1、2010.10.28章机械零件失效形式及诊断失效分析主要内容主要内容2.2 机械零件失效原因概述机械零件失效原因概述 2.1 失效分类及诊断失效分类及诊断失效分析失效分析失效分析失效分析失效分析失效分析 抗震模型试验抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）（破坏部位、破坏形式、抗震能力）失效分析微孔聚合型断口微孔聚合型断口解理型断口解理型断口晶间断裂晶间断裂晶内断裂晶内断裂失效分析失效分析2.1失效分类及诊断失效分类及诊断变形失效断裂失效表面损伤失效机械力 热应力 摩擦力活性介质早期失效期偶然失效期磨损失效期 2.1.1失效形式的分类失效分析按失效的宏观形态按失效的宏观形态过量变形失效断
2、裂失效： 变形量脆性断裂、延性断裂 裂纹走向与晶粒组织的关系沿晶断裂、穿晶断裂 断裂机制微孔聚集型、(准)解理型、沿晶断裂、疲劳断裂 断口形貌宏观和微观形貌 加工工艺和产品类别 断裂模式过载、疲劳、材料脆性、环境诱发、混合断裂表面损伤失效：磨损、腐蚀失效分析按失效的诱发原因按失效的诱发原因机械力弹性变形，塑性变形，断裂，疲劳，剥落热应力蠕变，热松弛，热冲击，热疲劳，蠕变疲劳摩擦力粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，冲击磨损，微动磨损，咬合活性介质化学腐蚀，电化学腐蚀，应力腐蚀，腐蚀疲劳，生物腐蚀，辐照腐蚀，氢致损伤失效分析根据产品的使用过程根据产品的使用过程失效率：系统或部件在可能发生失效的某一
3、段时间（通常为处于工作状态的时间）内发生失效的次数。浴盆曲线：设备故障率曲线 ，由产品的失效率与其工作（使用）时间t的曲线，因形似浴盆，故称为浴盆曲线 。 （1）早期失效期“幼年期” （2）偶然失效期“青壮年期” （3）磨损失效期“老年期” 失效分析2.1失效分类及诊断失效分类及诊断2.1.2失效形式的诊断 失效形式 一级失效形式 二级失效形式 三级失效形式失效分析失效分析2.1.2失效形式的诊断失效形式的诊断 失效形式的诊断 1.断裂失效形式诊断： 1）残骸分析 2）应力分析 3）失效模拟 2.磨损失效形式诊断： 1）磨损表面形貌和次表面组织和性能 2）磨屑形貌、成分和组织 3）磨损系统中各
4、参量的关系和变化失效分析2.2 机械零件失效原因概述机械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役条件应力状态应力状态:软性应力状态硬性应力状态载荷类型载荷类型:轴向载荷弯曲载荷扭转载荷剪切载荷接触载荷1.受力状况受力状况载荷性质载荷性质:静载荷冲击载荷交变载荷失效分析失效分析失效分析交变载荷交变载荷在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。 maxminr 承受交变应力典型零件的应力循环特征承受交变应力典型零件的应力循环特征循环特征循环特征零件名称轴齿轮齿根轴承连杆螺栓应力变化循环特征对称循环脉动循环脉动循环大压小拉大拉小压应力性质r =
5、-1r = 0r = - r -10 r 1应力状态对称弯曲脉动弯曲脉动压缩不对称不对称失效分析2.2 机械零件失效原因概述机械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役条件1.受力状况 1）应力状态 材料的失效形式和应力状态 脆断：断裂前无明显宏观塑性变形。 剪断：沿最大剪应力方向发生的断裂。 屈服：经过一定的塑性变形后发生的断裂。 性能指标 屈服强度、抗剪强度、断裂韧性失效分析 2）应力状态对塑性变形的影响 切应力塑性变形、切断 正应力脆性断裂应力状态柔度系数（软性系数）软性应力状态：1越大，应力状态越软，易引起塑性变形硬性应力状态：1越小，应力状态越硬，易引起脆性断裂maxmaxS应力正断一
6、定是脆性断裂？失效分析失效分析失效分析 maxmax max ssn bbn max ssn bbn 单向应力状态纯剪切应力状态对于塑性材料对于脆性材料对于塑性材料对于脆性材料满足满足max max 是否强度就没有问题了？是否强度就没有问题了？max max 复杂应力状态失效分析 失效分析基础与应用孙智 机械工业出版社 2.5 应力分析与失效分析失效分析2.5.2 单向拉（压）应力单向拉（压）应力 在生产实际中，受拉（压）应力的构件是多种多样的，如连杆、螺栓、钢丝绳等。1、评定单向应力的指标（1）数学表达式 对于脆性材料 对于塑性材料（2）安全系数 2、提高材料强韧性能的措施（1）零件承受拉应
7、力，并且在整个截面上的分布是均匀的，此时，在选材和确定热处理工艺时，应当根据零件的截面大小，确保零件内部完全淬；（2）防止氧化、脱碳、过热、过烧等一切降低材料性能的缺陷发生。bbnn0ssnn0失效分析193、断裂分析 此类零件的断裂应首先区分是韧断还是脆断。 （）韧断 a 首先按传统的强度理论进行强度校核，检查一下载荷是否估计不足，即安全系数是否太小或者未予以考虑； b 分析材料的组织状态，检查硬度，检查是否有氧化脱碳、淬火裂纹及心部是否淬硬等； c 如果上述问题不存在，应作化学成分分析。 （）脆断 除作上述考虑外，尚需进行断裂韧性检查，主要分析微观裂缝的存在对韧性的影响。失效分析19例 国
8、产45Si2Mn高强度螺栓，在加工制造过程中，不可避免地存在着深为a=0.5mm，半宽c=2.0mm的表面裂纹，其工作应力为 =960MPa。淬火并低温回火后材料的强度 b =2110MPa，s =1920MPa，KIC=39.50MPam-1/2，在使用中发生脆断，试分析原因。分析一 按传统强度理论校核2 . 29602110bbn0 . 29601920ssn结论：应是安全的结论：应是安全的 。失效分析19分析二 因为是高强度材料，还需进行断裂力学方面的校核。作为近似计算，该裂纹认为是一个张开型的表面裂纹，其应力强度因子在临界条件下，为 根据裂纹形状和应力状态，查有关手册后可得与此有关的裂
9、纹形状因子数据，将有关数据代入后得 c =948.5MPa。 由此可见，零件最大承载能力为948.5MPa，低于实际的工作应力960MPa，故发生断裂失效，又因其断裂时的应力小于材料的屈服极限，所以必然是脆性断裂。 结论：材料韧性不足，脆断。aYKcICaYKICc失效分析19 若将淬火低温回火改为调质处理，则得b =1540MPa，s =1440MPa，KIC =66.36 MPam-1/2，其结果： 同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得 c =1564.5MPa（工作应力，960MPa）。 在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地
10、追求高强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。 6 . 19601540bbn5 . 19601440ssn失效分析2.5.3 平面拉应力平面拉应力对象：薄壁压力容器1应力状态轴向应力：切向应力：tpd4etpdt2et2失效分析2.制造时应注意的问题 用钢板(热轧态)制作这类容器时，使钢板的轧制方向承受较大的应力 在拼焊压力容器时，特别注意沿轴向的焊缝质量 切向应力为轴向2倍，且与轴向焊缝垂直 焊缝处热影响区的强度较低 焊缝处的应力集中失效分析3.失效分析泄漏韧性断裂爆炸脆性断裂压力容器的防爆设计压力容器的防爆设计保证先泄漏，不爆裂保证先泄漏，
11、不爆裂 临界裂纹临界裂纹a ac c必须大于容器壁厚必须大于容器壁厚由由可得可得 则则 a ac c t t 则先泄漏则先泄漏 a ac c t t 则先爆破则先爆破ccaYK12121ccKYa失效分析2.5.4 弯曲应力弯曲应力对象：轴类零件及各种形式的梁等1应力状态 截面上的正应力呈线性分布，最大应力在构件的最外层 应力分布表面大，中间小 三点弯曲试件：中间截面上部受拉应力，下部受压应力最大拉应力：yWM失效分析2选材及热处理特点使零件从表层至34R(轴件半径)处的金属层淬硬强化心部不必淬硬分析：表面淬火表层压应力，心部拉应力全淬透表层拉应力，心部压应力失效分析3失效分析 断裂 形式：脆
12、断和疲劳断裂 裂纹源：应力集中处、表面缺陷处及次表层夹杂物处 预防措施：减少应力集中，消除微观缺陷，防止零件完全淬透 轴向裂纹 原因：材质；热处理时淬透性过大引起表面拉应力 预防措施：控制零件的淬硬层深度，并及时进行回火失效分析2.5.5 扭转应力扭转应力对象：传动轴、弹簧、凸轮轴、机床丝杠等1应力状态 垂直轴线的截面上只有切应力 最外层的最大切应力 最大正应力与轴线呈45角；2选材与热处理 选材：中碳钢或中碳合金钢 热处理 不要淬透 采用中温回火pnMWmaxpnWMmaxmax失效分析 3失效分析韧断断口：齐平并与轴线垂直原因：构件的最大切应力超过材料的抗剪强度措施：降低回火温度。脆断断口
13、：与轴线呈45螺旋状原因：最大正应力超过材料的正断强度措施：适当提高回火温度扭转角过大原因：轴件的刚度不够引起措施：淬火并进行高、中温回火的轴类零件，不必校核断裂力学韧度；大型转子轴必须校核断裂力学韧度失效分析例1 在汽车变速箱的传动系统中，变速箱的输入轴与发动机相连接，其转速为2100r/min，输出轴与传动轮相联，输入轴、输出轴间的传动比为2.81：1，传动轴的传递功率50kW，材料的许用剪切应力c=60MPa，该轴的直径为35mm，在使用中发生韧断，试分析原因。 强度校核 根据题意 传动轴的转速 n=2100/2.81=747.3 r/min ， 传动轴的功率 N=50 kW得： 传动轴
14、的扭矩n：传动轴的抗扭截面系数Wp： 传动轴的最大剪切应力max： 结论 设计选择材料不当。 3 .7472100501095503nM16351633dWp5 .75maxpnWM失效分析例2 一台125MW的汽轮机组，转子轴的外径为464mm，中心孔径为70mm，探伤发现距内孔表面82mm处，存在一个半径为6mm的圆片缺陷（大块非金属夹杂物），转子用钢为CrMoV钢，其s =672MPa，KIC =1100 MPam-1/2，此处的工作应力为 =375MPa。试问该转子轴是否有脆断的危险（能否继续使用）？分析 塑性区的尺寸为结论结论 实际裂缝半径尺寸实际裂缝半径尺寸a=6mm，而临界裂纹尺
15、寸为，而临界裂纹尺寸为6.75mm， 故此轴有脆断的危险。故此轴有脆断的危险。85. 067211001122sICsKx75. 637511004422ICcKa临界条件下临界条件下失效分析2.5.6 交变应力交变应力一、交变应力 承受交变应力典型零件的应力循环特征零件名称轴齿轮齿根轴承连杆螺栓应力变化循环特征对称循环脉动循环脉动循环大压小拉大拉小压应力性质r =-1r = 0r = - r -10 r 1应力状态对称弯曲脉动弯曲脉动压缩不对称不对称失效分析二、疲劳失效特征 只有在交变应力作用下，疲劳才会发生。 破坏起源于高应力、高应变局部。 疲劳损伤的结果是形成裂纹。 疲劳是从开始使用到最
16、后破坏的发展过程。失效分析三、交变应力下材料的抗力指标及性质（1）疲劳抗力 材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力。（2）疲劳抗力指标及性质 a 疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力r，称该材料的疲劳极限。 b 条件疲劳极限（疲劳强度） 对于铝合金等有色金属及在高温和腐蚀条件下工作的黑色金属，无疲劳极限，其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限表示。一般规定，承受大于51075108次应力循环而不破坏的最大应力称该材料的条件疲劳极限。失效分析 c 疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下（r），破坏前的应力循环次数，叫疲劳破坏的持久值。 d 裂纹扩展速率 对于同一种材料，在不同的应力状态
17、下，其疲劳极限是不对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲劳极限是不同的：同的： 对称弯曲 -1 = 0.4 b 对称拉压 -1 = 0.28 b 对称扭转 -1 = 0.22 b 脉动弯曲 -1 = 0.65 bnKCdNda)(失效分析2.5.7 接触应力接触应力一、接触面间的赫兹应力 两物体接触表面附近的应力场理论是根据赫兹（Hertz）的弹性理论提出的。该理论认为，接触表面的接触应力按椭圆规律分布，其中心达最大值。切应力切应力 yz（45 ）在）在z = 0.786 b处达最大值。处达最大值。 失效分析二、交变切应力 实际运转的轴或齿轮，其接触点是不断变化的，因此，对零件上某一固定点而
18、言，各应力分量也是周期变化的，在只考虑法向力的情况下，交变切应力 yzn的最大值在z 0 = 0.5 b处，其值 yznmax= 0.25 j。三、摩擦力对接触应力的影响当摩擦系数为1/3时，将有如下变化： 最大主应力分量将增加39%； 最大切应力分量将增加43%； 最大交变应力分量将增加36%； 最大切应力所在位置，由距表面0.786 b处，移至表面，并向y方向偏离0.3 b。失效分析2.3残余应力与零件失效残余应力与零件失效 2.3.1残余应力内应力：物体在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的种一应力。v 第一类应力（即宏观应力残余应力残余应力）在整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡，0.1
19、mm以上v 第二类应力：在晶粒大小尺寸范围内保持平衡，10-1-10-2mmv 第三类应力：在原子尺度范围保持平衡，10-3-10-6mm微观应力失效分析2.3残余应力与零件失效残余应力与零件失效 2.3.2残余应力的产生不均匀的塑性变形、热应力、组织应力、结构应力 热处理残余应力原因：热应力和组织应力叠加 表面化学热处理引起的残余应力原因：热应力、组织应力 焊接残余应力原因：直接应力主要原因，不均匀加热 间接应力焊前加工状况 组织应力组织变化失效分析 铸造残余应力原因：结构应力以及组织应力。在构件截面内保持平衡构件间相互保持平衡铸造型砂的阻力铸件成分的影响 涂镀层引起的残余应力原因：涂镀层与
20、基体的温度梯度和组织差异。 切削加工残余应力原因：材料在加工过程中产生塑性变形。失效分析焊接残余应力焊接残余应力-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60-200-1000100200300400 y x,MPaDistance to center,mm-40 -30 -20 -10010203040-200-1000100200300400 x y,MPaDistance to center,mm失效分析（1）热处理残余应力）热处理残余应力组织应力分布组织应力分布冷却初期冷却初期冷却后期冷却后期热应力分布热应力分布表面发生相表面发生相变变心部发生相心部发生相
21、变变失效分析（2）热处理残余应力轧辊淬火残余应力轧辊淬火残余应力 中心表面050 100150200-1200-1000-800-600-400-2000200400600800 周 向 轴 向 径 向残余 应力，MPa轧 辊 径 向 尺寸，mm0200 400 600 800 1000-1200-1000-800-600-400-2000200400600800 残余 应力，MPa试 样 直 径 ，mm材料：0.97%C 硬化深度：2.42.8mm心部轴向心部周向表面轴向表面周向火焰淬火残余应力分布火焰淬火残余应力分布失效分析化学热处理引起的残余应力化学热处理引起的残余应力100806040
22、200-800-600-400-2000200400 周 向 轴 向 径 向残余 应力，MPa截 面 积，mm 2（D表示有效渗碳层深度）表示有效渗碳层深度） D=0.8mm 0.00.10.20.30.40.5-1200-1000-800-600-400-2000 残余 应力，MPa距 表 面 深 度 ，mm渗碳层残余应力分布渗碳层残余应力分布氮化层残余应力分布氮化层残余应力分布失效分析电镀引起的残余应力电镀引起的残余应力金属电镀溶液应力（MPa）CrNiCuCoZnZdPb铬酸硫酸 50C铬酸硫酸 65C铬酸硫酸 85C光亮镀镍用液纯净光亮镀镍用液+杂质光亮镀镍用液+糖精酒石酸钾钠氰化物酒
23、石酸钾钠氰化物+硫氰酸钾硫酸盐酸氰化物过氯酸盐1072554321072251961-28315630-56 12-8-31失效分析（5 5）切削加工残余应力切削加工残余应力0.000.050.100.15-300-200-1000100200300 B C D残余 应力，MPa深度 ，mm0.050.100.150.20-800-4000400800 残余 应力，MPa深度 ，mm 铣加工表面残余应力 B侧刃铣（低速） C端面铣（低速） D滚铣（高速）砂轮太硬时的磨削应力失效分析 消除和调整残余应力的方法 消除内应力，提高构件的松弛刚度 去应力退火 回火（200400C）或自然时效（可降低残
24、余应力30%） 机械法(加静载或动载) 加静载使有残余应力部位发生屈服。反复弯曲法、旋转扭曲法、拉伸法。 加动载振动法，主要用于铸件和焊件；锤击法，主要用于焊接件。 火焰烘烤法用于焊接件，可降低残余应力30%失效分析2.2 机械零件失效原因概述机械零件失效原因概述 2.2.1零件的服役条件2.工作环境 环境介质与零件失效 环境温度与零件失效失效分析失效分析失效分析2.2 机械零件失效原因概述机械零件失效原因概述 2.2.2 设计、制造与零件失效1.设计与零件失效 应力集中对零件失效的影响 高应力部位存在沟槽、机械缺口、圆角半径过小 应力计算错误 设计判据不正确 选材不当失效分析带键槽的旋转轴的
25、弯曲疲劳断口失效分析n选材判据：脆性断裂韧脆转变温度、缺口韧性、KIC韧性断裂抗拉强度、剪切屈服强度高周疲劳断裂有典型应力集中源存在时预期寿命的疲劳强度应力腐蚀开裂腐蚀抗力、KISCC蠕变蠕变率、持久强度失效分析2.2 机械零件失效原因概述机械零件失效原因概述2.2.2设计、制造与零件失效2.材料、制造工艺与零件失效 冶金质量 冶金缺陷 机械制造工艺缺陷 工艺裂纹 残余内应力 不正常的组织状态 达不到要求的机械性能失效分析 装配不当例1：腐蚀防护工程铺设不锈钢钢板失效模式：应力腐蚀失效原因：表面踩踏坑周边应力集中例2：采用机减速器二级轴断裂失效模式：疲劳开裂失效原因：表面硬度检测坑形成应力集中失效分析2.2.3使用、维修与零件失效 例1 发动机50根曲轴发生疲劳断裂失效。 失效原因：修复后轴颈圆角半径太小 例2 绞吸式挖泥系统齿轮箱因使用不当、润滑不良和冷却不力失效。失效分析本章总结本章总结失效的宏观形态 失效的诱发原因产品的使用过程 失效机理失效等级评定受力状况工作环境机械零件失效原因机械零件失效原因失效分析失效分析失效分析
