机械工程材料沈莲01章机械零件的失效分析
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。
机械零件失效分析
二. 静载性能指标
2. 弹性和塑性指标 （2） 塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。
通常用断后伸长率δ和断面收缩率ψ来衡量。
=E t
O
p
0
e
卸载曲线
第一节 零件在常温静载下的过量变形
第一章 机械零件（或器件）的失效分析
一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为
2. 其他类型材料的应力-应变行为
弹性变形
弹性变形、塑 性变形
1—纯金属 （Al、Cu、Ag等） 2—脆性材料 （陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢） 3—高弹性材料 （橡胶）
C’
=E
O
C’D:强化阶段
D：强度极限b ，在C’D段内卸载曲线为弹性直线 e:弹性应变 ，p:塑性应变（不可逆的残余应变）
第一节 零件在常温静载下的过量变形
b
s e P
D E
C B A
DE：缩颈阶段 （局部收缩阶段）
E：断裂点
C’
卸载后再加载曲线 屈服极限提高： 冷作硬化
e p
s
e c a
b
d c
f
b
O d
g
1
f
第一节 零件在常温静载下的过量变形
第一章 机械零件（或器件）的失效分析
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 （一）四个阶段 低碳钢在拉伸应力作用下的变形过程分为：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四个阶段。
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
P
l
P
P
机械工程材料机械工业出版社第版内容总结
机械工程材料机械工业出版社第版内容总结文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）《机械工程材料》机械工业出版社第3版目录第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章机械零件的失效分析第一节零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：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2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=σ/ε=εAF / ，即EA=F/ε纯剪切时：G=τ/γ=γτAF / ，即GA=F τ/γ弹性模量E （或切变模量G ）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限σp ，弹性极限σe ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，断裂强度σk2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u ：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积 u=21σe εe=E e 221σ （2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： %10000⨯-=L L L δ 断面收缩率： %10000⨯-=A A A ψ ψδ、越大，材料塑性越好3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW （硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC （锥角为120°的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV （锥角为136°的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量△l 或θ（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。
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。
第1章 机械零件的失效分析-3
相互接触的零件间会发生摩擦，在 摩擦过程中零件表面发生的尺寸变 化和物质耗损现象称为磨损。
粘着磨损 磨粒磨损 疲劳磨损 产生过程、机理以及防止措施
一、磨损的基本类型
• 粘着磨损 • 磨粒磨损 • 腐蚀磨损 • 麻点磨损（接触疲劳）
（一）粘着磨损（咬合磨损）
在滑动摩擦条件下，摩擦幅的 接触面发生金属粘着，在随后的相 对滑动中粘着处被破坏，有金属屑 粒被拉拽下来或者是金属表面被擦 伤的一种磨损形式。
• 在碳棒上的阴极反应 2H++2e → H2
结 果 ： Zn 被 离 子 化 （腐蚀）。
锌 外 壳
(NH4)Cl 碳棒
F基球墨铸铁在HCl中的电化学腐蚀
F基体的电
H2
极电位比G低，
故为阳极，被
腐蚀；而在阴
极G上析出H2气 体。
三、应力腐蚀（SCC）
材料在应力和特定介质联合作用下产生的低 应力脆性断裂。
高温氧化腐蚀 电化学腐蚀 应力腐蚀
一、高温氧化腐蚀
除Au、Pt外，金属中在空气中都会 发生氧化，高温会加速氧化过程。
腐蚀会导致零件有效截面积减小， 承载能力降低。
在高温含氧气氛中工作的零件的抗 高温氧化能力是一项重要指标。
氧化过程（三个步骤）
• 金属失去电子成为金属离子
M M2 2e
第五节 零件的腐蚀失效
材料表面和周围介质发生化学 反应或者电化学反应所引起的表面 损伤现象。
化学腐蚀 电化学腐蚀
化学腐蚀过程中不产生腐蚀电流，如金 属在高温氧化性气氛中、在干燥空气中、在 石油及酒精中的腐蚀……都属于化学腐蚀。
电化学腐蚀过程中会产生腐蚀电流，如 金属在潮湿空气、海水、或电解质溶液中的 腐蚀都是电化学腐蚀。
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)
一章机械零件的失效形式1
• 材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材 料韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价 材料韧性的好坏，也可用于一般零件的抗断裂 设计；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆性断 裂的设计。
• 材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等 方法改变。
第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂
（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。
2 磨粒磨损 3 （1）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时
零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑 性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而 导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。
（2）过程
二、磨损的过程和机理
1 粘着磨损 2 （1）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩
擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对 滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下 来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。
滑动
（2）过程
局部粘着
粘着处 被撕掉
金属表面被 划伤或者金 属屑粒脱落
（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。
弹性指标：弹性极限和弹性 模量是设计弹性零件考虑的 性能指标。如汽车板簧和各 类弹簧等
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
碳钢的分类和牌号
一 碳钢的分类
1 按含碳量分类
低碳钢 （Wc<0.25%) 中碳钢 (0.3%<Wc<0.6) 高碳钢 (Wc >0.6)
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
第1章 机械零件的失效分析3PPT课件
金属离子和氧离子结合为金属氧化物
M 2+O 2 M O
氧化膜形成后，将金属基体与氧隔开， 金属要继续氧化必须：
金属离子及电子（由内向外）穿过氧化膜 氧原子或离子（由外向内）穿过氧化膜
氧化膜层阻止原子、离子及电子穿过氧 化膜的能力，决定了材料的抗氧化性能。
Al2O3、 Cr2O3 、SiO2等氧化膜的熔点高， 致密，阻力大；
18-8奥氏体不锈钢 Intergranular-SCC
四、改善零件耐蚀性的措施
对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择抗 氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料 等；零件表面涂层。
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
• 材料在高温下的力学行为 • 蠕变和蠕变曲线 • 材料高温力学性能指标 • 高温下零件的失效和防止
• 普遍存在于机件中； • 磨损速度较大，0.5～5 μm/h
防止措施
• 提高表面硬度（从选材方面）； • 减少磨粒数量（从工作状况方面）。
（三）腐蚀磨损
在摩擦力和介质联合作用下， 金属表层的腐蚀产物剥落与金属磨 面间的机械磨损（粘着磨损和磨粒 磨损）合的一种磨损。
氧化磨损 微动磨损 冲蚀磨损
MM n+ ＋ ne
• 阴极：得到电子发生还原反应
析氢反应（电解质中H+高时）
2H2eH2
吸氧反应（电解质中O2高时） O 22H 2O 4e 4O H
腐蚀原电池
• 在锌壳上的阳极反应 Zn→Zn2++2e
• 在碳棒上的阴极反应 2H++2e → H2
结 果 ： Zn 被 离 子 化 （腐蚀）。
第一章机械零件的失效分析ppt课件
➢经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
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 德国：零件失效造成的损失每年可达700亿马克
➢经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
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
➢经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
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
刚度：零件抵抗弹性变形的能力
➢经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
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
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。
机械零件的失效分析与选材
机械零件的失效分析与选材一、机械零件失效的原因1.腐蚀：机械零件在使用过程中遭受外界环境的腐蚀作用，如氧化、化学腐蚀等，导致零件表面产生锈蚀、腐蚀，从而影响零件的机械性能。
2.疲劳：机械零件在长期交替加载作用下，会出现疲劳现象，导致零件发生裂纹和断裂，失去原有的强度和稳定性。
3.磨损：机械零件在使用过程中与其他零件摩擦接触，长期摩擦会导致零件表面磨损，进而影响零件的功能和寿命。
4.劈裂：机械零件在使用过程中遭受冲击或受到异常载荷作用，会出现劈裂现象，造成零件失效。
5.热胀冷缩：机械零件在温度变化过程中，由于材料的热胀冷缩性能差异，会导致零件产生形变和应力集中，从而导致零件失效。
这些失效原因都会导致机械零件的性能下降甚至完全失效，因此，对机械零件的失效分析是非常重要的。
二、机械零件选材的考虑因素机械零件选材是指选择合适的材料用于制造机械零件，以满足设计要求和使用条件。
在进行机械零件选材时，需要考虑以下几个因素：1.强度和刚度：机械零件需要具备足够的强度和刚度，以承载和传递力量和扭矩，保证零件的正常工作。
2.耐磨性：机械零件在使用过程中经常摩擦接触，需要具备一定的耐磨性，以延长零件的使用寿命。
3.耐腐蚀性：机械零件在一些工作环境下可能会受到腐蚀作用，需要选择具有良好耐腐蚀性的材料，以防止零件损坏和失效。
4.热稳定性：机械零件在高温环境下工作时，需要选择具有良好的热稳定性的材料，以防止零件变形和失效。
5.成本和可加工性：机械零件的选材还需要考虑材料的成本和可加工性，避免材料成本过高或者难以加工造成生产成本的增加。
根据以上因素，可以选择各种合适的材料，如金属材料、塑料材料、复合材料等，以满足机械零件的设计和使用要求。
三、机械零件失效分析与选材的方法1.失效分析：对机械零件失效进行分析，可以通过观察零件的损坏情况、痕迹以及使用条件等来判断失效原因，从而采取相应的措施来避免类似失效的再次发生。
2.材料测试：在进行机械零件选材时，可以对不同材料进行物理力学性能测试，如强度、硬度、韧性等，以确定材料是否符合设计要求。
机械零件的失效分析与选材
蠕变断裂
机械零件的失效分析与选材
3、表面损失失效
由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所
必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失
效。常见的有三种形式：
⑴ 磨损失效
任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨
损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现
机械零件的失效分析与选材
机械零件的失效分析与选材
力学性能指标的综合作用 一般情况下，在提高材料的强度的同时，塑、韧性就要下
降，当塑、韧性下降到一定值时，在低应力的作用下材料也易 产生微裂纹，从而使得承载能力下降。所以，在对零件进行选 材时一定要考虑力学性能指标的综合作用，充分考虑零件力学 性能的强韧性配合。为了保证零件的安全，要求零件既具有高 强度又具有较高的韧性。一般只是根据下列原则定性的确定， 其可靠性往往仍需按实际试验来验证。
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导致发生断裂，称金 属的疲劳断裂。
机械零件的失效分析与选材
（4）蠕变断裂
即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。 金属材料一般在高温下 才会产生明显的蠕变，而聚合物在常温下受载就会产生显著 的蠕变。如架空的聚录乙烯电线管在电线和自重的作用下发 生的缓慢的挠曲变形。
零件 螺栓
工作条件
应力 载荷 受载 种类 性质 状态
拉、剪 静载 --
传动轴
弯、扭
循环 冲击
轴颈 摩擦
传动齿轮 压、弯 弹簧 扭、弯
循环 冲击
交变 冲击
摩擦 振动
振动
常见失效形式
性能要求
【材料课件】第一章机械零件的失效形式1
•2、强度、弹性塑性指标
•试样的静拉伸过程
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【材料课件】第一章机械零件的失效 形式1
•弹性变形 •弹性变形、 塑性变形
•非线性弹 性变形
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【材料课件】第一章机械零件的失效 形式1
（1）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力
• 材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等 方法改变。
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【材料课件】第一章机械零件的失效 形式1
第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂
问题 1 什么是疲劳断裂？ 2 疲劳断口由哪几个部分组成？ 3 疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使
用这些指标？
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【材料课件】第一章机械零件的失效 形式1
合用于一般零件抗断裂设计。
4 低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK)
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【材料课件】第一章机械零件的失效 形式1
材料韧脆转变温度TK的确定和应用
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【材料课件】第一章机械零件的失效 形式1
三、断裂韧性及衡量指标
1 断能裂指韧标度 ，K指I的C: 是是材评料定抵材抗料裂抵纹抗失脆稳性扩断展裂的的能力力学。性
•比例极限 sp •弹性极限 se
•屈服强度 ss
•强•度抗指拉标单强位度：MPa sb
•断裂强度
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【材料课件】第一章机械零件的失效 形式1
（2）弹性和塑性指标
弹性：材料发生弹性变形的大小。 塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力。
• 弹性指标：弹性能（弹性比功）m 塑性指标：断后伸长率d
头
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1机械零件失效分析
布 氏 硬 度 压 痕
持时间。如 120HBS10/1000/30 表 示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作 用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
• 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材
料。
• 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。 • 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面
光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
油轮断裂与材料中存在缺陷有关
裂纹扩展的基本形式
1943年美国T-2油轮发生断裂
42
• 该曲轴是疲劳断裂，开始 主要为旋转弯曲疲劳开裂
• 轴的断面一部分光亮，一部 分粗糙，应该属于疲劳断裂
• 洛氏硬度（HRC）
• 维氏硬度（HV）
布氏硬度HB
HB 0.102
2P
D( D D d )
2 2
布 氏 硬 度 计
• 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度 值在450以下的材料。 • 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度
在650以下的材料。
符号HBS或HBW之前的数字表示 硬度值, 符号后面的数字按顺序分 别表示球体直径 、 载荷及载荷保
缓裂纹形成和扩展）
• 提高材料纯度； （减少裂纹源） • 提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深 度，细化硬化层组织； • 减小表面粗糙度，以减小摩擦力。
小结
• 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1章机械零件失效分析
2 应用（判断构件是否安全，合理选材） KI < KIC 构件安全 KI >KIC 构件发生脆性断裂 KI ＝KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条
件
3 应用场合：主要用第于1章高机强械度零件钢失制效造分析的飞机、导弹和火箭的
2.4 影响脆性断裂的因素
• 加载方式 • 材v 料温本度质和加载速度
第1章机械零件失效分析
1.2静载荷性能指标（力学性能指标）
弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后 能恢复到原来形状及尺寸的性能。 弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。
塑性:材料断裂前发生塑性变形的能力。 （材料破坏时，遗留变形的大小）
断面收缩率 、断后伸长率
断面收缩率: 试样拉断处横截面积的收缩量Δ S与原始横截面积S0之比。 断后伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ L 与原始标距L 0之比。
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。 第1章机械零件失效分析
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1章机械零件失效分析
1.3.1过量弹性变形
➢ 除了弹簧以外，大多数零件都必须限制，要求有足够的刚 度。 例如机床主轴变形不应过大，否则影响加工精度。
第1章机械零件失效分析
1.3.1过量弹性变形
• 当零（构）件的尺寸和外加载荷一定时， 材料的弹性模量E或切变模量G越高，零件 的弹性变形量越小，则刚度越大。
机械零件失效附分析报告
目录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3四、失效分析4第二节零件的磨损失效4一、磨损的一般规律4二、磨料（粒）磨损5三、粘着磨损6四、疲劳磨损8五、微动磨损9六、冲蚀磨损10第三节零件的断裂失效11一、断裂的分类11二、过载断裂11三、疲劳断裂12四、脆性断裂14五、断裂失效分析的步骤15第四节零件的腐蚀失效16一、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17三、腐蚀失效主要表现形态18第五节零件的畸变失效20一、弹性畸变失效21二、塑性畸变失效21三、翘曲畸变失效22四、畸变失效分析23第二章设备的使用与维护23 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28四、实行定期保养28五、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34参考文献34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。
二、失效的危害机械零件与构件的失效最终必将导致机械设备的故障。
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E
e : 最大弹性应变
u : 弹性能
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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 L L0 100%
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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：通过观察零件的失效特征，找出 造成失效的原因，从而确定相应的失效抗力指标， 为制定技术条件、正确选材和制订合理工艺提供依 据。因此，研究零件的失效具有重要的意义。
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第一章机械零件的失效分析
FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS
1. 零件的失效：任何机械零件或结构件都具有一定的 功能，如在载荷、温度、介质等作用下保持一定的 几何形状和尺寸，实现规定的机械运动，传递力和 功。零件若失去设计要求的效能即为失效。
GI p
当零件尺寸和外加载荷一定时，材料的弹性模量E （或切变模量G）越高，零件的弹性变形愈小，则刚度 愈好。
L0
断面收缩率 A0 A 100%
A0
显然，断后伸长率和断面收缩率越大，材料的 塑性越好。
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5. 硬度 表征材料软硬程度的性能，具体来说是指材
料抵抗压入和刻画的能力。
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三、过量弹性变形失效
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1. 现象 有些零件在一定载荷下只允许一定的弹性变形，
若发生过量变形就会造成失效。例如镗床镗杆若发生较 大弹性变形，其镗出的孔径就会偏小或有锥度。
又如齿轮轴，若其刚度不足，产生过量弹性变形， 则会影响齿轮的正常啮合，加速齿轮磨损，增加噪音。
单向拉伸(或压缩):
E F A EA F
纯剪切:
G F A GA F
E : 弹性模量 G : 切变模量
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2. 强度 强度是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。
e
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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。
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第一章机械零件的失效分析
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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
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
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二、静载性能指标
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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。
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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
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2. 零件失效的原因：造成零件失效的原因是多方面的， 它涉及到机构设计、材料选择、加工制造、装配调 整及使用与保养等因素，但从本质上看，零件失效 都是由于外界载荷、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。
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2. 刚度条件 在刚度设计时，常规定零件的最大弹性变
形 l 或 （扭转角）必须小于许可的弹性变形量 l
或 。 l l
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抗拉条件下 扭转条件下
l Fl l
EA
M n
:
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
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3. 弹性 是指材料弹性变形的大小。常用弹性变形时
吸收的弹性能u来表示。
E : 弹性模量
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e
:
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
退火态低碳钢的应力－应变曲线
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2. 其他类型材料的应力应变行为
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