机械设备失效分析期末复习题集

机械设备失效分析期末复习题集一、失效分析概述（一）名词解释1.失效：机械设备或其零部件在规定的工作条件与时间内，丧失预定功能的现象（如完全失效、性能退化或安全性能丧失）。2.失效分析：通过调查、检测、分析失效件，明确失效模式、机理，定位失效原因并提出改进措施的系统性工程活动。3.失效模式：失效的外在表现形式（如断裂、磨损、变形、腐蚀等），是失效机理的宏观体现。4.失效机理：导致失效的内在物理、化学或力学本质（如疲劳裂纹扩展、应力腐蚀、磨粒磨损等）。（二）简答题1.简述失效分析的基本流程。解析：流程包括失效调查（收集工况、失效现象、历史数据）、失效件检测（宏观/微观分析、理化检验）、失效模式识别（判断失效类型）、失效机理分析（推导内在原因）、原因定位（区分设计、制造、使用、维护等因素）、改进建议（从材料、结构、工艺、管理等维度优化）。2.列举机械设备失效的常见类型并举例。解析：按形式分为：断裂失效（如轴的疲劳断裂、齿轮齿根折断）；磨损失效（如滑动轴承粘着磨损、齿轮齿面磨粒磨损）；变形失效（如轴的弯曲变形、螺栓塑性变形）；腐蚀失效（如压力容器应力腐蚀、管道电化学腐蚀）。二、失效分析基础理论（一）材料力学性能与失效名词解释1.疲劳失效：材料/构件在交变应力（或应变）下，经一定循环次数后突发性断裂或性能下降的失效形式（特征：亚临界扩展+突发性断裂）。2.蠕变失效：材料在高温、恒定应力下，随时间缓慢塑性变形直至断裂的失效形式（如高温螺栓伸长、汽轮机叶片变形）。3.应力腐蚀开裂（SCC）：材料在拉应力与特定腐蚀介质共同作用下的脆性断裂（如不锈钢在氯离子环境中开裂）。简答题1.简述疲劳失效的三个阶段及特征。解析：分为裂纹萌生（局部应力集中处产生微裂纹，如表面缺陷、内部夹杂物）、裂纹扩展（交变应力下亚临界扩展，断口出现“海滩纹”）、失稳断裂（裂纹达临界尺寸后突发性断裂，断口含粗糙瞬断区）。2.影响蠕变变形的主要因素有哪些？解析：核心因素为温度（温度越高，蠕变速率越快）、应力（应力越大，蠕变越早进入加速阶段）、材料组织（合金元素细化晶粒、形成第二相可提高蠕变抗力）。三、失效分析方法（一）宏观与微观分析名词解释1.断口分析：通过观察断裂表面的宏观（如平整/粗糙、放射纹）与微观形貌（如解理面、韧窝、疲劳条带），推断断裂原因与机理的方法。2.金相检验：制备金相试样，利用光学/电子显微镜观察显微组织，分析组织缺陷（如晶粒粗大、偏析）与失效的关联。简答题1.断口分析的基本步骤是什么？解析：步骤为断口保护（避免污染、变形）、宏观观察（记录位置、形貌、裂纹源）、微观观察（SEM/TEM分析裂纹路径、断裂机制）、综合判断（结合工况、材料性能推导机理）。（二）无损检测与理化检验名词解释1.无损检测（NDT）：不破坏试件前提下，检测材料内部/表面缺陷的技术（如超声、射线、磁粉、渗透检测）。2.硬度检测：通过测量材料表面抗压入能力（如布氏、洛氏硬度），间接反映强度、耐磨性，辅助分析热处理质量或磨损程度。简答题1.对比超声检测与射线检测的适用范围及局限性。解析：超声检测：适用于厚件内部体积型缺陷（如焊缝气孔、板材分层），优点是速度快、对厚件敏感；局限是对复杂件检测难，需耦合剂，依赖经验。射线检测：适用于厚件内部平面型缺陷（如焊缝裂纹、未熔合），优点是缺陷直观可记录；局限是厚件灵敏度低，有辐射危害。四、典型案例分析（一）齿轮失效案例案例题：某重载齿轮箱运行半年后，齿面严重磨损，部分齿根裂纹甚至折断。分析失效原因、机理并提出改进措施。解析：原因：材料耐磨性不足、热处理缺陷（齿面硬度低）、润滑不良（油膜破裂）、载荷过大（超过许用应力）、安装误差（接触应力不均）。机理：齿面磨损为磨粒/粘着磨损（杂质混入或润滑不良）；齿根裂纹为弯曲疲劳（交变载荷下齿根应力集中处裂纹扩展）。措施：选用高耐磨合金（如渗碳钢+渗碳淬火）、优化热处理（提高齿面硬度至HRC58~62）、改进润滑（极压油+过滤）、复核载荷（有限元优化齿形）、严控安装精度（接触斑点检测）。五、综合应用与拓展（一）论述题1.设计“压力容器泄漏失效”的分析方案。解析：失效调查：记录工况（介质、温压、年限）、泄漏位置（焊缝/母材/接管）、形态（喷射/渗漏）。检测分析：宏观检查：观察腐蚀、变形、裂纹特征；无损检测：超声（内部缺陷）、射线（焊缝）、磁粉/渗透（表面裂纹）；理化检验：化学成分（材质混料）、金相（组织缺陷）、硬度（热处理）、腐蚀产物分析（能谱判断类型）。机理推导：若为应力腐蚀（氯离子+奥氏体不锈钢+残余应力），裂纹沿晶/穿晶扩展；若为腐蚀疲劳（交变压力+腐蚀），断口有疲劳条带；若为均匀腐蚀（介质强+防腐失效），壁厚均匀减薄。改进建议：优化材料（耐蚀合金）、改进工艺（消除残余应力）、强化防护（涂层/衬里）、完善运维（定期检测、介质监控）。（二）拓展思考分析“多因素耦合失效”（如“腐蚀+疲劳+磨损”）的特点及难点。解析：特点：机理复杂（单一机理无法解释，如海洋轴类零件受海水腐蚀、交变疲劳、泥沙磨损）；失效加速（一种失效促进另一种，如腐蚀坑成为疲劳源）。难点：区分主次因素（需对比试验、模拟工况验证）；重现失效过程（实验室难模拟现场多因素环境）；数据综合分析（需结合多检测方法，建立参数关联模型）。复习建议1.紧扣“失效模式-机理-原因”逻辑链，结合教材理论理解本质；2.多分析典型案例，总结“材料-工