机械零件的失效形式
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。
机械零件的失效与选材原则10969
弹性失稳， 疲劳破坏，
断裂
磨损 脆断
综合机械性能强度 、韧性、局部表面
耐磨性
心部强度、韧性表 面高强度
及疲劳极限 耐磨性
弹性极限， 屈强比， 疲劳极限
硬度，足够的 强度，韧性
8.3.2 工艺性能原则
材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。
一、高分子材料零件选材的工艺性能原则
两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时 ，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲 劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损 。
六、腐蚀磨损
腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周 围介质发生化学或电化学反应，产生表层金 属的损失或迁移现象。
老师提示 采用耐磨性高的材料，进行合理的
表面强化处理，改变材料的组织结构 ，适度提高硬度。
●材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺或 冷热加工(特别是热处理)工艺过程产生的材料 内部缺陷导致失效。
五、运转维修因素
●不正确的运转工况参数(载荷、速度等 )导致零件失效。
●忽视维修，未进行定期大、中、小检 修
●润滑条件未保证, 润滑剂和润滑方法不 合适
老师提示 在影响失效的基本因素中，特 别要强调人的因素，即注意人的素质条件 的影响。
失效导致严重事故
失效因素
一、设计因素
为了保证产品质量，必须精心设计，精心施 工。
根据零件工作条件、可能发生的失效模式， 提出技术指标，确定合适的材质、尺寸、结构 ，提出必要的技术文件。
如设计有误, 则机械设备或零件将不能使用 或过早失效。
二、制造(工艺)因素
工艺缺陷是零件失效的重要因素。 ●零件在铸造过程中产生的疏松、夹渣； ●锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹； ●焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹； ●机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合 适； ●热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、 回火脆性； ●精加工磨削中的磨削裂纹等。
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
一． 断口分析方法
对金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察,可以看到其断 口可分为纤维状区,放射状区及剪切唇区三个不同的区域.
脆性断裂
工程构件在很少或不出现宏 观塑性变形(一般按光滑拉 伸试样的ψ<5%)情况下发 生的断裂称作脆性断裂,因 其断裂应力低于材料的屈服 强度,故又称作低应力断裂。 钢丝绳：断裂有预兆。
磨损失效的基本影响因素
摩擦，磨损和润滑，即磨损失效涉及到摩擦 副的材质和磨损工况
磨损失效
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称为磨损
防止和减少 磨损的方法 和途径
正确的选材是提高耐磨性的关键。
尽量保证液体润滑，对设备进行正确、 合理的润滑，能有效减少设备零部件 的磨损，延长设备使用寿命。
采用多种表面处理方法：如滚压、化 学表面热处理、镀铬、喷涂等
正确进行摩擦副的结构设计
设备正确的维护与使用对设备的寿命 影响很大。
皮带传动与 磨损：
在同一组中，皮带长短不一或者因为磨 损造成皮带轮槽深浅不一，皮带轮轴弯 曲均会产生较大的振动，对那些精密的 设备还可能形成振动源。
若调得太松，起动时会产生怪叫声，并 且会发生起转慢，主动轮发热；
失效的基本因素
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
STEP5
设计因素—确定 材质，尺寸，结 构，提出必要的 技术文件：图纸, 说明书等.（非标 设备）
制造因素—铸、 锻、焊,机加工和 热处理等达不到 设计要求而导致 零件失效.
装配调试因素— 在安装过程中 , 未达到要求的质 量指标.
材质因素—选材 不当,材质内部缺 陷,毛坯加工或冷 热加工产生的缺 陷
第2章机械零件的工作能力和计算准则
复合应力计算安全系数为：
s sca [s] s 2 2 2 ( ) s
或： sca
s s s s
2 2
[s]
3.允许少量塑性变形的零件(可按 1.5 s 作为极限应 力)
这类零件可按允许一定塑性变形时的载荷进行强度计算。 看课本图2.3，受弯矩M的简支梁，用塑性材料制成时，随 着弯矩M的增大，由（a）到（c）变化，到（c）图时材料 全部屈服。此时梁承受的弯矩计为 M lim ，因此，可以按 进行强度计算。 M lim
第2章 机械零件的工作能力 和计算准则
1.失效：机械零件丧失工作能力或达不到设 计要求的性能时，称为失效。 有人平时不说“失效”，而说“坏了”，是 不准确的。有些零件看上去没有“坏”但 已经失效了。 2.常见的失效形式
零件失效表现在强度问题、刚度问题、表面 失效和其他方面。
零件的失效形式有： 1）断裂; 2）过大塑性变形； 3）过量的弹性变形； 4）表面失效（工作表面的过度磨损或损伤 等）； 5）其他形式（联接的松弛、摩擦传动的打滑 等）。
单位接触线载荷。B为接触线长度。
F P B
(2)两球接触
1 3 6F 2 2 1 1 1 2 E E2 1
2
F Hmax 2
H max
1
1 2 E1、E2 两接触体材料的弹性模 量 1、 2 两接触体材料的泊松比
式中 : 相应的强度条件可表示为:
σ、τ——零件的最大工作应力。其中σ为 正应力，可由拉伸、压缩、弯曲等产生；τ 为切应力，可由扭转、剪切等产生； 2.[σ]、[τ]——许用正应力、许用切应力； 3.σlim、τlim——材料的极限正应力、极限 切应力； 4.[Sσ],[Sτ]——对应于正应力、切应力的许 用安全系数。
机械零件的主要失效形式有
机械零件的主要失效形式有：根断表面压碎表面点蚀塑性变形过量弹性形变共振过热和过量磨损等平键按用途分为平键导键滑键普通平键用于静联接，即轴与轴上零件之间没有先对移动。
按端部形状不同分为A型（圆头） B型（平头） C型（单圆头） 3种导键和滑键均用于动联接。
导键适用于轴上零件轴向位移量不大的场合；滑键用于轴上零件轴向位移较大的场合。
平键的宽度应根据轴的直径选取润滑剂的主要作用是减小抹茶，磨损，降低工作表面温度。
常用的润滑剂有：液体润滑剂，半固体润滑剂，固体润滑剂，气体润滑剂径向滑动轴承动压油膜的形成过程静止时，轴与轴承孔自然形成油楔；刚启动，速度低。
由于轴径与轴承之间摩擦，轴承沿轴承孔上爬。
随着速度增大，被轴径带动起来的润滑油进入楔形间隙并产生东亚力将轴径推离，形成动压油膜。
提高螺纹连接强度的措施有：1. 改善螺纹牙间的载荷分配;2. 减小螺栓的应力幅3. 采用合理的制造工艺（冷镦，液压，冷作硬化）4. 避免附加弯曲应力5. 减小应力集中的影响6. 氰化氮化，喷丸等表面硬化处理改善螺纹牙间的载荷分配，避免附加弯曲应力是针对静强度，其余是疲劳强度当螺纹公称直径，牙型角，螺纹线数相同时，细牙螺纹的自锁性能比粗牙螺纹的自锁性能好螺纹联接的主要类型有1. 螺栓联接，常用语被联接件不太厚和周边有足够装配空间的场合2. 双头螺栓联接，用于常装拆或结构上受限制不能采用螺栓联接的场合3. 螺钉联接，用于不经常装拆联接的场合4. 紧定螺钉联接，多用于轴和轴上零件的联结，可传递不大的力和转矩对于普通螺栓组联接，当被联接件受横向工作载荷作用时，其螺栓本身主要受拉应力。
带传动中的两种滑动弹性滑动：带传动中，拉力差使带的弹性型变量变动，而引起带与带轮之间的相对滑动，称为弹性滑动。
使带传动比不精确，且使带与带轮之间产生磨损；打滑：当外界传递功率过大，所需有效拉力大于极限有效拉力时，带与带轮之间的显著滑动。
使带传动失效，但起过载保护作用。
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 。
机械零件的失效形式-
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一、腐蚀的定义和分类
1 腐蚀：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。
2 分类：
3
化学腐蚀
4
电化学腐蚀
二、腐蚀过程及防止 1 化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主）
2 失效的定义和形式
3 定义: 零件失去设计所要求的效能（功 能）称为失效。
4
5 常见的失效形式：过量变形、断裂、
磨损、腐蚀
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第一节 零件在常温静载下的过量变形
问题
• 材料的静载性能指标有哪些? • 什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性
变形的原因是什么?设计时应选择什么性 能指标? • 发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指 标有哪些?
试样的静拉伸过程
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弹性变形
弹性变形、 塑性变形
非线性弹 性变形
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（1）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力
比例极限sp 弹性极限se 屈服强度ss 抗拉强度sb 断裂强度sk
强度指标单位：MPa
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（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
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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。
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第五节 零件的腐蚀失效
问题 1 什么是腐蚀？可分为几类？ 2 高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热
机械零件的失效形式
1.机械零件的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳）、破坏正常工作条件引起的失效2.设计零件应满足的要求：避免在预定寿命期内失效的要求（强度、刚度、寿命）、结构工艺性要求、经济性要求、质量小的要求、可靠性要求3.零件的设计准则：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则4.零件的设计方法：理论设计、经验设计、模型试验设计5.机械零件常用的材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料6.零件的强度分为：静应力强度和变应力强度7.应力比r=-1为对称循环应力；r=0为脉动循环应力8.BC阶段为应变疲劳（低周疲劳）；CD为有限寿命疲劳阶段；D点以后的线段代表了试件无限寿命疲劳阶段；D点为持久疲劳极限9.提高零件疲劳强度的措施：尽可能降低零件上应力集中的影响（减载槽、开环槽）、选用疲劳强度高的材料和规定能提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺10.滑动摩擦：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦及混合摩擦11.零件的磨损过程：磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段；应该力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来12.磨损的分类：粘附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损13.润滑剂分为：气体、液体、固体和半固体四种；润滑脂分为：钙基润滑脂、纳基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂14.普通连接螺纹牙型为等边三角形，自锁性较好；矩形传动螺纹的传动效率比其他螺纹高；梯形传动螺纹是最常用的传动螺纹15.常用的连接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹16.普通螺栓连接（被连接件上开有通孔或铰制孔）、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接17.螺纹连接预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或相对滑移。
螺纹连接放松的根本问题：防止螺旋副在受载时发生相对转动。
（摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松）18.提高螺纹连接强度的措施：降低影响螺栓疲劳强度的应力幅（减少螺栓刚度或增大被连接件刚度）、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象、减小应力集中的影响、采用合理的制造工艺19.键连接类型：平键连接（两侧面是工作面）、半圆键连接、锲键连接、切向键连接20.带传动分为：摩擦型和啮合型21.带的瞬间最大应力发生在带的紧边开始绕上小带轮处；带一周，应力变化四次22.V带传动的张紧：定期张紧装置、自动张紧装置、采用张紧轮的张紧装置23.滚子链的链节数一般为偶数（链轮的齿数取奇数），滚子链为奇数时采用过度链节24.链传动张紧的目的：避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条振动现象，同时为了增加链条与链轮的啮合包角25.齿轮的失效形式：轮齿折断、齿面磨损（开式齿轮）、齿面点蚀（闭式齿轮）、齿面胶合、塑性变形（从动轮出现脊棱、主动轮出现沟槽）26.齿轮工作面的硬度大于350HBS或38HRS的称为硬面齿；反之为软齿面齿轮27.提高制造精度，减小齿轮直径以降低圆周速度，均可减小动载荷；为了减小动载荷，可将齿轮进行齿顶修缘；将齿轮的轮齿做成鼓形是为了改善齿向载荷分布28.Tanr=z1:q（直径系数）导程角越大，效率越高，自锁性越差29.对蜗轮进行变位，变位后蜗轮的分度圆和节园仍旧重合，只是蜗杆的节线有所改变不再与其分度圆重合30.蜗杆传动的失效形式：点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损；失效经常发生在蜗轮上31.闭式蜗杆传动的功率损耗：啮合磨损损耗、轴承磨损损耗、进入油池中的零件搅油时的溅油损耗32.蜗杆传动必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量条件进行热平衡计算措施：加装散热片以及增大散热面积、在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流动、在传动箱内装循环冷却管路33.形成液体动力润滑的条件：相对滑动的两表面必须形成收敛的锲形间隙；被油膜分开的两表面必须有足够的相对滑动速度，其运动必须使润滑油由大口流进小口流出；润滑油必须有一定的粘度，供油要充分34.滚动轴承的基本结构：内圈、外圈、液动体、保持架35. 3圆锥滚子轴承、5推力球轴承、6深沟球轴承、7角接触轴承、N圆柱滚子轴承00、01、02、03分别d=10mm、12mm、15mm、17mm 04表示d=20mm，12表示d=60mm 36.基本额定寿命：一组轴承中百分之十的轴承发生点蚀破坏，而百分之九十的不发生点蚀破坏的转速或工作小时数作为轴承的寿命37.基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷38.轴承配置方法：双支点各单向固定、一支点双向固定另一端支点游动、两端游动支承39.轴承按载荷分：转轴（弯矩和扭矩）、心轴（弯矩）、传动轴（扭矩）。
期末练习题一、填空1、机械零件的失效形式主要表现为磨损、变形、断裂
期末练习题一、填空1、机械零件的失效形式主要表现为磨损、变形、断裂。
2、通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损五种形式。
3、磨损分为三个阶段磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。
4、影响粘着磨损的因素摩擦表面的状态、摩擦表面材料和金相组织。
5、磨料磨损的机理微量切削、疲劳破坏、压痕破坏、断裂。
6、磨料磨损分为凿削式、高应力碾碎式和低应力擦伤式三类7、磨料磨损的影响因素磨料、摩擦表面材料。
8、疲劳磨损的机理滚动接触疲劳磨损、滚滑接触疲劳磨损。
滚滑接触疲劳磨损分为两类非扩展性疲劳磨损、扩展性疲劳磨损。
9、影响接触疲劳磨损的主要因素材质、接触表面粗糙度、表面残余内应力其他因素。
10、减轻腐蚀危害的措施：正确选材、合理设计、覆盖保护层、电化学保护、添加缓冲剂、改变环境条件。
11、影响氧化磨损的因素氧化膜生长的速度与厚度、氧化膜的性质、硬度。
12、影响微动磨损的因素：振幅、载荷、温度、润滑、材质性能。
13、金属零件的断裂分为延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、环境断裂。
14、金属零件的腐蚀损伤分为化学腐蚀、电化学腐蚀、气蚀。
15、机械零件的变形分为弹性变形和塑性变形，其中塑性变形又可分为翘曲变形、体积变形、时效变形。
二、选择1、下列哪种形式不属于磨损的五种形式之一。
（C ）A、磨料磨损B、粘着磨损C、断裂磨损D、疲劳磨损2、（ D ）是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离微片或颗粒的一种磨损。
A、微动磨损B、粘着磨损C、腐蚀磨损D、疲劳磨损3、腐蚀磨损可分为（ C ）和特殊介质下腐蚀磨损两大类。
A、酸碱液磨损B、氧化气体磨损C、氧化磨损D、介质磨损4、微动磨损是一种有磨料磨损，粘着磨损和（ A ）的复合磨损形式。
A、氧化磨损B、疲劳磨损C、断裂磨损D、腐蚀磨损5、下列哪一项不属于影响微动磨损的主要因素。
（B ）A、振幅B、氧化膜C、温度D、材质性能6、（A ）是一种危险的失效形式。
机械零件的失效与选材
陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件 ；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。
废气排放少 材料回收及降解
重要金属的世界储量
可用年数 再生率(%)
Fe 128
31.7
Al
35
16.9
Cu 32
40.9
Байду номын сангаасZn 24
21.2
W
47
Ag 15
41.0
Mn 14
Ni
49
第二 节 典型零部件选材及工艺分析
一、工程材料的应用概况 金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主要
的四大类工程材料。 高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在
金属材料,尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学 性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具 有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。 从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器 时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占65％、铸铁占20 ％、有色金属占3％、非金属材料约占12％。在轻型汽车和轿 车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。
2、断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效。
（1）韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞
的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。 （2）脆性断裂失效
断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断 裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。
机械零件失效形式及诊断
主要内容
1、失效形式分类及诊断 2、机械零件失效原因概述
2.1 失效分类及诊断
(1)失效形式：失效的表现形式，也可称为失效的 类型，失效模式。
外部表现与内在本质的联系是失效分析的基础。 而多因素本质产生的众多表现是分类的前提。
外部 表现
决定 反映
Байду номын сангаас
内在 本质
失
物理作用
效
设计时工作条件考虑不周（如过载或者冲击、 动载荷）。
案例1:容器碟形封头的设计，按国家标准GB 150规定的强度公式进行强度尺寸计算，原要求 过渡区尺寸r／Di≥0.06％，运行中多次出现事 故,后修订为按r／Di≥0.10％进行结构设计， 则减少过渡区失效的发生。
案例2:某酒精厂蒸煮锅上封头采用a=80o的无 折边锥形封头，在0.5 MPa的工作压力下操作 发生爆炸引起事故。后国家标准修正规定无折 边锥形封头使用范围半锥角α≤30o。
案例3：某厂引进的大型再沸器，结构为卧式U 形管束换热器，由于管束上方汽液通道截面过 小，形成汽液流速过高，造成管束冲刷腐蚀失 效。
（二）材料缺陷以及材料选择不当与零件失效 1、材料冶炼过程质量缺陷 夹杂物、气孔、疏松、白点、残余缩孔、成分偏 析 2、构件轧制过程中的缺陷 表面粗糙、产生划痕折叠
3、锻造工艺中的缺陷：过热、裂纹
Sn、Zn-钢、Pb-钢、K-不锈 金属腐蚀、合金中的Ni、Cr元素
钢
在液体Pb中选择性溶解
中子辐射，紫外线照射
造成材料脆化，造成高分子材料 老化
磨料：矿石、煤、岩石（润 磨粒磨损，腐蚀磨损综合作用 滑剂）、泥浆、水溶液
案例：某工厂生产的继电器，春天放进仓库贮 存，到秋天就发现大批继电器的弹簧片发生沿 晶界断裂，经失效分析，判定是氨引起的应力 腐蚀开裂。但仓库里从来没有存放过能释放氨 气的化学物质。
机械零件的主要失效形式
失效：在规定的工作条件下不能正常的工作叫做失效。
失效形式有：
断裂：占总失效的5％
零件在（拉、压、弯、扭）付载荷作用下，σ> σB（材料的强度极限）就可能发生断裂。
疲劳断裂过载
例如：
齿轮
传动
（轮
齿断
裂）
东风
４牵
动齿
轮断
裂
东风
型垂
直齿
轮断
裂
螺栓
断裂
车辆
切轴
过大的残余变形
在付载荷的作用下σ> σS则产生残余变形。
例如：
重载轮齿面齿轮传动，齿面塑性变形
轮齿面在冲击载荷下倒牙。
零件的表面破坏：占74％
磨损表面物质的转移或丧失
表面磨损：牵引齿轮
轮承磨损：拖拉机25％
轮滚钢轨
接触疲劳：在接触变应力长期作用下
齿面点蚀轴承点蚀
腐蚀：在有害介质中
柴油机缸套生锈
正常工作条件破坏引起的失效
动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏
带传动：过载打滑
高速回转零件：共振
一般：每一种零件在不同的工作条件下有不同的失效形式。
主要失效形式：磨损疲劳（点蚀、断裂）腐蚀
讲失效是为了防止失效，可以从材料、热处理工艺、结构润滑等方面采取措施防止失效。
机械零件失效形式1
机械零件失效形式1、整体断裂2、过大的弹性变形或残余变形3、零件表面的破坏4、不能满足工作条件所导致的失机械零件设计计算准则1、强度准则2、刚度准则3、寿命准则4、振动稳定性准则5、可靠性准则螺纹联接的主要失效形式有（1）螺栓联接的松动。
（2）螺栓杆的拉断。
（3）螺栓杆或螺栓孔的压溃。
（4）螺栓杆的剪断。
（5）因经常拆卸而发生滑扣现象。
其中，（1）（2）为静载时的主要失效形式；（3）（4）为铰制孔用联接时的主要失效形式。
螺纹联接的设计准则：考虑螺纹联接要有适当的拧紧力矩和放松措施，通过强度计算来确定螺栓的直径；对受剪螺栓，还要进行剪切强度和挤压强度校核平键的失效形式：压溃（静联接）、磨损（动联接）、剪短带传动的失效形式：打滑和疲劳破坏带传动设计准则：在保证不打滑的条件下，带传动具有一定的疲劳强度和寿命链传动失效形式：1、链板滚子与套筒疲劳破坏2、销轴与套筒间的磨损3、销轴与套筒的搅合4、链条静强度破断对于中高速链传动，通常按许用功率进行设计计算。
而低速链传动则按其静强度进行设计计算齿轮失效的主要形式有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形对于闭式软齿面齿轮传动，其失效形式主要是齿面点蚀，其次是轮齿折断，故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，确定齿轮的主要几何参数后，再校核齿根弯曲疲劳强度。
对于闭式硬齿面齿轮传动，其失效形式主要是轮齿折断，其次是齿面点蚀，故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，确定齿轮的主要几何参数后，再校核齿面接触疲劳强度。
对于高速重载齿轮传动，可能出现齿面胶合，故还需校核齿面胶合强度闭式蜗杆传动失效形式：齿面胶合、点蚀和磨损设计准则：按齿面接触疲劳强度条件计算蜗杆传动的承载能力，在选择许用应力时，适当考虑胶合和磨损的影响，同时应进行热平衡计算轴的形式有断裂、磨损、震动、变形。
轴设计要求设有：具有足够的强度和刚度、良好的振动稳定性和合理的结构。
转轴的失效形式为交变应力下的疲劳断裂，工作性能取决于疲劳强度轴的结构设计原则①轴应便于加工，轴上零件应便于装拆和调整（制造安装要求）；②轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）；③各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）；④改善受力状况，减小应力集中联轴器的基本功用是：连接轴与轴、轴与其他回转零件一起转动，并传递运动和动力。
机器零件的失效形式及设计准则
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 在交变应力作用下，即使工作应力没有超过强度极 限，也会由于长时间工作而发生折断，这种折断称 为疲劳断裂，是承受交变应力的机械零件的主要失 齿轮轴疲劳 效形式则。 设计准则
• 2)变形 • 机械零件受载荷后会发生弹性变形，当零件承受的载荷过 大或刚度不足时，会使零件的尺寸和形状超过许用值，零 件不能正常工作。如车床主轴的变形过大，会影响加工零 件的精度。产生此种失效的原因为刚度不够。 • • • • • • •
• 对于同一机械零件可以依据一个准则，也可以同时兼顾几 个准则。具体设计时应按构件的实际使用工况和要求确定 设计准则。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 一、机械零件常见的失效形式 机械零件丧失规定的功能成为失效。机械设计 的最主要目标之一是使设计的零件在规定期限内不 发生失效。 机械零件常见的失效形式有以下几种。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 1)断裂 • 断裂是指由于零件截面上的应力超过其极限应 力产生的失效。 • •
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
静载荷冲击力
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 2)强度准则 • 强度指机械零件抵抗破坏的能力。强度准则就是机械零 件的工作应力不超过材料的许用应力，是大多数机械零 件的设计依据。本书将着重讨论机械零件的强度设计问 题。
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
一、机械零件常见的失效形式
一、机械零件常见的失效形式
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
• 二.机械零件设计准则 • 根据零件失效的原因，可建立起相应的零件设计准则。 • • • • • • • • • • •
1.3 机器零件的失效形式及设计准则
机械零件的失效形式有哪些？
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，这三个条件可以作为机件失效与否的判断原则：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。
机械零件失效的基本形式一般机械零件的失效形式是按失效件的外部形态特征来分类的，大体包括：磨损失效、断裂失效、腐蚀失效和畸变失效。
在生产实践中，最主要的失效形式是零件工作表面的磨损失效，而最危险的失效形式是瞬间出现裂纹和破断，统称为断裂失效。
1.零件的磨损失效摩擦与磨损是自然界的一种普遍现象。
当零件之间或零件与其他物质之间相互接触，并产生相对运动时，就称为摩擦。
零件的摩擦表面上出现材料耗损的现象称为零件的磨损。
材料磨损包括两个方面：一是材料组织结构的损坏，二是尺寸、形状及表面质量（粗糙度）的变化。
如果零件的磨损超过了某一限度，就会丧失其规定的功能，引起设备性能下降或不能工作，这种情形即称为磨损失效。
根据摩擦学理论，零件磨损按其性质可以分为磨料磨损、粘着磨损、微动磨损、冲蚀磨损和腐蚀磨损。
①磨料磨损：零件表面与磨料相互摩擦，而引起表层材料损失的现象称为磨料磨损或磨粒磨损。
磨料也包括对零件表面上硬的微凸体。
在磨损失效中，磨料磨损失效是最常见、危害最为严重的一种。
②粘着磨损：粘着磨损是指两个作相对滑动的表面，在局部发生相互焊合，使一个表面的材料转移到另一个表面所引起的磨损。
③疲劳磨损：当摩擦副两接触表面做相对滚动或滑动时，周期性的载荷使接触区受到很大的交变接触应力，使金属表层产生疲劳裂纹并不断扩展、引起表层材料脱落，造成点蚀和剥落，这一现象称为表面疲劳磨损。
④微动磨损：微动磨损是两固定接触面上出现相对小幅振动而造成的表面损伤，主要发生在宏观相对静止的零件结合面上。
机械零件失效的四种形式
①选择 合 适 的材 料 和 构 件 结 构 ， 采 用 如
Ｅ值高的材料或者增加承载面积
②准确 确 定 构 件 的工 作 载 荷 ， 确 进 行 正
应 力计 算 。
③严格 工艺 流程 ， 减少残 余应 力 等 。
２ 断 裂
断裂是 金属 构件 在应 力 作 用 下 材料 分 离 为互 不 相 连 的 两 个 或 两 个 以 上 的 部 分 的 现
期存放 不用 ， 必须 按 以下 要 求 进 行保 养 和检
查：
（） ５ 放净燃油及冷却水 （ 如加注的防锈 防 冻液 ， 则不要放） 。 （） ６ 门架降到最低位置。
（） ７ 刹住停 车制 动 。 （） 后轮 胎用楔 块 垫好 。 ８前
一
ｌ 叉车长期存放注意事项
除按《 使用维护说明书》 司机手册》 和《 中 关于“ 存放” 要求的“ 日常存放” 基础外 ， 还应 做下列保养和检查 ：
进行 后处 理工 艺 。即 表面 强 化工 艺 如感 应 热 处理 、 化学 热处 理 、 丸 等 。③ 对 于 承受 热 疲 喷
性、 单质性、 变形量小 等特点 ， 以造成 的危 所
害性不 大 。而塑性变 形 是 不 可逆 的变 形 即卸 去 外载 荷后 变形不会 消失 。这 样 的过 量 变形 就会 影 响构件 使用功 能 。
（） 季需停放 在 较高 且 干燥 的地 方 ， １雨 夏 季避免将 车辆 停 放在 软 质 地 面 上 ， 沥 青 地 如
（） ９ 即使长期不使用时， 也应每星期开动 次车辆 。开动时 ， 装上电瓶 ， 擦掉油缸活塞
杆上的防锈剂 ， 加满燃油及冷却水（ 冷却水 已 排掉）启动发动机 ， ， 使其完全预热。操作时， 应将车辆 前后开几 趟 ， 同时将 门架、 液压 系 统、 各操作件运动几次 ， 检查是否有渗漏等异 常现象 ， 使其保持 良好状态。 （０若叉车储存半 年以上不用 ， １） 则应对 车辆全面检查一次。检查各种橡胶 件、 密封
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m 1NN m 1N0C
材料应的力持应循久力环疲循N劳次环极时基限，数 材料的疲劳极限。
对应于循环次数N的弯曲疲劳极限：1N
1m
N0 N
★式 许对用中 称应m C 循力－ ： － － 环1N：－ － － [－ 1不 常 ]对 随 数 k应 S应 ； 1 于 力的 尺表N 循 应状 寸的 面力幂 系环 状集态 疲 数态中指 次 系系变 劳 数数数 数 化 极 。限 ；
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
max min m a 0
r min 1 max
静应力
对称循环
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
非周期性变应力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
脉动循环
：[0]
0
k S
§6-3 机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀
机械零件在载荷重 复作用下，首先在表层 内产生初始疲劳裂纹， 然后裂纹逐渐扩展， （如有润滑油，则被挤 进裂纹中产生高压，使 裂纹加快扩展）最终使 表层金属呈小片状剥落 下来，而在零件表面形 成一些小坑。
后果：1、损坏零件的光滑表面； 2、减小了接触面积，降 低承载能力; 3、引起振动和噪声 。
机械零件设计概论
基本要求：理解机械零件设计的基本要求、机械 零件的工作能力、计算准则、材料选 择的一般要求；了解机械零件的工艺 性、公差与配合及其标准的意义。
重 点：机械零件的工作能力和整体强度；机 械零件的接触强度。
§9-1 机械零件设计概述
★机械零件设计应满足的基本要求：工作可靠、成本低廉。
★机械零件的失效：由于某种原因不能正常工作的现象。
•载荷的类型：动静载载荷荷
名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件 上的载荷。 载荷系数
计算载荷： 计算载荷=K×名义载荷
不随时间变化的应力。
静应力
对称循环
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
非周期性变应具力 有周期性的变应力 。
随时间变化的应力。
平均应力
m
max
min 2
★机械零件设计的一般步骤:
1、拟定零件的计算简图； 2、确定作用在零件上的载荷； 3、选择合适的材料； 4、根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件
的形状和主要尺寸； 5、绘制工作图并标注必要的技术条件。 注意:
1、通过设计计算出的零件尺寸一般并不是最终采用的数值，设计 者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整；
机械零件的失效形式： 破坏性失效和非破坏性失效 1、断裂或塑性变形 2、过大的弹性变形 3、磨损 4、强烈的振动 5、其他：联接的松弛；摩擦传动的打滑等
§9-1 机械零件设计概述
★机械零件设计应满足的基本要求：工作可靠、成本低廉。
★机械零件的失效：由于某种原因不能正常工作的现象。
★机械零件的工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能 安全工作的限度。 载荷——称为承载能力 磨损——称为耐磨性 振动——称为稳定性
max min a r min 1
max
静应力
对称循环
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
非周期性变应力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
max min r min
max
静应力
对称循环
－－曲率半径；
－－材料的泊松比；
E－－材料的弹性模量。
机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀 2. 接触应力的计算
H
11
Fn
b1 1 122源自1 22E1E23. 接触疲劳强度的判定条件 HH，HS HH lim
式 中 H： li m实 验 测 得 的 疲材 劳料 极的 限接 ；触
变应力下的许用应力
★变应力下零件的失效形式：疲劳断裂
★疲劳断裂 特征：
1、疲劳断裂的最大应力＜材料的屈服极限； 2、疲劳断口均表现为无明显塑性变形； 3、断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区； 4、疲劳断裂是损伤的积累的结果。
★疲劳曲线
1、应力越小，能经受的循环次数越多。
2、疲劳曲线的左半部（N≤N0），可 用下列方程表示：
非周期性变应力 脆塑性材料σBS
2.
许
用
应
力 变 静
应 应
力 力
下 下
的 的
许 许
用 用
应力
应力
min
S
S1.2~1.5
3.安
全
系 静数应
力
下
的
安 塑 脆全性 性系材 材 或 数 SS料 料 31~ .54~2.5
变 应 力 下 的 安 S 全 1 .3 ~ 系 1 .7 或 数S 1 .7 ~ 2 .5
2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和 尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计 ；
3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设 计参数，才能得到比较合理的结果。
§6-2 机械零件的强度
•计算准则 :
， lim
S
， lim
S
•载荷：作用在零件上的 外力或外力矩。
§9-1 机械零件设计概述
★机械零件设计应满足的基本要求：工作可靠、成本低廉。 ★机械零件的失效：由于某种原因不能正常工作的现象。
★机械零件的工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能 安全工作的限度。
★机械零件设计的计算准则：计算量≤许用量 例如：强度判定条件：工作应力≤许用应力 刚度判定条件：变形量≤许用变形量
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
非周期性变应力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
max 0、 min 0
a
m
max 2
r min 0 max
静应力
对称循环
1.应力种类 变应力 周期性变应非 脉 力对 动成 循性 环循环
§6-3 机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀
2. 接触应力的计算
由弹性力学知，当两个轴
线平行的圆柱体相互接触并受
压时，其接触面积为一狭长矩
形，最大接触应力发生在接触
区中线上，其值为:
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
式中：
－－最大接触应力；
H
b －－接触长度；
Fn－－作用在圆柱体上的 载荷；