機械零部件故障分析

1、1,第二章 機械零部件故障分析,2.1 機械零部件的故障模式分析2.1.1 故障模式的基本概念2.1.2 機械零件典型故障模式及機理2.2 故障原因分析 服役條件受力狀況載荷類型載荷性質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)工作環(huán)境設(shè)計制造設(shè)計材料制造工藝使用維護,,,,2,,靜應(yīng)力故障2.2.1 應(yīng)力狀態(tài)2.2.2 變形故障2.2.3 斷裂故障2.2.4 靜應(yīng)力失效的強度理論 2.3 疲勞斷裂故障2.4 磨損故障2.5 腐蝕

2、故障,3,2.1 機械零部件的故障模式和機理,2.1.1 故障模式、機理的基本概念國軍標GJB451-89《可靠性維修性術(shù)語》中，故障模式的定義是：故障的表現(xiàn)型式。更確切地說，故障模式一般是對產(chǎn)品所發(fā)生的、能被觀察或測量到的故障現(xiàn)象的規(guī)范的描述。故障機理是指導(dǎo)致產(chǎn)品功能故障或潛在故障的產(chǎn)品自身的那些物理、化學(xué)或生物變化過程等直接原因故障原因包括了直接原因和間接原因，后者是指由于其他產(chǎn)品的故障、環(huán)境因素和人為因素等引起的間接故障原因

3、應(yīng)正確區(qū)分故障模式與故障原因,4,2.1 機械零部件的故障模式和機理,2.1.2 機械零件典型故障模式及機理按失效的宏觀特征，可將零件失效分為變形失效、斷裂失效、磨損失效和腐蝕失效四大類。按失效性質(zhì)和具體特征，每一類型還可以包括幾個小類，如圖所示。舉例說明故障模式及原因，如表所示,,5,2.1 機械零部件的故障模式和機理,,6,機械零件故障模式,表2-1 金屬彈簧故障模式、原因分析,,7,5種基本載荷類型,軸向載荷 力在作用在零

4、件的軸線上，大小相等，方向相反，包括軸向拉伸和軸向壓縮載荷例如，受拉的繩索、受拉或壓縮的桿件等等 在軸向載荷作用下，應(yīng)力沿橫截面的分布式均勻的。零件上主應(yīng)力與最大切應(yīng)力的關(guān)系為 ：主應(yīng)力/最大切應(yīng)力=2彎曲載荷 垂直于零件軸線的載荷（有時還有力偶），它使零件產(chǎn)生彎曲變形例如，齒輪輪齒的根部、汽車的鋼板彈簧等，工作中承受彎曲載荷在彎曲載荷作用下，零件橫截面上的主應(yīng)力分布的規(guī)律是：從表面應(yīng)力最大改變到中性軸線處應(yīng)力為零。并且，中

5、性軸線一側(cè)為拉伸應(yīng)力，另一側(cè)為壓縮應(yīng)力。,,8,基本載荷類型,扭轉(zhuǎn)載荷作用在垂直于零件軸線平面內(nèi)的力偶，它使零件發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。例如，傳遞扭矩的傳動軸、圓柱螺旋彈簧等，工作是承受扭轉(zhuǎn)載荷在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，橫截面上的切應(yīng)力的分布規(guī)律是：從表面最大到橫截面中心處為零（這里講的“中心點”，是指扭轉(zhuǎn)中心軸線與橫截面的交點） 剪切載荷使零件內(nèi)相鄰兩截面發(fā)生相對錯動的作用力。表（d）表示螺栓在連接接合面處受剪切，并與被連接孔壁互壓。螺桿還

6、受彎曲，但在各接合面貼緊的情況下可以不考慮。在剪切載荷作用下，力大小沿平行于最小切應(yīng)力的橫截面上均勻的。,9,基本載荷類型,接觸載荷兩個零件表面間的接觸有點接觸、線接觸和面接觸。零件受載后在接觸部位的正交壓縮載荷稱為接觸載荷。例如，滾動軸承工作時，滾子與滾道之間，齒輪傳動中輪齒與輪齒之間的壓力都是接觸載荷。在接觸載荷作用下，主應(yīng)力與最大切應(yīng)力之比是不定。實際零件工作中往往不是只受單一載荷作用的，而是同時承受幾種類型載荷的復(fù)合作用

7、。,10,,,,,,5種基本載荷類型,11,載荷性質(zhì),靜載荷緩緩地施加于零件上的載荷，或恒定的載荷沖擊載荷以很大速度作用于零件上的載荷，沖擊載荷往往表現(xiàn)為能量載荷交變載荷載荷的大小、方向隨時間變化的載荷，其變化可以是周期性的，也可以是無規(guī)則的,12,交變載荷,對稱循環(huán)應(yīng)力等值交變的拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力。例如，彎曲載荷作用下的旋轉(zhuǎn)軸。其最大應(yīng)力和最小應(yīng)力數(shù)值相等但符號相反，其應(yīng)力比r=-1脈動循環(huán)應(yīng)力單向應(yīng)力，其應(yīng)力值從零

8、變化到最大，r=0。例如一對齒輪傳動，轉(zhuǎn)動方向不變時，齒輪的彎曲應(yīng)力即為脈動循環(huán)應(yīng)力。非對稱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力值由最小到最大變化，最小應(yīng)力既可能是正值，也可能負值。例如，連桿螺栓所受的應(yīng)力。隨機循環(huán)應(yīng)力實際運轉(zhuǎn)的機器，由于服役條件可能發(fā)生變化，例如，開車、停車，工作載荷可能有大有小，運轉(zhuǎn)可能時快時慢，所以交變應(yīng)力的波形、應(yīng)力幅大小、方向和周期都隨時間而變化。,13,交變載荷,,,14,斷口特征,靜載荷或沖擊載荷作用下發(fā)生斷裂的斷口與交

9、變載荷引起的疲勞斷口特征有明顯的不同,15,應(yīng)力狀態(tài),零件的應(yīng)力狀態(tài)是指通過受載零件任一點所作的各個截面上的應(yīng)力狀態(tài)。從不同角度分類，零件的應(yīng)力狀態(tài)可分為單向應(yīng)力，多向應(yīng)力；“軟性”應(yīng)力狀態(tài)、“硬性”應(yīng)力狀態(tài)等。,16,點應(yīng)力定義,,表示體微元（dx,dy,dz）上應(yīng)力分布的情況，用符號σ表示垂直于正方體表面的正應(yīng)力，用符號τ表示平行于正方體表面的剪應(yīng)力。一般情況下，一個點的三軸應(yīng)力可用九個應(yīng)力來表示，如圖所示。九個應(yīng)力分別是：,17,

10、2.2 靜應(yīng)力故障,2.2.1 應(yīng)力狀態(tài)定義：零件的應(yīng)力狀態(tài)是指通過受載零件任一點所作的各個截面上的應(yīng)力狀態(tài) 分類：從不同角度分類，零件的應(yīng)力狀態(tài)可分為單向應(yīng)力，多向應(yīng)力等。 這里介紹“軟性”應(yīng)力狀態(tài)、“硬性”應(yīng)力狀態(tài)對零件變形及斷裂形式的影響,18,2.2.1 應(yīng)力狀態(tài),通常用軟性系數(shù) 表示最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值大小 是應(yīng)力狀態(tài)的一種標志，稱為應(yīng)力狀態(tài)的軟性系數(shù)。把

11、 的應(yīng)力狀態(tài)稱為“軟性”應(yīng)力狀態(tài)； 的應(yīng)力狀態(tài)稱為“較軟性”應(yīng)力狀態(tài)； 的應(yīng)力狀態(tài)稱之為“硬性”應(yīng)力狀態(tài)。因加載方式的不同， 的值不同。表2-2列出了不同加載方式下的軟性系數(shù),,,,,,19,2.2.1 應(yīng)力狀態(tài),表2-2 不同加載方式下的軟性系數(shù),20,2.2.2 變形故障,過量彈性變形零件受機械應(yīng)力或熱應(yīng)力作用產(chǎn)生彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變（變形量

12、稱為應(yīng)變）之間服從Hooke定律 為應(yīng)力； 為應(yīng)變； 為彈性模量特征具有可逆的性質(zhì)，即加載時產(chǎn)生，卸載后恢復(fù)到原狀的這種性質(zhì)在彈性變形過程中，不論是在加載階段還是在卸載階段，有的材料彈性變形的應(yīng)力和應(yīng)變保持線性對應(yīng)關(guān)系，有的材料則呈非線性的對應(yīng)關(guān)系。無論哪一種，其應(yīng)力和應(yīng)變都是單值對應(yīng)的關(guān)系。金屬的彈性應(yīng)變主要發(fā)生在彈性階段，但在塑性變形階段也伴隨著發(fā)生一定量,,,,21,過量彈性變形,防止措施 由應(yīng)

13、力和（或）溫度引起的彈性變形而導(dǎo)致失效的責任，幾乎全部在于設(shè)計者的考慮不周、計算錯誤或選材不當，故防止措施主要應(yīng)從設(shè)計方面考慮選擇合適的材料或結(jié)構(gòu)確定適當?shù)钠ヅ涑叽绮捎脺p小變形影響的轉(zhuǎn)接件,22,2.2.2 變形故障,屈服失效定義零件受力后，應(yīng)力較低時產(chǎn)生彈性變形，當外力增大到一定程度時，將產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形——塑性變形。由塑性變形引起的失效稱為屈服失效 特征：失效件有明顯的塑性變形防止及改進措施降低實際應(yīng)力提高材料

14、的屈服強度,23,2.2.3 斷裂故障,塑性斷裂塑性斷裂失效：當零件所受實際應(yīng)力高于材料的屈服強度時，將產(chǎn)生塑性變形。如果應(yīng)力進一步增加，并且該零件與其他零部件的匹配關(guān)系又允許時，塑性變形將繼續(xù)進行，就可能發(fā)生斷裂（破裂）。特征 在裂紋或斷口附近有宏觀塑性變形，或者在塑性變形（截面收縮）處有用肉眼或探傷儀能檢測出的裂紋用掃描電鏡觀察，斷口上存在大面積的韌窩用高倍金相顯微鏡觀察，裂紋或斷口附近的組織有明顯的塑性變形層,24,2.

15、2.3 斷裂故障,塑性斷裂改進措施除了與屈服失效相同的改進措施外，應(yīng)在設(shè)計上采用變形限位裝置或者增加變形保護報警系統(tǒng)等不同加載方式下的斷裂情況，如表所示零件材料的強度指標（剪切屈服強度 、切斷抗力 和正斷抗力 ）與外加載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)如何配合，決定零件的斷裂形式。決定斷裂形式的力學(xué)狀態(tài)圖 如圖所示,,,,25,2.2.3 斷裂故障——塑性斷裂,表2-3 不同加載方式下出現(xiàn)正斷或切斷的情況,,26,2

16、.2.3 斷裂故障——塑性斷裂,,圖 決定斷裂形式的力學(xué)狀態(tài)圖,,27,2.2.3 斷裂故障,脆性斷裂定義：是指斷裂前沒有明顯塑性變形的斷裂形式。斷裂應(yīng)力低于材料屈服強度，因此稱為低應(yīng)力脆斷特征：斷裂部位在宏觀上幾乎看不出或者完全沒有塑性變形，碎塊斷口可以拼合復(fù)原起裂部位常在變截面處即應(yīng)力集中部位，或者存在表面缺陷或內(nèi)部缺陷處形成平斷口，斷口平面與主應(yīng)力方向垂直斷口呈細瓷狀，較光亮，對著光線轉(zhuǎn)動，可看到閃光刻畫，無剪切唇斷

17、裂常發(fā)生于低溫條件下，或受沖擊載荷作用時斷裂過程瞬間完成，無預(yù)兆,28,2.2.3 斷裂故障,脆性斷裂防止和改進措施從設(shè)計上考慮，應(yīng)保證工作溫度高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，對在低溫下工作的零件應(yīng)選用脆性轉(zhuǎn)變溫度比工作溫度更低的材料；盡量避免三向應(yīng)力的工作條件，減緩應(yīng)力集中從工藝上考慮，應(yīng)正確執(zhí)行工藝規(guī)程，避免諸如過熱、過燒、回火脆性、焊接裂紋及淬火裂紋等。熱加工后需要回火的，應(yīng)及時回火，消除內(nèi)力。對于電鍍件應(yīng)及時進行去氫處理從操作

18、上考慮，應(yīng)遵守設(shè)計規(guī)定的使用條件，操作平穩(wěn)，盡量避免沖擊載荷,29,2.2.4 靜應(yīng)力失效的強度理論,二十世紀以來，提出了很多通過機械零件在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的關(guān)鍵點預(yù)計失效的模型。關(guān)鍵點的多軸應(yīng)力如圖所示，應(yīng)力是在給定方向的單位面積內(nèi)給所受內(nèi)力的大小 圖表示體微元（dx,dy,dz）上應(yīng)力分布的情況，用符號σ表示垂直于正方體表面的正應(yīng)力，用符號τ表示平行于正方體表面的剪應(yīng)力。 一般情況下，一個點的三軸應(yīng)力可用九個應(yīng)力來表示，如圖所示

19、。九個應(yīng)力分別是：,30,2.2.4 靜應(yīng)力失效的強度理論,圖 點應(yīng)力的完整定義,31,2.2.4 靜應(yīng)力失效的強度理論,最大正應(yīng)力理論該理論可以表達為：“當構(gòu)件在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的最大正應(yīng)力大于或等于其在單軸應(yīng)力狀態(tài)下的最大正應(yīng)力時即發(fā)生失效?！?數(shù)學(xué)表達式如下：（壓應(yīng)力取負值，拉應(yīng)力取正值） 當 成立時，發(fā)生失效

20、 為最大正應(yīng)力 為韌性材料的拉伸屈服強度或脆性材料的拉伸強度極限 為韌性材料的受壓屈服強度或脆性材料的受壓斷裂強度極限,,,,,32,2.2.4 靜應(yīng)力失效的強度理論,變形能理論（八面體剪應(yīng)力理論） 變形能理論假設(shè)單元總應(yīng)變能u由兩部分組成：只與形狀變化相關(guān)的變形能ud，和只與體積變化相關(guān)的變形能uv 。因此，單元變形能： u=ud+uv變形能理論認

21、為：在多軸應(yīng)力狀態(tài)下，單位體積的變形能ud大于或者等于單軸應(yīng)力下的變形能時，即發(fā)生失效。變形能數(shù)學(xué)公式 如下，當下式成立時，發(fā)生失效 為最大正應(yīng)力 為單軸屈服應(yīng)力,,,,33,2.2.4 靜應(yīng)力失效的強度理論,最大正應(yīng)變理論 最大正應(yīng)變理論認為：引起材料斷裂的主要因素是最大正應(yīng)變，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大正應(yīng)變 達到材料單向拉伸斷裂時的最大正應(yīng)力 ，材料即發(fā)生

22、斷裂。按此理論，材料的斷裂條件為 （1）對于鑄鐵等脆性材料，從受力直到斷裂，其應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系基本符合虎克定律。所以，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的最大正應(yīng)變?yōu)?（2）,,,,,34,

23、最大正應(yīng)變理論,材料在單向拉伸斷裂時的最大正應(yīng)變則為 （3） 將式（2）、（3）代人式（1），得 （4） 此即用主應(yīng)力表示的斷裂條件 由式（4）并考慮安全系數(shù)后，

24、得相應(yīng)的強度條件為 （5） 代表構(gòu)件危險點處的主應(yīng)力； 為單向拉伸時材料的許用應(yīng)力。,,,,,35,最大正應(yīng)變理論,式（5）表明，當根據(jù)強度理論建立構(gòu)件的強度條件時，形式上是將構(gòu)件危險點處幾個主應(yīng)力的某一綜合值與材料在單向受力時的許用應(yīng)力相比較。主應(yīng)力的上述綜合值稱

25、為相當應(yīng)力。最大正應(yīng)變理論的相當應(yīng)力用 表示，所以，式（5）又可改寫成,,,36,2.2.4 靜應(yīng)力失效的強度理論,最大剪應(yīng)力理論最大切應(yīng)力理論認為：引起材料屈服的主要因素是最大切應(yīng)力，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大切應(yīng)力 達到材料單向拉伸屈服時的最大剪應(yīng)力 ，材料即發(fā)生屈服。 按此理論，材料的屈服條件為

26、 （1）復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的最大切應(yīng)力為 （2）而材料在單向拉伸屈服時的最大切應(yīng)力則為 （3）,,,,,,37,最大剪應(yīng)力理論,將式（3）、（2）代人（1），則得材料的屈服條件為

27、相應(yīng)的強度條件則為 對塑性材料來說，這一理論與試驗結(jié)果很接近，因此在工程中得到廣泛應(yīng)用。其缺點是未考慮主應(yīng)力的影響，而試驗卻表明，對材料的屈服是有影響的。,,,38,2.3 疲勞斷裂故障,定義：疲勞斷裂是材料（或構(gòu)件）在交變應(yīng)力反復(fù)作用下發(fā)生的斷裂。所謂交變應(yīng)力是指應(yīng)力的大小、方向或大小和方向同時都隨時間作周期性改變的應(yīng)力。這種改變可以是規(guī)律性的或不完全規(guī)律性的。 疲勞斷裂過程可分為疲勞裂紋的萌生、穩(wěn)定擴展以及失穩(wěn)擴展斷裂

28、三個階段，而疲勞裂紋的穩(wěn)定擴展又可分為兩個階段,39,2.3 疲勞斷裂故障,提高疲勞抗力的措施優(yōu)化設(shè)計、合理選材合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計是賦予零件優(yōu)良抗疲勞品質(zhì)的關(guān)鍵步驟選擇優(yōu)良的抗疲勞品質(zhì)的材料，也是決定零件具有優(yōu)良疲勞抗力的重要因素優(yōu)良的設(shè)計必須要有優(yōu)良的材質(zhì)作保證改善和提高零件的抗疲勞品質(zhì)為進一步提高零件的抗疲勞性能，發(fā)展了一系列后處理工藝，即表面強化工藝如表面感應(yīng)熱處理、化學(xué)熱處理、噴丸和滾壓強化等,40,2.4 磨

29、損故障,定義：相互接觸的一對金屬表面相對運動時（摩擦副），表面金屬不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生殘余塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象稱為磨損。 磨損是摩擦現(xiàn)象的必然結(jié)果，而摩擦是兩個互相接觸的物體相對運動時必然會出現(xiàn)的現(xiàn)象分類：磨損分為磨粒磨損、粘著磨損、氧化磨損、表面疲勞磨損據(jù)統(tǒng)計，75％零件是由于磨損失效的，而在各類磨損造成的經(jīng)濟損失中，磨粒磨損占50％，粘著磨損占15％,41,2.4 磨損故障,磨粒磨損定義：磨粒磨損也稱為

30、磨料磨損或研磨磨損。它是當摩擦偶件一方的硬度比另一方的硬度大得多，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時，所產(chǎn)生的一種磨損 粘著磨損定義：相對運動的物體接觸表面發(fā)生了固體粘著，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面的現(xiàn)象，稱為粘著磨損。典型特征：是接觸點局部的高溫使摩擦副材料發(fā)生相對轉(zhuǎn)移，因此對整個摩擦副來說，它在一定程度上能夠保持摩擦副材料的質(zhì)量總和不變。,42,2.4 磨損故障,氧化磨損定義：是指兩零件表面相對運動時（不論是滑動摩擦或是滾

31、動摩擦），在發(fā)生塑性變形的同時，由于已形成的氧化膜在摩擦接觸點處遭到破壞，緊接著在該處又立即形成新的氧化膜。這樣，便不斷有氧化膜自金屬表面脫落，使零件表面物質(zhì)逐漸損耗，即產(chǎn)生氧化磨損。和其他類型磨損比較，氧化磨損具有最小的磨損速度（磨損速度約為0.1～0.5µm/h），因此它是工程中唯一允許的磨損。氧化磨損導(dǎo)致的零件失效可認為是正常失效。,43,2.5 腐蝕故障,定義：金屬材料受周圍環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的損壞

32、叫做金屬的腐蝕失效分類：按金屬與介質(zhì)的作用性質(zhì)來區(qū)分，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類按照腐蝕破壞的形式可把金屬的腐蝕破壞分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩大類,44,2.5 腐蝕故障,腐蝕程度的表示方法：對于不同的腐蝕形式，應(yīng)用不同的參量表征。大體上可分兩類：均勻腐蝕程度和局部腐蝕程度均勻腐蝕的腐蝕程度表征 用平均腐蝕速度來表示，腐蝕速度又可用如下不同方法來表示：由重量的變化來評定 即根據(jù)具體情況可用重量的減少或增加來表示（即單