机械零件失效分析

第一章

失效：产品丧失其规定功能的现象。

常见失效形式：有变形、断裂、损伤失效。

失效分析：研究机械装备的失效诊断、失效预测和失效预防的理论、技术、方法及其工程应用的一门学科。（综合性、实用性）

引起失效的因素是复杂的，归纳为两个方面：

材料因素：内因，包括材料品质及加工工艺方面的各种因素；

环境因素：外因，包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。

产品的失效都是在材料或零件的强度（韧性）与应力因素和环境条件不相适应的条件下发生的。失效总是从产品对服役条件最不适应的环节开始的，而且失效产品或零件的残骸上必然会保留有失效过程的信息。

产品的可靠度：

产品在规定的条件下和规定的时间内满意地完成规定功能的概率。

四个含义：即功能、时间、使用条件和满意地完成规定功能的概率。

1.2

失效分析的任务和意义

■促进产品质量提高

图1.1光效仆析烏产品设汁.制遣之闾的关離

第二章

按失效的宏观特征作为一级失效形式分类，分为变形失效、断裂失效和表面损伤失效。机械零件失效原因概述

1. 服役条件---受力状况（载荷类型、载荷性质、应力状态）和环境（介质和温度）

2. 材料因素

3.设计和工艺因素

4.使用和维修

软性应力状态：a >1

a越大，应力状态越软，易引起塑性变形

硬性应力状态：a <1

a越小，应力状态越硬，易引起脆性断裂

T

max a =

第三章P25+P69

常见失效形式( 11种)：过量弹性变形失效、屈服失效(塑性变形失效) 、塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、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。

脆性断裂失效：构件在断裂前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂形式。断裂应力低于材料屈服强度，因此称为低应力脆断。工作条件: 高速、高压、高温和低温导致材料的服役条件越来越苛刻。

低温脆性断裂主要发生于体心立方和密排六方金属材料中，这些材料称为低温脆性材料，低碳钢是其典型代表。

脆性断裂特征：

(1) 断裂部位在宏观上几乎看不出或者完全没有塑性变形，碎块断口可以拼合复原。

(2) 起裂部位常在变截面处即应力集中部位，或者存在表面缺陷或内部缺陷处。

(3) 形成平断口，断口平面与主应力方向垂直。

(4) 断口呈细瓷状，较光亮，对着光线转动，可看到闪光刻面，无剪切唇。

(5) 断裂常发生于低温条件下，或受冲击载荷作用时。

(6) 断裂过程瞬间完成，无预兆。

金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。疲劳断裂特点

⑴疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。

⑵疲劳断裂是突然断裂，即脆性断裂。断裂前没有明显的征兆，疲劳是一种潜在的突发性断裂。

⑶对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)十分敏感。

典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。疲劳裂纹有贝纹线，贝纹线是以疲劳源为圆心的一簇同心圆弧；间距不同，近源者密，远源者疏。贝纹线的宽窄不同。与过载程度、材质有关，过载大、韧性差的线粗而不明显。贝纹线和疲劳辉纹的区别：♦形成原因不同。

贝纹线是交变应力的频率、幅度变化或载荷停歇等原因造成的。

疲劳辉纹是一次交变应力循环使裂纹尖端塑性钝化形成的。♦二者可以同时出现，也可以不同时出现。

有时在宏观断口上看不到贝纹线；在电子显微镜下也不一定看到疲劳辉纹。

氢脆失效的类型及特征

1. 白点：又称发裂，是由于钢中存在的过量的氢造成的。

2. 氢蚀：如果氢与钢中的碳发生反应，生成CH4气体，也可以在钢中形成高压，并导致钢材

塑性降低，这种现象称为氢蚀。

3. 氢化物致脆：在纯钛、a -钛合金、钒、锆、铌及其合金中，氢易形成氢化物，使塑性、

韧性降低，产生脆化。

4. 氢致延滞断裂由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。这类氢脆是目前工程上所说的大多数氢脆。

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

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。

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。钢的强度等级越高，对

氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中服役的高强度钢的强度应有所限制。

磨损失效：由磨损导致的功能丧失。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，物体表面形状、尺寸或

质量发生变化的过程。

分类：氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、接触磨损、微动损伤。

蠕变失效：金属零件在应力和高温的长期作用下，缓慢产生永久变形而导致的失效。

第四章P81 故障树是表示事件因果关系的树状逻辑图故障树分析（FTA）就是以故障树（FT）为模型对系统进行可靠性分析的方法。

如何建立故障树：

1．熟悉系统在建树之前，应该对所分析的系统进行深入的了解。为此，需要广泛收集有关系统的设计、运行、流程图、设备技术规范等技术文件和资料，并进行仔细的分析研究。2．选择和确定顶事件通常把最不希望发生的系统故障状态作为顶事件。它可以是借鉴其他类似系统发生过的重大故障事件，也可是指定的事件。任何需要分析的系统故障事件都可作为顶事件。但顶事件必须有明确的含义，而且一定是可以分解的。3．定义故障树的边界条件即要对系统的某些组成部分（部件、子系统）的状态、环境条件等作出合理的假设。

第五章

T 型法则：

如果零件上有一条裂纹与另一条裂纹相遇或垂直的情况，因为在同一零件上，后来产生的裂纹不可能穿越原有裂纹而扩展，所以这条裂纹是晚生的。

金属断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇

主裂纹与裂纹源区位置的确定

裂纹的走向与主应力垂直（即所谓的裂纹走向的应力原则）；

且总是希望沿最小阻力路线——即材料的薄弱环节（或缺陷）处扩展（即所谓裂纹走向的强度原

则）；

而实际裂纹走向就是这两个因素综合作用的结果。

第六章P126+P128