機(jī)械設(shè)備失效分析期末復(fù)習(xí)題集一、失效分析概述（一）名詞解釋1.失效：機(jī)械設(shè)備或其零部件在規(guī)定的工作條件與時(shí)間內(nèi)，喪失預(yù)定功能的現(xiàn)象（如完全失效、性能退化或安全性能喪失）。2.失效分析：通過調(diào)查、檢測、分析失效件，明確失效模式、機(jī)理，定位失效原因并提出改進(jìn)措施的系統(tǒng)性工程活動(dòng)。3.失效模式：失效的外在表現(xiàn)形式（如斷裂、磨損、變形、腐蝕等），是失效機(jī)理的宏觀體現(xiàn)。4.失效機(jī)理：導(dǎo)致失效的內(nèi)在物理、化學(xué)或力學(xué)本質(zhì)（如疲勞裂紋擴(kuò)展、應(yīng)力腐蝕、磨粒磨損等）。（二）簡答題1.簡述失效分析的基本流程。解析：流程包括失效調(diào)查（收集工況、失效現(xiàn)象、歷史數(shù)據(jù)）、失效件檢測（宏觀/微觀分析、理化檢驗(yàn)）、失效模式識別（判斷失效類型）、失效機(jī)理分析（推導(dǎo)內(nèi)在原因）、原因定位（區(qū)分設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)等因素）、改進(jìn)建議（從材料、結(jié)構(gòu)、工藝、管理等維度優(yōu)化）。2.列舉機(jī)械設(shè)備失效的常見類型并舉例。解析：按形式分為：斷裂失效（如軸的疲勞斷裂、齒輪齒根折斷）；磨損失效（如滑動(dòng)軸承粘著磨損、齒輪齒面磨粒磨損）；變形失效（如軸的彎曲變形、螺栓塑性變形）；腐蝕失效（如壓力容器應(yīng)力腐蝕、管道電化學(xué)腐蝕）。二、失效分析基礎(chǔ)理論（一）材料力學(xué)性能與失效名詞解釋1.疲勞失效：材料/構(gòu)件在交變應(yīng)力（或應(yīng)變）下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突發(fā)性斷裂或性能下降的失效形式（特征：亞臨界擴(kuò)展+突發(fā)性斷裂）。2.蠕變失效：材料在高溫、恒定應(yīng)力下，隨時(shí)間緩慢塑性變形直至斷裂的失效形式（如高溫螺栓伸長、汽輪機(jī)葉片變形）。3.應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）：材料在拉應(yīng)力與特定腐蝕介質(zhì)共同作用下的脆性斷裂（如不銹鋼在氯離子環(huán)境中開裂）。簡答題1.簡述疲勞失效的三個(gè)階段及特征。解析：分為裂紋萌生（局部應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋，如表面缺陷、內(nèi)部夾雜物）、裂紋擴(kuò)展（交變應(yīng)力下亞臨界擴(kuò)展，斷口出現(xiàn)“海灘紋”）、失穩(wěn)斷裂（裂紋達(dá)臨界尺寸后突發(fā)性斷裂，斷口含粗糙瞬斷區(qū)）。2.影響蠕變變形的主要因素有哪些？解析：核心因素為溫度（溫度越高，蠕變速率越快）、應(yīng)力（應(yīng)力越大，蠕變越早進(jìn)入加速階段）、材料組織（合金元素細(xì)化晶粒、形成第二相可提高蠕變抗力）。三、失效分析方法（一）宏觀與微觀分析名詞解釋1.斷口分析：通過觀察斷裂表面的宏觀（如平整/粗糙、放射紋）與微觀形貌（如解理面、韌窩、疲勞條帶），推斷斷裂原因與機(jī)理的方法。2.金相檢驗(yàn)：制備金相試樣，利用光學(xué)/電子顯微鏡觀察顯微組織，分析組織缺陷（如晶粒粗大、偏析）與失效的關(guān)聯(lián)。簡答題1.斷口分析的基本步驟是什么？解析：步驟為斷口保護(hù)（避免污染、變形）、宏觀觀察（記錄位置、形貌、裂紋源）、微觀觀察（SEM/TEM分析裂紋路徑、斷裂機(jī)制）、綜合判斷（結(jié)合工況、材料性能推導(dǎo)機(jī)理）。（二）無損檢測與理化檢驗(yàn)名詞解釋1.無損檢測（NDT）：不破壞試件前提下，檢測材料內(nèi)部/表面缺陷的技術(shù)（如超聲、射線、磁粉、滲透檢測）。2.硬度檢測：通過測量材料表面抗壓入能力（如布氏、洛氏硬度），間接反映強(qiáng)度、耐磨性，輔助分析熱處理質(zhì)量或磨損程度。簡答題1.對比超聲檢測與射線檢測的適用范圍及局限性。解析：超聲檢測：適用于厚件內(nèi)部體積型缺陷（如焊縫氣孔、板材分層），優(yōu)點(diǎn)是速度快、對厚件敏感；局限是對復(fù)雜件檢測難，需耦合劑，依賴經(jīng)驗(yàn)。射線檢測：適用于厚件內(nèi)部平面型缺陷（如焊縫裂紋、未熔合），優(yōu)點(diǎn)是缺陷直觀可記錄；局限是厚件靈敏度低，有輻射危害。四、典型案例分析（一）齒輪失效案例案例題：某重載齒輪箱運(yùn)行半年后，齒面嚴(yán)重磨損，部分齒根裂紋甚至折斷。分析失效原因、機(jī)理并提出改進(jìn)措施。解析：原因：材料耐磨性不足、熱處理缺陷（齒面硬度低）、潤滑不良（油膜破裂）、載荷過大（超過許用應(yīng)力）、安裝誤差（接觸應(yīng)力不均）。機(jī)理：齒面磨損為磨粒/粘著磨損（雜質(zhì)混入或潤滑不良）；齒根裂紋為彎曲疲勞（交變載荷下齒根應(yīng)力集中處裂紋擴(kuò)展）。措施：選用高耐磨合金（如滲碳鋼+滲碳淬火）、優(yōu)化熱處理（提高齒面硬度至HRC58~62）、改進(jìn)潤滑（極壓油+過濾）、復(fù)核載荷（有限元優(yōu)化齒形）、嚴(yán)控安裝精度（接觸斑點(diǎn)檢測）。五、綜合應(yīng)用與拓展（一）論述題1.設(shè)計(jì)“壓力容器泄漏失效”的分析方案。解析：失效調(diào)查：記錄工況（介質(zhì)、溫壓、年限）、泄漏位置（焊縫/母材/接管）、形態(tài)（噴射/滲漏）。檢測分析：宏觀檢查：觀察腐蝕、變形、裂紋特征；無損檢測：超聲（內(nèi)部缺陷）、射線（焊縫）、磁粉/滲透（表面裂紋）；理化檢驗(yàn)：化學(xué)成分（材質(zhì)混料）、金相（組織缺陷）、硬度（熱處理）、腐蝕產(chǎn)物分析（能譜判斷類型）。機(jī)理推導(dǎo)：若為應(yīng)力腐蝕（氯離子+奧氏體不銹鋼+殘余應(yīng)力），裂紋沿晶/穿晶擴(kuò)展；若為腐蝕疲勞（交變壓力+腐蝕），斷口有疲勞條帶；若為均勻腐蝕（介質(zhì)強(qiáng)+防腐失效），壁厚均勻減薄。改進(jìn)建議：優(yōu)化材料（耐蝕合金）、改進(jìn)工藝（消除殘余應(yīng)力）、強(qiáng)化防護(hù)（涂層/襯里）、完善運(yùn)維（定期檢測、介質(zhì)監(jiān)控）。（二）拓展思考分析“多因素耦合失效”（如“腐蝕+疲勞+磨損”）的特點(diǎn)及難點(diǎn)。解析：特點(diǎn)：機(jī)理復(fù)雜（單一機(jī)理無法解釋，如海洋軸類零件受海水腐蝕、交變疲勞、泥沙磨損）；失效加速（一種失效促進(jìn)另一種，如腐蝕坑成為疲勞源）。難點(diǎn)：區(qū)分主次因素（需對比試驗(yàn)、模擬工況驗(yàn)證）；重現(xiàn)失效過程（實(shí)驗(yàn)室難模擬現(xiàn)場多因素環(huán)境）；數(shù)據(jù)綜合分析（需結(jié)合多檢測方法，建立參數(shù)關(guān)聯(lián)模型）。復(fù)習(xí)建議1.緊扣“失效模式-機(jī)理-原因”邏輯鏈，結(jié)合教材理論理解本質(zhì)；2.多分析典型案例，總結(jié)“材料-工