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1、机械工程学院机自11101班主讲人：王灿机械零件失效知识主讲内容机械零件失效分析1.机械零件失效形式与诊断2.常见失效形式及特征和诊断3.失效分析的思路和方法4.设计、机械加工和装配中的失误与失效概 述 失效：产品失去其规定功能的现象 机械产品失效的三种类型 机械产品失效的形式：过量的变形、断裂和表面损伤 等。 失效的后果：直接经济损失、间接经济损失 失效学：研究机械装备的失效诊断、失效预测和失效 预防的理论、技术和方法及其工程应用的一门学科。 引起失效的因素：材料方面、环境方面 失效分析的意义：促进产品质量提高、促进相关科学 和工程技术的发展失效分析促进产品质量提高 如图所示：失效分析与机械
2、产品可靠性的关系：从失效分析 的角度谈产品的可靠性，是指使用的可靠性，它 既包括设计和制造中保持产品固有的可靠性，也 包括了使用、维修后所体现出来的可靠性。 可靠性技术分为三个领域：可靠性工程，主要是 系统可靠性分析、系统可靠性设计和评价；可靠 性分析，包括可靠性试验、失效分析与防止；可 靠性数学。 可靠性、可靠度、失效概率时间的函数 失效分析学科的发展机械零件失效 形式及诊断 失效形式分类 按失效的宏观 特征分类 按失效性质和 具体特征分类 请看右图失效形式的诊断：一级、二级、三级 断裂失效形式的诊断依据：残骸分析、 应力分析、失效模拟 磨损失效形式的诊断依据：磨损表面的 形貌和次表面组织和
3、性能的变化；磨屑 形貌、磨屑成分和组织的变化；磨损系 统中各参数的关系和变化等 磨损失效形式的诊断，必须首先根据零 件性质具体确定磨损失效的失效点。机械零件失效原因概述 零件失效因素：服役条件、材料因素、设计与工艺因 素以及使用和维护等及各方面。 一、零件的服役条件 零件的服役条件包括受力状况和工作环境 1.受力状况：载荷类型、载荷性质、应力状态 （1）载荷类型 轴向载荷 弯曲载荷：轮齿根部、汽车钢板弹簧 扭转载荷：传动轴 剪切载荷：螺栓 接触载荷：轮齿之间、滚珠与轴承内外圈之间对于某一种零件失效原因的准确判断，必须充分考虑 环境介质的影响。如下表：二、设计、制造与零件失效1.设计与零件失效
4、设计不合理和设计考虑不周到是零件失效的重要原因 之一。 对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载 估计不足，造成设计的零件的承载能力不够。 选材不当是导致失效的另一个重要原因。2.材料、制造工艺与零件失效 零件的失效原因还与材料的内在质量以及机械制造工 艺质量有关。（1）冶金质量（2）机械制造工艺缺陷：工艺裂纹、残余内应力、不 良的表面质量、不正常的组织状态、达不到要求的机 械性能三、使用、维修与零件时效 机器在使用过程中超载使用，润滑不良，清洁不好， 腐蚀生锈，表面碰伤，在共振频率下使用，违反操作 规程，出现偶然事故，没有定期维修或维修不当等， 都会造成零件早期破坏失效。 例如：某汽车
5、制造厂50根曲轴疲劳断裂原因：修复后轴颈圆角半径太小（R3；设计要求R 6） 例如：工作条件苛刻的重载齿轮箱，齿轮失效表现为 ：沾着磨损和划伤，齿面烧伤和熔融，齿顶塑性变形 ，以及过载折齿和疲劳折齿等。原因：齿轮工作过程中严重发热、润滑失效造成齿面 严重磨损、冷却不力、粘着磨损、塑性流动。常见失效形式及特征和诊断一、过量弹性变形失效 概述：零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形。弹性变形是受力作用的必然结果，但在精密机械中， 对零件的尺寸和匹配关系要求严格，当弹性变形超过 规定的限量时，会造成零件的不正常匹配关系。例如：线膨胀系数，不同的材料具有不同的线膨胀系 数，钢、铜线膨胀系数不同，钢作轴
6、套；青铜作轴瓦 ，低温时出现抱轴现象。特征及判断 （1）失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温 或低温工作经历 （2）观察配合表面是否有划伤、擦痕或磨损等痕迹 （3）设计时是否考虑弹性变形的的影响及措施 （4）计算验证弹性变形失效的可能 防止措施 （1）选择合适的材料和结构 弹性模量、热膨胀系数 （2）确定适当的匹配尺寸 考虑工作温度 （3）采用减少变形影响的转接件二、屈服失效概述：由过量的塑性变形引起的失效成为屈服失效。特征及判断：明显的塑性变形，如：弯曲、扭曲、薄 壁件的凹陷等防止与改进措施（1）降低实际应力：工作应力、残余应力、应力集中（2）提高材料的屈服极限三、塑性断裂失效 概述
7、：零件所受的应力高于屈服强度时，产生塑性变 形，应力进一步增加，可能发生断裂，这种失效形式 称塑性断裂失效。 特征及判断（1）断口附近有宏观塑性变形或裂纹（2）大面积韧窝（3）塑性变形层 改进措施：在设计上采用变形限位装置或增加变形保 护报警系统。例如：铜排链张紧装置四、脆性断裂失效 概述：是指断裂前没有明显塑性变形的断裂形式。断裂 应力低于材料的屈服强度，因此称为低应力脆断。 特征及判断 防止和改进措施（1）从设计上考虑，应保证工作温度高于材料的脆性转 变温度，或选用脆性转变温度比工作温度更低的材料。（2）从工艺上考虑，应正确执行工艺规程，避免过热、 过烧、回火脆性、焊接裂纹及淬火裂纹等。（
8、3）从操作上考虑，应遵守设计规定的使用条件，操作 平稳，尽量避免冲击载荷。腐蚀失效：金属材料受周围环境介质的化学或电化学 作用而引起的损坏，叫做金属的腐蚀失效。 据有关资料统计：世界上生产的钢铁20%-40%因腐 蚀失效而报废。 防止金属腐蚀的措施：（1）正确选用金属材料和合理设计金属结构（2）添加缓蚀剂和去除介质中要害成分（3）隔离有害介质应力腐蚀开裂：指金属材料在特定的介质条件下，受 拉应力作用，经过一定时间后发生的裂纹及断裂现象 。腐蚀疲劳失效：是材料在循环应力和腐蚀介质的共同 作用下产生的一种失效形式。 腐蚀疲劳裂纹扩展速率还受温度、频率和介质浓度等 的影响。温度升高，因腐蚀作用加剧而促进裂纹扩展 ；加载频率降低，因在峰值应力时停留时间加长，促 进介质较充分的发挥腐蚀作用而加快裂纹扩展；在一 定介质浓度范围内，介质浓度增加可显著的加快裂纹 的扩展，当大于介质浓度临界值时，介质浓度的改变 对裂纹扩展的影响不显著。 提高零件腐蚀疲劳抗力的措施（1）表面感应淬火，提高表面层材料的强度。（2）喷丸和表面滚压强化，提高表层材料强度，造成 表面残余压应力状态，提高腐蚀疲劳抗力。（3）表面化学热处理；（4）电镀小结：通过学习机械设备维修技术使我们了解了机械 设备的基本知识；这对我们以后的学习和工作很 有帮助。
