1、第二節(jié)、機械零件的失效及 WORD文檔使用說明：第二節(jié)、機械零件的失效及 來源于PDFWORDPDF轉(zhuǎn)換成WROD 本W(wǎng)OED文件是采用在線轉(zhuǎn)換功能下載而來，因此在排版和顯示效果方面可能不能滿足您的應(yīng)用需求。如果需要查看原版WOED文件，請訪問這里第二節(jié)、機械零件的失效及 文件原版地址: 第二節(jié)、機械零件的失效及|PDF轉(zhuǎn)換成WROD_PDF閱讀器下載第二節(jié)、 第二節(jié)、機械零件的失效及選材原則一、機械零件的失效及失效分析零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、 失效 零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生 變化而不能完滿地完成指定的功能。 變化而不能完滿地完成指定的功能。 1

2、失效的分類 通常按失效模式和其相應(yīng)的失效機理分類。 失效模式 失效的外在宏觀表現(xiàn)和規(guī)律。 失效機理 引起失效的微觀物理、化學(xué)變化過程。 失效模式和失效機理相結(jié)合，宏觀和微觀相結(jié)合、由表及里地揭示失 效的物理本質(zhì)。 機械零件最常見的失效模式及其失效機理見下表。零件失效的模式及其失效機理2 、失效的基本因素 一）、設(shè)計因素 為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須精心設(shè)計，精心施工。 根據(jù)零件在特定工況、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等條件下可能發(fā)生的失效模式，建立 給定條件下正常工作的準則，確定合適的材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)，提出必要 的技術(shù)文件。 設(shè)備圖紙和設(shè)計計算說明書。 技術(shù)文件 設(shè)備圖紙和設(shè)計計算說明書。 如設(shè)計有誤, 則機械設(shè)備或

3、零件將不能使用或過早失效。 二）、制造(工藝)因素 工藝缺陷往往是使零件達不到設(shè)計要求而導(dǎo)致失效的重要因素。 零件在鑄造過程中產(chǎn)生的疏松、夾渣； 鍛造過程中產(chǎn)生的夾層、冷熱裂紋； 焊接過程中未焊透、偏析、冷熱裂紋； 機加工過程的尺寸公差和表面粗糙度不合適； 熱處理產(chǎn)生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性； 精加工磨削中的磨削裂紋等。三）、安裝調(diào)試因素 安裝過程達不到所要求的質(zhì)量指標，導(dǎo)致零件失效。 嚙合傳動件(齒輪、桿、螺旋等)的間隙不合適(過松或過緊，接觸狀態(tài)未調(diào)整好)； 連接零件必要的“防松”不可靠； 鉚焊結(jié)構(gòu)的必要探傷檢驗不良； 潤滑與密封裝置不良等； 初步安裝調(diào)試后，未按規(guī)定進行逐級加載

4、跑合。 四）、材質(zhì)因素 選材不當使零件達不到設(shè)計要求而導(dǎo)致失效。 材質(zhì)內(nèi)部缺陷、毛坯加工(鑄鍛焊)工藝或冷熱加工(特別是熱處理)工藝過程 產(chǎn)生的材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致失效。 五、運轉(zhuǎn)維修因素 不正確的運轉(zhuǎn)參數(shù)、忽視維修，導(dǎo)致零件失效。 運轉(zhuǎn)工況參數(shù)(載荷、速度等)的監(jiān)控是否準確； 定期大、中、小檢修的制度是否合理、執(zhí)行； 潤滑條件是否保證, 潤滑劑和潤滑方法是否選得合適，潤滑裝置冷卻、加熱和過 濾系統(tǒng)功能是否正常。 在影響失效的基本因素中，特別要強調(diào)人的因素，即注意人的素質(zhì)條件的影響。 在影響失效的基本因素中，特別要強調(diào)人的因素，即注意人的素質(zhì)條件的影響。3、零件失效形式 、 1）、 畸變失效 ）、

5、 指在某種程度上減弱了零件規(guī)定功能的變形。 畸變 指在某種程度上減弱了零件規(guī)定功能的變形。 畸變有兩種基本類型：尺寸畸變或體積畸變(長大或縮小)、 形狀畸變(如彎曲或 翹曲)。 受軸向載荷的連桿可產(chǎn)生軸向拉、壓變形， 軸的彎曲 殼體的翹曲變形 發(fā)生畸變失效的零件不能承受所規(guī)定載荷，不能起到規(guī)定的作用，與其他零件的 運轉(zhuǎn)發(fā)生干擾。 一）、彈性畸變失效 彈性畸變的變形量是在彈性范圍內(nèi)變化，不恰當?shù)淖冃瘟繉?dǎo)致失效。 拉、壓變形的桿、柱類零件，過大的彈性畸變量導(dǎo)致支承件(如軸承)過載，機 械因喪失尺寸精度造成動作失誤。 彎、扭變形的軸類零件，過大的彈性畸變量會造成軸上嚙合零件的嚴重偏載， 嚙合失常。如

6、軸承的嚴重偏載，甚至咬死，導(dǎo)致傳動失效； 某些控制元件，如溫控元件，予定的彈性變形(撓度)是溫控裝置的精度的保證。 影響彈性畸變的主要因素有：零件形狀、尺寸、材料的彈性模量、零件工作的溫度、 載荷的大小。二）、塑性畸變失效 外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時發(fā)生明顯的塑性變形(永久變形)。 鋼結(jié)構(gòu)房梁承載過重發(fā)生塑性變形彎曲，導(dǎo)致倒塌； 齒輪嚴重過載下運行，齒面出現(xiàn)鱗皺、起脊等塑性畸變，導(dǎo)致齒輪失 效； 螺栓嚴重過載被拉長，失去緊固作用。 引起零件塑性畸變的因素，除在彈性畸變中所述有關(guān)影響因素外，常見 的還有材質(zhì)缺陷、使用不當、設(shè)計有誤等，特別是熱處理不良更為突出， 實際上往往是多種因素的綜合結(jié)

7、果。 三）、翹曲畸變失效 尺寸與方向上產(chǎn)生復(fù)雜變形，形成翹曲，導(dǎo)致失效。 翹曲畸變往往是由溫度、外加載荷、受力截面、材料組成等不均勻性引 起。其中以溫度變化，特別是高溫所導(dǎo)致的形狀翹曲最為嚴重。 受力鋼架翹曲變形； 殼體在高溫下形狀翹曲。2 ）斷裂失效 機械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效稱為斷裂失效。 一）、斷裂失效的分類 塑性斷裂 脆性斷裂 疲勞斷裂 蠕變失效斷裂 二）、斷口的分析方法 斷口分析是斷裂失效分析的關(guān)鍵，是斷裂失效 分析的向?qū)?，指引斷裂失效分析少走彎路?例：金屬材料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏 觀觀察，可以看到斷口分為： F - 纖維狀區(qū) R - 放射狀區(qū) S - 剪切唇區(qū)斷口三、斷裂

8、形式的特征 韌（塑）性斷裂的特征 (1) 宏觀特征 宏觀變形方式為頸縮，典 型斷口為杯錐狀斷口，底 部成纖維狀剪切斷口，其 平面和拉伸軸大致成45° 角。 (2) 微觀特征 蛇形滑移和延伸，間距不 等、短而且平行、不連續(xù) 的條紋韌窩，大小相當于 顯微空洞裂紋的一半。韌性（塑性）斷裂實物韌性（塑性）斷裂斷口（韌窩）脆性斷裂的特征 脆斷時承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過材料的屈服 強度，甚至不超過常規(guī)的許用應(yīng)力，所以又稱為低 應(yīng)力脆斷。 脆性斷裂以零件內(nèi)部存在的宏觀裂紋(如肉眼可見的 mm1 mm)作為源開始的。宏觀裂紋可以是在生 產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生，還可能是由于疲勞或應(yīng)力腐蝕 而產(chǎn)生。 中

9、、低強度鋼在10 15 以下會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變 為脆性狀態(tài)（韌-脆轉(zhuǎn)變）。 (1) 宏觀特征 在斷裂前沒有可以觀察到的塑性變形，斷口一般與正 應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣沒有剪切“唇 口”(或很小)。 (2) 微觀特征 脆性斷裂的微觀判據(jù)是解理花樣和沿晶斷口形態(tài)。 因原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂叫解理斷裂。 斷裂速度快，一般鋼中的解理速度大約是1030 m/s， 在低溫和三向應(yīng)力狀態(tài)時更快； 沿著特定的晶面(稱為解理面)發(fā)生，這些晶面一般是 屬于低指數(shù)的。在不同高度的平行解理面之間產(chǎn)生 解理臺階。解理裂紋擴展過程中，眾多的臺階相互 匯合，便形成河流花樣，河流的流向與裂紋擴展方 向一致。

10、脆性斷裂實物脆性斷裂斷口(解理花樣)沿晶斷口(冰糖花樣)其它斷裂失效形式 (1) 疲勞斷裂 在交變應(yīng)力作用下，雖然零 件所承受的應(yīng)力低于材料的 屈服點，但經(jīng)過較長時間的 工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷 裂的過程稱金屬的疲勞斷裂。 (2) 蠕變斷裂 在高溫下鋼的強度較低，當 受一定應(yīng)力作用時，變形量 隨時間而逐漸增大的過程， 這種過程叫蠕變，產(chǎn)生的斷 裂叫做蠕變斷裂。疲勞斷裂實物疲勞斷裂顯微形貌3） 磨損失效 ） 磨損 相互接觸的一對金屬 表面， 表面，相對運動時金屬 表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn) 生塑性變形， 生塑性變形，使金屬表 面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn) 象。 一）、磨損失效的基本類 型 粘著磨損 兩個金屬表

11、面的微凸部 分在局部高壓下產(chǎn)生局 部粘結(jié)(固相粘著)，使材 料從一個表面轉(zhuǎn)移到另 一表面或撕下作為磨料 留在兩個表面之間，這 一現(xiàn)象稱為粘著磨損。粘著磨損示意圖粘著磨損磨痕磨料磨損 配合表面之間在相對運動過程中，因外來硬顆粒或表面微突體的作用 造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱為磨粒(料)磨損。磨粒磨損示意圖磨粒磨損磨痕犁削磨損 硬材料表面的微凸點切削較軟材料的表面，在較軟材料的表面形成“ 犁溝”?；钊h(huán)與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象）、磨料磨 損。犁削磨損磨痕 犁削磨損示意圖表面疲勞磨損 兩個接觸面作滾動或滾動滑動復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力作用下， 使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失

12、的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。 沖刷磨損 沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的 磨損。 腐蝕磨損 腐蝕磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)， 產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象。沖刷磨損示意圖二）、影響磨損失效的基本因素 1）. 摩擦副材質(zhì) 材料副的互溶性，相同金屬、晶格類型、原子間距、電子密度、電化學(xué) 性能相近的材料副互溶性大，易于粘著而導(dǎo)致粘著磨損失效。 金屬與非金屬(如塑料、石墨等)，互溶性小，粘著傾向小。 材料副的表面強化處理提高耐磨性。 材料表層組織和結(jié)構(gòu)缺陷。夾雜疏松、空洞、鍛造夾層以及各種微裂紋， 過高的裝配應(yīng)力等都將使各種磨損加劇。 2）.

13、 工況參數(shù) 包括接觸應(yīng)力、滑動距離和滑動速度、溫度、介質(zhì)條件與潤滑等。 合理的表面強化處理可以減少磨損。一是改變組織結(jié)構(gòu)， 合理的表面強化處理可以減少磨損。一是改變組織結(jié)構(gòu)，二是適度提高硬 表面強化處理有利于降低磨料磨損、表面疲勞磨損、 度。表面強化處理有利于降低磨料磨損、表面疲勞磨損、粘著磨損等的 磨損率。 磨損率。4 腐蝕失效腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損 耗，它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作 用的結(jié)果。 一、均勻腐蝕 在整個金屬的表面均勻地發(fā)生腐蝕。 均勻腐蝕 在整個金屬的表面均勻地發(fā)生腐蝕。 腐蝕均勻性的前提是：被腐蝕的金屬表面具有均勻的 化學(xué)成分和顯微組織

14、，腐蝕環(huán)境包圍金屬表面是均勻 而且不受限制。 點腐蝕示意圖 均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產(chǎn)生。 鋼材在大氣中所產(chǎn)生的銹蝕； 銅在土壤里的銹蝕。 二、點腐蝕 腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔， 腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，向深度擴展成孔穴甚至 穿透(孔蝕 孔蝕)。 穿透 孔蝕 。 金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”， 其中受破壞處是陽極，未受破壞處是陰極，腐蝕電流 由陽極流向周圍的陰極，陽極處很快被腐蝕成小孔。點腐蝕示意圖三）、晶間腐蝕 腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。 腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。 其主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻。晶間腐蝕示意圖二、機械零件選材原則1 使用性能原則 一）、

15、機械零件正確選材的使用性能原則 使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機械性能、物理性能和 化學(xué)性能。 機器零件和工程構(gòu)件，則主要是機械性能。對一些特殊條件下工作的零件， 則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。 材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求 二）、零件使用時的工作條件 （1）受力狀況 主要是載荷的類型(例如動載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大小；載 荷的形式；載荷的特點等。 （2）環(huán)境狀況 主要是溫度特性、介質(zhì)情況等。 （3）特殊要求 如對導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。三）、零件根據(jù)使用性能選材的步驟 對零件工作條件和失效形式全面分析，確定零件對使用性能的要求； 根據(jù)

16、零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計算出零件中的 應(yīng)力分布； 由工作應(yīng)力、使用壽命、安全性等，確定要求性能的具體數(shù)值； 利用材料手冊根據(jù)使用性能選材。 零件所要求的機械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊、書本中所給出的數(shù)據(jù)完 全相同，必須注意以下情況： 材料的性能不單與化學(xué)成分有關(guān)，也與加工、處理后的狀態(tài)有關(guān)。 材料的性能與試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊中試樣尺寸 的差別，進行適當?shù)男拚?材料的化學(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)都有一定波動范圍。常用零件的工作條件和失效形式工 作 條 件 零件 應(yīng)力 種類 拉， 剪應(yīng)力 彎， 扭應(yīng)力 載荷 性質(zhì) 靜載 受載 狀態(tài) 常見的失效形式 要求的主要

17、 機械性能 強度，塑性緊固 螺栓 傳動軸過量變形，斷裂循環(huán)， 沖擊軸頸摩擦， 疲勞斷裂，過量變形， 振動 軸頸摩損綜合機械性能: 強度、韌性、 局部表面耐磨性 心部強度、韌性 表面高強度及疲勞極 限，耐磨性 彈性極限，屈強比， 疲勞極限 硬度，足夠的 強度，韌性傳動 齒輪壓， 彎應(yīng)力循環(huán)， 沖擊摩擦， 振動齒折斷,磨損, 疲勞斷裂, 接觸疲勞(麻點) 彈性失穩(wěn)， 疲勞破壞，斷裂 磨損，脆斷彈簧扭， 彎應(yīng)力 復(fù)雜 應(yīng)力交變， 沖擊 交變， 沖擊振動冷作 模具強烈摩擦2 工藝性能原則 材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求。 材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求。 金屬材料加工的工藝路線復(fù)雜，變化多。加

18、工工藝不僅影響零件的成形， 還大大影響其最終性能。 性能要求不高的金屬零件的工藝路線 毛坯正火或退火切削加工零件。 性能要求較高的金屬零件的工藝路線 毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、回火，固 溶時效或滲碳處理等)精加工零件。 ) 性能要求較高的精密金屬零件的工藝路線 這類零件除了要求有較高的使用性能外，還要有很高的尺寸精度和表面 光潔度。 毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、低溫回火、 固溶、時效或滲碳)半精加工穩(wěn)定化處理或氮化精加工穩(wěn)定化 處理零件。金屬材料的加工工藝路線3 經(jīng)濟性原則 一）、材料的價格 零件材料的價格無疑應(yīng)該盡量低。 材料的價格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比率，一般可占產(chǎn)品價格的 30%70%，因此設(shè)計人員要十分關(guān)心材料的市場價格。 二）、零件的總成本 零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。 零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費用、研究費用、維修費用和 材料價格有關(guān)。 三）、國家的資源 隨著工業(yè)的發(fā)展，資源和能源的問題日漸突出，選用材料時必須考慮，特