常见失效形式及特征和诊断
机械零件失效形式及诊断
同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得
c =1564.5MPa（工作应力，960MPa）。
在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关 键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地追求高 强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易 促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。
19
失效分析本章总结失效形式的分类失效形式的分类重点掌握重点掌握零件的服役条件零件的服役条件重点掌握重点掌握设计制造因素设计制造因素使用维修因素使用维修因素失效的宏观形态失效的诱发原因产品的使用过程失效机理失效等级评定受力状况工作环境修复替代衰老损伤器官成为医学界的重点研究领域再生医学研究和应用成为治疗许多传统医学难以解决的重大疾病如白血病帕金森氏症的新希望
根据题意 传动轴的转速 n=2100/2.81=747.3 r/min ， 传动轴的功率 N=50 kW 得： 传动轴的扭矩Ｍn：
50 3 M 9550 10 n 2100 747 . 3
传动轴的抗扭截面系数Wp：
传动轴的最大剪切应力max：
W p
max
3 d3 35
章机械零件失效形 式
及诊断
2010.10.28
主要内容
2.1 失效分类及诊断 2.2 机械零件失效原因概述
失效分析
失效分析
大型汽轮机 转子
失效分析
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
失效分析
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
失效分析
叶片击穿厂房
失效分析
抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）
静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程 中最为关注的基本失效模式。
失效分析
2.5.3 平面拉应力
失效和失效形式的分类
第1章失效和失效形式的分类1第1章 失效和失效形式的分类机械构件或机械制品在实际使用过程中，由于载荷、温度、介质等力学及环境因素的作用，以磨损、腐蚀、断裂、变形等方式失效，这给国民经济带来极大的损失，严重的失效事故甚至会造成人身伤亡。
失效分析的目的是确定失效性质，查找失效原因，提出预防监控以及设计改进意见，避免和防止类似失效的重复发生。
失效分析工作对材料的正确选择和使用，促进新材料、新工艺、新技术和新结构的发展，对产品设计、制造技术的改进，对材料及零件质量检查、验收标准的制定，改进设备的操作与维护，以及促进设备监控技术的发展等方面具有重要作用。
1.1 失效的定义机械产品的零件或部件处于下列3种状态之一时，就可定义为失效：① 当它完全不能工作时；② 仍然可以工作，但已不能令人满意地实现预期的功能时；③ 受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须立即从产品或装备上拆下来进行修理或更换时。
机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。
机械产品及零部件的失效是一个由损伤、萌生、扩展（积累）直至破坏的发展过程。
不同失效类型其发展过程不同，过程的各个阶段的发展速度也不相同。
按照机械产品使用的过程，可将失效分为3类。
1．早期失效在使用初期，由于设计和制造上的缺陷而诱发的失效，称为早期失效。
因为使用初期，容易暴露上述缺陷而导致失效，因此失效率往往较高，但随着使用时间的延长，其失效率则很快下降。
假若在产品出厂前即进行旨在剔除这类缺陷的过程，则在产品正式使用时，便可使失效率大体保持恒定值。
2．随机失效在理想的情况下，产品或装备发生损伤或老化之前，应是无“失效”的。
但是由于环境的偶然变化、操作时的人为差错或者由于管理不善，仍可能产生随机失效或称偶然2 材料成型缺陷及失效分析失效。
偶然失效率是随机分布的，其值很低而且基本上是恒定的。
这一时期是产品的最佳工作时间。
3．耗损失效经过随机失效期后，产品中的零部件已到了寿命后期，于是失效开始急剧增加，这种失效叫作耗损失效或损伤累积失效。
机械设备修理工艺——失效理论概述
20 11:17:54
第三章 失效理论概述
§3.6 老化
老化：机械设备和零部件制造后，在长 期的使用或保管、闲置过程出现精度下降、 性能变坏、价值贬低的现象。 一、老化的分类
1、有形老化：因摩擦磨损、变形、断裂、 腐蚀等作用产生的实物形态变化。
2、无形老化：因技术进步产生的使用价值 降低的现象。
术依据、提供改进措施等。 二、失效分析的基本内容
1、调查检测 2、分析诊断 3、处置与预测
27 11:17:54
第三章 失效理论概述
§3.8 失效分析技术简介
三、失效形式的特征及其判断（表3-3） 弹性变形失效、屈服失效、疲劳断裂失
效、腐蚀失效、磨损失效、蠕变失效等。
28 11:17:54
第三章 失效理论概述
30 11:17:54
31 11:17:54
第三章 失效理论概述
§3.8 失效分析技术简介
五、失效分析举例 1、带式运输机的托辊轴承； 2、柴油机缸套外圆受到气蚀破坏； 3、转子液压泵的转子与轴套咬死； 4、挖掘机斗齿的磨损失效分析。
32 11:17:54
简答题及参考答案
1、故障和失效有何不同？ 答:机器失去正常工作能力称故障。机器零件失去正常工
主要原因：应力超过材料的屈服强度。 1、外载荷——永久变形； 2、温度——屈服强度下降、蠕变（缓慢塑性变 形）、内应力和热应力； 3、内应力——弹性变形，对策：时效处理； 4、结晶缺陷（位错，空位）——金属滑移变形。
8 11:17:54
第三章 失效理论概述
§3.2 变形 四、减少变形的措施
1、设计：重视强度、刚度、制造、装配、 使用、拆卸、修理等问题，正确选材。
压力容器和压力管道的失效(破坏)与事故分析
压力容器和压力管道的失效（破坏）1．失效的定义：完全失去原定功能；虽还能运行，但已失去原有功能或不能达到原有功能；虽还能运行，但已严重损伤而危及安全，使可靠性降低。
2．失效的方式：1）从广义上分类：过度变形失效：由于超过变形限度而失效。
断裂失效：由于出现裂口而失效。
表面损伤失效；因表面腐蚀而导至失效。
2）一般分类：可分为a)过度变形失效：失效后存在较大的变形。
b)断裂失效：失效是由于存在缺陷如裂纹、腐蚀等缺陷而引起的。
c)表面损伤失效：因腐蚀、表面损伤、材料表面损伤等原因引起的失效。
3．失效的原因1）韧性失效：容器所受应力超过材料的屈服强度发生较大的变形而导致失效，原因为设计不当、腐蚀减薄、材质劣化强度下降、超压、超温。
断口有纤维区、放射纹区、剪切唇区。
2）脆性失效：容器在无明显变形情况下出现断裂导致失效，开裂部位存在较大的缺陷（主要是裂缝），材质劣化变脆、应力腐蚀、晶间腐蚀、疲劳、蠕变开裂。
断口平齐，有金属光泽，断口和最大主应力方向垂直。
3）疲劳失效：容器长期受交变载荷引起的疲劳开裂导致疲劳失效。
原因为容器长期受交变载荷、开裂点应力集中、开裂点上有小缺陷。
断口比较平齐光整，有三个区萌生区、疲劳扩展区和瞬断区。
其中扩展区有明显的贝壳样条纹。
4）腐蚀失效：因腐蚀原因导致失效。
均匀腐蚀减薄导致强度不够；应力腐蚀导致断裂；晶间腐蚀导致开裂；氢蚀导致开裂、点蚀造成的泄漏；缝隙腐蚀造成的泄漏或开裂；冲蚀造成局部减薄，泄漏；双金属腐蚀造成局部减薄。
晶间腐蚀：金属材料均属多晶材料，晶粒间存在晶界，晶间腐蚀是指晶界发生腐蚀。
应力腐蚀：金属材料的材质、介质、和拉应力三个因素共同作用下发生的裂纹不断扩大。
裂纹的发展可以是沿晶的也可以是串晶的。
氢蚀：在高温下氢气常形成原子状态氢极易渗透到钢材内部，进入钢材的氢与渗碳体中的碳生成甲烷，使渗碳体脱碳材料变软，生成的甲烷在金属中体积增大，使金属内压力增大金属表面形成鼓包。
腐蚀失效的形式：韧性失效、脆性失效、局部鼓胀、爆破、泄漏、裂纹泄漏、低应力脆断、材质劣化。
常见失效形式及特征和诊断 共241页PPT资料
失效分析
材料的韧性与断裂设计
三、裂纹扩展的能量判据 断裂过程
裂纹形成（萌生）阶段 裂纹扩展阶段 裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹或以
内部缺陷作为裂纹源。 裂纹扩展：微裂纹或裂纹源逐渐扩展至一临界尺
寸时，立即发生断裂。前者段称裂纹亚稳扩展 阶段，后者称裂纹失稳扩展阶段。
失效分析
材料的韧性与断裂设计
一、断裂力学概述
断裂力学：线弹性断裂力学（脆性断裂）和弹塑 性断裂力学（韧性断裂）。
线弹性断裂力学分析脆性材料裂纹尖端应力应变 场时，基于线弹性的假设模型，认为裂纹尖端虽 然会出现塑性区，但因塑性区体积很小，其尺寸 与裂纹尺寸相比可忽略其影响。但工程构件大多 数采用韧性好的塑性材料，只有在低温及较大构 件截面积时可增加脆性，才可直接用线弹性断裂 力学分析。
较少单独出现，往往是其他失效形式如磨 损、接触疲劳失效的诱因。
失效分析
3.2.4防止和改进措施 降低实际应力
降低工作应力：减小零件有效截面积和工作载 荷
减少残余应力：工艺因素 降低应力集中
提高材料屈服强度
失效分析
材料的韧性与断裂设计
断裂力学和断裂力学理论在失效分析中的应用 低温脆性和低应力脆断
第三章 常见失 效形式及特征和诊 断
2010.11.02
主要内容
过量弹性变形失效 屈服失效 塑性断裂失效 脆性断裂失效 疲劳断裂失效
失效分析
主要内容
腐蚀失效、应力腐蚀失效 氢脆失效 腐蚀疲劳失效 磨损失效 蠕变失效
失效分析
3.1过量弹性变形失效
3.1.1概述 弹性变形
零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形
机械零件失效
4.1失效分析的步骤 一、收集原始材料 1、现场拍照，描述失效部位及程度。 2、整理该失效零部件的原始资料：材质、载荷、介质、温度、寿命等。 3、收集或截取好残骸及环境介质，注意断口的取样与保护。 二、失效残骸分析 如果多个零部件均发生破坏，要找出最先破断的，以其为重点分析对象。 1、单个零件宏观检查（肉眼） ⑴ 断裂部位、形式，塑性变形情况。 ⑵ 有无腐蚀、磨损等痕迹。 ⑶ 除断口外，其它部位有无裂纹及形态。 2、断口宏观检查（体式显微镜） ⑴ 找出裂纹源、扩展区和瞬断区。⑵ 断口三区所占面积及其与主应力 方向的关系，估计应力水平。⑶ 断口颜色，是否锈蚀。⑷ 断口形貌特 征。 3、断口微区分析（SEM+EDS, XRD, AEM） ⑴ 断口微区形貌特征；⑵ 断口微区腐蚀产物的化学成分；⑶ 断口裂纹 源的组织缺陷；⑷ 裂纹扩展前端的微观形态。
二、失效特征及判断 1、塑性断裂特征 ⑴ 断口附近有塑性变形或塑性变形处有微裂纹。 ⑵ 断口SEM观察，源区大面积韧窝。 ⑶ 断口或裂纹附近的高倍金相组织有明显的塑性变形层。 2、判断依据 ⑴ 有肉眼可见的塑性变形特征。 ⑵ 零件表面的脆性膜（氧化膜）开裂。 ⑶ 断口两侧不能拼合。 ⑷ 裂纹源区断口粗糙，呈纤维状，色泽灰暗。 三、预防措施 1、降低零件的实际应力 ⑴降低工作应力（加大承载面积） ⑵减少残余应力（表面处理） ⑶避免应力集中（圆角过渡） 2、提高材料的屈服强度
1.1 失效与失效学 一、概述 1、失效的概念：产品丧失其功能的现象。 2、失效类型： ⑴完全丧失其规定功能； ⑵部分丧失其规定功能，虽仍能工作，但已不能圆满完成规 定的任务； ⑶严重损伤，再不能安全地继续工作，应及时调换或修补。 3、失效形式：过量的变形、断裂和表面损伤。
二、失效事故的危害性 1、人员伤亡 国家对事故的评估等级是按人员伤亡数来划分的。在化工、交通运输 和航空航天等部门，一旦发生事故，容易造成人员伤亡。 2、直接经济损失 失效事故造成设备或装备的损坏报废，直接经济损失和达上千万元。 3、间接损失 ⑴企业自身停产或减产损失 例如：大庆油田油井的抽油杆和油管失效事故，使整个大庆油田每年 少产原油500万吨。。 ⑵环境污染 化工企业中的失效事故容易造成周围环境的严重污染。例如2005年10 月吉林石化爆炸事故对松花江的污染。 三、失效学 研究机械装置或设备的失效诊断、失效预测和预防的理论、技术和方 法及其工程应用的一门综合性学科。 失效分析已引起世界各国重视，成立各种学术机构开展研究活动。
滚动轴承的故障诊断
滚动轴承的故障诊断一、滚动轴承的常见故障滚动轴承是转动设备中应用最为广泛的机械零件，同时也是最容易产生故障的零件。
据统计，在使用滚动轴承的转动设备中，大约有30%的机械故障都是由于滚动轴承而引起的。
滚动轴承的常见故障形式有以下几种。
1. 疲劳剥落（点蚀）滚动轴承工作时，滚动体和滚道之间为点接触或线接触，在交变载荷的作用下，表面间存在着极大的循环接触应力，容易在表面处形成疲劳源，由疲劳源生成微裂纹，微裂纹因材质硬度高、脆性大，难以向纵深发展，便成小颗粒状剥落，表面出现细小的麻点，这就是疲劳点蚀。
严重时，表面成片状剥落，形成凹坑；若轴承继续运转，将形成大面积的剥落。
疲劳点蚀会造成运转中的冲击载荷，使设备的振动和噪声加剧。
然而，疲劳点蚀是滚动轴承正常的、不可避免的失效形式。
轴承寿命指的就是出现第一个疲劳剥落点之前运转的总转数，轴承的额定寿命就是指90%的轴承不发生疲劳点蚀的寿命。
2. 磨损润滑不良，外界尘粒等异物侵入，转配不当等原因，都会加剧滚动轴承表面之间的磨损。
磨损的程度严重时，轴承游隙增大，表面粗糙度增加，不仅降低了轴承的运转精度，而且也会设备的振动和噪声随之增大。
3. 胶合胶合是一个表面上的金属粘附到另一个表面上去的现象。
其产生的主要原因是缺油、缺脂下的润滑不足，以及重载、高速、高温，滚动体与滚道在接触处发生了局部高温下的金属熔焊现象。
通常，轻度的胶合又称为划痕，重度的胶合又称为烧轴承。
胶合为严重故障，发生后立即会导致振动和噪声急剧增大，多数情况下设备难以继续运转。
4. 断裂轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种故障形式，这主要是由于轴承材料有缺陷和热处理不当以及严重超负荷运行所引起的；此外，装配过盈量太大、轴承组合设计不当，以及缺油、断油下的润滑丧失也都会引起裂纹和断裂。
5. 锈蚀锈蚀是由于外界的水分带入轴承中；或者设备停用时，轴承温度在露点以下，空气中的水分凝结成水滴吸附在轴承表面上；以及设备在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。
开式蜗杆传动的主要失效形式
开式蜗杆传动的主要失效形式开式蜗杆传动的主要失效形式1. 引言开式蜗杆传动是一种常见的传动方式，它具有紧凑、可靠、承载能力高等优点，因此广泛应用于机械设备中。
然而，随着使用时间的增加和工作环境的变化，开式蜗杆传动也会出现一些失效形式，对传动系统的正常运行产生影响。
本文将对开式蜗杆传动的主要失效形式进行全面评估，并探讨其影响因素以及对策。
2. 蜗杆磨损蜗杆磨损是开式蜗杆传动中最常见的失效形式之一。
由于工作时蜗杆与蜗轮之间的相对运动，会产生接触磨损和摩擦磨损。
接触磨损主要由于局部高温和高压引起，摩擦磨损则是由于摩擦力和摩擦热导致。
3. 蜗轮齿面疲劳蜗轮齿面疲劳是开式蜗杆传动中另一个常见的失效形式。
蜗轮在高速运转的情况下，由于受到重复载荷作用，容易引起齿面的裂纹和断裂。
这种失效形式主要与蜗轮材料的强度、设计参数以及润滑条件等因素有关。
4. 蜗轮变形和变位蜗轮变形和变位也是开式蜗杆传动中的一种常见失效形式。
当传动系统受到外界载荷或温度变化等因素影响时，会导致蜗轮变形或变位。
这会使得蜗轮的齿廓形状和配合间隙发生变化，进而影响传动效率和传动精度。
5. 油膜性能退化开式蜗杆传动在工作时需要润滑油膜的支持，以减小齿面磨损和摩擦，并降低传动噪音。
然而，随着使用时间的增长和油品性能退化，油膜的质量会下降，从而降低传动系统的工作效果，甚至引起故障。
6. 影响因素与对策开式蜗杆传动的失效形式受到多种因素的影响，如工作负载、温度、材料选择和润滑条件等。
为了减少失效形式的发生和延长传动系统的使用寿命，我们可以采取以下对策：- 选择适当的材料，提高传动部件的强度和耐磨性；- 合理设计传动参数，减小磨损和摩擦；- 加强油润滑，保证油膜性能，并定期更换润滑油；- 控制工作负载和温度，避免传动系统超负荷和过热。
7. 个人观点与理解开式蜗杆传动作为一种常见的传动方式，其失效形式必然对传动系统的正常运行产生一定影响。
在实际工程中，我们应该关注并加以预防常见的失效形式，从而提高传动系统的可靠性和寿命。
往复式压缩机气阀失效形式及故障诊断
阀片 由厚 度为 Ｏ１ ． ｍ 的弹性 薄钢 片 制成 ，因此 ． ～Ｏ３ ｍ
① 阀座 ； ②③ 阀盖 ；④ 连接螺栓 ；⑤⑥ 弹簧 ；⑥⑦ 阀片 ；⑧
但 由于 阀片 较 厚 ，运 动动 量 较 大 ，阀 片经 常 与 导 向 面 摩 擦 ，工 作 时 冲击 性 较 大 ， 阀 片启 闭难 以迅 速 、 及 时 ， 因此 气 体 在 阀 中 容 易 产 生 涡 流 ，增 大 损 失 ，
故环状阀片适用于转速低于 １ ０ ／ ｉ ０ ｍｎ的压缩机 。 ５ ｒ
② 阀片继续升高直到撞击升程限制器 ，并可能有反
弹现 象 。③ 当活 塞 接 近止 点 位 置 时 ，进 气 速度 和气 流推 力 减 少 ，阀 片从 升 程 限 制 器 向 阀座 回落 。根 据 牛顿第 二定 律 ，阀片 的运 动方程 可 为 ：
ｍ（ ｈ ／ｄ ＝ — ａ ｔ） （） １
维普资讯
第 ６期
天 然气 技术 ・ 理 与 加 工 处
接 近膨 胀 过 程 的终 点 ，汽 缸 与 阀 腔 之 问 的压 力 差 克 服 弹 簧 力 推 动 阀片 离 开 阀座 ，汽 缸 开 始 吸 气 过 程 。
来判 断 。
其 中 ，振 动 分 析 法是 在 对 设 备 所 产 生 的 机 械 振
Ｖｏ ． Ｎｏ６ １１． ． Ｄｅ ｃ．２ ０７ ０
第 １ ・ ６期 卷 第
文章编号：１７ — ０ ５ （０ ７ ６ ０ ７ — ３ ３ ９ ３ ２ ０ ）０ — ０ ４ ０ ６
往 复 式 压 缩 机 气 阀 失 效 形 式 及 故 障 诊 断
齿轮的失效形式
齿轮的失效形式齿轮传动是机械设备中最常见的传动方式，现代机械对齿轮传动的要求日益提高，即要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣环境条件下工作，又要求齿轮装置具有较高的平稳性、高可靠性和结构紧凑等良好的工作性能，由此使得齿轮发生故障的因素越来越多，而齿轮异常又是诱发机器故障的重要因素。
因此，齿轮故障诊断技术的应用研究是非常重要的。
齿轮由于制造、操作、维护以及齿轮材料、热处理、运行状态等因素不同，产生异常的形式也不同，齿轮常见的故障形式有如下几种：1、齿的断裂齿的断裂分疲劳断裂和过负荷断裂。
疲劳断裂是齿轮重复受载后由于应力集中产生的。
当齿轮副进入啮合状态时，最危险的瞬间是接触点位于齿轮的顶部，此时在齿根部产生的弯曲应力为最大，存在较严重的应力集中，当载荷超过设计值，或者齿轮在周期性交变载荷作用下，经过一定的载荷循环后，齿的根部有可能产生裂纹。
齿轮继续工作，裂纹向根部纵深发展，当裂纹削弱的根部不能承受弯曲应力时，齿就发生断裂。
过负荷断裂是由于机械系统速度的急剧变化，轴系共振，轴承破损，轴的弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面的一端而引起的，其原因主要是由于装配不良，机器运转时存在其他故障问题。
齿的断裂是齿轮最严重的故障，常因此造成设备停机，或者引起机器其他零部件的故障。
2、齿的磨损磨损是指金属的整个齿面上连续不断地损耗，从而在齿面上产生金属的研磨状。
齿轮在啮合过程中，往往在轮齿接触表面上出现材料摩擦损伤的现象。
如果磨损量不影响齿轮在其寿命内应具备的功能的磨损，我们称之为正常磨损，其特征是齿面光滑，没有宏观擦伤，各项公差在允许范围内。
如果由于齿轮用材不当，或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁，往往以其齿轮的早期磨损，有微小的颗粒分离出来，接触表面发生尺寸变化，严重损失，并使齿形改变，齿厚边薄，甚至出现“刀片”状齿尖；啮合间隙增大；噪声增大；严重磨损的结果将导致齿轮失效。
失效和失效形式的分类
失效和失效形式的分类第1章失效和失效形式的分类1第1章失效和失效形式的分类机械构件或机械制品在实际使用过程中，由于载荷、温度、介质等力学及环境因素的作用，以磨损、腐蚀、断裂、变形等方式失效，这给国民经济带来极大的损失，严重的失效事故甚至会造成人身伤亡。
失效分析的目的是确定失效性质，查找失效原因，提出预防监控以及设计改进意见，避免和防止类似失效的重复发生。
失效分析工作对材料的正确选择和使用，促进新材料、新工艺、新技术和新结构的发展，对产品设计、制造技术的改进，对材料及零件质量检查、验收标准的制定，改进设备的操作与维护，以及促进设备监控技术的发展等方面具有重要作用。
1.1 失效的定义机械产品的零件或部件处于下列3种状态之一时，就可定义为失效：① 当它完全不能工作时；② 仍然可以工作，但已不能令人满意地实现预期的功能时；③ 受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须立即从产品或装备上拆下来进行修理或更换时。
机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。
机械产品及零部件的失效是一个由损伤、萌生、扩展（积累）直至破坏的发展过程。
不同失效类型其发展过程不同，过程的各个阶段的发展速度也不相同。
按照机械产品使用的过程，可将失效分为3类。
1．早期失效在使用初期，由于设计和制造上的缺陷而诱发的失效，称为早期失效。
因为使用初期，容易暴露上述缺陷而导致失效，因此失效率往往较高，但随着使用时间的延长，其失效率则很快下降。
假若在产品出厂前即进行旨在剔除这类缺陷的过程，则在产品正式使用时，便可使失效率大体保持恒定值。
2．随机失效在理想的情况下，产品或装备发生损伤或老化之前，应是无“失效”的。
但是由于环境的偶然变化、操作时的人为差错或者由于管理不善，仍可能产生随机失效或称偶然2 材料成型缺陷及失效分析失效。
偶然失效率是随机分布的，其值很低而且基本上是恒定的。
这一时期是产品的最佳工作时间。
3．耗损失效经过随机失效期后，产品中的零部件已到了寿命后期，于是失效开始急剧增加，这种失效叫作耗损失效或损伤累积失效。
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。
往复式压缩机气阀失效形式分析及故障诊断
设备管理与维修2021№4(下)0引言气阀是往复式压缩机的重要组件,最容易出现故障。
一旦组件发生问题,会直接导致往复式压缩机机组出现排气压比例失调、排温高等情况。
这样不但影响机械的使用寿命,也会带来安全隐患,干扰企业生产计划。
为保障日常生产正常进行,下面对机组故障进行分析和诊断。
1往复式压缩机气阀结构及失效形式分析1.1往复式压缩机气阀结构要明确找出往复式压缩机气阀失效的原因,并进行针对性分析,要先了解往复式压缩机的气阀结构。
往复式压缩机的气阀主要由阀座、阀片、升程限制器和弹簧组成。
其中,阀片负责开启和关闭气阀通道,弹簧负责配合气流控制阀片运动,阀座上有环形的气体通道,升程限制器则对阀片的活动范围进行限制,同时支撑起弹簧。
1.2往复式压缩机气阀工作过程气阀分为吸气阀和排气阀两部分。
在往复式压缩机工作过程中,活塞会进行上下往复的规律运动。
每运动一次,气阀的吸气阀和排气阀就各开启、关闭一次。
即活塞活动会控制压缩机完成吸气、排气的工作。
当吸气阀中F g (进气管中压力)>F s (外界压力)时,往复式压缩机进行吸气,反之,进行压缩;当排气阀中F g <F s 时,排气阀进行排气,反之,进行压缩。
1.3往复式压缩机气阀失效的集中情况在日常工作中,往复式压缩机气阀失效的形式主要集中在阀座失效、弹簧失效和阀片失效等3种。
其中阀片和阀座失效占据气阀失效原因的55%以上,是往复式压缩机气阀失效的主要问题。
1.3.1阀座失效阀座是往复式压缩机气阀的重要组成部分。
它可以和升程限制器一起形成气阀内部空间,气体在形成气阀内部空间中通过,开始正常运作。
阀座可能出现故障有阀座与阀片之间形成的气体密封结构失效。
故障原因可能是阀座锈迹,或因腐蚀导致密闭空间被破坏,间接引起压缩机气阀失效。
1.3.2阀片失效阀片在机器长期高频使用过程中,可能会出现变形、断裂等情况,造成阀片失效。
根据气阀结构可以看出,阀片和弹簧在工作时具有很强关联性,当弹簧出现情况时,也会对阀片产生影响,出现各处开合力不平衡的情况,导致阀片出现变形。
常见失效形式及特征和诊断
匹配尺寸
采用减少变形影响的转接件
失效分析
3.2屈服失效
3.2.1概述 屈服失效——由过量塑性变形引起的失效
例 某厂的洗涤塔为薄壁圆筒结构。输入煤气前 用蒸汽冲洗，之后错误关闭放散阀，向塔内喷 冷水，使塔内蒸汽冷凝形成负压。导致塔壁收 缩内陷，塔身整体发生扭曲变形，产生屈服失 效。
失效分析
断裂过程
裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展阻力大，da/dt较小； 裂纹失稳扩展时，裂纹扩展阻力小， da/dt大， 最大可达该材料的声速。 韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段较长，裂纹的扩 展与塑性变形同时进行，故有明显的塑性变形， 断裂慢。 脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，故无明显塑 性变形，断裂快。
失效：工作载荷和温度使零件的弹性变形 量超过匹配数值
失效分析
3.1.2特征及判断
失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，高温或 低温工作经历 配合表面是否有划伤、擦痕或磨损 设计是否考虑弹性变形影响 计算验证
失效分析
3.1.3防止措施 选材或结构
材料的弹性模量、热膨胀系数 增加截面积、降低应力
失效分析
断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断裂的力 学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩 展的能力。 单位：MPa· 1/2 或者 MN · -3/2 m m
失效分析
五、断裂力学理论在失效分析中的应用 已知应力，材料，确定结构安全的最大裂纹长度
K IC ac Y 已知裂纹长度，材料，确定结构安全的最大应力 K IC c Y a
失效分析
材料的韧性与断裂设计
三、裂纹扩展的能量判据
断裂的能量判据 裂纹失稳扩展条件： GriffithG≥R R=γs Orowan修正G≥R R=2(γs＋γp) 断裂的能量判据 ：GI≥GIc GIc=或GIc= 2(γs+γp) 当GI 增大，达到材料对裂纹扩展的极限抗力时，裂 纹体处于临界状态。此时，GI 达到临界值GIC ，裂 纹体发生断裂 GIC的单位为J／mm2，与冲击韧性的相同，故可将GIC 称为断裂韧性。
海洋平台压力容器常见失效形式及检测方法分析
- 76 -故障诊断石油和化工设备2021年第24卷图1 海洋平台压力容器不同阶段出现失效的概率海洋平台压力容器常见失效形式及检测方法分析王良杰，王柳，白鹏飞，陈征（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司， 天津 300452）[摘 要] 海洋平台的压力容器较为特殊，必须确保其运行的可靠和稳定。
本文对压力容器在整个使用过程中不同阶段出现失效的概率进行了分析。
结合实践对压力容器常见的失效形式进行了介绍，主要有变形失效、断裂失效和腐蚀失效。
对常用压力容器检测技术方法进行了阐述，主要有人工目视检测、磁粉检测、超声波检测和射线检测。
这些检测手段对于提升压力容器检测效果，保障设备安全可靠运行具有重要意义。
[关键词] 海洋平台；压力容器；失效；检测技术作者简介：王良杰（1988—），男，四川南充人，西南石油大学机械工程及自动化专业毕业，工学学士，工程师。
从事注水工艺地面设备及井下工具研究工作。
随着我国海洋战略的不断推进，目前在建的海洋平台数量越来越多，所使用的压力容器数量也日益增多。
海洋平台压力容器在工作中需要承受较大的工作载荷，且服役环境较为复杂，主要表现为大载荷、强腐蚀、易燃易爆等。
为了保障压力容器的使用安全，需要时刻关注其运行状态，对其服役状态进行准确检测，避免压力容器工作时出现突发性故障问题。
一旦出现问题，轻则对海洋平台的正常运行造成不利影响，重则会引发严重的生产安全事故，甚至威胁工作人员的人身安全。
因此，有必要针对海洋平台压力容器在使用时经常出现的失效形式进行系统分析，在此基础上提出针对性的检测方法。
通过这些方法能够及时发现设备运行问题，并在第一时间采取措施进行处理，避免小问题引发严重的安全事故。
1 压力容器不同阶段失效的概率海洋平台中使用的压力容器属于特种设备，服务环境相对特殊和复杂。
因此在使用过程中不可避免地会出现各种问题，导致设备失效无法正常工作。
大量实践经验表明，压力容器在安装完成投入使用的前期，由于在生产、加工、运输和安装等环节存在不当之处，设备运行时可能会出现各种问题。
常见断口的失效分析-2
常见材料失效形式与分析1.概述材料失效分析技术包括：感官检查、断口分析、化学成分分析、力学性能测试、组织分析、无损检测、残余应力测试、结构受力分析、使用维护分析、环境分析等。
其中断口分析是重要的一环。
材料失效形式有断裂、变形、腐蚀、磨损等。
在机械装备的各类失效中以断裂失效最主要、危害最大。
断口是断裂失效中两断裂分离面的简称。
断口真实地记录了裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息。
对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式及断裂类型的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索，并且可以作为冲击试验转变温度的确定依据。
断口金相学不仅能在设备失效后进行诊断分析，还可为新产品、新装备投入使用进行预研预测。
本实验的主要内容为：观察不同载荷下失效的金属断口的宏观形貌和微观形貌，掌握其宏观形貌特征和微观形貌特征。
2.实验目的（1）了解拉伸、冲击、疲劳断口各特征区的构成及形貌特征；（2）掌握判定断口承载类型及断裂性质的方法。
3.实验装置及材料（1）扫描电子显微镜（JSM-6390A型）一台；（2）超声清洗仪（SCQ-200）一台；（3）拉伸、冲击、疲劳断口试样若干；（4）放大镜一只；（5）吹风机一只；（6）丙酮、无水酒精、导电胶带若干。
4.实验原理4.1断口形貌特征：（1）宏观形貌特征包括断口附近的残留塑性变形特征，如：缩颈量的多少、表面的凹凸程度，有无剪切唇等；断口的光泽和颜色：各区域的颜色及亮、暗程度，氧化腐蚀产物的颜色；断口的形貌特征花样：如纤维状、结晶状、发光小平面、放射线、弧形线等；特征区的位置、分布、面积；材料内部缺陷的痕迹等。
（2）微观形貌特征断口上常见的微观特征有：韧窝，特征包括微孔深度、大小，微孔形态（等轴、剪切、撕裂）等；滑移，具有滑移线、蛇形花样、涟波花样和延伸区（平直区）等特征；解理，包括台阶、河流、舌状、扇形、鱼骨状花样及瓦纳线等特征。
准解理，介于解理断裂与塑性断裂间的一种过渡断裂形式，具有解理小平面、撕裂棱、浅韧窝、涟波花样及延伸区等特征；沿晶断裂，具有岩石状、冰糖状等特征；疲劳，具有条带、二次裂纹、轮胎花样等特征；腐蚀，具有氧化物、腐蚀产物、泥纹等特征。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.（1）金属在大气中的腐蚀 金属表面凝聚一层水膜，由于大气中含有CO2、SO2、NO2、盐类等，溶 解于水膜中成为电解质溶液。金属内含有杂质，在电解质溶液中形成 腐蚀原电池，原电池的作用使金属受到腐蚀，是电化学腐蚀。
（2）影响大气中腐蚀的因素
①湿度的影响。 ②灰尘的影响。 ③大气中有害气体的影响。
3.（1）金属在土壤中的腐蚀 （2）影响土壤中腐蚀的因素 ①土壤电阻率的影响。 ②土壤中氧含量的影响。 ③土壤PH值的影响。 ④土壤内细菌的影响。 ⑤土壤杂散电流的作用。
管道在土壤中腐蚀
4.（1）金属在海水中的腐蚀 （2）影响金属在海水中的腐蚀因素 ①海水中盐的类型及浓度的影响。 ②海水中含氧量的影响。 ③海水温度的影响。 ④海水流速的影响。 ⑤海洋生物的影响。
2.力学因素 在机件设计和加工过程中应避免各种产生残余拉应力的因素。采用表 面处理，使表面获得残余压应力层，对防止氢脆有良好作用。尽可能 选用氢脆临界场强度因子门槛值高的材料。 3.材料因素 含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。刚的强度等级越 高，对氢脆越敏感，所以，对在含氢介质中服役的高强度钢的强度应 有所限制。钢的显微组织对氢脆敏感性也有较大影响，一般按下列顺 序递增：下贝氏体，回火马氏体或贝氏体，秋化或正火组织。正确制 定钢的冷热加工工艺，可以提高机件抗氢脆性能。
3.9腐蚀疲劳断裂
3.9腐蚀疲劳失效 腐蚀疲劳断裂：材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下 导致的断裂。
一、腐蚀疲劳破坏的机制
交变应力和腐蚀介质的共同作用使腐蚀坑形成初裂纹 环境介质与不断产生的新金属表面发生作用
二、腐蚀疲劳破坏的特点
1.不需要特定的腐蚀系统 2.任何金属材料均可能发生腐蚀疲劳 3.不存在疲劳极限 4.疲劳曲线明显地向低值方向推移 5.初裂纹的扩展受应力循环周次的控制；不循环时裂纹不扩展 裂纹扩展与应力条件，温度，介质有关
3.6.3防止金属腐蚀的措施 1.正确选用金属材料和合理设计金属结构
（1）正确选用金属材料，根据具体情况选择合适的耐蚀材料。
（2）合理设计金属结构 设计上尽可能降低热应力、流体停滞和聚集、局部过热等。 设计时应尽量避免不同的金属互相接触，非要不同金属相互接触时， 用绝缘材料将两者隔开。
2.去除介质中有害成分和添加缓蚀剂
3.8氢脆失效
3.8.1 氢脆是在应力和过量氢的共同作用下使金属材料塑性、韧性下降的一种现 象。材料中氢含量越高，氢脆现象越严重。 金属，尤其是高强钢的氢脆断裂一般表现为延迟断裂，也存在发生氢脆的 门槛应力。 金属中氢的来源很多，在金属冶炼过程中由于原材料中含有水分和油垢等 不纯物质，高温分解出氢。氢还可以在机械加工过程中（如酸洗、电镀等） 进入金属。金属在服役过程中环境介质也可以提供氢。
失效分析
磨损失效过程 磨损过程大致可分为以下三个阶段： 1.跑合（磨合）磨损阶段 2.稳定磨损阶段 3.剧烈磨损阶段
失效分析
3.10.2磨损机制及行为特征
1.腐蚀磨损 两物体表面产生摩擦时，工作环境中的介质 (如液体、气体或者润滑剂等)与材料表面起化 学反应或电化学反应，形成腐蚀产物，产物粘 附不牢，在摩擦过程中剥落下来，新的表面又 继续与介质发生反应。这种腐蚀和磨损的反复 过程称为腐蚀磨损。
失效分析
失效分析
2.咬合磨损
1).咬合磨损：摩擦副相对运动时，接触点表面材料塑性变 形、焊合、剪断而有一个表面转移到另一个表面引起材料流 失的现象。
失效分析
2).形貌特征 按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、 撕脱、咬死。
点接触 : 接触表面油膜被破坏，金属表面局部焊合或粘合 剪切撕脱，形成凹坑或凹槽。 表面金属局部转移，形成细长条状、不均匀、不连续的条痕 粘合处强度进一步增加，产生犁沟，拉伤的损伤 外加压应力增加，润滑膜严重破坏时，咬合，接触点产生熔焊 现象，剪切撕脱破坏深入金属内部，形成较深的坑，严重的烧 伤痕迹。
失效分析
三、腐蚀疲劳断裂的断口特征
•宏观特征 1.脆性断裂 2.疲劳源区一般不明显 3.断裂多源自表面缺陷或腐蚀坑底部 •微观特征 1.疲劳辉纹由于腐蚀介质的作用而模糊不清 2.二次裂纹较多并具有泥纹花样、腐蚀坑、腐蚀产物等 3.随着加载频率的降低和腐蚀介质的腐蚀性加强 ，静载腐 蚀断裂(应力腐蚀)特征花样逐渐增多 4.多源疲劳 裂纹的走向：穿晶——常见 沿晶——加载频率低 单纯机械疲劳：裂纹在同一平面 腐蚀疲劳：主裂纹附近出现多条次裂纹
（2）局部腐蚀：①斑点腐蚀。②脓疮腐蚀。③点腐蚀。④晶间腐蚀。 ⑤缝隙腐蚀。⑥穿晶腐蚀。⑦选择腐蚀。
3.腐蚀程度的表示方法 （1）均匀腐蚀的腐蚀程度表征。 ①有重量的变化来评定。 ②有腐蚀深度来表示。 （2）局部腐蚀的腐蚀程度表征。裂纹扩展速率或材料性能降低程度来 表示。
3.6.2主要腐蚀失效类型的现象和特征 1.金属的局部腐蚀 （1）点腐蚀。 首先介质的活性阴离子吸附在金属氧化膜的某些点上，对膜产生破坏。 有缺陷的区域和没有缺陷的区域形成局部电池，有缺陷的部分成为活化 的阳极，周围区为阴极区，因阳极面积非常小，电流密度很大，在金属 表面形成腐蚀小孔。随后溶解下来的金属离子水解，使小孔内溶液的酸 度增加，小孔被进一步腐蚀加深。
3）防止措施 合理地选择配对材料 采用表面处理 限制摩擦表面的温度，控制压强 减小表面粗糙度
失效分析
3.热磨损
1.热磨损：当滑动速度很大，比压也很大的时候，将产生大 量摩擦热使润滑油变质，并使表层金属加热到软化温度，在 接触点处产生局部金属粘着，出现较大金属质点的撕裂脱离 甚至熔化的磨损。 2.形貌特征
举例：钢板弹簧、销钉或螺栓紧固接件、轴与孔的配合件
失效分析
例：薄板冲裁模磨损失效
薄板冲裁模 ：模具受到的冲击载荷不大 ，因摩擦产生 的刃口磨损是主要的失效形式 。 磨损过程：分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶 段。
（4）氢致延滞断裂 高强度钢中含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用 下，经过一段孕育期后，在内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，并且裂纹 逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。
3.8.3防止氢脆的措施 1.环境因素
设法切断氢进入金属内的途径，或设法延迟在这个环节上的反应速度， 使氢不进入或少进入金属中。如采用表面涂层。
点腐蚀
（2）缝隙腐蚀。 零件的金属或金属与非金属之间形成缝隙，且电解质可以进入缝隙而在其中 处于停滞状态，使缝隙内部腐蚀加剧。 （3）晶间腐蚀。 晶间腐蚀主要是由于化学不均匀性引起的，晶界处原子排列较为疏松而紊乱， 容易产生晶界吸附，富集杂质原子，也容易沉淀，组成局部电池，造成晶间 腐蚀。 （4）接触腐蚀。 一对相接触的异类金属浸入电解液中成为一个原电池，电位较负的金属（阳 极）就会受到电化学腐蚀。
失效分析
2.磨损失效的分类 按环境和介质可分为：流体磨损；湿磨损；干磨损。 按表面接触性质可分为：金属--流体磨损；金属--金 属磨损；金属--磨料磨损。 从磨损的失效机制分为：氧化磨损（腐蚀磨损）、咬 合磨损(第一类粘着磨损)、热磨损(第二类粘着磨损)、 磨粒磨损和接触疲劳磨损。 磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具 有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损 伤机制变成另一种损伤机制。
3.防止措施 减少摩擦热，在摩擦区增加水冷 或气冷的结构措施，表面非金属薄膜，润滑 提高金属热稳定性和润滑油热稳定性，选用热稳定性高的合 金
失效分析
4.磨料磨损的特征及判断
1.磨料磨损：当硬质点(硬磨粒)在压力下滑过或滚过一个表 面或者当一个硬表面(包含有硬质点)擦过另一个表面时，使 材料表面发生磨耗的现象。 磨料硬度Ha和金属材料硬度Hm的相对高低。
失效分析
腐蚀疲劳失效的预防措施
合理的选择材料 表面感应淬火 喷丸和表面滚压强化 表面化学热处理 电镀，涂层防护 阴极保护
失效分析
3.10磨损失效分析
3.10.1概述 磨损失效
1.磨 损：相互接触并作相对运动的物体由于机械、物理 和化学作用，造成物体表面材料的位移及分离，使表 面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程。 例： 推土机、挖掘机和拖拉机的行走机构，农具的犁铧、锄、 铲，发动机中的曲轴、凸轮轴、汽门挺杆、活塞环、 油嘴油泵、齿轮。 世界上1/3~1/2的能源消耗在摩擦上，75%机械零 件由于磨损失效。
（1）去除介质中有害成分 （2）添加缓蚀剂减慢腐蚀速度 阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂、混合型缓蚀剂等的加入可以使电化学腐 蚀过程减慢。
3.隔离有害介质 （1）结构设计上采取措施使关键部位和有害环境隔绝开来。
（2）采用各种表面防护技术。
4.电化学保护 用改变金属-介质的电极电位来达到保护金属免受腐蚀。
（1）阴极保护，把金属电极接到电池的负极，通以电流进 行极化。常用于地下管道及其他金属设备、水中设备、冷 凝器、冷却器、热交换器。
第三章
3.6腐蚀失效
3.6.1概述 金属材料受到周围环境介质的化学或电化学作用而引起的损坏叫做金属 的腐蚀失效。
1.金属腐蚀的分类 按金属与介质的无电流产生。
①气体腐蚀。 ②在非电解质溶液中的腐蚀。 （2）电化学腐蚀，特点是腐蚀过程中有电流产生。 ①大气腐蚀。 ②土壤腐蚀。 ③电解质溶液中的腐蚀。 ④熔融盐中的腐蚀。 2.腐蚀的破坏形式 （1）均匀腐蚀。
（5）一定的金属材料只是在特定的活性介质中才发生应力腐蚀断裂。
3.7.3应力腐蚀评定方法 1.光滑试样恒应力试验
2.预裂纹试样应力腐蚀实验
3.7.4防止应力腐蚀开裂的措施 1.合理选择材料，针对零件所受应力和使用条件选用耐应力耐蚀的材料。 如铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的条件应避免使用铜合 金。 2.减少或消除零件中的残余拉应力，残余拉应力是产生应力腐蚀的重要 条件。为此，设计上应尽量减少零件上的应力集中，工艺上采用退火工 艺消除应力。 3.改善介质条件，设法减少或消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子， 或者在腐蚀介质中添加缓蚀剂。 4.采用电化学保护。 5.零构件应力腐蚀控制设计。