机械零部件故障分析.pptx

按失效的宏观特征，可将零件失效分为变形失效、 断裂失效、磨损失效和腐蚀失效四大类。按失效 性质和具体特征，每一类型还可以包括几个小类， 如图所示。
举例说明故障模式及原因，如表所示
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2.1 机械零部件的故障模式和机理
变形 失效
过量弹性变形失效 过量塑性变形失效
脆性断裂失效
塑性断裂失效
环境介质引起的断裂 （应力腐蚀、氢脆断裂等）
在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定。 实际零件工作中往往不是只受单一载荷作用的，而是同
时承受几种类型载荷的复合作用。
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5种基本载荷类型
应力分布情况
拉伸 压缩
悬臂
简单弯曲
压缩
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+ 中性轴
_
_ 中性轴
+
中性轴
载荷类型 轴向载荷 弯曲载荷 扭转载荷 剪切载荷 接触载荷
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载荷性质
❖ 静载荷
第二章 机械零部件故障分析
❖ 2.1 机械零部件的故障模式分析
2.1.1 故障模式的基本概念 2.1.2 机械零件典型故障模式及机理
❖ 2.2 故障原因分析
服役条件 受力状况
载荷类型 载荷性质 应力状态
工作环境 设计制造
设计 材料制造工艺 使用维护
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❖ 静应力故障
2.2.1 应力状态 2.2.2 变形故障 2.2.3 断裂故障 2.2.4 静应力失效的强度理论
例如，受拉的绳索、受拉或压缩的杆件等等 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。零件上主应力
与最大切应力的关系为 ：主应力/最大切应力=2
❖ 弯曲载荷
垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶），它使零件产生弯曲变形 例如，齿轮轮齿的根部、汽车的钢板弹簧等，工作中承受弯曲载荷 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规律是：从表面
缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷
❖ 冲击载荷
以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为 能量载荷
❖ 交变载荷
载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其变化可以是周 期性的，也可以是无规则的
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交变载荷
❖ 对称循环应力
等值交变的拉伸、压缩和剪切应力。例如，弯曲载荷作用下的旋转 轴。其最大应力和最小应力数值相等但符号相反，其应力比r=-1
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2.2 静应力故障
❖ 2.2.1 应力状态
定义：零件的应力状态是指通过受载零件任一点 所作的各个截面上的应力状态
分类：从不同角度分类，零件的应力状态可分为 单向应力，多向应力等。
这里介绍“软性”应力状态、“硬性”应力状态 对零件变形及断裂形式的影响
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2.2.1 应力状态
❖ 通常用软性系数 ＝ max
机械 零件 失效
断裂 失效
磨损 失效
低周疲劳
疲劳 断裂
高周疲劳 腐蚀疲劳 高温疲劳
热疲劳
冲击断裂
蠕变持久断裂
磨粒磨损
粘着磨损
氧化磨损
接触疲劳
腐蚀
均匀腐蚀
失效
局部腐蚀
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机械零件故障模式
表2-1 金属弹簧故障模式、原因分析
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5种基本载荷类型
❖ 轴向载荷
力在作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反，包括轴向拉伸和 轴向压缩载荷
故障机理是指导致产品功能故障或潜在故障的产品自身 的那些物理、化学或生物变化过程等直接原因
故障原因包括了直接原因和间接原因，后者是指由于其 他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的间接故障 原因
应正确区分故障模式与故障原因
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2.1 机械零部件的故障模式和机理 ❖ 2.1.2 机械零件典型故障模式及机理
应力最大改变到中性轴线处应力为零。并且，中性轴线一侧为拉伸 应力，另一侧为压缩应力。
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基本载荷类型
❖ 扭转载荷
作用在垂直于零件轴线平面内的力偶，它使零件发生扭转变形。 例如，传递扭矩的传动轴、圆柱螺旋弹簧等，工作是承受扭转载荷 在扭转载荷作用下，横截面上的切应力的分布规律是：从表面最大
到横截面中心处为零（这里讲的“中心点”，是指扭转中心轴线与 横截面的交点）
❖ 脉动循环应力
单向应力，其应力值从零变化到最大，r=0。例如一对齿轮传动，转 动方向不变时，齿轮的弯曲应力即为脉动循环应力。
❖ 非对称循环应力
应力值由最小到最大变化，最小应力既可能是正值，也可能负值。 例如，连杆螺栓所受的应力。
❖ 随机循环应力
实际运转的机器，由于服役条件可能发生变化，例如，开车、停车， 工作载荷可能有大有小，运转可能时快时慢，所以交变应力的波形、 应力幅大小、方向和周期都随时间而变化。
❖ 剪切载荷
使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。 表（d）表示螺栓在连接接合面处受剪切，并与被连接孔壁互压。螺
杆还受弯曲，但在各接合面贴紧的情况下可以不考虑。 在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的横截面上均匀的。
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基本载荷类型
❖ 接触载荷
两个零件表面间的接触有点接触、线接触和面接触。零 件受载后在接触部位的正交压缩载荷称为接触载荷。例 如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传动中轮 齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。
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交变载荷
+
+
应
应
力0
力
辐
辐
_
_0
时间
(a)
+
a
+
应 力 辐
max a
应 力0 m辐
_0
min
_
时间
(c)
时间 (b)
时间 (d)
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断口特征
❖ 静载荷或冲击载荷作用下发生断裂的断口与交变载 荷引起的疲劳断口特征有明显的不同
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应力状态
❖ 零件的应力状态是指通过受载零件任一点所作的各 个截面上的应力状态。从不同角度分类，零件的应 力状态可分为单向应力，多向应力；“软性”应力 状态、“硬性”应力状态等。
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点应力定义
表示体微元（dx,dy,dz）上应 力分布的情况，用符号σ表 示垂直于正方体表面的正应 力，用符号τ表示平行于正 方体表面的剪应力。一般情 况下，一个点的三轴应力可 用九个应力来表示，如图所 示。九个应力分别是：
xy , yx , xz , zx , yz , zy , x , y , z
max
表示最大切应力和最大正应力的比值大小
❖ 2.3 疲劳断裂故障 ❖ 2.4 磨损故障 ❖ 2.5 腐蚀故障
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2.1 机械零部件的故障模式和机理
❖ 2.1.1 故障模式、机理的基本概念
国军标GJB451-89《可靠性维修性术语》中，故障模式 的定义是：故障的表现型式。更确切地说，故障模式一 般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的 规范的描述。