石大机器维修工程学课件02机械零件生效分析

第二章机械零件生效分析零件失效分析的意义和重要性据美国1982年统计，因机械零件失效，每年经济损失达3400亿美元；1980年3月27日，北海石油钻探船发生断裂事故，损失达几千万美元；1979年9月7日，我国某工厂滤器车间的液了瓶爆炸，直接经济损失63万；1979年12月18日，我国某地煤气公司液化气厂发生一起恶性爆炸事故，直接经济损失达650万元；1982年3月12日，一列火车在运行中由于车轮发生崩裂而引起列车倾覆。2007年8月15日湖南凤凰县桥梁坍塌事故

间接经济损失：本企业停产或减产；其他企业停产或减产；影响企业的信誉和竞争力。为了防止失效现象的重复发生，提高机械产品质量，开始对零件机构的失效现象进行比较系统的分析研究。1、失效分析促进科学技术发展工程师Wohler大量疲劳试验，奠定了近代疲劳研究的基础；飞机的模拟试验是一次空前规模的失效分析，揭开了疲劳试验的新篇章；对含有即存裂纹的裂纹体力学行为的研究，导致了断裂力学的产生；大量不锈钢零部件的断裂失效分析，推动了应力腐蚀研究的进程；失效分析所得到的材料冶金质量方面的信息反馈到冶金工业部门，可促进现有材料的改进和新材料的研制。2、失效分析促进产品质量提高（1）向设计部门反馈，可改进产品设计，完善技术规范

如引进的30万吨合成氨成套设备，在运行投产后，汽轮机转子叶片不断发生疲劳断裂。国内组织专家进行断裂分析，认为主要是叶片根部结构不合理，于是将原来的棕树形叶根改为叉形叶根，从此，叶片没有再发生过断裂事故。（2）向制造部门反馈，可改进生产工艺，创制和推广新工艺（3）向材料部门反馈，可合理化选材，开发和研制新材料（4）向用户反馈，可健全和完善使用、维修制度§2-1零件的失效形式一、失效的定义：产品丧失其规定功能的现象。在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为失效。二、失效形式零件失效形式即失效的表现形式，可理解为失效的类型，也称为失效模式。按失效的宏观特征，可将零件失效分为：变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。其中磨损失效占到整个零件失效的70%左右，重点讨论学习磨损失效方面的知识和内容，其他的作为了解和自学的部分。注意

我能是这样吗看这里我很脆弱，禁不起折腾！！三、失效分析1、失效分析机械产品失效分析是关于研究机械产品质量的综合性技术科学，重要研究失效的规律与机理。2、失效分析的目的分析和判断零件的失效原因；提出预防和改进失效的有效措施和途径。四、失效分析与机械产品可靠性的关系◆可靠度与失效概率（不可靠度）R+F=1◆可靠性是相对于失效而言的概念，所以针对失效原因采取技术改进措施，更是提高产品可靠性的更本途径。作业1、举例说明零件失效分析的意义和重要性。2、机械零件失效的定义、失效形式的分类。3、机械零件失效分析的目的及作用是什么？4、机械零件失效分析与可靠性的关系有什么样的关系？5、按零件间介质摩察分哪几种？比较理想的是哪一种？阅读材料《机器维修工程学》东北农学院主编、《机械零件失效分析》刘瑞堂编齿轮轮齿的疲劳点蚀

滚动轴承滚道的疲劳点蚀

滚动轴承外圈滚道磨损轮齿断裂§2-2零件的磨损失效一、摩擦与磨损的关系1、摩擦的定义◆两个物体表面相互接触，并作相对运动的现象；◆当一个零件沿着另一个零件表面移动时，在接触表面上产生阻力的现象。

摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。

摩擦定律——库仑摩擦定律

2、磨损的定义两个物体在作相对运动时，摩擦表面层材料发生微量的脱落或转移的现象；两个零件发生摩擦，零件表面分子逐渐从摩擦表面脱落，使零件的尺寸和几何形状、表面质量发生变化的现象。3、摩擦与磨损的关系摩擦是一种过程，磨损是摩擦的结果；磨损是一种材料耗损的现象，是接触面形态性质的变化，摩擦是力学特性。运动状态运动形式润滑状态二、摩擦的分类滑动摩擦干摩擦边界摩擦流体摩擦混和摩擦摩擦副接触面积示意图1）干摩擦f=0.3-0.35,纯干摩擦f要大的多；2）边界摩擦<0.1µm的连续油膜隔断了分子力f=0.01-0.1边界膜:；a.吸附膜:物理吸附膜、化学吸附膜；b.化学反应膜、氧化膜3）液体摩擦ｆ＝0.001～0.008；4）半干摩擦；5）半液体摩擦金属摩擦副的滑动摩擦：

干摩擦—最不利

边界摩擦—最低要求

流体摩擦混合摩擦

1）干摩擦两摩擦面间无任何润滑剂，固体表面直接接触摩擦、磨损大

ｆ＝0.30～0.35摩擦理论：库仑公式分子—机械理论：粘着作用和刨犁作用

2)、流体摩擦（润滑）两摩擦面完全被液体油膜隔开的摩擦ｆ＝0.001～0.008无磨损产生，是理想的摩擦状态。油膜：静压油膜和动压油膜全液体摩擦3)、边界摩擦（边界润滑）两摩擦面由吸附着的很簿的边界膜隔开的摩擦ｆ＝0.01～0.1边界膜：物理吸附膜、化学吸附膜化学反应膜最低要求4)、混合摩擦（润滑）干、边界、液体摩擦并存常见非（完全）液体摩擦

膜厚比λ越大，油膜承载比例大，f越小◆、形成液体摩擦的必要条件1、相对运动两平面必须倾斜一定角度，且成收敛油膜；2、要有一定的相对运动速度且必须大于临界速度；3、外部载荷必须小于一定值，否则易使油膜破坏；4、液体要有一定的粘度；5、有足够的供油量，否则将造成干摩擦。三、磨损的分类及影响因素一）、典型的磨损过程

1、磨合磨损过程

在磨损初期，由于新的摩擦副表面较粗糙，真实接触面积小，比压较大，在开始的较短时间内磨损量较大。经跑合后，表面凸峰高度降低，接触面积增大，磨损速度减缓并趋向稳定。初期跑合是一种有益的磨损，可利用它来改善表面性能，提高使用寿命。2、稳定磨损阶段经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命。（工作）3、急剧磨损阶段经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效。（失效）二）、磨损的类型及影响因素1、磨粒磨损-50%2、粘着磨损-15%3、腐蚀磨损-10%4、疲劳磨损-10%5、微动磨损-10%

（一）磨料磨损1、定义：由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。

在各类磨损形式中大约占磨损总消耗的50%；危害最为严重的磨损形式。挖掘机铲头、搅拌机叶片以及农机具

2、磨料磨损产生的原因：1）零部件工作在泥沙或磨粒介质中（农具）；2）零件表面磨损产生的金属微粒（相对运动）；3）空气、燃油、润滑油中带入的杂质磨粒。（曲轴主轴颈）3、影响因素：

1）零件的机械性质，配对材料。

2）工作条件（工作压力、相对速度、装配质量、润滑条件）3）磨料的数量、尺寸、形状、硬度。

4、减少磨料磨损的措施：实际制造时，选用耐磨性好的材料和过滤效果良好的滤清系统，对重要零件如曲轴，要求其轴颈有很高的硬度及高的表面光洁度。修理时，注意清洗。使用时，做到“三净”。塑性挤压，形成擦痕；切削金属，形成磨屑

总之，磨料磨损机理是属于磨料的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨料的性质、形状及尺寸大小、固定的程度及载荷作用下磨料与被磨表面的机械性能有关。严重的磨料磨损，使擦伤又进一步发展，出现类似“咬死”的现象。

（二）粘着磨损（抓粘磨损）定义：摩擦副相对运动时，由于固相焊合作用的结果，造成接触面金属损耗的现象称为粘着磨损。是缺油或油膜破坏后发生干摩擦的结果；是指一个零件表面上的金属转移到另一个零件表面上，而产生的磨损。压力作用—氧化膜被破坏或局部温升高—粘着（焊接）摩擦力—撕脱、剪切—材料转移气缸套与活塞、活塞环，曲轴轴颈与轴承、凸轮与挺杆、差速器十字轴和齿轮等。触点摩擦表面相对运动时，粘着点被剪切，然后再粘着、再剪切，最后使摩擦表面破坏并形成磨屑沿活塞裙部长度方向可以看到轻微的擦伤活塞整个表面已咬死表面咬合胶合扩展到环岸区(A处)和裙部(B处)形成机理：

由于表面存在微观不平，表面的接触发生在微凸体处，在一定载荷作用下，接触点处发生塑性变形，使其表面膜被破坏，两摩擦表面金属直接接触形成粘结点（固相焊合）；摩擦热产生使接触点处熔化和熔合（热磨损）；

由于粘着点与摩擦副双方材料机械性能的差别，当粘着部分脱离时，可能出现两种情况：⑴外部粘着：粘着点的结合强度比摩擦副双方材料的强度低时，从粘着点分界面脱离，机体内部变形小，没有明显粘着现象。气缸壁与活塞环润滑不良时，将或多或少产生此种磨损；⑵内部粘着：粘着点的结合强度比摩擦副的一方强度高，此时脱离面发生在原子结合力较弱的金属内部，大块磨粒从基体被撕裂后而导致粘着磨损。发动机的拉缸、抱瓦等；1、冷粘附磨损产生的原因：承受重载荷，表面接触应力过大，产生塑性变形，接触点相互嵌入，油膜和氧化膜破坏，由于相邻极近而互相吸引，从而产生粘附。2、热粘附磨损产生的原因：承受重栽加上高的滑动速度，使温度升高，零件表面熔化并熔合。3、影响因素1）材料性质的影响：选用不同种金属或互溶性小的金属以及与非金属材料组成摩擦副；脆性材料比塑性材料的抗粘着能力强；微量合金元素C、S对金属及合金的粘着有阻滞作用；（塑性越大，越容易发生）；2）工作条件（载荷、速度、润滑油、粘度等）；(1)载荷；⑵滑动速度的影响；⑶温度的影响3）配合件表面光洁度（粗糙及超精度均易发生）；4）配对材料（同种材料原子争和力强，较异种易产生）。（三）腐蚀磨损

1、定义：零件表面在摩擦过程中，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应，因而出现物质损失的现象称为腐蚀磨损。腐蚀磨损是腐蚀和摩擦共同作用的结果。其表现的状态与介质的性质、介质作用在摩擦表面上的状态以及摩擦材料的性能有关。腐蚀磨损通常分为：氧化磨损、特殊介质的腐蚀磨损、穴蚀及氢致磨损。⒉氧化磨损：

氧化磨损是最常见的一种磨损形式，曲轴轴颈、气缸、活塞销、齿轮啮合表面、滚珠或滚柱轴承等零件都会产生氧化磨损。与其它磨损类型相比，氧化磨损具有最小的磨损速度，有时氧化膜还能起到保护作用；

影响因素：影响氧化磨损的因素有滑动速度、接触载荷、氧化膜的硬度、介质中的含氧量、润滑条件以及材料性能等有关。

轴颈表面腐蚀表面腐蚀3、特殊介质腐蚀磨损：定义：摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质作用生成各种产物，在摩擦过程中不断被磨去的现象；发动机气缸内的燃烧产物中含有碳、硫和氮的氧化物、水蒸气和有机酸如蚁酸（CH2O）、醋酸（C2H4O2）等腐蚀性物质，可直接与缸壁起化学作用是化学腐蚀，也可溶于水形成酸性物质腐蚀缸壁前者称为化学腐蚀，后者称为电化学腐蚀，其腐蚀强度与温度有关。常出现在气门头和汽缸壁接近活塞上止点处。其磨损机理与氧化磨损相似，但磨损速度较快，磨损率随介质的腐蚀性增大而变大。结构致密，与基体金属结合牢固的钝化膜或保护膜的生成速度大于腐蚀速度，则磨损率不随介质的腐蚀性而变化。气缸壁温度与腐蚀强度关系Tk是在一定压力下水蒸气凝结的露点，在温度低于Tk的Ⅰ区内为电化学腐蚀，腐蚀强度很高。温度高于Tk时，主要是化学腐蚀，随着温度的升高，腐蚀强度逐渐增高，随后又加剧。在Tk附近有一个腐蚀最小的理想区Tk~Tn，腐蚀强度最小。4、气蚀（穴蚀或空蚀）定义：穴蚀是当零件与液体接触并有相对运动时，零件表面出现的一种损伤现象。柴油机湿式缸套的外壁与冷却液接触的表面、滑动轴承在最小油膜间隙之后的油膜扩散部分（由于负压的存在），都可能产生穴蚀；穴蚀产生的机理

是由于冲击力而造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用、液体中含有杂质磨料等均可能加速穴蚀的破坏过程。气缸套穴蚀为例，由于气缸内燃烧压力随曲轴转角而变化，缸套在活塞侧向推力的作用下，使缸套产生弹性变形和高频振动。气泡在溃灭的瞬时产生极大的冲击力（几千甚至一万个大气压）和高温（数百度），溃灭的速度可达250m/s。

缸套的外壁承受这种冲击应力的反复作用，使表面材料产生疲劳而逐渐脱落，形成麻点状，随后扩展、加深，严重时呈聚集的蜂窝状孔穴群，甚至穿透缸壁

（柴油机的强化）缸套穴蚀破坏的一般特征是孔穴群集中出现在连杆摆动平面的两侧，尤其是在活塞承受侧压力大的一侧所对应的缸套外壁最为严重。另外在进水口和水流转向处，缸套支撑面和密封处也可能出现穴蚀破坏。

防止缸套穴蚀的措施，一是防止或减少气泡的形成，二是如气泡不可避免的发生，就应设法使气泡远离机件的地方溃灭或提高零件材料抗穴蚀能力。增加气缸套固定刚度（如增加承孔高度，减少配合间隙等），以减少缸套的振动；加宽水套使冷却均匀，减少气泡爆破时的影响；消除冷却水路中局部涡流区及死水区，可采用切向进水；应在使用中保持冷却水的清洁或冷却水中加乳化剂；提高缸体与活塞修理质量和装配质量等对防止穴蚀都有一定作用。

预防方法，就材料来说，以选用硬而富于延性（容易加工硬化、结晶颗粒小、弹性大）的材料为宜；作为环境条件，采用缓和冲击作用的方法和电防蚀法等效果较好。

一般柴油机最易产生穴蚀的冷却水温度为40~60℃左右，减少穴蚀的角度，应保持发动机的正常工作温度80~90℃。5·氢致磨损：含氢的材料在摩擦过程中，由于力学及化学作用导致氢的析出。氢扩散到金属表面的变形层中，使变形层内出现大量的裂纹源，裂纹的产生和发展，使表面材料脱落称为氢致磨损。氢可能来自材料本身或是环境介质，如润滑油和水中等。（四）表面疲劳磨损⒈定义：两接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳而产生物质损失的现象称为表面疲劳磨损。

表面疲劳磨损一般多出现在相对滚动或带有滑动的滚动摩擦条件下；如齿轮副的轮齿表面、滚动轴承的滚珠和滚道以及凸轮副等；滑动摩擦时，也会出现疲劳破坏，如巴氏合金轴承表面材料的疲劳剥落。交变应力—裂纹扩展—表面剥落—麻点、凹坑（疲劳点蚀）⒉失效原理：表面疲劳磨损是疲劳和摩擦共同作用的结果，其失效过程可分为两个阶段：⑴疲劳核心裂纹的形成；⑵疲劳裂纹的发展直至材料微粒的脱落。

对表面疲劳磨损初始裂纹的形成，有下述几种理论：最大剪应力理论－裂纹起源于次表层；油楔理论－裂纹起源于摩擦表面；（滚动带滑动的接触）裂纹起源于硬化层与芯部过度区；⑴最大剪应力理论－裂纹起源于次表层：裂纹的产生一般是由于切应力作用下因塑性变形而引起。纯滚动时，最大剪切应力发生在表层下0.786b（b为接触宽度之半）处，即次表层内，在载荷反复作用下，裂纹在此附近发生，并沿着最大剪切应力方向扩展到表面，形成磨损微粒脱落，磨屑形状多为扇形，在“痘斑”状坑点。当除纯滚动接触外，还带有滑动接触式，最大剪切应力的位置随着滑动分量的增加向表层移动，破坏位置随之向表层移动。⑵油楔理论－裂纹起源于摩擦表面（滚动带滑动接触）

在滚动带滑动的接触过程中（如齿轮啮合面），由于外载荷及表层的应力和摩擦力的作用，引起表层或接近表层的塑性变形，使表层硬化形成初始裂纹，并沿着与表面呈小于45°的夹角方向扩展。形成油楔，裂纹内壁承受很大压力，迫使裂纹向纵深发展。裂纹与表面层之间的小块金属犹如一承受弯曲的悬臂梁，在载荷的继续作用下被折断，在接触面留下深浅不同的麻点剥落坑，深度0.1~0.2mm。⑶裂纹起源于硬化层与芯部过度区：

表层经过硬化处理的零件（渗碳、淬火等），其接触疲劳裂纹往往出现在硬化层与芯部过渡区。这是因为该处所承受的剪切应力较大，而材料的剪切强度较低。

试验表明，只要该处承受的剪切应力与材料的剪切强度之比大于0.55时，就有可能在过渡区形成初始裂纹。

裂纹平行于表面，扩展后再垂直向表面发展而出现表层大块状剥落。

硬化层深度不合理、芯部强度过低、过渡区存在不利的残余应力时，容易在硬化层与芯部过渡区产生裂纹。3、疲劳磨损的形成当单位面积载荷大于金属的屈服极限时，由于载荷的重复作用，表层金属经多次塑性变形而趋于疲劳，首先产生微观裂纹，在润滑油油楔作用下，产生应力集中，从而加速裂纹的扩大，最终使金属表层剥落形成凹坑（即麻点）。4、影响因素

表面疲劳磨损与零件材料（含有非金属夹杂物，特别是脆性夹杂物氧化铝、硅酸盐、氮化物等；材料的强度和硬度）、热处理的金相组织、表面粗糙度、接触精度以及润滑（润滑油粘度）状态有关；

零件的硬化层（渗碳层、氮化层等）要合理，使最大剪切应力在硬化层内，能提高抗疲劳磨损的能力。材料的机械性质、接触面单位压力、载荷循环次数等。（五）微动磨损1、定义：两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动（一般小于100μm），此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称为微动磨损。微动以三种方式对构件造成破坏；如在微动磨损过程中，两个表面之间的化学反应起主要作用时，则称微动腐蚀磨损。如果微动表面或次表面层中产生微裂纹，在反复应力作用下发展成疲劳裂纹，称为微动疲劳磨损。1、过程：接触压力使接合面微凸体塑性变形粘着，在外界小振幅振动的反复作用下粘着点剪切，粘附金属脱落，剪切处表面氧化，磨削起磨料作用，加速微动磨损。2、影响因素材料的性能；滑动距离、载荷；相对湿度；振动频率和振幅；温度；装配前涂油，一方面便于拆卸，同