第一章机械零件失效理论

第一章机械零件失效理论第一节机械故障原因第二节机械的可靠性第三节机械的维修性第四节机械零件磨损失效第五节机械零件其他失效形式ENTER第一节机械故障原因BACK1故障定义2故障分类3故障原因第二节机械的可靠性BACK1可靠性的定义2可靠性数量指标第三节机械的维修性BACK1维修与维修性2维修性与可靠性关系3维修性的定性要求4维修性的定量要求5机械的有效度第四节机械零件磨损失效BACK1故障形式及磨损2摩擦与磨损3磨料磨损4黏着磨损5疲劳磨损6腐蚀磨损7微动磨损第五节机械零件其他失效形式BACK1零件断裂失效2金属零件的腐蚀失效3变形失效1故障定义BACK机械系统（零件、部件或整台设备），因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。发动机发动不起来，机床运转不平稳，汽车刹车失灵等现象都是机械故障的表现形式。

2故障分类BACK2.1按故障形成时间规律分类2.2按故障的因果关系分类2.3按故障影响后果分类3故障原因BACK3.1机械结构因素3.2能量因素1机械产品可靠性的定义BACK1.1可靠性定义1.2机械产品1.3规定条件1.4规定时间1.5规定功能1.6能力尺度2机械可靠性数量指标BACK2.1可靠度R（t）

2.2故障概率F（t）2.3故障概率密度函数f（t）2.4故障率λ（t）

2.5平均寿命T02.6寿命方差D（t）

2.7可靠寿命Tγ

2.8中位寿命T0.52.9特征寿命Te-1

1维修与维修性BACK对于可修复的故障产品，从寻找并发现其故障部位起，到进行修理、安装、调整、复原直至最后试验验证该产品已确实恢复到正常工作状态为止的全过程，称维修。维修性就是表示可修复产品在维修时难易程度的特性。它是产品设计时赋予产品本身的直接影响维修工作的一种固有属性，它综合反映了维修所需工作量的大小、人员多少、费用高低、设备仪器先进程度等方面。2维修性与可靠性关系可靠性是产品能正常工作的决定因素；而维修性是产品能恢复到正常使用状态的唯一保证。

可靠性是着眼于减少故障和减轻故障后果的设计特性；维修性则是着眼于以最短的时间、最低限度的条件、最低的维修费用，使机械产品保持或迅速恢复到正常工作状态的设计特性。两者之间求得平衡的最理想方法是从经济观点来确定最佳的产品可靠度BACK3维修性的定性要求BACK3.1具有良好的维修可达性3.2高标准化和互换性程度3.3具有完善的防差错措施及识别标志3.4保证维修安全3.5重视贵重件的可修复性3.6检测故障准确、快捷、简便3.7符合维修中的人机工程要求4维修性的定量要求BACK4.1维修度M(t)4.2维修概率密度4.3修复率μ（t）4.4平均修复时间5机械的有效度BACK5.1有效度5.2固有有效度AI

5.3可达有效度Aa5.4工作有效度Ao1故障形式及磨损BACK故障形式多为：磨损、变形、疲劳断裂、腐蚀等。机械设备在工作过程中，相对运动零件的表面上的尺寸、形状和表面质量发生变化的现象称为磨损。磨损不仅影响设备使用寿命，且造成能源损耗的增加。据估计一些发达的国家中，磨损造成的能源损失占能耗的三分之一左右。2摩擦与磨损BACK2.1摩擦基本特征2.2摩擦种类3磨料磨损BACK3.1磨料磨损定义3.2磨料磨损机理3.3影响磨料磨损的因素3.4减轻磨料磨损的措施4黏着磨损BACK4.1黏着磨损定义4.2黏着磨损机理4.3黏着磨损影响因素5疲劳磨损BACK5.1疲劳磨损定义5.2滚动接触疲劳磨损机理5.3滑动接触疲劳磨损机理5.4疲劳磨损影响因素6腐蚀磨损BACK6.1腐蚀磨损定义6.2氧化磨损6.3特殊介质中的腐蚀磨损6.4穴蚀7微动磨损BACK7.1微动磨损定义7.2微动磨损过程7.3微动磨损影响因素及预防措施1零件断裂失效BACK1.1断裂分类1.2断裂的基本原理2金属零件的腐蚀失效BACK2.1腐蚀失效定义2.2金属零件的化学腐蚀2.3金属零件的电化学腐蚀2.4腐蚀的控制3变形失效BACK3.1变形及金属变形3.2零件在使用中变形的原因3.3零件变形及其危害2.1按故障形成时间规律分类BACK2.1.1渐发性故障2.1.2突发性故障2.1.3复合型故障2.2按故障的因果关系分类BACK2.2.1功能故障2.2.2潜在故障2.2.3两者关系2.3按故障影响后果分类BACK2.3.1致命故障2.3.2严重故障2.3.3一般故障2.3.4轻微故障3.1机械结构因素BACK3.1.1连接件配合性质的破坏3.1.2零件间相互位置关系的破坏3.1.3机构工作协调性的破坏3.2能量因素BACK零件出现缺陷是机器故障的总根源。而零件缺陷的根本原因则是能量因素的作用。机器在使用过程中受到各种能量的作用，使零部件、机构的性能发生变化而出现故障。能量包括：周围介质能量的作用，包括操作工人和维修工人的作用。与机器运行以及各机构工作有关的内部能量，如工作中出现的热能等。在制造或修理中，集聚在机器材料和零部件内的潜伏能量，如内应力。1.1可靠性定义BACK某产品在规定的条件下，在规定的时间内，无故障地完成其规定功能的能力。

为了使零部件、机械、设备等尽可能少发生故障，以求实现其功能，所以采用可靠性技术。1.2机械产品BACK根据研究对象不同，机械产品可以是单个零件、部件、整台机械或机械系统。当所研究的产品是一个复杂的机械系统时，则应包括人的判断及操作等因素在内。1.3规定条件BACK除了规定载荷、温度，湿度，压力及介质等环境条件外，对使用方法和维护方法也必须加以规定。1.4规定时间BACK是指所研究的产品应达到的工作期限。可以用时间表示，也可以用相当于时间的指标来表示，如运转次数、运行距离、应力循环次数等。另外，还包括连续使用、间歇使用、长时间作用或短时间作用等各种时间概念的规定。1.5规定功能BACK是指产品的性能指标，如产品质量、生产效率、工作精度、载重量及功率等。当这些指标随时间的变化超过规定极限值时，机械将发生故障。1.6能力尺度BACK在规定条件下和规定时间内，产品完成规定功能的能力有大有小。有可能出现故障，有可能不出现故障，这是“随机事件”。因此，衡量这种能力的尺度即是“概率”。2.1可靠度R（t）BACK产品在规定条件下，在规定时间内，无故障地完成其规定功能的概率。R（t）是时间t的函数，随着时间的增长，产品的可靠度会越来越低，它是一个介于1与0之间的数，即0≤R（t）≤l2.2故障概率F（t）BACK发生故障的概率称为故障概率，又称不可靠度。F（t）是时间t的函数，随着时间的推移，产品的故障概率会越来越大，它是一个介于0与1之间的数，即0≤F（t）≤1。R（t）+F（t）=12.3故障概率密度函数f（t）BACKF（t）的导数称为概率密度函数。

2.4故障率λ（t）BACK把产品在t时刻后的单位时间内发生故障的产品数，相对于t时刻还在工作的产品数的百分比值称为产品在该时刻的瞬时故障率，习惯上称为故障率λ(t)，又称失效率。2.5平均寿命T0BACK2.5.1平均寿命2.5.2故障前平均工作时间2.5.3平均故障间隔时间2.6寿命方差D（t）BACK在产品寿命指标中，度量离散程度的量称为寿命方差。

2.7可靠寿命Tγ

BACK当给定可靠度R（t）＝γ时，产品的寿命称为可靠寿命。可根据R（t）=γ求解Tγ。2.8中位寿命T0.5BACK当R（t）＝0.5时，亦即故障概率F（t）＝0.5时，产品的寿命称中位寿命。

对于λ（t）＝λ＝常数的指数分布，2.9特征寿命Te-1BACK当R（t）＝≈0.368时，产品的寿命称为特征寿命。

对于λ（t）＝λ＝常数的指数分布，

3.1具有良好的维修可达性BACK可达性是指在维修时能够迅速方便的达到和容易看到维修部位，并能用手或工具直接操作的性能。设计时，合理的布置各组成部分及其润滑点、维护点、检测点，要保证维修操作有足够的空间，合理开设维修通道、窗孔。3.2高标准化和互换性程度BACK尽量采用标准化、通用化、互换性的零件，整体式安装单元，设置定位装置，以简化维修，减轻后勤保障负担和拆卸修理。3.3具有完善的防差错措施

及识别标志BACK从结构设计上消除差错的可能性。如，使零部件只有装配正确时才能装上，装错、装反就装不上；定位精度高的要有定位、对中装置。合理设置标记，如设置必要的文字、数字、符号、图形等标记，以提高维修效率。3.4保证维修安全BACK维修安全指防止维修时损伤人员、设备的特性。设备应有必要的保护装置，以防止机械损伤、防电击、防暴、防毒等事故发生。3.5重视贵重件的可修复性BACK重要而昂贵的零部件应具有可修复性，以节省维修费用，减轻后勤保障负担。贵重件应该可调整、可矫正、可焊接、可拆装、可涂镀覆盖层，设置修理尺寸等。3.6检测故障准确、快捷、简便BACK由于机械设备的功能多样化、结构复杂化，如何快速、准确的诊断故障成为维修工作的要点。因此，应配置必要的测试仪表、检测点、监视孔等。3.7符合维修中的人机工程要求BACK设计时，考虑人的生理因素、心理因素和人身几何尺寸等，以提高维修效率和质量，减轻人员疲劳。4.1维修度M(t)

BACK维修性是表示维修难易程度的特性，而维修度则是用概率维修性作定量表示的指标。维修度是指可修复产品在规定条件下、在规定时间内完成维修的概率。

维修时间越长，在规定条件下，修好的可能性越大。4.2维修概率密度

BACK将维修读M（t）对时间微分，即可得到每一瞬间完成维修的相对增长率，称为维修概率密度函数m（t）。4.3修复率μ（t）BACK修复率是维修工作到了时刻t后，在单位时间内修复的产品数与在t时刻仍需修理的产品数之比。修复率μ值越高，表示产品修理需要的时间越短，即产品由故障状态向正常状态转化的可能性越大。4.4平均修复时间BACK对产品进行维修活动的时间总和与维修活动次数之比，称平均修复时间，用表示。对于可能工作时间远大于维修时间的产品，可以认为维修概率密度函数服从指数分布

5.1有效度有效度又称可用度，是指设备在任一时刻能维持其功能的概率。它表示不论什么时候，想要使用设备时，设备处于可以使用状态的程度。

假设设备的状态S（t）＝0时，为正常状态，S（t）＝1时为故障状态，则有效度A（t）用式表示：

5.1有效度（续）A（t）是时间的函数，取决于设备的可靠度和维修度：可靠度是从延长其正常工作时间来提高有效度，而维修度则从缩短维修停机时间来提其有效度。

在使用有效度指标时，所关心的并不是某个时刻的有效度，而是某一时间间隔的有效度。BACKM（τ）—维修时间为τ时的维修度。5.2固有有效度AI

BACK固有有效度仅与工作时间和修复时间有关，体现了设备的固有性质。MTBF—无故障工作时间MTTR（MeanTimetoRepair）—平均修复时间5.3可达有效度AaBACKMpt—平均预防维修时间5.4工作有效度AoBACKMDT—维修停机时间，包括、后勤保证延误时间，行政管理延误时间等。工作有效度不仅受设计、维修制度的影响，而且与维修企业的生产管理水平等有关。2.1摩擦基本特征BACK相接触的物体有相对运动或相对运动趋势时所表现出阻力的现象。摩擦时所表现出阻力的大小叫做摩擦力。摩擦本质：机械分子学说认为，摩擦力由机械阻力和分子引力构成。机械阻力和分子引力是此消彼长的。表面粗糙时，机械阻力大，分子引力小；表面光滑时，分子引力大，机械阻力小。2.2摩擦种类BACK2.2.1按摩擦副的运动方式分类2.2.2按摩擦副间的润滑状态分类3.1磨料磨损定义BACK由于摩擦副的一个表面硬的凸起部分和另一表面接触，或者两摩擦面间存在着硬的质点，在发生相对运动时，两个表面中的一个表面或两个表面的材料发生转移的磨损现象称为磨料磨损。3.2磨料磨损机理BACK垂直于表面的分力使磨料嵌入表面，对于塑性好的材料的表面像打硬度一样产生大量密集的压痕，反复作用后，产生疲劳而破坏。对于脆性材料，表面不发生变形就产生脆性破坏。平行于表面的分力使磨料产生切向运动，导致表面被刻划、切削而留下沟槽。对于塑性材料，在摩擦表面切下一条切屑；对于脆性材料，切削一次就从表面切下许多碎屑。磨料与零件表面作相对运动时，作用在磨料上的力可分解为垂直于表面的分力和平行于表面的分力。3.3影响磨料磨损的因素BACK3.3.1磨料粒度3.3.2磨料几何性质3.3.3磨料硬度3.3.4压力3.4减轻磨料磨损的措施BACK3.4.1减少磨料的进入3.4.2增强零件的抗磨性4.1黏着磨损定义BACK构成摩擦副的两个摩擦面，在相对运动时，由于粘着作用使一个表面上的材料转移到另一个表面上所引起的磨损称为粘着磨损。4.2黏着磨损机理BACK摩擦副在重载条件下工作，由于润滑不良、相对运动速度高、摩擦产生的热量来不及散掉。摩擦副表面产生极高的温度，材料表面强度降低，使承受高压的表面凸起部分相互粘着，继而在相对运动中被撕裂下来，使材料从强度低的表面上转移到材料强度高的表面上，造成摩擦副的灾难性破坏，如咬死或划伤，报轴，拉缸。

4.3黏着磨损影响因素BACK4.3.1摩擦副表面状态4.3.2摩擦副材料表面成分与组织5.1疲劳磨损定义BACK摩擦副材料表面上局部区域在循环接触应力作用下产生疲劳裂纹，由于裂纹扩展并分离出微片和颗粒的一种磨损形式称为疲劳磨损。5.2滚动接触疲劳磨损机理BACK5.2.1裂纹萌生于表面层内并逐渐扩展5.2.2裂纹萌生于摩擦表面并逐渐扩展5.2.3裂纹萌生于表面硬化层与心部的过渡区并逐渐扩展5.3滑动接触疲劳磨损机理BACK任何固体摩擦疲劳表面都存在微观或宏观的不平性和接触的不连续性，作用于摩擦表面上的法向载荷会使表面产生压平或压入，触点区产生相应的应力和应变，摩擦运动时的反复作用造成了触点处结构、应力状态的不均匀和应力集中，从而造成裂纹的萌生与扩展，最终使部分表面材料以微粒形式从表面脱落，形成磨屑。5.4疲劳磨损影响因素（略）BACK5.4.1材质5.4.2粗糙度5.4.3其它因素6.1腐蚀磨损定义BACK在腐蚀性环境中，摩擦表面上发生的比单纯机械摩擦损失与单纯腐蚀损失之和高得多的一种破坏形式称为腐蚀磨损。特点：磨损过程中既有机械摩擦起作用，又有腐蚀破坏起作用，表现出极高的磨损速率。通常是摩擦为腐蚀发生提供了新鲜的金属表面，腐蚀改变了金属表面的性质，使摩擦造成的磨损速度加快。6.2氧化磨损BACK在摩擦过程中，摩擦表面在空气中的氧或润滑剂中氧的作用下生成的氧化膜很快被机械摩擦去除的磨损形式称为氧化磨损。

6.3特殊介质中的腐蚀磨损BACK摩擦过程中，环境中的酸、碱等电解质作用于摩擦表面上所形成的腐蚀产物迅速被机械摩擦所除去的磨损形式。6.4穴蚀BACK穴蚀是在零件与液体接触并有相对运动的条件下，零件表面材料发生剥落的现象。特征：在材料表面产生与一般腐蚀及机械磨损不同的密集麻点或鱼鳞状剥落痕迹。发动机气缸套外壁的穴蚀，表现为局部地区出现聚集的蜂窝状的孔穴群，穴孔处不存在腐蚀产物，表面比较清洁，往往呈现类似高温氧化的红褐色，严重时，形成穿透的针状小孔。7.1微动磨损定义BACK两接触表面间无宏观相对运动，但在外界变动载荷的影响下却有小振幅的相对运动（振幅小于100微米，一般为2-20微米），这种情况下产生的磨损称为微动磨损。

微动磨损主要发生在相对静止的零件上，使金属表面出现麻点或沟纹，其周围有腐蚀产物-金属氧化物

。微动磨损使得配合精度下降、紧配合的部件变松，严重时导致零件疲劳断裂。7.2微动磨损过程BACK接触压力使接合表面的微凸体产生塑性变形，并发生金属的黏着。在外界小振幅振动的反复作用下将黏着点剪切，黏附金属脱落，剪切处表面被氧化。7.3微动磨损影响因素及预防措施（略）BACK7.3.1载荷7.3.2振幅7.3.3温度7.3.4润滑剂7.3.5材料性能2.1.1渐发性故障BACK由于某些损伤过程的发展，导致机械设备初始参数的劣化而造成的故障，故亦称磨损故障。大部分机器的故障都属于这类故障。其特征：在给定时间段t1-t2内，发生故障的概率F（t）与产品已经工作过的时间有关，时间越长发生故障的概率越大。2.1.2突发性故障BACK突发性故障是各种不利因素和偶然的外界影响共同作用的结果，故障往往经过某一时间间隔后才发生，时间是个随机变量。行驶中的拖拉机轮胎的爆胎，即属于突发性故障。特征：给定时间段t1-t2内，故障率与产品使用时间无关。2.1.3复合型故障BACK由于零件内部存在应力集中，当受到外界冲击时出现疲劳裂纹，此为突发性故障。随着机器的继续使用，裂纹逐渐发展而导致零件断裂则属于渐发性故障。

故障发生时间是个随机变量，与产品状态无关，而产品工作能力的损耗速度则与抗损耗性能有关。2.2.1功能故障BACK功能故障是指一个产品不能满足规定性能标准的现象。完全丧失功能显然是功能故障，如内燃机不能发动，油泵不能供油等。若某一机件工作达不到规定的性能水平也属于功能故障，如汽车制动力不足。2.2.2潜在故障BACK功能故障可以通过某种能指示该故障即将发生的实际状态鉴别出来，这种状态即为潜在故障。潜在故障是一种指示功能故障即将发生的可以鉴别的实际状态。例如，内燃机主油道压力低于某一规定数值时，即说明可能会因缺油而导致烧瓦，使内燃机发生停止运转的功能故障。2.2.3两者关系BACK由于潜在故障与功能故障之间存在因果关系，可以利用潜在故障来防止功能故障的发生。可鉴别潜在故障的存在是现代维修理论的重要方面，它使机件有可能在不发生功能故障的前提下得到最大限度的利用，并成为机器技术诊断和监控的基础。3.1.1连接件配合性质的破坏BACK表现在动配合件间隙的增大和静配合件的减弱。例如，活塞环与气缸配合关系的破坏将降低压缩系的功能，喷油泵柱塞偶件间隙的增大使其丧失了供油功能。3.1.2零件间相互位置关系的破坏BACK机器在使用中，由于磨损或变形，导致零件本身工作面之间或不同零件间相互位置关系的破坏，而出现故障。例如，内燃机连杆在冲击载荷作用下发生弯曲变形，导致气缸等出现不正常的偏磨，破坏了应有的压缩功能。3.1.3机构工作协调性的破坏BACK整机的正常运转，需要各总成和各机构按一定规律和关系协调工作。由于零件的磨损将导致协调性的破坏。例如，喷油泵装上合格的新零件，如果不经过油量调整、供油时间调整等，以保证各部件工作的协调性，也可能导致故障发生。2.2.1按摩擦副的运动方式分类BACK（1）滑动摩擦（2）滚动摩擦（3）混合摩擦2.2.2按摩擦副间的润滑状态分类BACK（1）干磨擦（2）半干摩擦（3）边界摩擦（4）半液体摩擦（5）液体摩擦3.3.1磨料粒度BACK金属的磨损量均随磨料尺寸的增大而增加，当磨料尺寸增大到一定尺寸（称之为临界尺寸）以后，磨损速率保持不变。3.3.2磨料几何性质BACK棱角尖锐的磨料在摩擦面上滑动，对表面的切削比圆滑磨料强，因此磨损速率高。当磨料被磨钝后，磨损速率下降，若磨料被磨碎，则磨损速率又会增加。3.3.3磨料硬度BACK磨料的硬度远远超过零件的硬度，则磨损速率与磨料硬度关系不大，磨料硬度与零件硬度相当，磨损速率与硬度有关。3.3.4压力BACK对于磨料磨损来说，磨损速率与压力成正比，对于用同样材料制造的零件，压力减小一半。寿命提高一倍。因为压力减小．磨料嵌入深度减小，作用在表面上的力也减小，所以磨损速率下降。如超重、超载等。3.4.1减少磨料的进入BACK配备高效、高容量的空气滤清器及燃油、机油滤清器；增加用于防尘的密封装置，如密封件等；在润滑系统中装入吸铁石、集屑房及油污染程度指示器；经常更换空气、燃油、机油滤清装置。3.4.2增强零件的抗磨性BACK用热处理和表面处理的方法改善零件材料的性质，提高表面硬度，尽可能使表面硬度超过磨料的硬度；选用耐磨性能好的材料；选用一硬一软的摩擦副，使磨料被软材料所吸收，减少磨料对重要、昂贵材料的磨损；对于精度要求不是非常高的零件，可用在工作面上堆焊耐磨合金的办法以提高其耐磨性。4.3.1摩擦副表面状态BACK摩擦表面洁净，无吸附膜，易发生粘着磨损。为了减轻粘着磨损的发生，应根据其工作条件（载荷、温度、速度等〕，选用适当的润滑剂、或在润滑剂中添加改性物质如添加极压剂等，以建立必要的润滑条件。

4.3.2摩擦副材料表面成分与组织BACK同类金属或原子结构、晶体结构相近的材料，比性质有明显差异的材料构成的摩擦副更易发生粘着磨损。因此，选用性质差异大的材料构成摩擦副，是降低粘着磨损的有效途径。5.2.1裂纹萌生于表面层内并逐渐扩展BACK对于滚动接触面润滑良好、摩擦力小、表面光滑的摩擦副，由于最大应力周期性的作用于距表面一定深度处，裂纹多萌生于表面层内，裂纹沿最大应力方向或内部缺陷方向发展。当裂纹扩展至摩擦表面后形成磨屑而脱落。5.2.2裂纹萌生于摩擦表面并逐渐扩展BACK在混合摩擦副间，在最大接触应力作用下，表面首先产生局部塑性变形，逐渐出现裂纹并向内扩展。润滑条件差，表面粗糙度大的摩擦副，当裂纹扩展到一定深度，由于次生裂纹或内部缺陷的存在，使裂纹改变走向，最终折向表面导致金属材料形成磨屑而脱落。5.2.3裂纹萌生于表面硬化层与心部的过渡区并逐渐扩展BACK对于渗碳、淬火等经过表面强化处理的摩擦副，裂纹的萌生和扩展出现在表面强化层与心不交界的过渡区。过渡区裂纹先平行于表面扩展一段后，再垂直或倾斜于接触表面向金属表面扩展，先以小麻点剥