第四章机械零件失效分析及对策

1、第四章第四章机械零件失效分析及对策机械零件失效分析及对策一、机械零件的失效一、机械零件的失效 设备或其零部件丧失了在预定期内的设备或其零部件丧失了在预定期内的规定功能称之为失效。规定功能称之为失效。机械零件发生下列情况之一时可被定义为失效：机械零件发生下列情况之一时可被定义为失效：完全失去原定的功能；完全失去原定的功能；仍然可用，但是不再能够良好地执行其原定的仍然可用，但是不再能够良好地执行其原定的功能；功能；严重的损伤，使其在继续使用中失去可靠性和严重的损伤，使其在继续使用中失去可靠性和安全性。安全性。 机械零件常见的失效形式包括机械零件常见的失效形式包括变形失效、断裂失效、表面损伤失变形失

2、效、断裂失效、表面损伤失效等。效等。二、机械零件常见失效形式及特征和诊断二、机械零件常见失效形式及特征和诊断失失 效效 形形 式式 过量弹性变形失效过量弹性变形失效（弹性畸变失效）（弹性畸变失效） 当弹性变形超过规定的限量时（虽然在弹性极限以内），当弹性变形超过规定的限量时（虽然在弹性极限以内），会造成零件的不正常匹配关系导致失效。会造成零件的不正常匹配关系导致失效。 判断是否为过量弹性变形失效，要综合考虑以下因素：判断是否为过量弹性变形失效，要综合考虑以下因素： 失效件是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温工作经历；失效件是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温工作经历； 正常工作下相

3、互接触的配合表面上是否有划伤、擦痕或磨损的痕迹；正常工作下相互接触的配合表面上是否有划伤、擦痕或磨损的痕迹； 设计时是否考虑了弹性变形及热膨胀变形的影响及是否采取了相应设计时是否考虑了弹性变形及热膨胀变形的影响及是否采取了相应 的措施；的措施； 通过计算来验证是否有弹性变形失效的可能。通过计算来验证是否有弹性变形失效的可能。1. 1.变形失效变形失效 变形失效分为过量弹性变形失效和塑性变形失效两类。变形失效分为过量弹性变形失效和塑性变形失效两类。防止过量弹性变形失效的措施防止过量弹性变形失效的措施选择合适的材料或结构；选择合适的材料或结构；确定适当的匹配尺寸；确定适当的匹配尺寸；采用减少变形影

4、响的转接件。采用减少变形影响的转接件。塑性变形失效塑性变形失效（塑性畸变失效）（塑性畸变失效） 塑性变形失效是零件由于发生过大的塑性变塑性变形失效是零件由于发生过大的塑性变形而不能继续正常工作，由过量塑性变形引起的形而不能继续正常工作，由过量塑性变形引起的失效也称为屈服失效。失效也称为屈服失效。塑性变形失效的特征是有明显的永久变形，很容易鉴别。塑性变形失效的特征是有明显的永久变形，很容易鉴别。防止塑性变形失效的措施：防止塑性变形失效的措施： 降低实际应力降低实际应力 （降低工作应力、减少残余应力、降低应力集中）（降低工作应力、减少残余应力、降低应力集中） 提高材料的屈服强度提高材料的屈服强度蠕

5、变变形失效蠕变变形失效 金属材料在高温和低于屈服强度的应力作用金属材料在高温和低于屈服强度的应力作用下的缓慢变形称为蠕变。即，金属在长时间恒温、下的缓慢变形称为蠕变。即，金属在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力小于其屈服强度，也会恒应力作用下，即使应力小于其屈服强度，也会慢慢地产生塑性变形。慢慢地产生塑性变形。 低温下蠕变也会发生，但只有当温度高于低温下蠕变也会发生，但只有当温度高于0.3Tm0.3Tm时才比较显著，所以，碳钢在温度高于时才比较显著，所以，碳钢在温度高于300300，合金钢在温度高于，合金钢在温度高于400400时，必须考虑蠕时，必须考虑蠕变变形的影响。变变形的影响。 蠕变变形

6、失效的主要特征是：在高温下永蠕变变形失效的主要特征是：在高温下永久变形逐渐增加，当其变形尺寸大于设计的要求久变形逐渐增加，当其变形尺寸大于设计的要求时即告失效，所以对蠕变变形要进行点检和监督，时即告失效，所以对蠕变变形要进行点检和监督，防止出现蠕变断裂等严重后果。防止出现蠕变断裂等严重后果。 蠕变失效不仅表现在外部尺寸的变化，更主蠕变失效不仅表现在外部尺寸的变化，更主要的是表现为其内部组织发生局部变化。所以对要的是表现为其内部组织发生局部变化。所以对蠕变失效件进行分析时不仅要观察失效环境、使蠕变失效件进行分析时不仅要观察失效环境、使用情况等，而且还要进行光学金相、电子金相的用情况等，而且还要进

7、行光学金相、电子金相的分析。分析。2 .2 .断裂失效断裂失效塑性断裂失效塑性断裂失效 当构件承受的实际应力大于材料的屈服极限当构件承受的实际应力大于材料的屈服极限时，将产生塑性变形，若应力进一步增加，则可时，将产生塑性变形，若应力进一步增加，则可能发生塑性断裂失效。能发生塑性断裂失效。 塑性断裂失效的特征：塑性断裂失效的特征： 在断口附近有宏观塑性变形；在断口附近有宏观塑性变形； 有扫描电镜观察，断口上存在大面积的韧窝；有扫描电镜观察，断口上存在大面积的韧窝； 有高倍金相显微镜观察，断口附近的组织有明显的塑有高倍金相显微镜观察，断口附近的组织有明显的塑性变形层。性变形层。 防止塑性断裂失效要

8、正确选材、避免超载使用，也可防止塑性断裂失效要正确选材、避免超载使用，也可在设计上采用变形限位装置或增设变形保护报警系统等。在设计上采用变形限位装置或增设变形保护报警系统等。脆性断裂失效脆性断裂失效 当载荷或应力强度超过了当时材料的承载能力当载荷或应力强度超过了当时材料的承载能力时，在没有明显塑性变形的情况下发生的断裂失效。时，在没有明显塑性变形的情况下发生的断裂失效。 脆性断裂失效的特征：脆性断裂失效的特征： 断裂部位在宏观上没有塑性变形，断口可以拼凑复原；断裂部位在宏观上没有塑性变形，断口可以拼凑复原； 断口呈细瓷状，较光亮，无剪切唇；断口呈细瓷状，较光亮，无剪切唇； 断裂常发生于低温条件

9、下，或受冲击载荷作用时；断裂常发生于低温条件下，或受冲击载荷作用时； 断裂过程瞬间完成，无明显预兆。断裂过程瞬间完成，无明显预兆。 防止脆性断裂失效要从设计上、工艺上及操作上考虑，做到设计合理、正确选材、遵章使用，并避免冲击载荷。 疲劳断裂失效疲劳断裂失效 循环载荷作用下，经一定循环周次后发生的断循环载荷作用下，经一定循环周次后发生的断裂为疲劳断裂失效，包括机械应力引起的疲劳和热裂为疲劳断裂失效，包括机械应力引起的疲劳和热应力引起的疲劳。应力引起的疲劳。 引起失效的直接原因是周期引起失效的直接原因是周期( (交变交变) )作用力引起作用力引起的应力破坏，疲劳断裂的过程包括裂纹的萌生、扩的应力破

10、坏，疲劳断裂的过程包括裂纹的萌生、扩展和最终瞬断三个阶段。展和最终瞬断三个阶段。 疲劳断口由疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时疲劳断口由疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三部分组成。断裂区三部分组成。影响疲劳性能的因素影响疲劳性能的因素载荷及工作条件载荷及工作条件零件几何形状及表面状态零件几何形状及表面状态材料本质材料本质表面处理及残余内应力表面处理及残余内应力提高疲劳抗力的措施提高疲劳抗力的措施优化设计，合理选材优化设计，合理选材改善和提高零件的抗疲劳品质改善和提高零件的抗疲劳品质改善材料塑性，减少变形约束，减小零件的改善材料塑性，减少变形约束，减小零件的 温度梯度等温度梯度等3.3.表面损伤

11、失效表面损伤失效 腐蚀失效腐蚀失效 金属材料受周围环境介质的化学或电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为金属的腐蚀失效。化学作用而引起的损坏为金属的腐蚀失效。 影响腐蚀的因素：影响腐蚀的因素： 金属的特性金属的特性 金属的成分金属的成分 零件表面状况零件表面状况 环境环境防止腐蚀失效的措施防止腐蚀失效的措施正确选材正确选材合理设计零件结构合理设计零件结构覆盖保护层，隔离有害介质覆盖保护层，隔离有害介质添加缓蚀剂和去除介质中有害成分添加缓蚀剂和去除介质中有害成分电化学保护电化学保护改变环境条件改变环境条件磨损失效磨损失效 零件的摩擦表面上出现了材料损零件的摩擦表面上出现了材料损

12、耗的现象为磨损，当磨损超过某一限耗的现象为磨损，当磨损超过某一限度，使其丧失规定功能而引起设备性度，使其丧失规定功能而引起设备性能下降或不能工作为磨损失效。能下降或不能工作为磨损失效。设备磨损的一般规律设备磨损的一般规律影响磨损的因素：影响磨损的因素： 零件材料零件材料 运转条件运转条件 零件几何因素零件几何因素 环境因素环境因素防止或减少磨损失效的措施防止或减少磨损失效的措施合理润滑合理润滑正确选材正确选材进行表面处理进行表面处理合理的结构设计合理的结构设计改善工作条件改善工作条件提高修复质量提高修复质量正确使用和维护正确使用和维护三、机械零件失效原因剖析三、机械零件失效原因剖析 机械零件失

13、效是由于零件材料的物理、机械零件失效是由于零件材料的物理、力学性质逐渐或突然降低，零件的磨损、压力学性质逐渐或突然降低，零件的磨损、压折、腐蚀、老化、残余应力的重新分布等原折、腐蚀、老化、残余应力的重新分布等原因引起的零件变形、断裂、表面损伤。因引起的零件变形、断裂、表面损伤。 任何一种失效都是材料成分、结构或力任何一种失效都是材料成分、结构或力学性能、零件结构尺寸及其表面状态变化的学性能、零件结构尺寸及其表面状态变化的结果。因此，零件失效决定于结构、工艺和结果。因此，零件失效决定于结构、工艺和操作运转等因素。操作运转等因素。 服役条件服役条件 受力状况受力状况 载荷类型载荷类型 载荷性质载荷

14、性质 载荷在零件中引起的应力状态等载荷在零件中引起的应力状态等 工作环境工作环境 环境介质环境介质 环境温度等环境温度等机械零件失效的主要原因机械零件失效的主要原因设计制造过程因素设计制造过程因素设计不合理或不完善设计不合理或不完善零件材质因素零件材质因素制造工艺缺陷制造工艺缺陷装配调试因素等装配调试因素等使用维修因素使用维修因素超载使用超载使用润滑不良润滑不良清洁不好清洁不好腐蚀腐蚀表面碰伤表面碰伤违章操作违章操作维修不当维修不当人的素质条件影响等人的素质条件影响等四、机械零件失效分析四、机械零件失效分析 判断机械零件的失效模式，查找其判断机械零件的失效模式，查找其失效机理和原因，提出预防再

15、失效的对失效机理和原因，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。策的技术活动和管理活动称为失效分析。 失效分析是指分析研究机械零件断失效分析是指分析研究机械零件断裂、腐蚀、磨损、变形等现象的机理或裂、腐蚀、磨损、变形等现象的机理或过程的特征及规律，从中找出产生失效过程的特征及规律，从中找出产生失效的主要原因，以便采用适当控制方法的的主要原因，以便采用适当控制方法的学科或技术。学科或技术。 1.1.失效分析的目的失效分析的目的 通过对失效件的分析，明确失效类通过对失效件的分析，明确失效类型，找出引起失效的原因，以便采取相型，找出引起失效的原因，以便采取相应对策，使类似的失效不再重复

16、发生，应对策，使类似的失效不再重复发生，并为制订维修技术方案提供可靠依据，并为制订维修技术方案提供可靠依据，以降低设备故障率。以降低设备故障率。2.2.失效分析的思路失效分析的思路五个基本原则五个基本原则 整体观念原则整体观念原则 从现象到本质原则从现象到本质原则 动态原则动态原则 一分为二原则一分为二原则 纵横交汇原则纵横交汇原则五种具体方法五种具体方法系统方法系统方法抓主要矛盾方法抓主要矛盾方法比较方法比较方法历史方法历史方法逻辑方法逻辑方法3.3.失效分析工作三要素失效分析工作三要素调查检测调查检测分析诊断分析诊断处置与预防处置与预防4.4.失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤失失

17、效效 分分 析析 程程 序序 框框 图图失效分析一般步骤失效分析一般步骤调查研究收集原始背景材料调查研究收集原始背景材料残骸拼凑分析与低倍宏观检查残骸拼凑分析与低倍宏观检查零件失效部位应力分析计算，必要时用实验方零件失效部位应力分析计算，必要时用实验方法测定法测定深入实验分析深入实验分析综合实验分析找出失效原因，提出防止和改进综合实验分析找出失效原因，提出防止和改进措施的建议措施的建议撰写失效分析报告撰写失效分析报告失效分析常用的方法和技术失效分析常用的方法和技术五感检查诊断技术五感检查诊断技术痕迹分析技术痕迹分析技术化学成分分析技术化学成分分析技术性能测试分析技术性能测试分析技术无损检测试验

18、技术无损检测试验技术残余应力测试技术残余应力测试技术失效分析的作用失效分析的作用防止事故重复发生防止事故重复发生控制事故使之不扩展控制事故使之不扩展找出事故关键原因，改进制造工艺，提高零件质量找出事故关键原因，改进制造工艺，提高零件质量提供技术改造和制订技术文件的科学依据提供技术改造和制订技术文件的科学依据提供事故仲裁、案件侦破、失效保险等的技术依据提供事故仲裁、案件侦破、失效保险等的技术依据提供科学决策的信息和数据提供科学决策的信息和数据失效分析与产品设计制造的关系失效分析与产品设计制造的关系五、失效分析与故障预防技术五、失效分析与故障预防技术 应用失效分析技术判断出机械零件失效的应用失效分

19、析技术判断出机械零件失效的原因和机理，其目的是消除故障的隐患和预防原因和机理，其目的是消除故障的隐患和预防失效的再发生。失效的再发生。 通过对常用零部件和结构的失效分析，从通过对常用零部件和结构的失效分析，从断口分析和表面损伤等分析中寻找出失效和故断口分析和表面损伤等分析中寻找出失效和故障的性质和原因，可以总结出其失效规律，从障的性质和原因，可以总结出其失效规律，从而使故障预防技术得以应用。而使故障预防技术得以应用。六、失效分析与六、失效分析与FMEA FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）是是故障模式分析故障模式分析(FMA)和故障影响分析和故障影响分

20、析(FEA)的组合的组合, ,是是设设备维护前瞻性的预测方法备维护前瞻性的预测方法。 FMEA是一种重要的可靠性设计方法，可以对各种是一种重要的可靠性设计方法，可以对各种可能的风险进行评价和分析，认可并评价产品可能的风险进行评价和分析，认可并评价产品/ /过程中过程中的潜在失效以及该失效的后果的潜在失效以及该失效的后果, ,确定能够消除或减少潜确定能够消除或减少潜在失效发生机会的措施在失效发生机会的措施, ,使企业在现有技术的基础上消使企业在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平内。除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平内。 FMEA广泛应用于可靠性工程、安全性工程、维修广泛应用于可靠性工程、安全性工程、维修性工程等领域。性工程等领域。FMEA和和FMA的区别的区别失效分析（失效分析（FMA）潜在的失效模式及后果分析（潜在的失效模式及后果分析（FMEA）失效已经产生失效已经产生核心：纠正核心：纠正诊断已知的失效诊断已知的失效指引的是开发和生产指引的是开发和生产是一种事后行为是一种事后行为失效还未发生，可能发生，但不