能够发生弹性变形的能力
德国：零件失效造成的损失每年可达700亿马克
2. 技术革命与失效研究 重大技术革命都与失效分析有关
3. 失效分析的积极作用
① 能促进老材料的改进和新材料的开发 ② 能促进产品结构的改进 ③ 能促进生产工艺的改进 ④ 有利于责任事故的仲裁 三、失效分析与防止的基本思路
1. 对不同服役条件下的零件做具体分析， 从中找出主要的失效方式和主要的失效 抗力指标
一、失效的定义和失效分析的任务 1. 失效的定义 机械产品的主要质量标志:
功能、寿命、重量/容量比、经济型、 安全性和外观
失效; 指零件失去了设计所要求的功能
失效的表现：
① 完全丧失功能
② 功能衰退 ③ 失去可靠性与安全性
过量变形
过量弹性变形、过量塑 性变形
断裂
一次加载断裂、循环加 载断裂等
磨损
粘着磨损、磨粒磨损等
3. 工程材料及分类
按照材料的性能特点和用途分类：
结构材料
以力学性能为主要使 用性能
工程材料
功能材料
以物理、化学和生物 功能为主要使用性能
按照材料属性分类，工程材料分为：
金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料
4. 材料科学与工程的基本要素
材料科学是一门着重于材料本质的发现、 分析和研究的科学 作用：解释材料内部结构与使用性能的关系 材料工程属于技术范畴 作用：确定合理的生产工艺来控制材料的内 部结构，优化材料的性能
半导体的出现，使人类文明迈上了新的台阶
单晶硅 → 大规模集成电路 → 信息时代
一根细丝能同时传输2000路通话 信号传输速度比铜缆快72000倍 光导纤维被誉为是百年不遇的重大发明
20世纪最后一次技术革命导致了超导技术的出现
利用车中超导磁体与地面线圈之间的电磁 排斥力能制造出时速高达500Km的磁悬浮 列车
硬度: 表征材料软硬 程度的性能指标
纯金属、陶瓷、橡胶 等材料的应力应变行 为与低碳钢不同
条件ss对应的塑性变形量为0.01～0.5%
二、过量变形失效
1.过量弹性变形失效及抗力指标
材料在弹性变形范围内，应力和应变遵守虎克定律
单向拉伸时的弹性模量：
Es P A
EA＝P/ε
EA：零件产生单位弹性变形所需的载荷大小