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：黄河刘家峡水电站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内容和意义一、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、零件失效分析工作内容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)。

●钢结构房梁承载过重发生塑性变形弯曲，导致倒塌；●螺栓严重过载被拉长，失去紧固作用。

3、翘曲畸变失效尺寸与方向上产生复杂变形，形成翘曲，导致失效。

翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等不均匀性引起。

特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。

●受力钢架翘曲变形；●壳体在高温下形状翘曲。

二、断裂失效断裂失效机械零件因断裂而产生的失效。

1、断裂失效的分类塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变失效断裂例1：客车空气压缩机皮带轮断裂失效例2：汽车板簧断裂失效三、磨损失效磨损：相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象。

四、腐蚀失效腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗。

它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果（化学腐蚀、电化学腐蚀）。

某客车储气罐放水阀弹簧破断，刹车失灵，造成严重事故。

第四章零件失效基本原因一、设计原因为了保证产品质量，必须精心设计。

根据零件工作条件、可能发生的失效形式，提出技术指标，确定合适的结构、尺寸、材料。

如结构设计不合理，或尺寸设计有误，或材料设计错误，则机械设备或零件将不能使用或过早失效。

冲螺母孔冲头：a 设计错误b 设计正确二、材质原因1、用材不当所用材料机械性能达不到设计要求而导致失效。

2、材质缺陷化学成分超差、晶粒粗大、夹杂物多、存在裂纹、气孔。

三、制造(工艺)原因工艺过程中产生的缺陷是零件失效的重要原因。

1、零件在铸造过程中产生的气孔、疏松、夹渣。

2、锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹。

3、焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹。

4、机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合适。

5、热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性。

6、精加工磨削中的磨削裂纹等。

四、安装调试原因安装过程达不到要求的质量指标，导致零件失效。

1、啮合传动件(齿轮、杆、螺旋等)的间隙不合适(过松或过紧)。

2、连接零件必要的"防松"不可靠。

3、铆焊结构的必要探伤检验不细致。

4、润滑与密封装置不良。

5、安装后，未按规定进行跑合。

五、运转、维修原因1、不正确的运转工况超载、超速导致零件失效。

2、润滑条件未保证润滑剂和润滑方法不合适。

3、忽视维修未进行定期大、中、小检修和必要的保养六、人的原因1、人的素质工作马虎、责任性不强，违反操作规程。

2、人的知识水平安全知识缺乏、使用和操作基本知识不够。

3、人的道德只为赚钱，不负责任，机械产品有安全隐患。

4、人为破坏第五章失效分析步骤一、事故调查1、现场调查现场保护，拍照录象，现场情况记录。

2、失效件的收集关键失效件的查找、收集，相关零件的收集。

3、走访当事人和目击者失效事故发生前的异常现象，事故发生时的情况，有何不正确的操作等。

二、资料搜集1、设计资料机械设计资料，零件图2、材料资料原材料检测记录3、工艺资料加工工艺流程卡、装配图4、使用资料维修记录，使用记录等三、失效分析工作流程原则：先简单后复杂，先宏观后微观。

1、失效机械的结构分析失效件与相关件的相互关系，载荷形式、受力方向的初步确定2、失效件的粗视分析用眼睛或者放大镜观察失效零件，粗略判断失效类型（性质）。

3、失效件的微观分析用金相显微镜、电子显微镜观察失效零件的微观形貌，分析失效类型（性质）和原因。

4、失效件材料的成分分析用光谱仪、能谱仪等现代分析仪器，测定失效件材料的化学成分。

5、失效件材料的力学性能检测用拉伸试验机、弯曲试验机、冲击试验机、硬度试验机等测定材料的抗拉强度、弯曲强度、冲击韧度、硬度等力学性能。

6、应力分析、测定用x光应力测定仪测定应力7、失效件材料的组成相分析用x光结构分析仪分析失效件材料的组成相。

8、模拟试验（必要时）在同样工况下进行试验，或者在模拟工况下进行试验。

四、分析结果提交1、提出失效性质、失效原因2、提出预防措施（建议）3、提交失效分析报告第六章失效分析技术简介金相分析技术断口分析技术力学性能测试技术理化分析测试技术晶体结构分析技术无损检测技术应力分析技术一、金相分析技术在金相显微镜下进行观察，分析金属内部的显微组织的技术。

包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀、观察、分析等工序。

金属试样必须进行精心的制备，显示清晰的显微组织形貌。

1、取样取样部位及观察面的选择，必须根据被分析材料或零件的失效特点、加工工艺的性质以及研究的目的等等因素来确定。

应在失效的部位取样，并在完好的部位取样，以便作比较性的分析。

对于表面热处理后的零件，要注意观察表面情况，如氧化层、脱碳层、渗碳层等。

2、镶样一般试样不需镶样。

尺寸过于细小，如细丝、薄片细管或形状不规则，以及有特殊要求（例如要求观察表层组织）的试样，制备时比较困难，则必须把它镶嵌起来。

常用电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌。

3、磨制用水砂纸在预磨机上进行机械磨光。

水砂纸按粗细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号等。

由粗到细，逐道磨光。

4、抛光在抛光机上进行。

抛光盘上放置抛光布。

抛光液一般采用Al2O3、Cr2O3、金刚石粉末。

5、浸蚀常用化学浸蚀法来显示金属的显微组织。

对不同的材料，显示不同的组织，可选用不同的浸蚀剂。

钢和铸铁：硝酸酒精溶液不锈钢：氯化铁盐酸水溶液铜合金：过硫酸铵水溶液铝合金：氢氟酸盐酸水溶液6、观察，分析在金相显微镜下观察，分析金属内部的显微组织。

放大倍数：50～1000倍。

45号钢的显微组织：T12钢的显微组织：二、断口分析技术用电子显微镜观察断口形貌，分析断口特征，确定断裂性质的技术。

（1）扫描电子显微镜。

电子束在试样表面扫描，试样表面产生二次电子。

二次电子的强度、分布与试样表面形貌、成分有关。

获取二次电子信息，在显象管屏幕上显示，形成电镜图象。

得到断口电镜照片。

（2）透射电子显微镜以电子束作照明光源，用电磁透镜聚焦，透过试样，投射到荧光屏或照相底片上，获得图象。

透射电镜观察试样制备：（1）复型法用塑料覆盖在试样表面，获得具有试样表面形貌的塑料膜。

用碳蒸发到具有试样表面形貌的塑料膜上。

溶去塑料膜，得到具有试样表面形貌的碳膜。

电子束透过碳膜，获得图象。

（2）薄膜法将金属试样制成极薄片，厚度为200nm以下。

电子束可以透过极薄金属片，获得图象。

三、力学性能测试技术金属材料的力学性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。

包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。

1、强度金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力, 材料的强度用拉伸试验测定。

（1）弹性极限σe 材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力。

（2）屈服极限（屈服强度）σs金属开始发生明显塑性变形的抗力。

表示（产生0.2%残铸铁等材料没有明显的屈服现象, 用条件屈服极限σ0.2余应变时的应力值）。

) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。

（3）强度极限(抗拉强度σb2、塑性断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。

（1）伸长率（δ）试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

（2）断面收缩率（ψ）试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。

3、硬度材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。

（1）布氏硬度（HB）一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压入试样表面。

测量压痕直径, 计算硬度值。

（2）洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)采用金刚石压头(或钢球压头)，加预载荷F0 ，再加主载荷F1 ，卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h,用h与h之差△h来计算洛氏硬度值。

硬度直接从硬度计表盘上读得。

根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用表示方式有: HRA、HRB、HRC4、冲击韧度（ak）许多机械零件和工具受到冲击载荷的作用。

如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。

材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。

用摆锤冲击弯曲试验来测定。

测得试样冲击吸收功,用符号 Ak表示。

用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。

5、疲劳强度轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。

在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂。

这种过程称为金属的疲劳。

交变应力越大, 材料断裂时应力循环次数N越少。

当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1表示。

6、断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。

构件或零件存在裂纹。

裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。

材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。