机械零件的失效分析

1、第一章机械零件的失效分析FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS1. 零件的失效：任何机械零件或结构件都具有一定的功能，如在载荷、温度、介质等作用下保持一定的几何形状和尺寸，实现规定的机械运动，传递力和功。零件若失去设计要求的效能即为失效。2. 零件失效的原因：造成零件失效的原因是多方面的，它涉及到机构设计、材料选择、加工制造、装配调整及使用与保养等因素，但从本质上看，零件失效都是由于外界载荷、温度、介质等的损害作用超过了材料抵抗损害的能力造成的。第一章机械零件的失效分析FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS2. 零件失效的原因

2、：为了预防零件失效，必须做到设计正确，选材恰当和工艺合理。为此，我们不仅要熟悉零件的工作条件，掌握零件的受力和运动规律，还要把它们和材料的性能结合起来，即从零件的工作条件中找出其对材料的性能要求，然后才能做到正确选择材料和合理制定冷、热加工的技术条件及工艺路线。而研究零件各种形式的失效是深刻了解零件工作条件的基础。第一章机械零件的失效分析FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS2. 零件失效的原因：通过观察零件的失效特征，找出造成失效的原因，从而确定相应的失效抗力指标，为制定技术条件、正确选材和制订合理工艺提供依据。因此，研究零件的失效具有重要的意义。第一章机械

3、零件的失效分析FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS3. 常见的失效方式过量变形 Excessive deformation断裂 Fracture疲劳 Fatigue磨损 Wear高温蠕变 High temperature creep腐蚀 Corrosion第一节 零件在常温静载下的过量变形一、工程材料在静拉伸时的应力应变行为1. 低碳钢的应力应变行为OA: 弹性变形ABC: 屈服CDE: 塑性变形E: 断裂退火态低碳钢的应力应变曲线比例极限弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度2. 其他类型材料的应力应变行为其他材料的应力应变曲线1纯金属, 2脆性材料, 3高弹性

4、材料零（构）件受力时抵抗弹性变形的能力，它等于材料弹性模量与零（构）件横截面积的乘积。1. 刚度二、静载性能指标单向拉伸(或压缩): 纯剪切:弹性模量切变模量强度是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。2. 强度比例极限弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度是指材料弹性变形的大小。常用弹性变形时吸收的弹性能u来表示。3. 弹性弹性模量最大弹性应变弹性能是指材料断裂前发生塑性变形的能力。常用断后伸长率和断面收缩率来衡量材料的塑性。4. 塑性断后伸长率断面收缩率显然，断后伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好。表征材料软硬程度的性能，具体来说是指材料抵抗压入和刻画的能力。5. 硬度在刚度设计时，常规定零件的最

5、大弹性变形 或 （扭转角）必须小于许可的弹性变形量 或 。有些零件在一定载荷下只允许一定的弹性变形，若发生过量变形就会造成失效。例如镗床镗杆若发生较大弹性变形，其镗出的孔径就会偏小或有锥度。三、过量弹性变形失效1. 现象又如齿轮轴，若其刚度不足，产生过量弹性变形，则会影响齿轮的正常啮合，加速齿轮磨损，增加噪音。2. 刚度条件抗拉条件下扭转条件下当零件尺寸和外加载荷一定时，材料的弹性模量E（或切变模量G）越高，零件的弹性变形愈小，则刚度愈好。选用弹性模量E高的材料。增大零件的横截面积A。3. 防止措施4. 各种材料的弹性模量弹性模量以陶瓷材料最高，钢铁材料次之，有色金属材料再次之，高分子材料最低

6、。弹性模量E（或切变模量G）主要取决于材料中原子本性和原子间结合力。熔点高低可以反映原子间结合力强弱，通常材料的熔点越高，其弹性模量也越高。另外，弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低。应该指出，金属材料的弹性模量主要取决于基体金属的性质，当基体金属一定时，不能通过合金化、热处理、冷变形等方法使之改变。四、过量塑性变形失效绝大多数机器零件在使用过程中都处于弹性变形状态，不允许产生塑性变形。实际使用的工程材料大多数是弹塑性材料、弹性极限和塑性变形并无明显的分界点，很难测出它们的准确数值。因此采取人为规定的方法，把产生规定的微量塑性伸长率所对应的应力作为“条件比例/弹性极限”、“条件屈服强度”，它

7、们之间并无本质区别。顺便指出，比例极限、弹性极限、屈服极限是对材料成分、组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化、热处理、冷变形等方法使之改变。第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念所谓断裂是材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。根据材料断裂前所产生的宏观变形量大小，将断裂分为韧性断裂和脆性断裂。断裂前发生明显宏观塑性变形的断裂。断裂前未发生明显宏观塑性变形的断裂。1. 韧性断裂2. 脆性断裂断口特征：杯锥状，暗灰色。断口特征：断口平齐，颜色光亮。由于韧性断裂前发生明显塑性变形，这就等于预先警告人们注意，因此不会造成严重事故。而脆性断裂没有明显征兆，因而危害性极大，

8、研究表明，无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段。材料在外力作用下形成微裂纹或者以原有的内部缺陷（如微裂纹、空孔、杂质等）作为裂纹源，当裂纹源逐渐扩展到一个临界裂纹长度时，立刻发生断裂。断裂的整个过程可分为裂纹亚稳扩展阶段和失稳扩展阶段。裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界裂纹长度的过程。在这一阶段裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢。对于脆性断裂，裂纹形成后很快达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展速度极快，所以脆性断裂前无明显塑性变形。裂纹失稳扩展阶段：裂纹达到临界裂纹长度后的扩展阶段。在这一阶段裂纹扩展阻力小，扩展速度很快。韧性是

9、表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是材料强度和塑性的综合表现。所谓冲击韧性，是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功 表示。二、冲击韧性及其度量指标1. 冲击韧性2. 冲击实验冲击吸收功 或冲击韧度 是衡量材料冲击韧性的力学性能指标。3. 冲击韧度冲击吸收功与试样断面面积的比值，用 表示。冲击功试样断面面积冲击吸收功或冲击韧度是对材料成分、组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化、热处理等方法改变。4. 冲击韧度与温度的关系三种钢的冲击韧度随温度变化曲线示意图冲击韧度随温度降低而减小存在韧脆转变温度TK三、影响脆断的因素1. 材料本性和加载方式

10、2. 温度和加载速度在拉伸载荷下，屈服强度随温度降低而升高，但正断强度基本不变， 为韧脆转变温度。3. 应力集中当材料有缺口时，缺口根部有应力集中，改变了该处三向应力分布，使缺口前沿切应力减小，导致应力状态变硬，容易引起材料脆化。4. 零件尺寸零件截面尺寸愈大,愈易脆断。因为薄件处于平面应力状态，而厚件中心受三向拉应力，处于平面应变状态而易造成脆断。为了防止脆性断裂，过去传统的设计方法是，一方面要求零件的工作应力 ， 为安全系数；另一方面要求材料有足够的塑性 、 和 韧性 和 。四、断裂韧性及其衡量指标即使这样，也不可能保证零件不发生低应力脆断。因为这种设计思想没有考虑到一般材料中都存在着微小

11、的宏观裂纹（原材料中的冶金缺陷、热处理裂纹、焊接裂纹、锻造裂纹、疲劳裂纹等）。正是这种宏观裂纹的存在，引起材料的低应力脆性断裂，断裂力学就是在这样的背景下产生的。断裂力学提出了材料抵抗脆性断裂的力学性能指标断裂韧度 ，它是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，其单位是 或 。断裂韧度: 裂纹尖端应力场强度因子: 裂纹的几何形状因子: 零件工作应力: 裂纹半长度: 泊松比三、影响脆断的因素1.加载方式和材料本性工程力学表明，零件在外力作用下，其内部各点的应力状态都可用三个主应力 、 、 来表示。根据这三个主应力可以计算出各点所受的最大切应力和“最大正应力”。最大切应力: “最大正应力”: 应力状态软硬系数

12、: 加载方式不同，材料的应力状态不同，则 不同。若以最大切应力 为纵坐标，“最大正应力” 为横坐标，就可以画出材料的力学状态图。从该图可以直接判断加载方式对断裂类型的影响。例如某材料在三向不等拉伸（即缺口试样拉伸）情况下，代表该应力状态的射线 直接与 线相交，故其断裂前只发生弹性变形，表现为宏观正断式的脆性断裂。在单向拉伸时 ，表现为宏观正断式的韧性断裂。在扭转情况下 ，表现为切断式的韧性断裂。应力状态软硬系数 越大，应力状态越软，脆断倾向愈小。应力状态软硬系数 越小，应力状态越硬，脆断倾向愈大。第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一、疲劳的基本概念1. 交变载荷方向及大小随时间周期性变化的载荷

13、。零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象，叫做疲劳断裂。如轴、齿轮、弹簧等许多零件都是在交变载荷下工作的。机械零件断裂失效中有80%以上属于疲劳断裂。应力幅: 平均应力: 应力比: 最大应力: 最小应力: 描述交变载荷的几个参量：2. 疲劳断裂的特点低应力：常常明显低于静载下的屈服强度。突然性：断裂时无明显的宏观塑性变形，无预兆而是突然地发生，为脆性断裂，即使在静载和冲击载荷下有大量塑性变形的塑性材料，发生疲劳断裂时也显示出脆性断裂的宏观特征因而具有很大的危险性。疲劳断裂过程： 疲劳裂纹萌生裂纹扩展最终断裂。二、疲劳断口的特征分三个区域疲劳源区疲劳裂纹扩展区最后断裂区1. 疲劳裂纹

14、源区形成于应力集中处内部缺陷（夹杂物，孔洞）加工缺陷(刀痕,微裂纹)不当设计(截面突然变化)2. 疲劳裂纹扩展区 有疲劳裂纹前沿线（疲劳条纹），呈“贝纹状”3. 最后断裂区有放射状线它是材料所承受的交变应力 或 和相应的断裂循环周次N之间的关系曲线。三、无裂纹零（构）件的疲劳抗力指标1. 疲劳极限和过负荷持久值1）疲劳曲线旋转弯曲疲劳实验当应力低于 时，即使循环无线多次也不会发生疲劳断裂。应该指出，材料的疲劳曲线通常用旋转弯曲疲劳试验方法测定， ，其疲劳极限用 表示。 条件疲劳极限不存在疲劳极限时，规定循环基数N0时的断裂应力。对于实际零件来说， N0是根据零件工作条件和使用寿命来确定的。过负

15、荷持久值高于疲劳极限的应力下，在规定循环周次断裂所对应的应力。2. 疲劳缺口敏感度 q由于实际机器零件常常带有台阶、圆角、键槽等，不可避免地有应力集中存在，从而使零件在较低的应力或较短的寿命下产生疲劳裂纹，所以必须考虑缺口对材料疲劳极限的影响。通常用疲劳缺口敏感度q来衡量缺口对疲劳极限的影响。：应力集中处的最大应力：应力集中处的平均应力：光滑试样的疲劳极限：缺口试样的疲劳极限四、影响疲劳抗力的因素1. 载荷类型对于同一种材料而言，所承受的载荷类型不同，其应力状态不同，故其疲劳极限也不同。疲劳极限 是在旋转弯曲疲劳条件下求得的。但实际零件所承受的交变载荷有不同类型，如扭转、拉-压、拉-拉等，这些

16、载荷下的疲劳极限和 有一定的对应关系：拉-压疲劳 （钢） （铸铁） 扭转疲劳 （钢） （铸铁） 2. 材料本质 1) 不同材料有不同的疲劳极限几种材料的疲劳曲线2) 材料组织类型对疲劳极限的影响材料的疲劳极限和抗拉强度有一定的经验关系：中、低强度钢为：灰铸铁为：铸造铜合金为：高强度钢：3) 材料纯度对疲劳极限有明显影响材料中的夹杂物可以成为疲劳裂纹源，导致疲劳极限降低。3. 零件表面状态的影响 1) 零件表明粗糙度 零件在冷、热加工过程中所产生的缺陷均使疲劳极限降低。2) 表面应力状态表面残余压应力有利4. 温度的影响则则5. 腐蚀介质的影响零件在腐蚀介质（酸碱盐的水溶液、海水、潮湿空气）中工

17、作时，其表面的腐蚀坑成为疲劳裂纹源，使疲劳极限降低，并使钢铁材料疲劳曲线上的水平部分消失。第四节 零件的磨损失效粘着磨损磨粒磨损腐蚀磨损接触疲劳机器运转时，任何在接触状态下发生相对运动的零件之间都会发生摩擦。零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。磨损是零件失效的一种形式，也是决定机械寿命的重要因素。一、粘着磨损1. 现象如: 螺栓与螺母, 蜗轮与蜗杆2. 磨损机理“冷焊”拉拽粘着磨损示意图3. 防止措施合理选择摩擦副配对材料。实践表明，异类材料配对比同类材料配对磨损量小；多相合金配对比单相合金配对磨损量小；硬度差大的材料配对比硬度差小的材料配对磨损量小；金属与非金属配对磨

18、损量小。采用表面处理减小摩擦系数或提高表面硬度。减小接触压应力。减小表面粗糙度值。二、磨粒磨损1. 现象如: 内燃机汽缸套2. 磨损机理硬质磨粒嵌入切削磨粒磨损示意图磨粒磨损，是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区存在硬质磨粒（外界进入的磨粒或表面剥落的碎屑），使磨面发生局部塑性变形、磨粒嵌入和被磨粒切割等过程，以致磨面材料逐渐损耗的一种磨损。磨粒磨损的磨损速度较大。例如农业机械和矿山机械的齿轮经常发生严重的磨粒磨损；汽车、拖拉机气缸套常因空气滤清器不良带入尘埃，或润滑油不清洁带入污物而发生磨粒磨损。任何机械若润滑油滤清装置不良或缺乏，机件本身磨损产物随润滑油进入磨面，均会造成磨粒磨损。3. 防止措

19、施除在设计时减小接触压应力、减小滑动摩擦距离、改进润滑油过滤装置用来清除磨粒外，常采用如下措施：合理采用高硬度材料如高碳钢、高碳合金钢、耐磨铸铁、陶瓷等。材料的硬度越高，磨粒磨损时的耐磨性越好。采用表面处理（如表面淬火、渗碳、渗氮、热喷涂陶瓷和堆焊耐磨合金）和表面加工硬化等方法提高摩擦副材料表面硬度，可有效提高耐磨性。材料表面硬度是磨粒硬度的1.3倍，磨粒磨损就不明显了。三、腐蚀磨损1. 氧化磨损零件表面氧化膜反复形成脱落1）现象氧化膜疏松、与基体结合力差2）原因提高零件表面硬度3）防止措施使零件表面形成致密氧化膜2. 微动磨损在机器的嵌合部位（紧配合处），如嵌合连接的键、销，汽轮机叶片的叶根

20、部位，轴套与轴的配合处，虽然配合面之间没有明显的相对位移，但在外部交变载荷作用和振动的影响下产生微小的相对滑动，此时配合表面产生大量褐/黑色的粉末状磨损产物，称为微动磨损。微动磨损的磨损产物不易排出，故兼有氧化磨损、磨粒磨损和粘着磨损的作用，在微动磨损区形成一定深度的磨痕蚀坑，引起应力集中，导致疲劳破坏。1）现象和原因紧配合轴微动磨损的发生提高零件嵌合处表面硬度3）防止措施采用衬垫减小应力集中四、接触疲劳1. 现象两零件接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在接触应力和交变应力长期联合作用下，引起的表面疲劳剥落破坏现象。表现为在接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点。如齿轮、滚动轴承。2. 形成机理裂纹形成扩展剥落3. 防止措施提高零件表面硬度提高材料的纯净度提高零件的心部强度和硬度，增加硬化层深度，细化硬化层组织。减小零件表面粗糙度值，以减小摩擦力。提高润滑油的粘度。第五节 零件在高温下的蠕变变形和断裂1）金属材料的强度（屈服强度和抗拉强度）随温度升高而降低。高温对金属材料力学性能的影响2）高温下金属材料的强度随加载时间的延长而降低。如20钢在450的短时抗拉强度为330MPa；若试样承受230MPa的应力，在该温度下能持续工作300h左右，将应力降至120MPa，持续10000h还会发生断裂。高温蠕变现象蠕变抗力指标高温蠕变的防止由此可见，对于材料的高温力学性能