零件的失效形式
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
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。
零件失效的形式与原因-精选文档
于其表面相对运动而在承载表面上不断出现材料损失的过 程。”
据统计有75%的汽车零件由于磨损而报废。因此磨损 是引起汽车零件失效的主要原因之一。
一、摩擦学基础理论
• ⒈摩擦理论；
Evaluation only. eated with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. • ⒉摩擦分类；
变形 化学腐蚀、电化学腐蚀、 穴蚀 过量弹性变形、过量塑性 变形
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
老化
龟裂、变硬
橡胶轮胎、塑料器件
三、零件失效的基本原因
⒈工作条件 包括零件的受力状况和工作环境； Evaluation only. ⒉设计制造 eated with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0 设计不合理、选材不当、制造工艺不 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 当等； ⒊使用维修
形式只在某些特定条件下才会发生。
三、磨料磨损及其失效机理
定义：物体表面与硬质颗 • 磨料的来源； 粒或硬质凸出物（包括硬金属） 粒度为20μm～ 相互摩擦引起表面材料损失的 Evaluation only. 30 μm的尘埃将引起 现象称为磨料磨损；
eated with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0 曲轴轴颈、气缸表 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 面的严重磨损，而 在 各 类 磨 损 形 式 中 大 约 占 磨
汽车主要失效形式
汽车零件失效的五种形式：一、磨损：零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的现象称为磨损，它包括物理的、化学的、机械的、冶金的综合作用。
对于一个表面的磨损，可能是由于单独的磨损机理造成的，也可能是由于综合的磨损机理造成的。
磨损的发生将造成零件形状、尺寸及表面性质的变化，使零件的工作性能逐渐降低。
二、腐蚀：金属零件的腐蚀是指表面与周围介质起化学或电化学作用而发生的表面破坏现象。
腐蚀损伤总是从金属表面开始，然后或快或慢地往里深入，并使表面的外形发生变化，出现不规则形状的凹洞、斑点等破坏区域。
腐蚀的结果使金属表面产生新物质，时间长久将导致零件被破坏。
三、穴蚀：穴蚀是一种比较复杂的破坏现象，它是机械、化学、电化学等共同作用的结果。
当液体中含有杂质或磨料时会加速破坏过程。
穴蚀常发生在柴油机缸套的外壁、水泵零件、水轮机叶片、液压泵等处。
四、断裂断裂是零件在机械力、热、磁、声响、腐蚀等单独或联合作用下，发生局部开裂或分成几部分的现象。
断裂是零件破坏的重要原因致意，它是金属材料在不同情况下，当局部裂纹发展到零件裂缝尺寸时，剩余截面所承受的外载荷超过其强度极限而导致的完全断裂。
断裂是零件使用过程中的一种最危险的破坏形式。
断裂往往会造成重大事故，产生严重后果。
五、变形多年的维修实践证实，虽然将磨损的零件进行修复，恢复了原来的尺寸、形状和配合性质，但装配皇后仍达不到预期的效果。
出现这种情况，通常是由于零件变形，特别是基础零件变形，使零部件之间的相互位置精度遭到破坏，影响了各组成零件之间的相互关系。
在高科技迅速发展的今天，变形问题将越来越突出，它已成为维修质量低、大修周期短的一个重要原因。
汽车各类易损件：一、发动损件：（1）气缸体：除气缸正常磨损可进行镗磨加大尺寸予以修理外，在冬季因缸体未放尽积水被冻裂，运行中因气缸缺少冷缺冷却水被过热膨胀裂缝漏水，以及在行车事故中被碰撞损坏和孔孔径数次镗销扩大至极限。
（2）气缸套：常见故障有缸孔自然磨损、外径压配不当漏水（湿式缸套）、缸壁因敲缸损伤，或在突发情况下如连杆螺栓松脱被连杆击穿等。
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。
机械设计：20个基础知识点
机械设计：20个基础知识点1、机械零件的失效形式有哪些？（一）整体断裂（二）过大的残余变形（三）零件的表面破坏（四）破坏正常工作条件引起的失效2、为什么螺纹联接常需要防松？防松的实质是什么？有哪几种防松措施？答：一般螺纹连接能满足自锁条件而不会自动松脱，但在受振动或冲击载荷下，或是温度变化较大时，连接螺母可能会逐渐松动。
螺纹松动的主要原因是螺纹副之间的相对转动造成的，因此在实际设计时，必须采用防松措施，常采用的措施主要有以下几点：1、摩擦防松---保持螺纹副之间的摩擦力以防松，如添加弹簧垫圈，对顶双螺母；2、机械防松---采用止动零件来保证防松，常采用的是槽形螺母和开口销等；3、破坏螺纹副防松---破坏及改变螺纹副关系，例如冲击法。
3、螺纹联接中拧紧目的是什么？举出几种控制拧紧力的方法。
答：螺纹连接中拧紧的目的是让螺栓产生预紧力，预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑动。
控制拧紧力的有效方法是测力矩扳手或定力矩扳手，当达到需要的力矩时，锁紧即可；或者采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。
4、带传动的弹性滑动与打滑有何区别？设计V带传动时，为什么要限制小带轮的dmin？答：弹性滑动是带传动的固有特性，是不可避免的。
当存在拉力差并且带是弹性体，就会发生弹性滑动现象。
打滑是由于过载造成的，是一种失效形式，是可以避免的，而且必须避免。
原因：打滑发生在小带轮上，外载越大，两边的拉力差就越大，就导致弹性滑动区增大，当包角内都发生弹性滑动现象时就发生打滑现象。
弹性滑动是量变，打滑是质变。
小轮直径小，包角小，摩擦接触面积小，容易打滑。
5、为什么灰铸铁和铝铁青铜涡轮的许用接触应力与齿面的滑动速度有关？答：因为：灰铸铁和铝铁青铜涡轮的主要失效形式是齿面胶合，而发生胶合与滑动的速度有关，所以其许用接触应力和齿向滑动速度有关。
铸锡青铜涡轮的主要失效形式是齿面点蚀，其发生是由接触应力所致，故许用接触应力和滑动速度无关。
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
简要说明零件的主要失效形式。
简要说明零件的主要失效形式。
零件的主要失效形式可以分为以下几类：
1. 断裂：零件在工作过程中由于应力过大而发生断裂破坏。
2. 磨损：零件在工作过程中由于摩擦力作用而发生磨损。
3. 腐蚀：零件在工作过程中受到腐蚀剂的侵蚀，使其加工性能下降。
4. 疲劳：零件在长时间工作过程中由于反复应力作用而发生疲劳破坏。
5. 过热：零件在工作过程中由于温度过高而发生过热破坏。
6. 过载：零件在工作过程中承受的负荷过大，导致结构破坏。
7. 拉伸和压缩：零件在工作过程中由于拉伸或压缩力作用而发生变形或破坏。
第2章 机械零件的失效形式及设计准则
机械设计 Machine design
CAD三维实体建模
后桥大齿轮 变速齿轮
变速操纵杆
动力输入
轿车齿轮变速箱
机械设计 Machine design
CAD：建立数字原型
巨型挖土机的 数字原型
机械设计 Machine design
CAD：建立数字原型
透视汽车的内部结构
机械设计 Machine design
工作特性：平稳载荷（带式输送机、发电机组、通风机等）； 轻微的冲击载荷：（传送不均匀物料的带式输送机、搅拌变密度材料的搅拌机等）； 中等冲击载荷：（间歇工作的搅拌机、木工机械、钢坯初轧机等）； 严重的冲击载荷（挖掘机、破碎机、锻压机械等）； 作业的忙闲程度：间歇性（如起重机械）；连续工作（如冶金机械、水厂供水设备）； 负载繁重程度：有些机械经常处于满负荷甚至还有短时超负荷工作状态，有些则经常为不足 载的轻负荷工作。 工作速度：有些机械的工作速度基本恒定不变，有些则需经常变速。 原动机输出动力的均匀程度：电动机比较均匀稳定，液压马达及频繁起动的电动机有轻微冲 击，多缸内燃机则有中等程度的冲击，单缸内燃机会给机械造成严重的冲击 载荷。
σ 0
a σ t
a
0
t
在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏
机械设计 Machine design
机械零件的应力
对称循环
脉动循环
a
非对称循环
a
a= max t 0 min 0 m
max t 0
m
max min t
m 0 a max min
r 1
机械设计 Machine design
机械零件设计中的标准化
工程机械基础知识
1．2．1机械零件的主要失效形式机械零件由于各种原因而不能正常工作称为失效。
机械零件的失效形式主要有：(1)整体断裂零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂；或者零件在受交变应力作用时，危险截面上发生的疲劳断裂均属此类。
(2)过大的残余变形如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变形。
机床上夹持定位零件的过大的残余变形，要降低加工精度；高速转子轴的残余挠曲变形，将增大不平衡度，并进一步引起零件的变形。
(3)零件的表面破坏零件的表面破坏主要有腐蚀、磨损和接触疲劳。
腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。
磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。
零件表面的接触疲劳，是指受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。
腐蚀、磨损和接触疲劳都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。
零件到底会发生哪种形式的失效，与很多因素有关，并且在不同行业和不同的机器上也不尽相同。
从有关统计分类结果来看，由于腐蚀、磨损和各种疲劳破坏所引起的失效就占了73.88％，而由于断裂所引起的失效只占4.79％。
所以可以说，腐蚀、磨损和疲劳是引起零件失效的主要原因。
1．2．2机械零件的计算准则设计零件所依据的计算准则，是与零件的失效形式紧密联系在一起的，针对不同的失效形式，提出不同的计算准则。
(1)强度准则强度是衡量机械零件工作能力最基本的计算准则。
它是指受载后零件中的应力不得超过允许的极限。
判断机械零件的强度条件有两种形式：σ≤[σ] (1—1)s≥[S] (1—2)σ―计算应力，泛指拉压应力σ、剪切应力τ、弯曲应力σb、扭转应力τT，、挤压应力σp、接触应力σH、当量应力σe以及应力幅σa等。
[σ] ―许用应力S ―安全系数[S] ―许用安全系数许用安全系数[S]是为了考虑在强度计算中一系列不确定的因素：计算所用力学模型的精确性；推导公式忽略一些影响因素的程度；所用载荷的精确性；材料机械性能的均匀性和准确性；零件的重要性等等。
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
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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 。
2、塑性变形失效：机械设备的零部件承受的静载荷超过 材料的屈服强度时，将产生塑性变形，造成零部件问相对位 置发生变化，断裂失效
（1）断裂失效的概念
是指零件完全断裂而在工作中丧失或达不到预期工能称 为断裂失效。
（2）断裂失效的类型
常见断裂失效的形式有以下四种：韧性断裂与脆性断裂、
解理断裂与切变断裂、创晶断裂和晶界断裂、一次加载断裂 与反复加载断裂。
一、零件的失效形式
4、零件的腐蚀失效
4.1腐蚀失效的概念
金属材料受周围介质的作用而损坏 , 称为金属腐蚀 . 金 属的锈蚀是最常见的腐蚀形态 . 腐蚀时,在金属的界面上发 生了化学或电化学多相反应,使金属转入氧化(离子)状态.这 会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能,破坏 金属构件的几何形状 , 增加零件间的磨损 , 恶化电学和光学 等物理性能 , 缩短设备的使用寿命 , 甚至造成火灾、爆炸等 灾难性事故.
一、零件的失效形式
1、零件的磨损
（1）、磨损的概念
机器或别的物体因为摩擦或使用而造成的损耗。也叫 “磨耗” 。
（2）、磨损的类型
按导致磨损的原因，磨损课分为磨粒磨损、粘着磨损、表 面疲劳磨损、腐蚀磨损
一、零件的失效形式
磨粒磨损：物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金
属）相互摩擦引起表面材料损失。