機械零件失效形式及診斷第1頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析主要內(nèi)容2.2機械零件失效原因概述2.1失效分類及診斷第2頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析第3頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析

大型汽輪機轉(zhuǎn)子第4頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析

軸葉輪

疲勞斷裂破壞第5頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析

轉(zhuǎn)子軸疲勞開裂

疲勞斷裂破壞第6頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析葉片擊穿廠房第7頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析

抗震模型試驗（破壞部位、破壞形式、抗震能力）靜強度失效、斷裂失效和疲勞失效，是工程中最為關(guān)注的基本失效模式。第8頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析微孔聚合型斷口解理型斷口晶間斷裂晶內(nèi)斷裂第9頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析第10頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.1失效分類及診斷失效的宏觀形態(tài)失效的誘發(fā)原因產(chǎn)品的使用過程變形失效斷裂失效表面損傷失效機械力熱應(yīng)力摩擦力活性介質(zhì)早期失效期偶然失效期磨損失效期失效機理

2.1.1失效形式的分類第11頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析按失效的宏觀形態(tài)過量變形失效斷裂失效：

變形量——脆性斷裂、延性斷裂裂紋走向與晶粒組織的關(guān)系——沿晶斷裂、穿晶斷裂斷裂機制——微孔聚集型、(準)解理型、沿晶斷裂、疲勞斷裂斷口形貌——宏觀和微觀形貌加工工藝和產(chǎn)品類別斷裂模式——過載、疲勞、材料脆性、環(huán)境誘發(fā)、混合斷裂表面損傷失效：磨損、腐蝕第12頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析按失效的誘發(fā)原因機械力——彈性變形，塑性變形，斷裂，疲勞，剝落熱應(yīng)力——蠕變，熱松弛，熱沖擊，熱疲勞，蠕變疲勞摩擦力——粘著磨損，磨粒磨損，表面疲勞磨損，沖擊磨損，微動磨損，咬合活性介質(zhì)——化學腐蝕，電化學腐蝕，應(yīng)力腐蝕，腐蝕疲勞，生物腐蝕，輻照腐蝕，氫致?lián)p傷第13頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析根據(jù)產(chǎn)品的使用過程失效率：系統(tǒng)或部件在可能發(fā)生失效的某一段時間（通常為處于工作狀態(tài)的時間）內(nèi)發(fā)生失效的次數(shù)。浴盆曲線：設(shè)備故障率曲線，由產(chǎn)品的失效率λ與其工作（使用）時間t的曲線，因形似浴盆，故稱為浴盆曲線。（1）早期失效期——“幼年期”

（2）偶然失效期——“青壯年期”

（3）磨損失效期——“老年期”

第14頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.1失效分類及診斷失效形式的診斷失效形式一級失效形式二級失效形式三級失效形式第15頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析第16頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.1.2失效形式的診斷失效形式的診斷1.斷裂失效形式診斷：1）殘骸分析2）應(yīng)力分析3）失效模擬2.磨損失效形式診斷：1）磨損表面形貌和次表面組織和性能2）磨屑形貌、成分和組織3）磨損系統(tǒng)中各參量的關(guān)系和變化第17頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.2機械零件失效原因概述

2.2.1零件的服役條件應(yīng)力狀態(tài):軟性應(yīng)力狀態(tài)硬性應(yīng)力狀態(tài)載荷類型:軸向載荷彎曲載荷扭轉(zhuǎn)載荷剪切載荷接觸載荷1.受力狀況載荷性質(zhì):靜載荷沖擊載荷交變載荷第18頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析第19頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析第20頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析交變載荷在交變應(yīng)力作用下，金屬材料發(fā)生損傷的現(xiàn)象稱為疲勞。

承受交變應(yīng)力典型零件的應(yīng)力循環(huán)特征循環(huán)特征零件名稱軸齒輪齒根軸承連桿螺栓應(yīng)力變化循環(huán)特征對稱循環(huán)脈動循環(huán)脈動循環(huán)大壓小拉大拉小壓應(yīng)力性質(zhì)r

=-1r

=

0r

=

--

r

-10

r

1應(yīng)力狀態(tài)對稱彎曲脈動彎曲脈動壓縮不對稱不對稱第21頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.2機械零件失效原因概述2.2.1零件的服役條件1.受力狀況1）應(yīng)力狀態(tài)材料的失效形式和應(yīng)力狀態(tài)脆斷：斷裂前無明顯宏觀塑性變形。剪斷：沿最大剪應(yīng)力方向發(fā)生的斷裂。屈服：經(jīng)過一定的塑性變形后發(fā)生的斷裂。性能指標屈服強度、抗剪強度、斷裂韌性第22頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2）應(yīng)力狀態(tài)對塑性變形的影響切應(yīng)力——塑性變形、切斷正應(yīng)力——脆性斷裂應(yīng)力狀態(tài)柔度系數(shù)（軟性系數(shù)）軟性應(yīng)力狀態(tài)：α>1α越大，應(yīng)力狀態(tài)越軟，易引起塑性變形硬性應(yīng)力狀態(tài)：α<1α越小，應(yīng)力狀態(tài)越硬，易引起脆性斷裂應(yīng)力正斷一定是脆性斷裂？第23頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析第24頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析第25頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析

單向應(yīng)力狀態(tài)純剪切應(yīng)力狀態(tài)對于塑性材料對于脆性材料對于塑性材料對于脆性材料滿足是否強度就沒有問題了？復雜應(yīng)力狀態(tài)第26頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析《失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》孫智機械工業(yè)出版社2.5應(yīng)力分析與失效分析第27頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.5.2單向拉（壓）應(yīng)力在生產(chǎn)實際中，受拉（壓）應(yīng)力的構(gòu)件是多種多樣的，如連桿、螺栓、鋼絲繩等。1、評定單向應(yīng)力的指標（1）數(shù)學表達式對于脆性材料對于塑性材料（2）安全系數(shù)2、提高材料強韌性能的措施（1）零件承受拉應(yīng)力，并且在整個截面上的分布是均勻的，此時，在選材和確定熱處理工藝時，應(yīng)當根據(jù)零件的截面大小，確保零件內(nèi)部完全淬；（2）防止氧化、脫碳、過熱、過燒等一切降低材料性能的缺陷發(fā)生。第28頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析193、斷裂分析此類零件的斷裂應(yīng)首先區(qū)分是韌斷還是脆斷。

（１）韌斷

a首先按傳統(tǒng)的強度理論進行強度校核，檢查一下載荷是否估計不足，即安全系數(shù)是否太小或者未予以考慮；

b分析材料的組織狀態(tài)，檢查硬度，檢查是否有氧化脫碳、淬火裂紋及心部是否淬硬等；

c如果上述問題不存在，應(yīng)作化學成分分析。

（２）脆斷除作上述考慮外，尚需進行斷裂韌性檢查，主要分析微觀裂縫的存在對韌性的影響。第29頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析19例國產(chǎn)45Si2Mn高強度螺栓，在加工制造過程中，不可避免地存在著深為a=0.5mm，半寬c=2.0mm的表面裂紋，其工作應(yīng)力為=960MPa。淬火并低溫回火后材料的強度b=2110MPa，s=1920MPa，KIC=39.50MPam-1/2，在使用中發(fā)生脆斷，試分析原因。分析一按傳統(tǒng)強度理論校核結(jié)論：應(yīng)是安全的。第30頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析19分析二因為是高強度材料，還需進行斷裂力學方面的校核。作為近似計算，該裂紋認為是一個張開型的表面裂紋，其應(yīng)力強度因子在臨界條件下，為

根據(jù)裂紋形狀和應(yīng)力狀態(tài)，查有關(guān)手冊后可得與此有關(guān)的裂紋形狀因子數(shù)據(jù)，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入后得c=948.5MPa。由此可見，零件最大承載能力為948.5MPa，低于實際的工作應(yīng)力960MPa，故發(fā)生斷裂失效，又因其斷裂時的應(yīng)力小于材料的屈服極限，所以必然是脆性斷裂。

結(jié)論：材料韌性不足，脆斷。第31頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析19

若將淬火低溫回火改為調(diào)質(zhì)處理，則得b=1540MPa，s=1440MPa，KIC=66.36MPam-1/2，其結(jié)果：

同樣，在有裂紋存在情況下由斷裂韌性求得

c=1564.5MPa（工作應(yīng)力，960MPa）。

在具有脆斷傾向的構(gòu)件中，決定零件或構(gòu)件斷裂與否的關(guān)鍵因素是材料的韌性，而不是傳統(tǒng)的強度指標，片面地追求高強度和較大的強度安全系數(shù)，往往導致韌性的降低，反而容易促使宏觀脆性的、危險的低應(yīng)力斷裂。

第32頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析

平面拉應(yīng)力對象：薄壁壓力容器1．應(yīng)力狀態(tài)軸向應(yīng)力：切向應(yīng)力：第33頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.制造時應(yīng)注意的問題用鋼板(熱軋態(tài))制作這類容器時，使鋼板的軋制方向承受較大的應(yīng)力在拼焊壓力容器時，特別注意沿軸向的焊縫質(zhì)量切向應(yīng)力為軸向2倍，且與軸向焊縫垂直焊縫處熱影響區(qū)的強度較低焊縫處的應(yīng)力集中第34頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析3.失效分析泄漏——韌性斷裂爆炸——脆性斷裂壓力容器的防爆設(shè)計保證先泄漏，不爆裂——

臨界裂紋ac必須大于容器壁厚由可得則ac

t

則先泄漏

ac

t則先爆破第35頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析彎曲應(yīng)力對象：軸類零件及各種形式的梁等1．應(yīng)力狀態(tài)截面上的正應(yīng)力呈線性分布，最大應(yīng)力在構(gòu)件的最外層應(yīng)力分布表面大，中間小三點彎曲試件：中間截面上部受拉應(yīng)力，下部受壓應(yīng)力最大拉應(yīng)力：第36頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2．選材及熱處理特點使零件從表層至3／4R(軸件半徑)處的金屬層淬硬強化心部不必淬硬分析：表面淬火——表層壓應(yīng)力，心部拉應(yīng)力全淬透——表層拉應(yīng)力，心部壓應(yīng)力第37頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析3．失效分析斷裂形式：脆斷和疲勞斷裂裂紋源：應(yīng)力集中處、表面缺陷處及次表層夾雜物處預防措施：減少應(yīng)力集中，消除微觀缺陷，防止零件完全淬透軸向裂紋原因：材質(zhì)；熱處理時淬透性過大引起表面拉應(yīng)力預防措施：控制零件的淬硬層深度，并及時進行回火第38頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.5.5扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對象：傳動軸、彈簧、凸輪軸、機床絲杠等1．應(yīng)力狀態(tài)垂直軸線的截面上只有切應(yīng)力最外層的最大切應(yīng)力最大正應(yīng)力與軸線呈45°角；2．選材與熱處理選材：中碳鋼或中碳合金鋼熱處理不要淬透采用中溫回火第39頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析

3．失效分析韌斷斷口：齊平并與軸線垂直原因：構(gòu)件的最大切應(yīng)力超過材料的抗剪強度措施：降低回火溫度。脆斷斷口：與軸線呈45°螺旋狀原因：最大正應(yīng)力超過材料的正斷強度措施：適當提高回火溫度扭轉(zhuǎn)角過大原因：軸件的剛度不夠引起措施：淬火并進行高、中溫回火的軸類零件，不必校核斷裂力學韌度；大型轉(zhuǎn)子軸必須校核斷裂力學韌度第40頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析例1在汽車變速箱的傳動系統(tǒng)中，變速箱的輸入軸與發(fā)動機相連接，其轉(zhuǎn)速為2100r/min，輸出軸與傳動輪相聯(lián)，輸入軸、輸出軸間的傳動比為2.81：1，傳動軸的傳遞功率50kW，材料的許用剪切應(yīng)力[c]=60MPa，該軸的直徑為35mm，在使用中發(fā)生韌斷，試分析原因。強度校核根據(jù)題意傳動軸的轉(zhuǎn)速n=2100/2.81=747.3r/min，傳動軸的功率N=50kW得：傳動軸的扭矩Ｍn：傳動軸的抗扭截面系數(shù)Wp：傳動軸的最大剪切應(yīng)力max：結(jié)論設(shè)計選擇材料不當。

第41頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析例2一臺125MW的汽輪機組，轉(zhuǎn)子軸的外徑為464mm，中心孔徑為70mm，探傷發(fā)現(xiàn)距內(nèi)孔表面82mm處，存在一個半徑為6mm的圓片缺陷（大塊非金屬夾雜物），轉(zhuǎn)子用鋼為CrMoV鋼，其s=672MPa，KIC=1100MPam-1/2，此處的工作應(yīng)力為

=375MPa。試問該轉(zhuǎn)子軸是否有脆斷的危險（能否繼續(xù)使用）？分析塑性區(qū)的尺寸為結(jié)論實際裂縫半徑尺寸a=6mm，而臨界裂紋尺寸為6.75mm，故此軸有脆斷的危險。臨界條件下第42頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.5.6交變應(yīng)力一、交變應(yīng)力

承受交變應(yīng)力典型零件的應(yīng)力循環(huán)特征零件名稱軸齒輪齒根軸承連桿螺栓應(yīng)力變化循環(huán)特征對稱循環(huán)脈動循環(huán)脈動循環(huán)大壓小拉大拉小壓應(yīng)力性質(zhì)r

=-1r

=

0r

=

--

r

-10

r

1應(yīng)力狀態(tài)對稱彎曲脈動彎曲脈動壓縮不對稱不對稱第43頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析二、疲勞失效特征只有在交變應(yīng)力作用下，疲勞才會發(fā)生。破壞起源于高應(yīng)力、高應(yīng)變局部。疲勞損傷的結(jié)果是形成裂紋。疲勞是從開始使用到最后破壞的發(fā)展過程。第44頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析三、交變應(yīng)力下材料的抗力指標及性質(zhì)（1）疲勞抗力材料抵抗交變應(yīng)力作用的能力稱為疲勞抗力。（2）疲勞抗力指標及性質(zhì)a疲勞極限應(yīng)力循環(huán)變化無限次材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力r，稱該材料的疲勞極限。b條件疲勞極限（疲勞強度）對于鋁合金等有色金屬及在高溫和腐蝕條件下工作的黑色金屬，無疲勞極限，其疲勞抗力指標常用條件疲勞極限表示。一般規(guī)定，承受大于5×107～5×108次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力稱該材料的條件疲勞極限。第45頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析

c疲勞破壞的持久值在一定的應(yīng)力水平下（＞r），破壞前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，叫疲勞破壞的持久值。d裂紋擴展速率對于同一種材料，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其疲勞極限是不同的：對稱彎曲

-1=0.4

b對稱拉壓

-1=0.28

b對稱扭轉(zhuǎn)

-1=0.22

b脈動彎曲

-1=0.65

b第46頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.5.7接觸應(yīng)力一、接觸面間的赫茲應(yīng)力兩物體接觸表面附近的應(yīng)力場理論是根據(jù)赫茲（Hertz）的彈性理論提出的。該理論認為，接觸表面的接觸應(yīng)力按橢圓規(guī)律分布，其中心達最大值。切應(yīng)力

yz（45）在z=0.786b處達最大值。

第47頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析二、交變切應(yīng)力實際運轉(zhuǎn)的軸或齒輪，其接觸點是不斷變化的，因此，對零件上某一固定點而言，各應(yīng)力分量也是周期變化的，在只考慮法向力的情況下，交變切應(yīng)力

yzn的最大值在z0=0.5b處，其值

yznmax=0.25j。三、摩擦力對接觸應(yīng)力的影響當摩擦系數(shù)為1/3時，將有如下變化：最大主應(yīng)力分量將增加39%；最大切應(yīng)力分量將增加43%；最大交變應(yīng)力分量將增加36%；最大切應(yīng)力所在位置，由距表面0.786b處，移至表面，并向y方向偏離0.3b。第48頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.3殘余應(yīng)力與零件失效2.3.1殘余應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力：物體在無外載荷時，存在于其內(nèi)部并保持平衡的種一應(yīng)力。第一類應(yīng)力（即宏觀應(yīng)力——殘余應(yīng)力）在整個物體或在較大尺寸范圍內(nèi)保持平衡，0.1mm以上第二類應(yīng)力：在晶粒大小尺寸范圍內(nèi)保持平衡，10-1-10-2mm第三類應(yīng)力：在原子尺度范圍保持平衡，10-3-10-6mm微觀應(yīng)力第49頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.3殘余應(yīng)力與零件失效2.3.2殘余應(yīng)力的產(chǎn)生不均勻的塑性變形、熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力熱處理殘余應(yīng)力原因：熱應(yīng)力和組織應(yīng)力疊加表面化學熱處理引起的殘余應(yīng)力原因：熱應(yīng)力、組織應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力原因：直接應(yīng)力——主要原因，不均勻加熱間接應(yīng)力——焊前加工狀況組織應(yīng)力——組織變化第50頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析鑄造殘余應(yīng)力原因：結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及組織應(yīng)力。在構(gòu)件截面內(nèi)保持平衡構(gòu)件間相互保持平衡鑄造型砂的阻力鑄件成分的影響涂鍍層引起的殘余應(yīng)力原因：涂鍍層與基體的溫度梯度和組織差異。切削加工殘余應(yīng)力原因：材料在加工過程中產(chǎn)生塑性變形。第51頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析焊接殘余應(yīng)力第52頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析（1）熱處理殘余應(yīng)力組織應(yīng)力分布冷卻初期冷卻后期熱應(yīng)力分布表面發(fā)生相變心部發(fā)生相變第53頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析（2）熱處理殘余應(yīng)力軋輥淬火殘余應(yīng)力

中心表面材料：0.97%C硬化深度：2.4～2.8mm心部軸向心部周向表面軸向表面周向火焰淬火殘余應(yīng)力分布第54頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析化學熱處理引起的殘余應(yīng)力（D表示有效滲碳層深度）

D=0.8mm

滲碳層殘余應(yīng)力分布氮化層殘余應(yīng)力分布第55頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析電鍍引起的殘余應(yīng)力金屬電鍍?nèi)芤簯?yīng)力（MPa）CrNiCuCoZnZdPb鉻酸—硫酸50°C鉻酸—硫酸65°C鉻酸—硫酸85°C光亮鍍鎳用液純凈光亮鍍鎳用液+雜質(zhì)光亮鍍鎳用液+糖精酒石酸鉀鈉—氰化物酒石酸鉀鈉—氰化物+硫氰酸鉀硫酸鹽酸氰化物過氯酸鹽1072554321072251961-28315～630-56～12-8-31第56頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析（5）切削加工殘余應(yīng)力

銑加工表面殘余應(yīng)力

B—側(cè)刃銑（低速）C—端面銑（低速）D—滾銑（高速）砂輪太硬時的磨削應(yīng)力第57頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析消除和調(diào)整殘余應(yīng)力的方法消除內(nèi)應(yīng)力，提高構(gòu)件的松弛剛度去應(yīng)力退火回火（200～400C）或自然時效（可降低殘余應(yīng)力30%）機械法(加靜載或動載)加靜載——使有殘余應(yīng)力部位發(fā)生屈服。反復彎曲法、旋轉(zhuǎn)扭曲法、拉伸法。加動載——振動法，主要用于鑄件和焊件；錘擊法，主要用于焊接件?；鹧婧婵痉ā糜诤附蛹?，可降低殘余應(yīng)力30%第58頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析2.2機械零件失效原因概述2.2.1零件的服役條件2.工作環(huán)境環(huán)境介質(zhì)與零件失效環(huán)境溫度與零件失效第59頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分，星期四失效分析第60頁，共71頁，2022年，5月20日，21點42分