失效分析基础知识ppt课件
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2 失效分析基础知识
1
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.1 失效的主要形式及其原因
序号 1 2
3
失效类型
失效形式
直接原因
过量变形 失效
Fra Baidu bibliotek
a. 扭曲（如花键） b. 拉长（如紧固件） c. 胀大超限（如液压活塞缸体） d. 高低温下的蠕变（如动力机械） e. 弹性元件发生永久变形
一次加载断裂（如拉伸、冲击、持久等）
2、材料选择上的缺点
（1）选材的判据有误 （2）材料中的缺陷
5 3
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.2 失效的来源
3、加工制造及装配中存在的问题
加工方法不正确，技术要求不合理及操作者失误也是引起设 备过早失效的重要原因。
热处理不当也是常见的失效原因之一。常见的有过热、回火 不充分，加热速度过快及热处理方法选用不合理等。热处理过程 中的氧化脱碳、变形开裂、晶粒粗大及材料的性能未达到规定要 求等时有发生。
磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤 （发生在有相对运动的表面）。主要有粘着磨 损和磨粒磨损。
由于周期（交变）作用力引起 的低应力破坏。
由于两物体接触表面在接触应 力下有相对运动造成材料流失所引 起的一种失效形式。
腐蚀：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀，
环境气氛的化学和电化学作用
磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。
7 3
2.2零件受力分析及强度刚度计算
2.2.1应力状态分析与强度理论
（1）材料的失效形式和应力状态
脆断 剪断 屈服
（2）强度理论
名称
基本假设
相当应力表达式
强度条件
应用范围
第一强度理论（最大 最大拉应力是引起材料破 拉应力理论） 坏的原因。
I 1
[ ] 极脆材料（淬火钢、铸铁、陶瓷等）
3 3
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.2 失效的来源
引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以 下几方面：
1、设计与选材上的问题； 2、加工、热处理或材质上的问题； 3、装配上的问题； 4、使用、操作和维护不当的问题。
据调查统计，在失效的原因中，设计和制造加工 方面的问题占56%以上。这是一个重要方面，在失 效分析和设计制造中都应引起足够重视。
4 3
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.2 失效的来源
1、设计问题
（1）在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等； （2）应力计算方面的错误。对于结构比较复杂的零件，所承受 的载荷性质、大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误。 （3）设计判据不正确。由于对产品的服役条件了解不够，设计 判据的选用错误造成失效的事例也时有发生。
酸洗及电镀时引起对材料的充氢而导致的氢致损伤也是常见的 失效形式。
不文明施工，不按要求安装等容易造成零件表面损伤或导致残 余应力、附加应力等，都可以引起零件的早期失效。
6 3
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.2 失效的来源 4、不合理的服役条件
不合理的起动和停车、超速、过载服役、温 度超过允许值、流速波动超出规定范围（过高 或过低）以及异常介质的引入都可能成为设备 过早失效的根源。
服的主要原因，但其他斜 面上的切应力也有影响， 所以应用统计平均切应力
。
III 1 3 III [ ]
IV
1 2
(
1
2 )2
( 2 3 )2
IV [ ]
( 3 1)2 ] 1/ 2
同第四强度理论。
塑性材料（低碳钢、非淬硬中碳钢、 退火球铁、铜、铝等）的单向或二向 应力状态。 任何材料在二向或三向压缩应力状态 。
I
。三向拉应力状态。
[ ] 第二强度理论（最大 最大拉应变是引起材料破 I 1 ( 2 3) 拉应变理论） 坏的原因。
II
压、扭联合作用下的脆性材料。
第三强度理论（最大 最大切应力是引起材料破 切应力理论） 坏的原因。
最大剪应力无疑是材料屈
第四强度理论（统计 平均剪应力理论）
引起。
2 2
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.1 失效的主要形式及其原因
断裂失效的分类
失效分析工作者通常从致断原因（断裂机理或断裂模式）的 角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型：
（1）过载断裂失效； （2）疲劳断裂失效； （3）材料脆性断裂失效； （4）环境诱发断裂失效； （5）混合断裂失效。
应力集中系数：
max 平均
1 2a b
max 平均
1 2
a/
9 5
2.2零件受力分析及强度刚度计算
2.2.2 应力集中
裂隙附近应力集中：
10 5
2.2零件受力分析及强度刚度计算
不同试样的应力集中系数
形状
应力集中类型
载荷类型
板材 棒材 管材
细小的单边或双边切口 rH 0.1mm
由于在一定载荷条件下发生过 量变形，零件失去应有功能不能正 常使用。
由于载荷或应力强度超过当时 材料的承载能力而引起。
环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆、液态
由于环境介质、应力共同作用
断裂失效 金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等）
引起的低应力脆断。
表面损伤 失效
疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳。弯曲、扭转 、接触、拉-拉、拉-压、复合载荷谱疲劳与热疲 劳，高温疲劳等。
4.5-5.0
3.0
4.0
11 5
2.2零件受力分析及强度刚度计算
12 5
2.2零件受力分析及强度刚度计算
应力集中对零件失效的影响
1、材料的缺口敏感性
应力集中对零件失效的影响，在一定程度上与材料的缺口敏感性有 关。缺口导致应力状态的变化和应力集中，有使材料变脆的趋向。
细小的环形外部切口或内部 小空腔 rH 0.1mm
拉伸或压缩
扭转
拉伸 弯曲 外部切口 内部切口
内部或外部的细小环形切口 rH 0.1mm
拉伸或弯曲 扭转
应力集中系数（）
集中特性 t / r
5
10
5.5
7.5
3.5-4.0 2.7-2.8
3.0 1.6
3.5-4.0
4.5-5.0 3.5 4.0 2.0
莫尔理论（修正后的 在最大切应力的基础上， 第三强度理论） 应加正应力的影响。
M 1 3
拉伸强度极限 压缩强度极限
M [ ]
拉压强度极限不等的脆性或低塑性材 料在二向应力状态（二向压缩除外） 的精确计算。
8 4
2.2零件受力分析及强度刚度计算
2.2.2 应力集中
1
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.1 失效的主要形式及其原因
序号 1 2
3
失效类型
失效形式
直接原因
过量变形 失效
Fra Baidu bibliotek
a. 扭曲（如花键） b. 拉长（如紧固件） c. 胀大超限（如液压活塞缸体） d. 高低温下的蠕变（如动力机械） e. 弹性元件发生永久变形
一次加载断裂（如拉伸、冲击、持久等）
2、材料选择上的缺点
（1）选材的判据有误 （2）材料中的缺陷
5 3
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.2 失效的来源
3、加工制造及装配中存在的问题
加工方法不正确，技术要求不合理及操作者失误也是引起设 备过早失效的重要原因。
热处理不当也是常见的失效原因之一。常见的有过热、回火 不充分，加热速度过快及热处理方法选用不合理等。热处理过程 中的氧化脱碳、变形开裂、晶粒粗大及材料的性能未达到规定要 求等时有发生。
磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤 （发生在有相对运动的表面）。主要有粘着磨 损和磨粒磨损。
由于周期（交变）作用力引起 的低应力破坏。
由于两物体接触表面在接触应 力下有相对运动造成材料流失所引 起的一种失效形式。
腐蚀：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀，
环境气氛的化学和电化学作用
磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。
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2.2零件受力分析及强度刚度计算
2.2.1应力状态分析与强度理论
（1）材料的失效形式和应力状态
脆断 剪断 屈服
（2）强度理论
名称
基本假设
相当应力表达式
强度条件
应用范围
第一强度理论（最大 最大拉应力是引起材料破 拉应力理论） 坏的原因。
I 1
[ ] 极脆材料（淬火钢、铸铁、陶瓷等）
3 3
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.2 失效的来源
引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以 下几方面：
1、设计与选材上的问题； 2、加工、热处理或材质上的问题； 3、装配上的问题； 4、使用、操作和维护不当的问题。
据调查统计，在失效的原因中，设计和制造加工 方面的问题占56%以上。这是一个重要方面，在失 效分析和设计制造中都应引起足够重视。
4 3
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.2 失效的来源
1、设计问题
（1）在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等； （2）应力计算方面的错误。对于结构比较复杂的零件，所承受 的载荷性质、大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误。 （3）设计判据不正确。由于对产品的服役条件了解不够，设计 判据的选用错误造成失效的事例也时有发生。
酸洗及电镀时引起对材料的充氢而导致的氢致损伤也是常见的 失效形式。
不文明施工，不按要求安装等容易造成零件表面损伤或导致残 余应力、附加应力等，都可以引起零件的早期失效。
6 3
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.2 失效的来源 4、不合理的服役条件
不合理的起动和停车、超速、过载服役、温 度超过允许值、流速波动超出规定范围（过高 或过低）以及异常介质的引入都可能成为设备 过早失效的根源。
服的主要原因，但其他斜 面上的切应力也有影响， 所以应用统计平均切应力
。
III 1 3 III [ ]
IV
1 2
(
1
2 )2
( 2 3 )2
IV [ ]
( 3 1)2 ] 1/ 2
同第四强度理论。
塑性材料（低碳钢、非淬硬中碳钢、 退火球铁、铜、铝等）的单向或二向 应力状态。 任何材料在二向或三向压缩应力状态 。
I
。三向拉应力状态。
[ ] 第二强度理论（最大 最大拉应变是引起材料破 I 1 ( 2 3) 拉应变理论） 坏的原因。
II
压、扭联合作用下的脆性材料。
第三强度理论（最大 最大切应力是引起材料破 切应力理论） 坏的原因。
最大剪应力无疑是材料屈
第四强度理论（统计 平均剪应力理论）
引起。
2 2
2.1机械零件失效形式与来源
2.1.1 失效的主要形式及其原因
断裂失效的分类
失效分析工作者通常从致断原因（断裂机理或断裂模式）的 角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型：
（1）过载断裂失效； （2）疲劳断裂失效； （3）材料脆性断裂失效； （4）环境诱发断裂失效； （5）混合断裂失效。
应力集中系数：
max 平均
1 2a b
max 平均
1 2
a/
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2.2零件受力分析及强度刚度计算
2.2.2 应力集中
裂隙附近应力集中：
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2.2零件受力分析及强度刚度计算
不同试样的应力集中系数
形状
应力集中类型
载荷类型
板材 棒材 管材
细小的单边或双边切口 rH 0.1mm
由于在一定载荷条件下发生过 量变形，零件失去应有功能不能正 常使用。
由于载荷或应力强度超过当时 材料的承载能力而引起。
环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆、液态
由于环境介质、应力共同作用
断裂失效 金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等）
引起的低应力脆断。
表面损伤 失效
疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳。弯曲、扭转 、接触、拉-拉、拉-压、复合载荷谱疲劳与热疲 劳，高温疲劳等。
4.5-5.0
3.0
4.0
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2.2零件受力分析及强度刚度计算
12 5
2.2零件受力分析及强度刚度计算
应力集中对零件失效的影响
1、材料的缺口敏感性
应力集中对零件失效的影响，在一定程度上与材料的缺口敏感性有 关。缺口导致应力状态的变化和应力集中，有使材料变脆的趋向。
细小的环形外部切口或内部 小空腔 rH 0.1mm
拉伸或压缩
扭转
拉伸 弯曲 外部切口 内部切口
内部或外部的细小环形切口 rH 0.1mm
拉伸或弯曲 扭转
应力集中系数（）
集中特性 t / r
5
10
5.5
7.5
3.5-4.0 2.7-2.8
3.0 1.6
3.5-4.0
4.5-5.0 3.5 4.0 2.0
莫尔理论（修正后的 在最大切应力的基础上， 第三强度理论） 应加正应力的影响。
M 1 3
拉伸强度极限 压缩强度极限
M [ ]
拉压强度极限不等的脆性或低塑性材 料在二向应力状态（二向压缩除外） 的精确计算。
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2.2零件受力分析及强度刚度计算
2.2.2 应力集中