《机械设计原理》零件失效与失效类型.ppt

1、 定定 义：义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。失效含义：失效含义：零件零件破损，不能正常工作。破损，不能正常工作。零件零件尚可安全工作，但不能满足原有功能尚可安全工作，但不能满足原有功能要求要求。零件不能安全工作。零件不能安全工作。失效的定量指标：失效的定量指标：额定寿命；某些指额定寿命；某些指标标的规定的规定范范围（如模具冲头磨损量）围（如模具冲头磨损量）达达不到定量指标，即发生早期失效。不到定量指标，即发生早期失效。失效导致失效导致严重事故严重事故:据美国1982年统计，因机械零件断裂、腐蚀和磨损失效，每年造成的经济损失达3400亿美元亿美元，其

2、中断裂失效造成的损失约为1190亿美元（占亿美元（占1/3）。1980年年3月月27日，北海的石日，北海的石油钻探船油钻探船Alexander Kielland号，号，由于连接五条立柱的水平横梁发由于连接五条立柱的水平横梁发生生腐蚀疲劳断裂腐蚀疲劳断裂而完全倾覆，损而完全倾覆，损失达失达几千万美元几千万美元。v我国，机械零部件失效率也很高，我国，机械零部件失效率也很高，由此造成的损失也是惊人的。由此造成的损失也是惊人的。v1979年年9月月7日，我国某工厂氯气车日，我国某工厂氯气车间的间的液氯瓶爆炸液氯瓶爆炸，使，使10吨氯液吨氯液（5.125.12地震地震期间有一化工厂氯液泄期间有一化工厂氯

3、液泄露，造成恐慌）外溢扩散，波及范露，造成恐慌）外溢扩散，波及范围达围达7.35km2，致使，致使59人死亡人死亡，779人中毒人中毒，直接经济损失达，直接经济损失达63万元万元。v1979年年12月月18日，我国某地煤气公司液化日，我国某地煤气公司液化气厂发生了一起恶性爆炸事故，一台直径气厂发生了一起恶性爆炸事故，一台直径9.2m、容积、容积400m3的的球形液化气贮罐球形液化气贮罐突然突然爆裂，从长爆裂，从长13.5m、宽、宽0.75m的裂缝喷出的的裂缝喷出的液化石油气，遇明火而液化石油气，遇明火而爆炸燃烧爆炸燃烧，引起附，引起附近三个近三个400m3的球罐和一个的球罐和一个50m3的卧式

4、贮的卧式贮罐以及罐以及25m以外仓库中的以外仓库中的5000个民用液化个民用液化气瓶先后爆炸起火。大火燃烧了气瓶先后爆炸起火。大火燃烧了19 h，共，共烧掉液化石油气超过烧掉液化石油气超过700吨吨，烧毁机动车，烧毁机动车15辆以及罐区全部建筑，死亡辆以及罐区全部建筑，死亡33人人，受伤，受伤53人人，直接损失达，直接损失达650万元。万元。v1972年年10月，一辆由齐齐哈尔月，一辆由齐齐哈尔开往富拉尔基的公共客车，行开往富拉尔基的公共客车，行驶至嫩江大桥时因过驶至嫩江大桥时因过小坑小坑受到受到震动，震动，前轴突然折断前轴突然折断，致使客，致使客车坠入江中，造成车坠入江中，造成28人死亡。人

5、死亡。1979年年5月月30日，某发电厂日，某发电厂2号机组在运行过程中突然发生号机组在运行过程中突然发生剧烈振动和声响，经检查发现转剧烈振动和声响，经检查发现转轮上轮上10个个叶片叶片全部断裂并脱落全部断裂并脱落，叶片、叶轴碎裂成叶片、叶轴碎裂成500多块多块。两。两台机组修复费用为台机组修复费用为110万元，因万元，因停机停机3年少发电年少发电1.2亿度亿度。2011 2011年年7 7月月2323日日2020时时3838分，北京南开往福分，北京南开往福州的州的D301D301次动车组列车运行至甬温线上海铁次动车组列车运行至甬温线上海铁路局管内永嘉至温州南间路局管内永嘉至温州南间K584K

6、584300300处，与前处，与前行的杭州开往福州南的行的杭州开往福州南的D3115D3115次动车组列车发次动车组列车发生追尾事故。生追尾事故。失效不仅会给人们带来巨大的失效不仅会给人们带来巨大的直接直接经济损失、同时也会造成惊人的经济损失、同时也会造成惊人的间接间接经济损失。所谓经济损失。所谓间接间接经济损失，主要经济损失，主要包括：包括：v（1）由于失效迫使企业停产或减产所造成）由于失效迫使企业停产或减产所造成的损失（云天化的甲醛预热器开裂，损失的损失（云天化的甲醛预热器开裂，损失近亿元）；近亿元）；v（2）引起其他企业停产或减产的损失；）引起其他企业停产或减产的损失；v（3）影响企业的

7、信誉和市场竞争能力所造）影响企业的信誉和市场竞争能力所造成的损失。成的损失。零件失效的模式及其失效机理零件失效的模式及其失效机理一、断裂失效一、断裂失效二、变形失效二、变形失效 1.弹性变形失效弹性变形失效刚度刚度2.塑性变形失效塑性变形失效强度强度 3.翘曲变形失效翘曲变形失效磨损失效磨损失效接触疲劳失效接触疲劳失效 特征：特征：接触零件之间周期性压接触零件之间周期性压应应力或接触应力反力或接触应力反复作用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表复作用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。面麻点。措施：措施：提高表面质量、表面强化。提高表面质量、表面强化。腐蚀失效腐蚀失效：量大面广；选抗蚀材料量大面广

8、；选抗蚀材料、表面防护等。表面防护等。三、表面损伤失效三、表面损伤失效2.5 2.5 摩擦、磨损与润滑摩擦、磨损与润滑q 摩擦摩擦 是相对运动的物体表面间的相互阻是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；碍作用现象；q 磨损磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；的损失或转移；q 润滑润滑是减轻摩擦和磨损所采取的措施。是减轻摩擦和磨损所采取的措施。采取采取润滑润滑是是控制控制摩擦、摩擦、减少磨损的最有效方法。减少磨损的最有效方法。世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有 1/3 1/2 消耗于摩擦。如果能消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可

9、大量节省能源。够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。机械产品的易损零件约有机械产品的易损零件约有 80%由于磨损超过限度而报废，由于磨损超过限度而报废，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。省制造零件及其所需材料的费用。此外，在有些场合则需增大摩擦，但同时仍应减小磨损。此外，在有些场合则需增大摩擦，但同时仍应减小磨损。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)这一新这一新兴学科。兴学科。1.摩擦的分类摩擦的分类内摩擦内摩擦：在物质

10、的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。外摩擦外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。静摩擦静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。：仅有相对运动趋势时的摩擦。动摩擦动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。：在相对运动进行中的摩擦。滑动摩擦滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。：物体表面间的运动形式是相对滑动。滚动摩擦滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。：物体表面间的运动形式是相对滚动。根据摩擦面间摩擦状态的不同，滑动摩擦可分为根据摩擦面间摩擦状态的不同，滑动摩擦可分为 4 种状态：种状态

11、：1)干摩擦干摩擦干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净材干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净材料表面间的摩擦。料表面间的摩擦。工程实际中并不存在干摩擦。通常是将未经人为润滑的摩擦状态当作干摩擦处理。干摩擦时摩擦阻力很大，磨损严重，应避免。干摩擦时金属间的摩擦系数干摩擦时金属间的摩擦系数 f 0.3 1.5。2)边界摩擦边界摩擦边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能。质取决于边界膜和表面的吸附性能。边界摩擦时金属间的摩擦系数边界摩擦时金属间的摩擦系数 f 0.1 0

12、.5。3)流体摩擦流体摩擦流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，理论上不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。流体摩擦时的摩擦系数流体摩擦时的摩擦系数 f 0.001 0.01。4)混合摩擦混合摩擦注意注意：边界摩擦：边界摩擦和和混合摩擦混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为在工程实际中很难区分，常统称为 不完全流体摩擦不完全流体摩擦。混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态时的摩擦。时的摩

13、擦。混合摩擦时的摩擦系数混合摩擦时的摩擦系数 f 0.01 0.1。磨损磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。器提前报废。2.1 典型磨损过程典型磨损过程对磨损的研究开展较晚，20世纪50年代提出粘着理论后，60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即：一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即：2.磨磨 损损在设计或使用机器时，应该力求在设计或使

14、用机器时，应该力求缩短缩短磨合期，磨合期，延长延长稳定磨损期，稳定磨损期，推迟推迟剧烈磨损的到来。剧烈磨损的到来。磨合阶段磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。阶段，磨损率较高。稳定磨损阶段稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。稳定且较低。剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段，磨损属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。率急剧升高。三个阶段三个阶段:1.粘附磨损粘附磨损2.2 磨损的分类磨损的分类严重的粘附磨损会造成运动副咬死。为金属摩擦副之间最普遍的一种磨损形式。减轻粘附磨损措施：合理选择

15、配对材料；进行表面处理；控制摩擦表面温度；控制压强；采用含极压添加剂的润滑油等。又称胶合，摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的又称胶合，摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力会发生温升和压力会发生“冷焊冷焊”，在相对运动时，材料从一个表面，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。2.磨粒磨损磨粒磨损进入摩擦面间的游离硬颗粒为空气中的尘土或磨损后从材料表进入摩擦面间的游离硬颗粒为空气中的尘土或磨损后从材料表面脱落下来的金属微粒等面脱落下来的金属微粒等.磨粒磨损与摩擦副材料的硬度和磨粒的硬度有关。是外部进入摩擦表面的游

16、是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损。所引起的磨损。3.疲劳磨损疲劳磨损又称又称点蚀点蚀，是由于摩擦表，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的产生的材料疲劳所引起的机械磨损。机械磨损。当滚动或滚当滚动或滚滑运动的高副受到反复作用的接触应力滑运动的高副受到反复作用的接触应力(如滚动轴承运如滚动轴承运转或齿轮传动转或齿轮传动)时，如果接触应力超过材料相应的接触时，如果接触应力超过材料相应的接触疲劳极限疲劳极限，就，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的

17、扩会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表展与相互连接，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表面上出现许多月牙形浅坑，形成疲劳磨损或疲劳点蚀。面上出现许多月牙形浅坑，形成疲劳磨损或疲劳点蚀。4.腐蚀磨损腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损腐蚀磨损。除了以上除了以上4种磨损类型外，种磨损类型外，还有冲蚀磨损、微动磨损还有冲蚀磨损、微动磨损等。等。润滑油：润滑油：应

18、用最广泛，它包括有机应用最广泛，它包括有机油、矿物油和合成油。油、矿物油和合成油。润滑剂分为：液体润滑剂、半固体润滑剂、固体润滑剂和气体润滑剂分为：液体润滑剂、半固体润滑剂、固体润滑剂和气体 润滑剂润滑剂 4 种基本类型。种基本类型。.粘粘 度度.粘度指数粘度指数.闪点等闪点等润滑油主要性能指标：润滑油主要性能指标：周代周代(公元前公元前1046771)开始使用动物脂肪作车轴、轮的润滑剂。开始使用动物脂肪作车轴、轮的润滑剂。3 润滑剂润滑剂润滑脂：润滑脂：润滑脂润滑脂组成：润滑油组成：润滑油+稠化剂稠化剂(钙、钠、锂金属皂钙、钠、锂金属皂)。特点特点：其稠度大，不易流失；不：其稠度大，不易流失；不必经常加油，密封简单。必经常加油，密封简单。