機械零件失效形式與設計準則2023/2/11內容提要：

1、介紹各種失效形式：畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效。2、闡述機械零件選材原則。3、闡述機械設計準則

學習目標：

了解各種失效形式特點，掌握機械零件選材原則及設計準則1機械零件的失效及失效分析

失效

零件由于某種原因，導致其尺寸、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。失效導致嚴重事故失效因素

一、設計因素

為了保證產(chǎn)品質量，必須精心設計，精心施工。根據(jù)零件工作條件、可能發(fā)生的失效模式，提出技術指標，確定合適的材質、尺寸、結構，提出必要的技術文件。如設計有誤,則機械設備或零件將不能使用或過早失效。二、制造(工藝)因素

工藝缺陷是零件失效的重要因素。

●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、安裝調試因素

安裝過程達不到要求的質量指標，導致零件失效。

●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)未調整好)；

●連接零件必要的“防松”不可靠；

●鉚焊結構的必要探傷檢驗不良；

●潤滑與密封裝置不良等；

●初步安裝調試后，未按規(guī)定進行逐級加載跑合。四、材質因素

●選材不當使零件達不到設計要求而導致失效。

●材質內部缺陷、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)生的材料內部缺陷導致失效。五、運轉維修因素

●不正確的運轉工況參數(shù)(載荷、速度等)導致零件失效。

●忽視維修，未進行定期大、中、小檢修

●潤滑條件未保證,潤滑劑和潤滑方法不合適老師提示

在影響失效的基本因素中，特別要強調人的因素，即注意人的素質條件的影響。2

零件失效形式

2.1畸變失效

畸變有兩種類型：

尺寸畸變或體積畸變(長大或縮小)

形狀畸變(如彎曲或翹曲)

發(fā)生畸變的零件不能承受所規(guī)定載荷，不能起到規(guī)定的作用，與其他零件的運轉發(fā)生干擾，導致零件失效。一、彈性畸變失效

不恰當?shù)膹椥宰冃瘟繉е率А?/p>

●受拉、壓的桿類零件，過大的彈性畸變量導致支承件(如軸承)過載。

●受彎、扭的軸類零件，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，甚至咬死，導致傳動失效；

●某些控制元件，如溫控元件，過大的彈性畸變量使精度無法保證。防止彈性畸變的主要措施：增加零件截面、采用彈性模量高的材料，防止超載。二、塑性畸變失效

外加應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)。

●鋼結構房梁承載過重發(fā)生塑性變形彎曲，導致倒塌；

●螺栓嚴重過載被拉長，失去緊固作用。

防止零件塑性畸變的措施：采用屈服強度高的材料，進行合理的熱處理，防止超載。三、翹曲畸變失效

尺寸與方向上產(chǎn)生復雜變形，形成翹曲，導致失效。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。特別是高溫所導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。

增加零件截面、截面形狀設計合理。采用彈性模量高、屈服強度高的材料，防止超載。2.2斷裂失效

斷裂失效機械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。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

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)

斷口斷口分析是斷裂失效分析的關鍵。二、斷口的分析方法

三、斷裂形式

1.韌（塑）性斷裂

斷裂前有明顯的塑性變形。

(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。

韌性（塑性）斷裂實物(2)微觀特征

韌窩是金屬韌性斷裂的微觀主要特征，是塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞生成、長大、聚集、相互連結導致斷裂留下的痕跡。韌性斷裂斷口（韌窩）

2.脆性斷裂

斷裂前無塑性變形。脆斷時承受的工作應力較低，通常不超過材料的屈服強度，甚至不超過常規(guī)的許用應力，所以又稱為低應力脆斷。脆性斷裂以零件內部存在的宏觀裂紋(如肉眼可見的0.1mm～1mm)作為源開始的。中、低強度鋼在10℃～15℃以下會由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)（韌-脆轉變）。

脆性斷裂

(1)宏觀特征斷口一般與正應力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣沒有剪切“唇口”(或很小)。脆性斷裂實物(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)。脆性斷裂斷口(解理花樣)沿晶斷口(冰糖花樣)解理斷裂因原子間結合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂。斷裂速度快，一般鋼中的解理速度大約是1030m/s，在低溫和三向應力狀態(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。裂紋擴展過程中，臺階相互匯合，形成河流花樣，河流的流向與裂紋擴展方向一致。3.其它斷裂失效形式

(1)疲勞斷裂

在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋導致發(fā)生斷裂，稱金屬的疲勞斷裂。

疲勞斷裂實物疲勞斷裂顯微形貌(2)

蠕變斷裂

在高溫下鋼的強度較低，當受一定應力作用時，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。蠕變斷裂

引起零件斷裂的因素多而復雜，對材料的性能需要綜合考慮。如屈服強度、塑性、斷裂韌性、疲勞強度等。

防止斷裂的措施：

采用材質好、強度高、韌性好的材料。

防止超載。

注意環(huán)境的影響?？蛙嚳諝鈮嚎s機皮帶輪斷裂失效分析空氣壓縮機工作時，皮帶輪輻條受彎矩、剪切力的聯(lián)合作用和強烈震動，產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋擴展，輻條斷裂。

皮帶輪斷裂過程某大型客車空氣壓縮機皮帶輪破斷，空氣壓縮機停止工作。氣壓不足、剎車失靈。造成重大交通事故。汽車板簧斷裂失效分析

某貨車板簧斷裂，發(fā)生交通事故。板簧表面存在嚴重的熱加工缺陷-折疊，造成表面裂紋。疲勞源在裂紋處形成。板簧斷裂位置處于應力集中處。裂紋在應力作用下擴展，最后造成板簧疲勞斷裂。2.3磨損失效磨損

相互接觸的一對金屬表面，相對運動時金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象?；钊h(huán)與缸套之間的摩擦一、粘著磨損兩個金屬表面的微凸部分在高壓下產(chǎn)生局部粘結，使材料從一個表面轉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

二、磨料磨損配合表面之間在相對運動過程中，因外來硬顆?；虮砻嫖⑼惑w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

三、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”。

活塞環(huán)與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象）、磨料磨損。犁削磨損示意圖

犁削磨損磨痕

四、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。沖刷磨損示意圖

五、表面疲勞磨損兩個接觸面作滾動或滾動滑動復合磨擦時，在交變接觸壓應力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。

六、腐蝕磨損腐蝕磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍介質發(fā)生化學或電化學反應，產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象。

老師提示

采用耐磨性高的材料，進行合理的表面強化處理，改變材料的組織結構，適度提高硬度。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。提高材料的耐磨性。2.4腐蝕失效

腐蝕是金屬暴露于活性介質環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗。它是金屬與環(huán)境介質之間發(fā)生的化學和電化學作用的結果。

按腐蝕性質分：化學腐蝕電化學腐蝕按腐蝕部位分：均勻腐蝕點腐蝕晶間腐蝕一、均勻腐蝕

均勻腐蝕

在整個金屬表面均勻地發(fā)生腐蝕。被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學成分和顯微組織，腐蝕介質均勻包圍金屬表面。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，向深度擴展成孔穴甚至穿透(孔蝕)。金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，陽極處被腐蝕成小孔。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。主要原因是晶界處化學成分不均勻。

晶間腐蝕示意圖

防止腐蝕的措施：采用耐蝕性高的材料。如不銹鋼、銅合金、鈦合金、高分子材料、陶瓷材料、復合材料等。進行表面處理。彈簧材料為碳素彈簧鋼。長期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴重腐蝕，彈簧絲截面減小、變脆而破斷?？蛙噧夤薹潘y彈簧腐蝕失效分析

某客車儲氣罐放水閥彈簧破斷，閥芯失去密封作用，氣體泄漏，氣壓降低，剎車失靈，造成嚴重事故。機械零件選材原則

使用性能原則

一、機械零件正確選材的使用性能原則

材料的使用性能應滿足使用要求。使用性能指零件在使用狀態(tài)下材料應該具有的機械性能、物理性能、化學性能。機器零件和工程構件，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、化學性能。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)載荷或單調載荷等)和大小；載荷的形式；載荷的特點等。

（2）環(huán)境狀況溫度特性、介質情況等。

（3）特殊要求

導電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等。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)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計算出零件中的應力分布；

●由工作應力、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。

材料的性能與試樣的尺寸有關，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?。常用零件的工作條件和失效形式零件

工作條件

常見的失效形式

要求的主要機械性能

應力種類載荷性質

受載狀態(tài)

緊固螺栓拉剪應力靜載—

過量變形，斷裂

強度，塑性

傳動軸

彎扭應力循環(huán)沖擊軸頸摩擦振動

疲勞斷裂過量變形軸頸摩損

綜合機械性能強度、韌性、局部表面耐磨性

傳動齒輪壓彎應力循環(huán)沖擊

摩擦振動

齒折斷,磨損疲勞斷裂接觸疲勞(麻點)

心部強度、韌性表面高強度及疲勞極限耐磨性

彈簧扭彎應力交變沖擊

振動

彈性失穩(wěn)，疲勞破壞，斷裂

彈性極限，屈強比，疲勞極限

冷作模具復雜應力交變沖擊

強烈摩擦

磨損脆斷

硬度，足夠的強度，韌性

2工藝性能原則材料的工藝性能應滿足生產(chǎn)工藝的要求2機械零件設計計算準則計算準則----針對某種失效形式、為滿足某種工

作能力而建立的設計準則強度準則

兩種計算準則：一種是根據(jù)許用應力建立的計算準則，另一種是根據(jù)安全系數(shù)建立的計算準則；在實際使用中根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)情況確定選擇使用哪種強度準則。1．通過判斷危險截面的最大許用應力（σ，τ）是否小于或等于許用應力[σ]，[τ]。2．通過判斷危險截面上實際的安全系數(shù)（Sσ，Sτ）是否大于或等于許用安全系數(shù)（[Sσ]，[Sτ]）強度準則安全系數(shù)：零件所能承受的極限應力與實際應力的比值,它反映的是零件的安全工作