1第一章 零件的失效
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。
失效分析知识点
失效分析知识点第一章概论1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。
2.失效三种情况：（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；（2）.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。
3. 失效分析定义：对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。
也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。
4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。
5. 失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。
（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。
第二章失效分析基础知识一.机械零件失效形式与来源：1.按照失效的外部形态分类：（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。
原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。
（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。
（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。
（4）.注：断裂的其他分类断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂；2.失效的来源：（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。
西安交大复试机械工程材料
沈莲主编《机械工程材料》（第2版）习题与思考题第一章 机械零件的失效分析1. 何谓失效？零件失效方式有哪些？2. 静载性能指标有哪些？并说明它们各自的含义。
3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？4. 何谓韧性断裂和脆性断裂的因素的哪些？5. 何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？6. 何谓断裂韧性？如何根据材料的断裂韧度KIC、零件的工作应力σ和零件中裂纹半长度a 来判断零件是否会发生低应力脆断？7. 压力容器钢的1000s MPa s =，1/2170IC K MPa m =；铝合金的400s MPa s =，1/225IC K MPa m =。
试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸各是多少（设裂纹的几何形状因子Y =8. 说明典型疲劳断口的特征。
如何根据疲劳断口形态大致判断：1）循环应力大小；2）应力特循环周次多少；3）应力集中程度大小。
9. 疲劳抗力指标有哪些？影响疲劳抗力的因素有哪些？10.磨损失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？11.腐蚀失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？12.何谓蠕变极限和持久强度？零件在高温下的失效形式有哪些？如何防止？13.有一根轴向尺寸很大的轴，在500℃温度下工作，承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处承受摩擦力和接触应力，试分析此轴的失效形式可能有哪几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？第二章 碳钢1. 何谓过冷度?为什么结晶需要过冷度?它对结晶后晶粒大小有何影响?2. 何谓晶体、单晶体、多晶体、晶体结构、点阵、晶格、晶胞?3. 金属中常见的晶体结构类型有哪几种?α-Fe、γ-Fe、A1、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构?4. 何谓同素异构转变?纯铁在常压下有哪几种同素异构体?各具有何种晶体结构?5. 实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型?它们对晶体的性能有何影响?6. 固溶体和化合物有何区别?固溶体类型有哪几种? Si、N、Cr、Mn、Ni、B、V、Ti、W 与铁和碳形成何种固溶体或化合物?7. 何谓匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、固溶体的二次析出转变?根据Fe-Fe 3C 相图写出它们的转变反应式，并说明转变产物的名称、形态及对铁碳合金力学性能的影响。
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
零件的失效形式
造成接触面金属损耗。
表面疲劳磨损：两接触表面在交变接触压应力的作用下，
材料表面因疲劳而产生物质损失。
腐蚀磨损：零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介
质发生化学或电化学反应，因而出现的物质损失。
一、零件的失效形式
2、零件的变形失效
（1）变形失效的概念
一、零件的失效形式
4、零件的腐蚀失效
4.2腐蚀失效的类型
常见的腐蚀失效形式有：点蚀、 缝隙腐蚀、应力腐蚀、 腐蚀疲劳、晶间腐蚀、均匀腐蚀、磨损腐蚀、氢脆等。
机械设备在外力载荷作用下机械设备的变形量不断增加， 经过弹性变形阶段和塑性变形阶段后，发生的形状和尺寸的 变化而出现裂纹、裂纹扩展直至失效。
一、零件的失效形式
2、零件的变形失效
（2）工程上常见的变形失效形式有：
1、弹性变形失效：机械设备在外力作用下将发生弹性变 形，如果弹性变形过量。会使零部件失去有效 T作能力。引 起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此， 要预防弹性变形失效，应选用弹性模量大的材料。
机械设备维修工程学
机械零件的失效
1零件的失效形式
在设备使用过程中，机械零件由于设计、材料、工艺及装配等各种原因，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、疲劳断裂、变形和锈蚀等。 磨损一种常发生于传动齿轮的齿面（如变速箱、换向箱、车轴齿轮箱里 的齿轮）、发动机凸轮轴、滑动轴承、滚动轴承中 ，离合器摩擦片、轮对的 磨损。 疲劳断裂过程一般都存在于受交变负荷的零件中。常见于各种联接螺栓、 减震弹簧、车体走行各部的焊接部件（比如转向架上的制动吊耳）等零件， 也会发生在齿轮的轮齿、传动轴等重要零件中。 变形主要是发生在各类构件中，比如收轨作业车的插盒、保护边框，会 在装卸钢轨作业中发生撞击变形失效。 锈蚀常发生在车体表面，制动系统的各部风管及接头 。
第1章机械零件的失效分析-1
功能材料
Functional Materials
电功能材料 磁功能材料 热功能材料 光功能材料 其它功能材料简介
材料性能与内部结构的关系
材料的不同性能都是由其内部 结构来决定的，从材料的内部结构 来料加工看，可分为四个层次：
原子结构——结合键——
原子排列方式——显微组织
四层次的关系
低碳钢，正火、退火、调质态的 中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合 金及某些高分子材料都具有上图所示 的应力-应变行为。即在拉伸应力的作 用下的变形过程分为四个阶段：弹性 变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、 不均匀集中塑性变形。
大多数纯金属(Al, Cu, Au, Ag) 变形分为三个阶段，无 屈服塑性变形阶段
零件在受力时抵抗弹性变形的能力称为零 件的刚度。
零件的形状-截面积 材料抵抗弹性变形的 能力
设计
选材
材料抵抗弹性变形的性能指标
弹性变形阶段， σ-ε 曲 线 的 斜 率 tanθ ＝ E ， 称为材料的拉伸弹性 模量，它表示材料抵 抗弹性变形的能力。
E
应力 σ
θ 应变 ε
当材料受纯剪切时，同样有：
主要参考书
• 材料科学基础 • 工程材料学 • 工程材料性能 • 机械工程材料与设计选材 • 金属学及热处理 • 材料工程基础 • 物理冶金学原理 • The science and design of engineering
materials
第一章 机械零件的失效分析
零件（构件）的功能 在一定的压力、温度、介质下， • 保持规定的形状和尺寸； • 实现规定的机械运动； • 传递力和能。
外力去除后可恢复
塑性变形
外力去除后不可恢复
电大机电设备诊断与维修考试复习题
综合练习（模拟试题）1．影响粘着磨损的因素为：摩擦表面的状态和摩擦表面材料的成分和金相组织。
2．设备诊断技术尽管很多，但基本上离不开：信息的采集、信息的分析处理、状况的识别,诊断,预测,决策三个环节。
3．金属扣合技术方法可分为：强固扣合法、强密扣合法、优级扣合法、热扣合法。
4．数控设备电气现场维修的一般方法是：常规检查、静态检查、动态检查。
5．机床试验的内容主要有：空运转试验、机床负荷试验、机床工作精度试验。
6．在对数控机床根据诊断程序进行故障诊断时，诊断程序一般分为：启动诊断、在线诊断和离线诊断三套程序。
7．振动信号的分析方法，可按信号处理方式的不同分为：幅域分析、时域分析、频域分析三个环节。
8．按修理内容、修理技术要求和修理工作量大小分类，设备预防性计划修理可分为：大修、项修和小修。
9．机床电气设备维护对象主要有：电动机、电器和控制线路。
10．振动监测周期可分为：定期检测、随机检验、长期连续监测三类。
11．常用铸铁件补焊的方法有气焊、电弧焊、钎焊。
12．数控机床的故障，按其发生部位，基本可分为4大部分：机床本体上的电气部分、伺服放大及位置检测部分、计算机部分、交流主轴控制部分。
13．根据零件摩擦表面的破坏程度，粘着磨损可分为5类，它们是：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱和咬死。
14．影响微动磨损的主要因素为：振幅、载荷、温度、润滑和材质性能。
15．常见的化学腐蚀形式有：大气腐蚀、土壤腐蚀、在电解质溶液中的腐蚀和在熔融盐中的腐蚀。
16．通常用于描述机械振动响应的三个参数是：（振幅）、（频率）、（相位）。
17．滚动轴承的振动信号分析故障诊断方法可分为：（简易诊断法）、（精密诊断法）。
18．失效的机械零件大部分都可以修复的，尤其是磨损失效的零件，可采用（堆焊）、（热喷涂和喷焊）、（电刷镀）等表面技术。
19．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）。
20．通过事前测试或监控可以预测的故障属于（渐发故障）。
零件失效分析与预防高级研修班讲义
零件失效分析及预防高级研修班讲义第一章零件的失效及其危害性一、零件的失效失效零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。
如：沙发弹簧弹性丧失汽车变速箱齿轮磨损电动机轴断裂二、零件失效的危害性1、零件失效，导致机械不能正常工作，降低生产效率，降低产品质量，误工误事。
例：冷冲模具磨损失效2、零件失效，导致机械不能工作，停工停产，造成重大经济损失。
例：黄河家峡水电站22.5万千瓦水轮发电机风叶掉脱，刮坏全部定子线圈，直接损失257万元。
3、零件失效，导致机毁人亡第二章零件失效分析工作容和意义一、零件失效分析零件失效分析:判断零件失效性质、分析零件失效原因、研究零件失效的预防措施的技术工作。
二、零件失效分析工作容1、判断零件失效性质畸变失效、断裂失效、磨损失效、腐蚀失效。
2、分析零件失效原因设计、材料、加工、装配、使用、维护。
3、研究零件失效的预防措施修改设计？更换材料？改进加工？合理装配？正确使用？及时维护？三、零件失效分析意义1、减少和预防同类机械零件的失效现象重复发生，提高产品质量，提高产品竞争力。
如：汽车拉杆断裂失效及热处理工艺改进2、分析机械零件失效原因，为事故责任认定、侦破刑事犯罪案件、裁定赔偿责任、保险业务、修改产品质量标准等提供科学依据。
3、为企业技术开发、技术改造提供信息，增加企业产品技术含量，从而获得更大的经济效益。
第三章零件失效形式一、畸变失效尺寸畸变或体积畸变(长大或缩小)形状畸变(如弯曲或翘曲) 发生畸变的零件不能承受所规定载荷，不能起到规定的作用，与其他零件的运转发生干扰，导致零件失效。
1、弹性畸变失效不恰当的弹性变形量导致失效。
●受拉、压的杆类零件，过大的弹性畸变量导致支承件(如轴承)过载。
●受弯、扭的轴类零件，过大的弹性畸变量会造成轴上啮合零件的严重偏载，啮合失常，甚至咬死，导致传动失效；2、塑性畸变失效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(永久变形)。
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
1 断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？ 2 断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断
总结
1 疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一
种脆性断裂，危害很大。
2 无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳 极限、过载持久值（和疲劳缺口敏感度）。
工作应力s<疲劳极限，构件不发生疲劳断裂。 工作应力s>疲劳极限，构件在一定的周次下断裂， 该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载持 久值越低。
疲劳曲线
疲劳极限
条件疲劳 极限
图1－11 两种类型的疲劳曲线
a)钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）
过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作 用下发生疲劳断裂的循环周次。
N1,N2,N3,N4都是过载持久值
疲劳曲线
高周疲劳：Nf>105 低周疲劳: Nf<105
四、影响疲劳抗力的因素
1 载荷类型 2 材料本质 3 零件表面状态 4 工作温度 5 腐蚀介质
3 疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩 展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是 否发生疲劳断裂。
第四节 零件的磨损失效
本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳 磨损的发生过程、机理以及防止措施。
一、磨损的基本概念 1 产生磨损的条件 2 磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸
变化和物质耗损的现象叫做磨损。
（4）防止措施 合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类 材料； 提高表面硬度； 合理设计减小接触压应力； 减小表面粗糙度。
1.1机械零件的失效
机械零件的失效
零件的变形 一个结构或零件，特别是基础零件在外加载荷的 作用下发生变形，将导致零部件之间相互位置精度遭 到破坏，影响各组成零件的相互关系。据估算，变形 对零部件寿命的影响在30%左右。对于金属切削机床 类设备，由于精度要求较高，变形的影响就更加突出。 在修理实践中发现，修理质量低、大修周期短的一个 重要原因就是零部件的变形。
项目一 机械设备修理的 基础知识
任务一 机械零件的失效
主讲：左 坤
机械零件失效
在设备使用过程中，机械零件由于设计、材 料、工艺及装配等各种原因，丧失规定的功能， 无法继续工作的现象称为失效。当设备的零部件 失效时，就意味着设备处于故障状态。 机器发生故障后，其技术经济指标部分或全 部下降而达不到预定要求，如功率下降、精度降 低、出现不正常的声响等。
零件表层会发生塑性变形和冷作硬化，因而产生内应力，引起
变形。
(3)操作使用 工程机械、矿山机械、冶金设备、锻压设备及其他热加工机械 设备等，在较恶劣的工况下工作，其个别零部件在极限载荷或超载 荷的情况下运行，高温导致零部件屈服强度降低，从而使零部件产 生变形。 (4)修理质量 在设备修理过程中，如果不考虑被修零件已经变形，常常会造 成零件更大的变形或增加变形的危害。
减少或消除零件蚀损的对策
1.正确选材（耐蚀材料塑料替代金属） 2.合理设计 3.覆盖保护层（镍、烙、锌、涂装、氧化、渗氮）
4.电化学保护(用活泼金属对零件阴极保护条件
4.机械零件的磨损及其对策
相接触的物体相互移动时发生阻力
零 件 的 磨 损
的现象称为摩擦。相对运动零件的摩擦
１.安全可靠性 2.准确性 3.经济性 4.可能性 5. 时间性
6、确定零件修换应考虑的因素
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。
机械设计(2.1.1)--零件的失效形式与设计准则
(3) 胶合—热胶合
高速、重载，润滑不良， 高温导致油膜破裂，材料 熔化、“焊接”，相对运 动表面涂抹烧伤 - 表面精 度降低、噪声。
1-1 零件的失效形式与设计准则
3 、变形过大
齿顶 塑变
三、失效形式
齿体 塑变
(1) 塑性变形
载荷过大导致零件产生塑性变 形，精度降低，零件失效；
1-1 零件的失效形式与设计准则
1-1 零件的失效形式与设计准则
一、机械零件设计步骤
一、F 机械零件设计步骤
建立计算模型
拟定零件的计算简图
确定零件上的载荷
选择材料、热处理方式
分析失效形式、设计准则、确定形状和主要尺 寸
按工艺、标准、规范要求，设计尺寸、绘图、说明 书
仿真优化、修改设计、工程试 验
1-1 零件的失效形式与设计准则
二、失效的概念
刚度—抗弹变能力
刚度准则： y≤[y] 、 θ≤[θ]
1-1 零件的失效形式与设计准则
五、工作能力准则
（ 3 ）寿命准则：设计寿命 L≥[L] 要求寿命
（ 4 ）耐磨性准则：零件抗磨损失效的能力
•压强条件： p≤[p] 防表面间油膜破坏产生磨损 •pv 值条件： pv≤[pv] (v— 相对滑动速度 ) ---- 防止表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损—胶合
1 、整体断裂
轮齿整 体断裂
三、失效形式
齿轮轴 疲劳断 裂
(1) 过载断裂
零件上作用（非正 常）过大载荷，导致 零件整体断裂；
(2) 疲劳断裂
交变应力反复作用， 导致疲劳裂纹生成、 扩展、断裂。
1-1 零件的失效形式与设计准则
2 、表面破坏
三、失效形式
(1) 磨损
材料的应用
第一章机器零件的失效与选材（一）解释名词失效，失效分析，变形失效，断裂失效，表面损伤，弹性失稳，韧-脆转变温度，断裂韧性。
（二）填空题1．所谓失效是指机器零件 _________ 、 ____________ 、 __________ 。
2．零件失效形式的三种基本类型是 _________ 、__________ 、______ 。
3．机器零件选材的三大基本原则是 _________ 、______ 、_______ 。
4．零件生产和使用的总成本包括 _________ 、__________ 、 ______ 、5．弹性失稳失效的选材指标为 _____________ ，过量塑性变形失效的选材指标为____________ ，快速断裂失效的选材指标为__________ 。
6 •尺寸较大（分度圆直径d>400~600mm）、形状较复杂而不能锻造的齿轮可用___________ 制造，在无润滑条件下工作的低速无冲击齿轮可用 ___________ 制造，要求表面硬、心部强韧的重载齿轮必须用______________ 制造。
7．对承载不大、要求传递精度较高的机床齿轮，通常选用 ______ 经_____热处理制造。
而对要求表面硬、耐磨性好，心部强韧性好的重载齿轮，则通常选用经热处理制造。
8．汽轮机水冷壁管（爆管失效）用 _____ 钢制造，汽车发动机连杆（过量变形或断裂失效）用 ________ 钢制造，燃气轮机叶片（蠕变失效）用_____钢制造。
9．连杆螺栓工作条件繁重，要求高的强度和高的冲击韧性，应选用 _________材料。
10．木工刀具应选______ 材料，进行_________ 热处理。
（三）是非题1．最危险的、会带来灾难性后果的失效形式是低应力脆断、疲劳断裂和应力腐蚀开裂，因为在这些断裂之前没有明显的征兆，很难预防。
（） 2．零件失效的原因可以从设计不合理、选材错误、加工不当和安装使用不良四个方面去找。
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摩擦分类 形成良好润滑的措施
磨损分类 减少磨损的途径 减轻腐蚀的措施
一、零件失效的含义及基本形式 1.含义： 零部件失去原设计所规定的功能称为失效。失效不仅 是指完全丧失原定功能，而且还包含功能降低和有严 重损伤或隐患、继续使用会失去可靠性和安全性的零 部件。 2.失效的基本形式 零部件按失效模式分类可分为磨损、疲劳断裂、 变形、腐蚀等； 一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。
4.混合摩擦
• 当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时， 就会出现液体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存 在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。
三、减少摩擦的有效措施—润滑 1.润滑剂及主要性能
（1）润滑油：有机油、矿物油、合成油 性能指标：1）粘度 2）油性 3）凝点 4）闪点 和燃点 5）极压性能 6）氧化稳定性 （2）润滑脂： 钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑 脂 性能指标： 1）针入度 2）滴点 3）安定性 （3）固体润滑剂 ：石墨、二硫化钼、氮化硼 蜡、 聚氟乙烯、 酚醛树脂
• ２、按断口的微观特征分 • 晶间断裂 • 穿晶断裂 • ３、按零件断裂前所承受的载荷性质分 一次加载断裂 疲劳断裂
二、疲劳断裂
特点：零件破坏时的应力远低于零件材料 的抗拉强度，甚至低于材料的屈服强度 表现：脆性断裂
疲劳断裂失效机理： 金属零件疲劳断裂实质上是 一个累计损伤过程。大体可划分 为滑移、裂纹成核、微观裂纹扩 展、宏观裂纹扩展、最终断裂几 个过程。
（4）腐蚀磨损
形成：摩擦表面与酸、碱、盐、接触发生腐蚀， 在有相对运动时表面金属剥落形成腐蚀磨损。 影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。
分类：氧化磨损、微动磨损、化学腐蚀磨损
①氧化磨损
氧化磨损是金属与空气中的氧作用形成氧化膜， 氧化膜被磨损形成氧化磨损。是最常见的一种 磨损形式，曲轴轴颈、气缸、活塞销、齿轮啮 合表面、滚珠或滚柱轴承等零件都会产生氧化 磨损。与其它磨损类型相比，氧化磨损具有最 小的磨损速度，有时氧化膜还能起到保护作用； 影响因素：影响氧化磨损的因素有滑动速度、 接触载荷、氧化膜的硬度、介质中的含氧量、 润滑条件以及材料性能等。
腐蚀 变形
曲轴断裂、齿轮轮齿折断等
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
三、零件失效的基本原因
⒈工作条件⒉设计制造；⒊使用维修；
基本原因 主要内容 应用举例
工作条件
零件的受力状况
曲柄连杆机构在承受气体压力过程 中，各零件承受扭转、压缩、弯曲载荷 及其应力作用； 齿轮轮齿根部所承受的弯曲载荷及 表面承受的接触载荷等； 绝大多数汽车零件是在动态应力作 用下工作的。
1.现场分析：工作条件，运转状况、工作环境 2.宏观分析：分析断口全貌 3.微观分析：断口形貌与显微组织的关系，裂
纹两侧的夹杂物。
4.金相组织、化学成分、力学性能的检验：
是否有微观缺陷，化学成分是否符合要求
四、避免零件疲劳断裂的措施 1.减少局部应力集中
减少零件内部缺陷，设计时减少应力集中因素
2.金属表面强化处理
2.润滑的目的及作用：
（1）目的：减少机件的磨损量；延长使用 寿命；减少摩擦功的损失；提高机械效 率。 （2）兼有作用：冷却散热；冲洗清洁； 密封防漏；防止腐蚀；消振减声。
3.形成良好润滑的主要条件 合适的润滑粘度； 较高的转速； 轴承负荷不要太大； 适当的零件间隙； 摩擦表面的粗糙度要小。
四、润滑装置
1.疲劳裂纹的产生 取决于交变应力的大小、交变应力的 循环次数和材料的疲劳强度。 （1）应力集中部分产生微观裂纹 内部缺陷、设计缺陷 （2）在交变应力下扩展
2.疲劳断口形貌
典型宏观疲劳断 口分为三个区域： 疲劳源或称疲劳 核心、疲劳裂纹 扩展区和瞬时断 裂区。
（1）疲劳源区： 一般发生在零件表面 （2）疲劳扩展区
润滑条件对氧化磨损的影响
• 润滑油膜能起到减磨和保护作用，减缓氧化膜 生成的速度。 • 但油脂与氧化反应生成酸性氧化物时则会腐蚀 摩擦表面 • 生产中有时利用危害性小的氧化磨损来防止危 害性大的粘着磨损。如汽车后桥采用双曲线齿 轮传动，因双曲线齿轮副接触应力较大，极易 产生早期粘着磨损。在润滑油中加入中性极压 添加剂，使油膜强度提高；
• 不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样 产生的摩擦称为干摩擦 古典摩擦理论的摩擦力计算公式：
Ff fFn
• 现在观点认为： 摩擦力的组成可表示为：
Ff F分子 F机械 Ar Fn
2.流体摩擦
• 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，
摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子 层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体 摩擦。
二、零件失效分类
失效类型 失效模式 粘着磨损、磨料磨损、表面 疲劳磨损、腐蚀磨损、微动 磨损 低应力高周疲劳、高应力低 周疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳 化学腐蚀、电化学腐蚀、穴 蚀 过量弹性变形、过量塑性变 形 举例 汽缸工作表面“拉缸”、曲轴“抱轴”、 齿轮表面和滚动轴承表面的麻点、凹坑 等
磨损
疲劳断裂
最重要的特征区域，断口较光亮
以疲劳源为核心，似水波形式向外扩 展，形成许多同心圆或同心弧带 （3）瞬时断裂区 断面粗糙
三、断口分析
通过对断口的宏观和微观形态以及化学成分、显 微结构、冶金缺陷、力学性能与零件的制造工艺、 表面质量、几何形状和使用条件等方面进行分析， 以判断断裂的性质、类型和原因，研究断裂的机 理，提出防止断裂的措施。
• 单体供油装置 油壶， 油杯，
油枪
• 集中供油装置 a) 简单的少数点位集中供油 b) 设备中心、车间及工厂级集中供油 泵站+(稳压+冷却)+过滤+分配器+工位润滑
手动润滑泵
损：运动副表面材料不断损失 • 磨损率: 单位时间内材料的磨损体积或重量
一、磨损的产生:
（2）磨料磨损
形成：摩擦面之间存在磨料（可能是外界落入， 也可能是磨损过程中的产物）。
影响因素：环境，表面硬度、粗糙度，磨料性质、 滑动速度、单位压力。
（3）表面疲劳磨损
形成：接触应力反复作用（滚动摩擦条件下、循 环交变载荷，产生裂纹，表面材料脱落）有非扩 展性疲劳磨损和扩展性疲劳磨损。轴承、齿轮。 现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。 影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘度。
轴颈与轴瓦间楔形润滑油膜建立过程
3.边界摩擦
是指相对运动表面间被极薄的一层（通常只有 几个分子直径厚）具有特殊性质的润滑膜所隔开 的摩擦。
两表面加入润滑油后，在金属表面会形成一层边界膜，它 可能是物理吸附膜（常温轻载低速），也可能是化学反应
膜（重载高速高温）。 边界膜互相接触，横向剪切力比较 弱，这种摩擦状态称为边界摩擦。
滑动速度和接触载荷对氧化磨损的影响
• 氧化磨损量随滑动速度的变化而变化。 当滑动速度变化时，磨损类型将在氧化 磨损和粘着磨损之间相互转化。 • 当载荷超过某一临界值时，磨损量随载 荷的增加而急剧增加，其磨损类型也由 氧化磨损转化为粘着磨损。
介质含氧量对氧化磨损的影响
• 介质含氧量直接影响磨损率， 金属在还原气体、纯氧介质中， 其磨损率都比空气中大，这是 因为空气中形成的氧化膜强度 高，与基体金属结合牢固的关 系。
• Tk是在一定压力下水 蒸气凝结的露点，在 温度低于Tk的Ⅰ区内 为电化学腐蚀，腐蚀 强度很高。温度高于 Tk时，主要是化学腐 蚀，随着温度的升高， 腐蚀强度逐渐增高， 随后又加剧。在Tk附 近有一个腐蚀最小的 理想区Tk~Tn，腐蚀 强度最小。
油性分子吸附在表面
边界摩擦特性1
• 边界摩擦的 摩擦系数不 取决于润滑 剂的粘度， 而是取决于 两表面和润 滑剂的特性， 一般在 0.03~0.05之 间，且通常 与载荷和相 对滑动速度 无关。
边界摩擦特性2
• 无论是吸附 膜还是反应 膜，都有一 定的临界温 度，若工作 温度过高， 将使边界膜 破坏，出现 干摩擦。
选材不合理； 制动蹄片材料热稳定系数不好； 制造工艺过程中 产生裂纹、高残余内应力、表面质量不 操作不合理； 良； 使用； 维修； 汽车超载、润滑不良，频繁低温冷启动； 破坏装配位置，改变装配精度；
使用维修
第一节 摩擦与润滑的基本概念
一、摩擦的产生及危害 凹凸不平、咬和、碰撞、摩擦阻力 温度升高、强度降低、咬死、烧毁
提高疲劳极限：渗碳、渗氮、喷丸
3.提高零件的表面质量
同一种材料，表面光滑的零件比表面粗糙的零件 疲劳极限高，材料强度越高，表面加工质量对疲 劳极限的影响越大
4.减少残余应力的影响
减少残余拉应力
5.尽量避免零件的超负荷工作
负荷越大，交变应力的变化幅度越大，零 件越容易产生疲劳裂纹
第四节 零件的腐蚀
金属零件的腐蚀大多是由电化学腐蚀 引起的
发动机气缸内的燃烧产物中含有碳、 硫和氮的氧化物、水蒸气和有机酸如蚁 酸（CH2O）、醋酸（C2H4O2）等腐蚀性 物质，可直接与缸壁起化学作用是化学 腐蚀，也可溶于水形成酸性物质腐蚀缸 壁前者称为化学腐蚀，后者称为电化学 腐蚀，其腐蚀强度与温度有关。
气缸壁温度与腐蚀强度关系
三、影响磨损的因素
• 摩擦运动形式和摩擦速度的影响 滚动摩擦、滑动摩擦（磨损较快） • 润滑油的影响 理想的润滑油可以形成稳定的具有一定承 载能力的润滑油膜 • 摩擦副的材料和表面性质的影响
四、磨损过程（三阶段）:
1)磨合期 表面不平 、磨料 2)正常工作期 经过磨合配合表面相互适 应，表面粗粗度有所改善， 配合间隙处于最佳范围 3)极限磨损期 配合间隙过大，运动副 产生冲击，润滑油泄漏
• 消极影响：消耗能源； 破坏精度（包括磨损和爬行）； 增大噪声 • 积极作用：驱动(摩擦轮、无级变速） 自锁，如钉子等
二、 摩擦的分类
• 按照两表面的润滑状况，摩擦分为： 1）干摩擦----无润滑状态 2）液体摩擦——流体润滑状态