《机械设计原理》零件失效与失效类型

2.2零件失效与失效类型1.失效概念

•定义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。•失效含义：①零件破损，不能正常工作。②零件尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。③零件不能安全工作。•失效的定量指标：额定寿命；某些指标的规定范围（如模具冲头磨损量）达不到定量指标，即发生早期失效。

1《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024

失效导致严重事故:

2《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024据美国1982年统计，因机械零件断裂、腐蚀和磨损失效，每年造成的经济损失达3400亿美元，其中断裂失效造成的损失约为1190亿美元（占1/3）。3《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20241980年3月27日，北海的石油钻探船AlexanderKielland号，由于连接五条立柱的水平横梁发生腐蚀疲劳断裂而完全倾覆，损失达几千万美元。4《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024我国，机械零部件失效率也很高，由此造成的损失也是惊人的。1979年9月7日，我国某工厂氯气车间的液氯瓶爆炸，使10吨氯液（5.12地震期间有一化工厂氯液泄露，造成恐慌）外溢扩散，波及范围达7.35km2，致使59人死亡，779人中毒，直接经济损失达63万元。5《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20241979年12月18日，我国某地煤气公司液化气厂发生了一起恶性爆炸事故，一台直径9.2m、容积400m3的球形液化气贮罐突然爆裂，从长13.5m、宽0.75m的裂缝喷出的液化石油气，遇明火而爆炸燃烧，引起附近三个400m3的球罐和一个50m3的卧式贮罐以及25m以外仓库中的5000个民用液化气瓶先后爆炸起火。大火燃烧了19h，共烧掉液化石油气超过700吨，烧毁机动车15辆以及罐区全部建筑，死亡33人，受伤53人，直接损失达650万元。6《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20241972年10月，一辆由齐齐哈尔开往富拉尔基的公共客车，行驶至嫩江大桥时因过小坑受到震动，前轴突然折断，致使客车坠入江中，造成28人死亡。7《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024

1979年5月30日，某发电厂2号机组在运行过程中突然发生剧烈振动和声响，经检查发现转轮上10个叶片全部断裂并脱落，叶片、叶轴碎裂成500多块。两台机组修复费用为110万元，因停机3年少发电1.2亿度。8《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20241.9《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20242011年7月23日20时38分，北京南开往福州的D301次动车组列车运行至甬温线上海铁路局管内永嘉至温州南间K584＋300处，与前行的杭州开往福州南的D3115次动车组列车发生追尾事故。10《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20242.11《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20243.12《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024有人担心，此次事故的深层原因可能是近年来国内工程机械行业竞争中“大赶快上”的积弊所致，中联重科可能要第一个品尝到这枚行业盲目“追标”的恶果。

三一重工履带式起重机的最大起重量3600吨；中联重科也研制出了3200吨履带起重机；徐工则研制出了2000吨履带起重机。但这些数千吨吨位的履带式起重机目前并无产品投向市场，“都只是在宣示实力。”据了解，此次断裂的中联QUY1000系中联重科目前交投市场的第一台千吨级履带式起重机，这从一个侧面证实了上述判断。

13《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024

失效不仅会给人们带来巨大的直接经济损失、同时也会造成惊人的间接经济损失。所谓间接经济损失，主要包括：（1）由于失效迫使企业停产或减产所造成的损失（云天化的甲醛预热器开裂，损失近亿元）；（2）引起其他企业停产或减产的损失；（3）影响企业的信誉和市场竞争能力所造成的损失。14《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024零件失效的模式及其失效机理15《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024一、断裂失效16《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024二、变形失效

1.弹性变形失效——刚度2.塑性变形失效——强度3.翘曲变形失效17《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024①磨损失效②接触疲劳失效•特征：接触零件之间周期性压应力或接触应力反复作用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。•措施：提高表面质量、表面强化。③腐蚀失效：量大面广；选抗蚀材料、表面防护等。三、表面损伤失效18《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20242.5摩擦、磨损与润滑

摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；

磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；

润滑是减轻摩擦和磨损所采取的措施。19《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024采取润滑是控制摩擦、减少磨损的最有效方法。

世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。机械产品的易损零件约有80%

由于磨损超过限度而报废，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。此外，在有些场合则需增大摩擦，但同时仍应减小磨损。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)这一新兴学科。20《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20241.

摩擦的分类内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。根据摩擦面间摩擦状态的不同，滑动摩擦可分为4种状态：21《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20241)干摩擦干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净材料表面间的摩擦。工程实际中并不存在干摩擦。通常是将未经人为润滑的摩擦状态当作干摩擦处理。干摩擦时摩擦阻力很大，磨损严重，应避免。干摩擦时金属间的摩擦系数f≈0.3~1.5。22《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20242)边界摩擦边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能。边界摩擦时金属间的摩擦系数f≈0.1~0.5。23《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20243)

流体摩擦流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，理论上不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。流体摩擦时的摩擦系数f≈0.001~0.01。24《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20244)混合摩擦注意：边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为

不完全流体摩擦。混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态时的摩擦。混合摩擦时的摩擦系数f≈0.01~0.1。25《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。2.1

典型磨损过程对磨损的研究开展较晚，20世纪50年代提出粘着理论后，60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即：2.磨损26《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。

磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。

稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。

剧烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。三个阶段:27《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20241.粘附磨损2.2磨损的分类严重的粘附磨损会造成运动副咬死。为金属摩擦副之间最普遍的一种磨损形式。减轻粘附磨损措施：合理选择配对材料；进行表面处理；控制摩擦表面温度；控制压强；采用含极压添加剂的润滑油等。又称胶合，摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力会发生“冷焊”，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。28《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20242.磨粒磨损进入摩擦面间的游离硬颗粒为空气中的尘土或磨损后从材料表面脱落下来的金属微粒等.磨粒磨损与摩擦副材料的硬度和磨粒的硬度有关。是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损。29《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20243.疲劳磨损又称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨损。当滚动或滚—滑运动的高副受到反复作用的接触应力(如滚动轴承运转或齿轮传动)时，如果接触应力超过材料相应的接触疲劳极限，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表面上出现许多月牙形浅坑，形成疲劳磨损或疲劳点蚀。30《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/20244.腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。除了以上4种磨损类型外，还有冲蚀磨损、微动磨损等。31《机械设计原理》零件失效与失效类型5/9/2024润滑油：应用最广泛，它包括有机