課件2：機(jī)械零件失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

機(jī)械零件失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2023/2/11內(nèi)容提要：

1、介紹各種失效形式：畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效。2、闡述機(jī)械零件選材原則。3、闡述機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

了解各種失效形式特點(diǎn)，掌握機(jī)械零件選材原則及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1機(jī)械零件的失效及失效分析

失效

零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿(mǎn)地完成指定的功能。失效導(dǎo)致嚴(yán)重事故失效因素

一、設(shè)計(jì)因素

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須精心設(shè)計(jì)，精心施工。根據(jù)零件工作條件、可能發(fā)生的失效模式，提出技術(shù)指標(biāo)，確定合適的材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)，提出必要的技術(shù)文件。如設(shè)計(jì)有誤,則機(jī)械設(shè)備或零件將不能使用或過(guò)早失效。二、制造(工藝)因素

工藝缺陷是零件失效的重要因素。

●零件在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的疏松、夾渣；

●鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的夾層、冷熱裂紋；

●焊接過(guò)程中未焊透、偏析、冷熱裂紋；

●機(jī)加工過(guò)程的尺寸公差和表面粗糙度不合適；

●熱處理產(chǎn)生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性；

●精加工磨削中的磨削裂紋等。

三、安裝調(diào)試因素

安裝過(guò)程達(dá)不到要求的質(zhì)量指標(biāo)，導(dǎo)致零件失效。

●嚙合傳動(dòng)件(齒輪、桿、螺旋等)的間隙不合適(過(guò)松或過(guò)緊，接觸狀態(tài)未調(diào)整好)；

●連接零件必要的“防松”不可靠；

●鉚焊結(jié)構(gòu)的必要探傷檢驗(yàn)不良；

●潤(rùn)滑與密封裝置不良等；

●初步安裝調(diào)試后，未按規(guī)定進(jìn)行逐級(jí)加載跑合。四、材質(zhì)因素

●選材不當(dāng)使零件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而導(dǎo)致失效。

●材質(zhì)內(nèi)部缺陷、毛坯加工(鑄鍛焊)工藝或冷熱加工(特別是熱處理)工藝過(guò)程產(chǎn)生的材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致失效。五、運(yùn)轉(zhuǎn)維修因素

●不正確的運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)(載荷、速度等)導(dǎo)致零件失效。

●忽視維修，未進(jìn)行定期大、中、小檢修

●潤(rùn)滑條件未保證,潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法不合適老師提示

在影響失效的基本因素中，特別要強(qiáng)調(diào)人的因素，即注意人的素質(zhì)條件的影響。2

零件失效形式

2.1畸變失效

畸變有兩種類(lèi)型：

尺寸畸變或體積畸變(長(zhǎng)大或縮小)

形狀畸變(如彎曲或翹曲)

發(fā)生畸變的零件不能承受所規(guī)定載荷，不能起到規(guī)定的作用，與其他零件的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生干擾，導(dǎo)致零件失效。一、彈性畸變失效

不恰當(dāng)?shù)膹椥宰冃瘟繉?dǎo)致失效。

●受拉、壓的桿類(lèi)零件，過(guò)大的彈性畸變量導(dǎo)致支承件(如軸承)過(guò)載。

●受彎、扭的軸類(lèi)零件，過(guò)大的彈性畸變量會(huì)造成軸上嚙合零件的嚴(yán)重偏載，嚙合失常，甚至咬死，導(dǎo)致傳動(dòng)失效；

●某些控制元件，如溫控元件，過(guò)大的彈性畸變量使精度無(wú)法保證。防止彈性畸變的主要措施：增加零件截面、采用彈性模量高的材料，防止超載。二、塑性畸變失效

外加應(yīng)力超過(guò)零件材料的屈服極限時(shí)發(fā)生明顯的塑性變形(永久變形)。

●鋼結(jié)構(gòu)房梁承載過(guò)重發(fā)生塑性變形彎曲，導(dǎo)致倒塌；

●螺栓嚴(yán)重過(guò)載被拉長(zhǎng)，失去緊固作用。

防止零件塑性畸變的措施：采用屈服強(qiáng)度高的材料，進(jìn)行合理的熱處理，防止超載。三、翹曲畸變失效

尺寸與方向上產(chǎn)生復(fù)雜變形，形成翹曲，導(dǎo)致失效。翹曲畸變往往是由溫度、外加載荷、受力截面、材料組成等不均勻性引起。特別是高溫所導(dǎo)致的形狀翹曲最為嚴(yán)重。

●受力鋼架翹曲變形；

●殼體在高溫下形狀翹曲。

增加零件截面、截面形狀設(shè)計(jì)合理。采用彈性模量高、屈服強(qiáng)度高的材料，防止超載。2.2斷裂失效

斷裂失效機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。一、斷裂失效的分類(lèi)

塑性斷裂

脆性斷裂疲勞斷裂蠕變失效斷裂

金屬材料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏觀(guān)觀(guān)察，可以看到斷口分為：

F-纖維狀區(qū)

R-

放射狀區(qū)

S-

剪切唇區(qū)

斷口斷口分析是斷裂失效分析的關(guān)鍵。二、斷口的分析方法

三、斷裂形式

1.韌（塑）性斷裂

斷裂前有明顯的塑性變形。

(1)宏觀(guān)特征

宏觀(guān)變形方式為頸縮，典型斷口為杯錐狀斷口，底部成纖維狀剪切斷口，其平面和拉伸軸大致成45角。

韌性（塑性）斷裂實(shí)物(2)微觀(guān)特征

韌窩是金屬韌性斷裂的微觀(guān)主要特征，是塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞生成、長(zhǎng)大、聚集、相互連結(jié)導(dǎo)致斷裂留下的痕跡。韌性斷裂斷口（韌窩）

2.脆性斷裂

斷裂前無(wú)塑性變形。脆斷時(shí)承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，甚至不超過(guò)常規(guī)的許用應(yīng)力，所以又稱(chēng)為低應(yīng)力脆斷。脆性斷裂以零件內(nèi)部存在的宏觀(guān)裂紋(如肉眼可見(jiàn)的0.1mm～1mm)作為源開(kāi)始的。中、低強(qiáng)度鋼在10℃～15℃以下會(huì)由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)（韌-脆轉(zhuǎn)變）。

脆性斷裂

(1)宏觀(guān)特征斷口一般與正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣沒(méi)有剪切“唇口”(或很小)。脆性斷裂實(shí)物(2)微觀(guān)特征

脆性斷裂的微觀(guān)判據(jù)是解理花樣和沿晶斷口形態(tài)。脆性斷裂斷口(解理花樣)沿晶斷口(冰糖花樣)解理斷裂因原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂。斷裂速度快，一般鋼中的解理速度大約是1030m/s，在低溫和三向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)更快；沿著特定的晶面(稱(chēng)為解理面)發(fā)生，這些晶面一般是屬于低指數(shù)的。在不同高度的平行解理面之間產(chǎn)生解理臺(tái)階。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，臺(tái)階相互匯合，形成河流花樣，河流的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致。3.其它斷裂失效形式

(1)疲勞斷裂

在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂，稱(chēng)金屬的疲勞斷裂。

疲勞斷裂實(shí)物疲勞斷裂顯微形貌(2)

蠕變斷裂

在高溫下鋼的強(qiáng)度較低，當(dāng)受一定應(yīng)力作用時(shí)，變形量隨時(shí)間而逐漸增大的過(guò)程，這種過(guò)程叫蠕變，產(chǎn)生的斷裂叫做蠕變斷裂。蠕變斷裂

引起零件斷裂的因素多而復(fù)雜，對(duì)材料的性能需要綜合考慮。如屈服強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、疲勞強(qiáng)度等。

防止斷裂的措施：

采用材質(zhì)好、強(qiáng)度高、韌性好的材料。

防止超載。

注意環(huán)境的影響?？蛙?chē)空氣壓縮機(jī)皮帶輪斷裂失效分析空氣壓縮機(jī)工作時(shí)，皮帶輪輻條受彎矩、剪切力的聯(lián)合作用和強(qiáng)烈震動(dòng)，產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋擴(kuò)展，輻條斷裂。

皮帶輪斷裂過(guò)程某大型客車(chē)空氣壓縮機(jī)皮帶輪破斷，空氣壓縮機(jī)停止工作。氣壓不足、剎車(chē)失靈。造成重大交通事故。汽車(chē)板簧斷裂失效分析

某貨車(chē)板簧斷裂，發(fā)生交通事故。板簧表面存在嚴(yán)重的熱加工缺陷-折疊，造成表面裂紋。疲勞源在裂紋處形成。板簧斷裂位置處于應(yīng)力集中處。裂紋在應(yīng)力作用下擴(kuò)展，最后造成板簧疲勞斷裂。2.3磨損失效磨損

相互接觸的一對(duì)金屬表面，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象。活塞環(huán)與缸套之間的摩擦一、粘著磨損兩個(gè)金屬表面的微凸部分在高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)，使材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個(gè)表面之間，這一現(xiàn)象稱(chēng)為粘著磨損。。

粘著磨損示意圖粘著磨損磨痕

二、磨料磨損配合表面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因外來(lái)硬顆?；虮砻嫖⑼惑w的作用造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱(chēng)為磨粒(料)磨損。磨粒磨損示意圖

磨粒磨損磨痕

三、犁削磨損硬材料表面的微凸點(diǎn)切削較軟材料的表面，在較軟材料的表面形成“犁溝”。

活塞環(huán)與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象）、磨料磨損。犁削磨損示意圖

犁削磨損磨痕

四、沖刷磨損沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的磨損。沖刷磨損示意圖

五、表面疲勞磨損兩個(gè)接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱(chēng)為表面疲勞磨損。

六、腐蝕磨損腐蝕磨損是金屬在摩擦過(guò)程中，同時(shí)與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象。

老師提示

采用耐磨性高的材料，進(jìn)行合理的表面強(qiáng)化處理，改變材料的組織結(jié)構(gòu)，適度提高硬度。表面強(qiáng)化處理有利于降低磨料磨損、表面疲勞磨損、粘著磨損等的磨損率。提高材料的耐磨性。2.4腐蝕失效

腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗。它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用的結(jié)果。

按腐蝕性質(zhì)分：化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕按腐蝕部位分：均勻腐蝕點(diǎn)腐蝕晶間腐蝕一、均勻腐蝕

均勻腐蝕

在整個(gè)金屬表面均勻地發(fā)生腐蝕。被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學(xué)成分和顯微組織，腐蝕介質(zhì)均勻包圍金屬表面。均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產(chǎn)生。

●鋼材在大氣中所產(chǎn)生的銹蝕；

●銅在土壤里的銹蝕。二、點(diǎn)腐蝕

腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，向深度擴(kuò)展成孔穴甚至穿透(孔蝕)。金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，陽(yáng)極處被腐蝕成小孔。點(diǎn)腐蝕示意圖

三、晶間腐蝕

腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻。

晶間腐蝕示意圖

防止腐蝕的措施：采用耐蝕性高的材料。如不銹鋼、銅合金、鈦合金、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等。進(jìn)行表面處理。彈簧材料為碳素彈簧鋼。長(zhǎng)期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴(yán)重腐蝕，彈簧絲截面減小、變脆而破斷?？蛙?chē)儲(chǔ)氣罐放水閥彈簧腐蝕失效分析

某客車(chē)儲(chǔ)氣罐放水閥彈簧破斷，閥芯失去密封作用，氣體泄漏，氣壓降低，剎車(chē)失靈，造成嚴(yán)重事故。機(jī)械零件選材原則

使用性能原則

一、機(jī)械零件正確選材的使用性能原則

材料的使用性能應(yīng)滿(mǎn)足使用要求。使用性能指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能。機(jī)器零件和工程構(gòu)件，主要是機(jī)械性能。對(duì)一些特殊條件下工作的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。二、零件使用時(shí)的工作條件

（1）受力狀況

主要是載荷的類(lèi)型(例如動(dòng)載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大小；載荷的形式；載荷的特點(diǎn)等。

（2）環(huán)境狀況溫度特性、介質(zhì)情況等。

（3）特殊要求

導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀(guān)等。三、零件根據(jù)使用性能選材的步驟

●對(duì)零件工作條件和失效形式全面分析，確定零件對(duì)使用性能的要求；

●根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計(jì)算出零件中的應(yīng)力分布；

●由工作應(yīng)力、使用壽命、安全性等，確定要求性能的具體數(shù)值；

●利用材料手冊(cè)根據(jù)使用性能選材。

材料的性能與試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊(cè)中試樣尺寸的差別，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。常用零件的工作條件和失效形式零件

工作條件

常見(jiàn)的失效形式

要求的主要機(jī)械性能

應(yīng)力種類(lèi)載荷性質(zhì)

受載狀態(tài)

緊固螺栓拉剪應(yīng)力靜載—

過(guò)量變形，斷裂

強(qiáng)度，塑性

傳動(dòng)軸

彎扭應(yīng)力循環(huán)沖擊軸頸摩擦振動(dòng)

疲勞斷裂過(guò)量變形軸頸摩損

綜合機(jī)械性能強(qiáng)度、韌性、局部表面耐磨性

傳動(dòng)齒輪壓彎應(yīng)力循環(huán)沖擊

摩擦振動(dòng)

齒折斷,磨損疲勞斷裂接觸疲勞(麻點(diǎn))

心部強(qiáng)度、韌性表面高強(qiáng)度及疲勞極限耐磨性

彈簧扭彎應(yīng)力交變沖擊

振動(dòng)

彈性失穩(wěn)，疲勞破壞，斷裂

彈性極限，屈強(qiáng)比，疲勞極限

冷作模具復(fù)雜應(yīng)力交變沖擊

強(qiáng)烈摩擦

磨損脆斷

硬度，足夠的強(qiáng)度，韌性

2工藝性能原則材料的工藝性能應(yīng)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求2機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則計(jì)算準(zhǔn)則----針對(duì)某種失效形式、為滿(mǎn)足某種工

作能力而建立的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則強(qiáng)度準(zhǔn)則

兩種計(jì)算準(zhǔn)則：一種是根據(jù)許用應(yīng)力建立的計(jì)算準(zhǔn)則，另一種是根據(jù)安全系數(shù)建立的計(jì)算準(zhǔn)則；在實(shí)際使用中根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)情況確定選擇使用哪種強(qiáng)度準(zhǔn)則。1．通過(guò)判斷危險(xiǎn)截面的最大許用應(yīng)力（σ，τ）是否小于或等于許用應(yīng)力[σ]，[τ]。2．通過(guò)判斷危險(xiǎn)截面上實(shí)際的安全系數(shù)（Sσ，Sτ）是否大于或等于許用安全系數(shù)（[Sσ]，[Sτ]）強(qiáng)度準(zhǔn)則安全系數(shù)：零件所能承受的極限應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力的比值,它反映的是零件的安全工作