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第二章 机械零部件故障分析v2.1 机械零部件的故障模式分析p2.1.1 故障模式的基本概念p2.1.2 机械零件典型故障模式及机理v2.2 故障原因分析 p服役条件l受力状况p载荷类型p载荷性质p应力状态l工作环境p设计制造l设计l材料制造工艺p使用维护2021/9/231v静应力故障p2.2.1 应力状态p2.2.2 变形故障p2.2.3 断裂故障p2.2.4 静应力失效的强度理论 v2.3 疲劳断裂故障v2.4 磨损故障v2.5 腐蚀故障2021/9/2322.1 机械零部件的故障模式和机理v2.1.1 故障模式、机理的基本概念p国军标GJB451-89可靠性维修性术语中，故障模式的定义是：故障的表现型式。更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范的描述。p故障机理是指导致产品功能故障或潜在故障的产品自身的那些物理、化学或生物变化过程等直接原因p故障原因包括了直接原因和间接原因，后者是指由于其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的间接故障原因p应正确区分故障模式与故障原因2021/9/2332.1 机械零部件的故障模式和机理v2.1.2 机械零件典型故障模式及机理p按失效的宏观特征，可将零件失效分为变形失效、断裂失效、磨损失效和腐蚀失效四大类。按失效性质和具体特征，每一类型还可以包括几个小类，如图所示。p举例说明故障模式及原因，如表所示2021/9/2342.1 机械零部件的故障模式和机理2021/9/235机械零件故障模式表2-1 金属弹簧故障模式、原因分析2021/9/2365种基本载荷类型v轴向载荷 p力在作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩载荷p例如，受拉的绳索、受拉或压缩的杆件等等 p在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。零件上主应力与最大切应力的关系为：主应力/最大切应力=2v弯曲载荷 p垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶），它使零件产生弯曲变形p例如，齿轮轮齿的根部、汽车的钢板弹簧等，工作中承受弯曲载荷p在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。2021/9/237基本载荷类型v扭转载荷p作用在垂直于零件轴线平面内的力偶，它使零件发生扭转变形。p例如，传递扭矩的传动轴、圆柱螺旋弹簧等，工作是承受扭转载荷p在扭转载荷作用下，横截面上的切应力的分布规律是：从表面最大到横截面中心处为零（这里讲的“中心点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点）v剪切载荷p使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。p表（d）表示螺栓在连接接合面处受剪切，并与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接合面贴紧的情况下可以不考虑。p在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的横截面上均匀的。2021/9/238基本载荷类型v接触载荷p两个零件表面间的接触有点接触、线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正交压缩载荷称为接触载荷。例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。p在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定。p实际零件工作中往往不是只受单一载荷作用的，而是同时承受几种类型载荷的复合作用。2021/9/239应力分布情况载荷类型轴向载荷弯曲载荷扭转载荷剪切载荷接触载荷5种基本载荷类型2021/9/2310载荷性质v静载荷p缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷v冲击载荷p以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为能量载荷v交变载荷p载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其变化可以是周期性的，也可以是无规则的2021/9/2311交变载荷v对称循环应力p等值交变的拉伸、压缩和剪切应力。例如，弯曲载荷作用下的旋转轴。其最大应力和最小应力数值相等但符号相反，其应力比r=-1v脉动循环应力p单向应力，其应力值从零变化到最大，r=0。例如一对齿轮传动，转动方向不变时，齿轮的弯曲应力即为脉动循环应力。v非对称循环应力p应力值由最小到最大变化，最小应力既可能是正值，也可能负值。例如，连杆螺栓所受的应力。v随机循环应力p实际运转的机器，由于服役条件可能发生变化，例如，开车、停车，工作载荷可能有大有小，运转可能时快时慢，所以交变应力的波形、应力幅大小、方向和周期都随时间而变化。2021/9/2312交变载荷2021/9/2313断口特征v静载荷或冲击载荷作用下发生断裂的断口与交变载荷引起的疲劳断口特征有明显的不同 2021/9/2314应力状态v零件的应力状态是指通过受载零件任一点所作的各个截面上的应力状态。从不同角度分类，零件的应力状态可分为单向应力，多向应力；“软性”应力状态、“硬性”应力状态等。2021/9/2315点应力定义表示体微元（dx,dy,dz）上应力分布的情况，用符号表示垂直于正方体表面的正应力，用符号表示平行于正方体表面的剪应力。一般情况下，一个点的三轴应力可用九个应力来表示，如图所示。九个应力分别是：2021/9/23162.2 静应力故障v2.2.1 应力状态p定义：零件的应力状态是指通过受载零件任一点所作的各个截面上的应力状态 p分类：从不同角度分类，零件的应力状态可分为单向应力，多向应力等。p这里介绍“软性”应力状态、“硬性”应力状态对零件变形及断裂形式的影响 2021/9/23172.2.1 应力状态v通常用软性系数 表示最大切应力和最大正应力的比值大小p 是应力状态的一种标志，称为应力状态的软性系数。v把 的应力状态称为“软性”应力状态；v 的应力状态称为“较软性”应力状态；v 的应力状态称之为“硬性”应力状态。v因加载方式的不同，的值不同。表2-2列出了不同加载方式下的软性系数 2021/9/23182.2.1 应力状态表2-2 不同加载方式下的软性系数2021/9/23192.2.2 变形故障v过量弹性变形p零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形，应力与应变（变形量称为应变）之间服从Hooke定律 l 为应力；为应变；为弹性模量p特征l具有可逆的性质，即加载时产生，卸载后恢复到原状的这种性质l在弹性变形过程中，不论是在加载阶段还是在卸载阶段，有的材料弹性变形的应力和应变保持线性对应关系，有的材料则呈非线性的对应关系。无论哪一种，其应力和应变都是单值对应的关系。l金属的弹性应变主要发生在弹性阶段，但在塑性变形阶段也伴随着发生一定量 2021/9/2320过量弹性变形p防止措施 由应力和（或）温度引起的弹性变形而导致失效的责任，几乎全部在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，故防止措施主要应从设计方面考虑l选择合适的材料或结构l确定适当的匹配尺寸l采用减小变形影响的转接件2021/9/23212.2.2 变形故障v屈服失效p定义l零件受力后，应力较低时产生弹性变形，当外力增大到一定程度时，将产生不可恢复的变形塑性变形。l由塑性变形引起的失效称为屈服失效 p特征：失效件有明显的塑性变形p防止及改进措施l降低实际应力l提高材料的屈服强度2021/9/23222.2.3 断裂故障v塑性断裂p塑性断裂失效：当零件所受实际应力高于材料的屈服强度时，将产生塑性变形。如果应力进一步增加，并且该零件与其他零部件的匹配关系又允许时，塑性变形将继续进行，就可能发生断裂（破裂）。p特征l 在裂纹或断口附近有宏观塑性变形，或者在塑性变形（截面收缩）处有用肉眼或探伤仪能检测出的裂纹l用扫描电镜观察，断口上存在大面积的韧窝l用高倍金相显微镜观察，裂纹或断口附近的组织有明显的塑性变形层2021/9/23232.2.3 断裂故障v塑性断裂p改进措施l除了与屈服失效相同的改进措施外，应在设计上采用变形限位装置或者增加变形保护报警系统等p不同加载方式下的断裂情况，如表所示p零件材料的强度指标（剪切屈服强度 、切断抗力 和正断抗力 ）与外加载荷所产生的应力状态如何配合，决定零件的断裂形式。p决定断裂形式的力学状态图 如图所示2021/9/23242.2.3 断裂故障塑性断裂表2-3 不同加载方式下出现正断或切断的情况 2021/9/23252.2.3 断裂故障塑性断裂图 决定断裂形式的力学状态图 2021/9/23262.2.3 断裂故障v脆性断裂p定义：是指断裂前没有明显塑性变形的断裂形式。断裂应力低于材料屈服强度，因此称为低应力脆断p特征：l断裂部位在宏观上几乎看不出或者完全没有塑性变形，碎块断口可以拼合复原l起裂部位常在变截面处即应力集中部位，或者存在表面缺陷或内部缺陷处l形成平断口，断口平面与主应力方向垂直l断口呈细瓷状，较光亮，对着光线转动，可看到闪光刻画，无剪切唇l断裂常发生于低温条件下，或受冲击载荷作用时l断裂过程瞬间完成，无预兆2021/9/23272.2.3 断裂故障v脆性断裂p防止和改进措施l从设计上考虑，应保证工作温度高于材料的脆性转变温度，对在低温下工作的零件应选用脆性转变温度比工作温度更低的材料；尽量避免三向应力的工作条件，减缓应力集中l从工艺上考虑，应正确执行工艺规程，避免诸如过热、过烧、回火脆性、焊接裂纹及淬火裂纹等。热加工后需要回火的，应及时回火，消除内力。对于电镀件应及时进行去氢处理l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2021/9/23282.2.4 静应力失效的强度理论v二十世纪以来，提出了很多通过机械零件在多轴应力状态下的关键点预计失效的模型。v关键点的多轴应力如图所示，应力是在给定方向的单位面积内给所受内力的大小 v图表示体微元（dx,dy,dz）上应力分布的情况，用符号表示垂直于正方体表面的正应力，用符号表示平行于正方体表面的剪应力。v一般情况下，一个点的三轴应力可用九个应力来表示，如图所示。九个应力分别是：2021/9/23292.2.4 静应力失效的强度理论图 点应力的完整定义 2021/9/23302.2.4 静应力失效的强度理论v最大正应力理论p该理论可以表达为：“当构件在多轴应力状态下的最大正应力大于或等于其在单轴应力状态下的最大正应力时即发生失效。”p数学表达式如下：（压应力取负值，拉应力取正值）当 成立时，发生失效 l 为最大正应力l 为韧性材料的拉伸屈服强度或脆性材料的拉伸强度极限l 为韧性材料的受压屈服强度或脆性材料的受压断裂强度极限 2021/9/23312.2.4 静应力失效的强度理论v变形能理论（八面体剪应力理论）p变形能理论假设单元总应变能u由两部分组成：只与形状变化相关的变形能ud，和只与体积变化相关的变形能uv。因此，单元变形能：u=ud+uvp变形能理论认为：在多轴应力状态下，单位体积的变形能ud大于或者等于单轴应力下的变形能时，即发生失效。p变形能数学公式 如下，当下式成立时，发生失效 l 为最大正应力l 为单轴屈服应力 2021/9/23322.2.4 静应力失效的强度理论v最大正应变理论 p最大正应变理论认为：引起材料断裂的主要因素是最大正应变，而且，不论材料处于何种应力状态，只要最大正应变 达到材料单向拉伸断裂时的最大正应力 ，材料即发生断裂。p按此理论，材料的断裂条件为 （1）p对于铸铁等脆性材料，从受力直到断裂，其应力、应变关系基本符合虎克定律。所以，复杂应力状态下的最大正应变为 （2）2021/9/2333最大正应变理论p材料在单向拉伸断裂时的最大正应变则为 （3）将式（2）、（3）代人式（1），得 （4）此即用主应力表示的断裂条件 p由式（4）并考虑安全系数后，得相应的强度条件为 （5）l 代表构件危险点处的主应力；l 为单向拉伸时材料的许用应力。2021/9/2334最大正应变理论p式（5）表明，当根据强度理论建立构件的强度条件时，形式上是将构件危险点处几个主应力的某一综合值与材料在单向受力时的许用应力相比较。p主应力的上述综合值称为相当应力。最大正应变理论的相当应力用 表示，所以，式（5）又可改写成 2021/9/23352.2.4 静应力失效的强度理论v最大剪应力理论p最大切应力理论认为：引起材料屈服的主要因素是最大切应力，而且，不论材料处于何种应力状态，只要最大切应力 达到材料单向拉伸屈服时的最大剪应力 ，材料即发生屈服。p按此理论，材料的屈服条件为 （1）p复杂应力状态下的最大切应力为 （2）p而材料在单向拉伸屈服时的最大切应力则为 （3）2021/9/2336最大剪应力理论 将式（3）、（2）代人（1），则得材料的屈服条件为 p相应的强度条件则为 p对塑性材料来说，这一理论与试验结果很接近，因此在工程中得到广泛应用。p其缺点是未考虑主应力的影响，而试验却表明，对材料的屈服是有影响的。2021/9/23372.3 疲劳断裂故障v定义：p疲劳断裂是材料（或构件）在交变应力反复作用下发生的断裂。p所谓交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向同时都随时间作周期性改变的应力。这种改变可以是规律性的或不完全规律性的。v疲劳断裂过程可分为疲劳裂纹的萌生、稳定扩展以及失稳扩展断裂三个阶段，而疲劳裂纹的稳定扩展又可分为两个阶段 2021/9/23382.3 疲劳断裂故障v提高疲劳抗力的措施p优化设计、合理选材l合理的结构设计和工艺设计是赋予零件优良抗疲劳品质的关键步骤l选择优良的抗疲劳品质的材料，也是决定零件具有优良疲劳抗力的重要因素l优良的设计必须要有优良的材质作保证p改善和提高零件的抗疲劳品质l为进一步提高零件的抗疲劳性能，发展了一系列后处理工艺，即表面强化工艺如表面感应热处理、化学热处理、喷丸和滚压强化等2021/9/23392.4 磨损故障v定义：p相互接触的一对金属表面相对运动时（摩擦副），表面金属不断发生损耗或产生残余塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损。p磨损是摩擦现象的必然结果，而摩擦是两个互相接触的物体相对运动时必然会出现的现象v分类：p磨损分为磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损、表面疲劳磨损v据统计，75零件是由于磨损失效的，而在各类磨损造成的经济损失中，磨粒磨损占50，粘着磨损占152021/9/23402.4 磨损故障v磨粒磨损p定义：磨粒磨损也称为磨料磨损或研磨磨损。它是当摩擦偶件一方的硬度比另一方的硬度大得多，或者在接触面之间存在着硬质粒子时，所产生的一种磨损 v粘着磨损p定义：相对运动的物体接触表面发生了固体粘着，使材料从一个表面转移到另一表面的现象，称为粘着磨损。p典型特征：是接触点局部的高温使摩擦副材料发生相对转移，因此对整个摩擦副来说，它在一定程度上能够保持摩擦副材料的质量总和不变。2021/9/23412.4 磨损故障v氧化磨损p定义：是指两零件表面相对运动时（不论是滑动摩擦或是滚动摩擦），在发生塑性变形的同时，由于已形成的氧化膜在摩擦接触点处遭到破坏，紧接着在该处又立即形成新的氧化膜。这样，便不断有氧化膜自金属表面脱落，使零件表面物质逐渐损耗，即产生氧化磨损。p和其他类型磨损比较，氧化磨损具有最小的磨损速度（磨损速度约为0.10.5m/h），因此它是工程中唯一允许的磨损。p氧化磨损导致的零件失效可认为是正常失效。2021/9/23422.5 腐蚀故障v定义：p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v分类：p按金属与介质的作用性质来区分，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类p按照腐蚀破坏的形式可把金属的腐蚀破坏分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类 2021/9/23432.5 腐蚀故障v腐蚀程度的表示方法：对于不同的腐蚀形式，应用不同的参量表征。大体上可分两类：均匀腐蚀程度和局部腐蚀程度p均匀腐蚀的腐蚀程度表征 用平均腐蚀速度来表示，腐蚀速度又可用如下不同方法来表示：l由重量的变化来评定 即根据具体情况可用重量的减少或增加来表示（即单位表面积上，单位时间内的重量变化量）l由腐蚀深度来表示 上述方法的缺点是当金属密度不同时，它就不能正确说明腐蚀速度大学，因此用单位时间的腐蚀深度来表示腐蚀速度p局部腐蚀程度表征 应根据情况用裂纹扩展速率（da/dt,da/dN）或材料性能降低程度来表示2021/9/2344