《第01章机械零件失效理论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第01章机械零件失效理论.ppt（58页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第一章 机械零件失效理论机械故障原因机械故障原因机械的可靠性机械的可靠性机械的维修性机械的维修性机械零件磨损失效机械零件磨损失效机械零件其他失效形式机械零件其他失效形式1第一节第一节 机械故障原因机械故障原因一、故障定义产品丧失规定的功能称为失效，对可修复的产品也称为故障。故障是一种不合格状态，机器对其原始状态发生可识别的偏离，这种偏离对特定的使用者来说是不合格的。失去正常工作能力，某些技术指标变化超出了允许限度。故障的相对性：合格与不合格的界定，取决于机器性质和使用范畴。不能工作不合格。能工作，但性能下降是否合格？取决于使用条件。2二、故障分类1.按故障形成的时间规律分类按故障形成的时间规律
2、分类(1)渐发性故障（磨损故障）由于某些损伤过程的发展，导致机械设备初始参数劣化而造成。特征：在规定的时间段内，故障概率与已经工作过的时间有关，时间越长发生故障的概率越高。(2)突发性故障是各种不利因素和偶然的外界影响共同作用而造成。这种作用超出了机械设备所能承受的限度，发生故障的时间间隔是随机的。特征：在规定的时间内，故障率与已工作过时间无关。故障是突然发生，事先无征兆。对渐发性故障可以通过加强技术维护来减少，而对突发性故障则不能。3二、故障分类2.按故障因果关系分类按故障因果关系分类故障可以是完全丧失机器的设计功能，也可以是显露即将丧失功能的迹象。(1)功能故障指一个产品不能满足规定性能标
3、准的现象。完全丧失功能。达不到规定的性能水平。(2)潜在故障是一种能指示功能故障即将发生的可以鉴别的实际状态。是丧失功能前的状态变化。42.按故障因果关系分类按故障因果关系分类潜在故障与功能故障之间，往往存在因果关系，可以利用潜在故障来防止功能故障的发生。在维修中，判断潜在故障，可以使机件在不发生功能故障的前提下得到最大限度的利用。判断潜在故障，是机器技术诊断和监控的基础。并不是所有功能故障都存在与之有关的可鉴别潜在故障。5二、故障分类3.按故障影响后果分类按故障影响后果分类机器故障是由最重要的零部件和系统的工作情况所决定。有些零部件发生故障不至于造成严重后果。例如：汽车故障分类：致命故障严重
4、故障一般故障轻微故障。67三、故障原因1.机械结构因素机械结构因素(1)连接件配合性质的破坏动配合件间隙的增大由于零件磨损而造成，引起润滑不良、冲击、密封性下降。静配合件的减弱紧配的零件变为松动。(2)零件间相互位置关系的破坏由于零件的磨损或变形而造成：零件本身各工作面之间相互关系破坏垂直度、平行度等发生变化。不同零件之间相互关系破坏例如齿轮啮合关系发生变化。(3)机构工作协调性的破坏总成、零件的运动规律和相互关系不准确、不协调。主要原因：零件磨损，更换零件后没有调整好。8三、故障原因2.导致结构因素改变的能量因素导致结构因素改变的能量因素能量因素导致零件出现缺陷，零件缺陷导致机器出现故障。机
5、器使用中受到各种能量的作用：周围介质能量：环境、负荷，与操作有关。机器运行的内部能量：热能、动能。材料潜伏能量：内应力，与制造、装配有关。9第二节第二节 机械的可靠性机械的可靠性一、机械产品可靠性的定义可靠性指机械产品在规定的条件下，在规定的时间内，无故障地完成其规定功能的能力。产品各项性能指标应符合要求，产品应具有随时间变化而保持自身工作能力的性能。可靠性包括：无故障性产品在一定时间内连续不断地保持工作能力的性能。在没有任何维修措施干预的条件下，能正常工作。耐久性产品在达到报废之前，保持其工作能力的性能。在整个使用期内，执行规定的维护保养修理制度。10一、机械产品可靠性的定义可靠性所包含的因
6、素：1.机械产品机械产品指零件、部件、整台机械、机械系统。2.规定条件规定条件环境条件：载荷、温度、湿度、压力、介质。使用方法、维护方法。3.规定时间规定时间指应达到的工作期限。定量表示：时间、运转次数、运行距离、应力循环次数。定性表示：连续、间歇、长时间、短时间。4.规定功能规定功能指性能指标：产品质量、生产效率、工作精度、载重量、功率等。5.能力能力指出现故障的多少，用概率来衡量。11二、机械可靠性数量指标用数学方法（概率统计）来定量评价可靠性。1.可靠度可靠度 R(t)指产品在规定的条件下，在规定时间内，无故障地完成其规定功能的概率。R(t)表示：在一批同型机器中，工作到规定时间时，无故
7、障的机器数量。t，R(t)0R(t)1例：t=1000h，R(t)=0.95表示工作到1000小时，有95%的机器不出现故障。121.可靠度可靠度 R(t)不同产品对可靠度R(t)的要求不同。R(t)的允许值根据故障危险程度（故障后果）来选取。重要产品，在规定的时间内，不允许有故障。要求：R(t)0.9999，即 R(t)1，即使在最恶劣的使用条件下，也不出现故障。如果故障所造成的安全及经济损失不大，则R(t)值允许低些。允许：0 R(t)1，在规定的时间内，可能有或没有故障。当 R(t)0 时，在规定的时间内，一般都有故障。故障特点：容易排除，不会引起严重后果，经修理排除故障后，仍能正常继续
8、工作。13二、机械可靠性数量指标2.故障概率故障概率 F(t)又称不可靠度。t，F(t)0F(t)1可靠度 R(t)与故障概率 F(t)互补：R(t)+F(t)=1 R(t)=1F(t)14二、机械可靠性数量指标3.故障概率密度故障概率密度 f(t)指故障的分布规律，是故障概率的导数：如果已知 f(t)的分布规律，可求出 0t 时间内的故障概率 F(t)：故障概率 F(t)与故障概率密度 f(t)是微积分关系。15一批同型号机器的可靠性规律Xmax 性能参数恶化的允许值T 规定的工作时间t0 无故障工作时间t0.5 故障率为50的工作时间t1 全部发生故障的工作时间16二、机械可靠性数量指标4
9、.故障率故障率(t)指工作到规定时间 t 后，单位时间内发生故障的产品数与还在工作的产品数的百分比。R(t)、F(t)、f(t)、(t)都是以 t 为随机变量的函数，给出一个指标便可推算出其他指标。（P8，式111）5.平均寿命平均寿命 T0指一批产品从开始使用到发生故障的平均工作时间。17第三节第三节 机械的维修性机械的维修性维修性是产品设计时所决定的特性。维修对于可修复的产品，从寻找、发现故障部位起，到修理、安装、调整、复原、试验、恢复正常工作状态的全过程。维修性指可修复产品在维修时的难易程度。反映维修所需：工作量大小、人员多少、费用高低、设备仪器先进程度。18一、维修性与可靠性的关系可靠
10、性反映：产品是否经久耐用。提高可靠性就是延长产品的正常工作时间。维修性反映：发生故障后是否容易诊断和修复。提高维修性就是缩短停机修理（非工作）时间。良好的维修性不仅涉及机器本身，还涉及维修条件。不同产品对可靠性有不同的要求。对于高可靠性产品，在规定时间t 内，R(t)0.9999，即R(t)1，造价昂贵。对一般产品，考虑经济性，允许降低可靠性，提高维修性，R(t)0.9。19一、维修性与可靠性的关系可靠性设计在产品设计中，从经济观点在可靠性和维修性之间求平衡，获得最佳可靠度。制造费用与维修费用之和的最小值所对应的 R(t)即为最佳 R(t)。在设计中，既考虑降低制造成本，又考虑易于发现故障和维
11、修。20二、维修性的定性要求维修应简便、迅速、经济。1.具有良好的维修可达性2.高标准化和互换化程度3.具有防差错措施和识别标记4.保证维修安全5.贵重零件也可修复6.故障容易检测、诊断7.符合人机工程要求，降低维修人员的工作难度21第四节第四节 机械零件磨损失效机械零件磨损失效故障表现形式：磨损、变形、疲劳断裂、腐蚀等。磨损机械设备在工作过程中，相对运动零件的表面上发生尺寸、形状、表面质量变化的现象。22一、摩擦与磨损1.摩擦的基本特征摩擦的基本特征摩擦相接触的物体有相对运动或有相对运动趋势时所表现出阻力的现象。摩擦力：摩擦时表现出的阻力。机械阻力粗糙的接触面、凹凸不平而引起。分子引力光洁的
12、表面、相互接触面积大而引起。摩擦力大小与表面粗糙度有关。在一定载荷条件下，存在一个最佳的表面粗糙度，摩擦力最小。23一、摩擦与磨损2.摩擦的种类摩擦的种类(1)按运动方式分类：滑动摩擦、滚动摩擦、混合摩擦。(2)按润滑状态分类：干摩擦摩擦副表面间完全没有润滑介质或其他杂质存在时所产生的摩擦。最容易导致磨损失效。边界摩擦摩擦副两表面间有很薄（0.1m）的连续油膜存在时所产生的摩擦。摩擦面不直接接触，隔断了分子引力，摩擦力减小，但机械阻力并未消除。半干摩擦摩擦副两表面间部分被很薄的油膜隔开，部分直接接触，介于干摩擦和边界摩擦之间的摩擦方式。24(2)按润滑状态分类 液体摩擦摩擦副两表面间完全被润滑
13、介质隔开，彼此之间不发生接触的摩擦。摩擦大部分发生在润滑介质的内部，磨损很小。摩擦力大小取决于：运动速度、油的黏度、摩擦面积。半液体摩擦摩擦副之间一部分被润滑介质隔开，一部分被薄的油膜隔开，介于液体摩擦和边界摩擦之间的摩擦形式。25(2)按润滑状态分类在各种摩擦方式中：l干摩擦具有最大的摩擦力和磨损速度；l液体摩擦具有最小的摩擦力和磨损速度；l实际存在的多为：半干摩擦、边界摩擦、半液体摩擦。使用条件变化时，摩擦形式会发生变化。26二、磨料磨损磨料磨损由于摩擦副的一个表面存在硬的凸起部分，或者两个表面之间存在硬质颗粒，在发生相对运动时，表面被挤压或刮削而破坏。磨料：广义的：指硬质颗粒、摩擦表面硬
14、的凸起部分。狭义的：指非金属矿物和岩石微粒。如SiO2、Al2O3等，其硬度超过金属。27二、磨料磨损1.磨料磨损的机理磨料磨损的机理磨料与零件表面作相对运动时，作用在磨料上的力有垂直于表面和平行于表面的分力。(1)垂直分力使磨料嵌入零件表面。对塑性材料，产生挤压，挤压点反复变形，使材料疲劳而破坏。对脆性材料，表面不发生变形就产生脆性破坏。(2)平行分力使磨料产生切向运动。对塑性材料，零件表面被切削，切下一条切屑。对脆性材料，从表面切下许多碎屑。磨料磨损是常见的磨损形式，磨损速率大。28二、磨料磨损2.影响磨料磨损的主要因素影响磨料磨损的主要因素(1)磨料粒度的影响磨料尺寸增大，则金属磨损量（
15、零件的体积损失或重量损失）增加。当磨料增大到一定尺寸（临界尺寸），磨损速率稳定不变.(2)磨料几何形状的影响尖锐的磨料，磨损速率快，钝的磨料，磨损速率慢。(3)磨料硬度影响磨料硬度远远超过零件硬度时，磨损速率与磨料硬度关系不大（运动速度和压力成为主要因素）。磨料硬度低于零件硬度时，磨损速率下降。磨料硬度略高于零件硬度时，磨损严重，且与硬度差有关.(4)压力的影响磨损速率与压力成正比。29二、磨料磨损3.减轻磨料磨损的措施减轻磨料磨损的措施(1)减少磨料进入对进气、燃油、机油等加强滤清。采用防尘密封装置。(2)增强零件的抗磨性采用热处理或表面处理，提高零件表面硬度。选用一硬一软的摩擦副，使磨料被
16、软材料所吸收。30三、黏着磨损黏着磨损摩擦副的两个表面在相对运动时，由于黏着作用使一个表面的材料转移到另一个表面上所引起的磨损。1.黏着磨损机理黏着磨损机理摩擦副表面产生高温，材料表面强度降低，承受高压力的表面凸起部分相互黏着（溶合），在相对运动中被撕裂，使材料从强度低的表面转移到强度高的表面。后果：摩擦副咬死或划伤。3132三、黏着磨损2.影响黏着磨损的主要因素影响黏着磨损的主要因素(1)摩擦副表面状态润滑不良表面洁净的、油膜被破坏的，容易发生黏着磨损。应选用适当的润滑剂。(2)摩擦副材料表面成分与组织容易形成固溶体的同类金属或原子结构、晶体结构相近的材料容易发生黏着磨损。选用性质差异大的材
17、料配对，可以有效降低黏着磨损。33四、疲劳磨损疲劳磨损摩擦副材料表面上局部区域在循环接触应力作用下产生疲劳裂纹，由于裂纹扩展而分离出微片和颗粒的磨损形式。1.滚动接触疲劳磨损机理滚动接触疲劳磨损机理现象：摩擦副表面出现麻点、脱落。特点：经过一定次数（临界次数）的循环接触应力作用才发生。过程：萌生裂纹 裂纹扩展 材料微粒脱落。341.滚动接触疲劳磨损机理滚动接触疲劳磨损机理多数情况下，滚动中含有滑动。滑动引起剪切应力，滚动引起法向正应力，使最大应力的大小和方向不同。(1)裂纹萌生于表面层内并逐渐扩展。对于润滑条件好，以滚动为主的，表面光滑的摩擦副：最大应力周期性作用在距表面一定深处，表面层内萌生
18、裂纹，沿最大应力方向或缺陷方向扩展到表面，形成磨屑脱落。351.滚动接触疲劳磨损机理滚动接触疲劳磨损机理(2)裂纹萌生于摩擦表面并逐渐扩展。对于滚动兼有滑动，润滑条件差的，表面粗糙的摩擦副：最大接触应力使表面局部反复塑性变形，表面出现裂纹，向内扩展，遇内部缺陷转向表面，形成磨屑脱落。(3)裂纹萌生于表面硬化层与心部过渡区并逐渐扩展。对于经过表面强化处理的摩擦副：裂纹萌生于软硬过渡区，先平行于表面扩展，然后转向表面。先以小麻点剥落，变成大块剥落，形成表层压碎现象。36四、疲劳磨损2.滑动接触疲劳磨损机理滑动接触疲劳磨损机理表面存在不平，点接触，法向载荷使表面压平或压入，接触点产生变形和应力集中，
19、萌生裂纹与扩展，表面材料以微粒脱落，形成磨屑。37四、疲劳磨损3.影响接触疲劳磨损的主要因素影响接触疲劳磨损的主要因素(1)材质组织状态有非金属夹杂物、晶粒不均匀、有缺陷的，造成应力集中，容易发生疲劳磨损。硬度硬度高的，抗疲劳能力强。(2)粗糙度表面粗糙度低的，抗疲劳能力强。(3)其他因素表面应力过大、配合间隙过小或过大，润滑油含腐蚀性物质，容易发生疲劳磨损。38五、腐蚀磨损在腐蚀性环境中，磨损既有机械摩擦作用，又有腐蚀作用。摩擦表面暴露出新的金属，腐蚀使金属变质，使摩擦造成的磨损速度加快。1.氧化磨损氧化磨损指摩擦表面在空气或润滑油中氧的作用下生成的氧化膜很快被摩擦去除的磨损形式。氧化膜性质
20、影响耐磨性：致密的、结合牢固的氧化膜，耐磨性好。（如不锈钢）疏松的氧化膜，耐磨性不好。（如铝、碳素钢、铸铁）39五、腐蚀磨损2.特殊介质中的腐蚀磨损特殊介质中的腐蚀磨损指酸、碱等电解质作用于摩擦表面上所形成的腐蚀产物迅速被摩擦去除的磨损形式。磨损速率比氧化磨损快。影响磨损速率的因素：介质的性质、环境温度、金属电偶特性，腐蚀产物的强度、附着力。在化工机械、食品机械、水力机械中，特别容易发生。40五、腐蚀磨损3.穴蚀穴蚀穴蚀在零件与液体接触，并有相对运动的条件下，零件表面材料发生剥落的现象。特征：表面产生与一般腐蚀和机械磨损不同的密集麻点和鱼鳞状剥落。其过程和实质比较复杂，目前尚无定论。41六、微
21、动磨损1.微动磨损的定义及其过程微动磨损的定义及其过程微动磨损两接触表面没有宏观相对运动，但在外界变动载荷影响下有小振幅（微米级）的相对振动，表面间产生磨损现象。发生在相对静止的零件上：静配合表面搭接接头、键、过盈配合处。螺栓连接处。动配合表面不工作状态下，在运输过程受振动而发生.微动磨损的过程：接触压力使接合表面的微凸体产生塑性变形、金属黏着。小幅振动将黏着点剪切，黏附金属脱落，剪切处表面被氧化。脱落的微粒起磨料的作用，加速了磨损过程。磨损产物是金属氧化物。42六、微动磨损2.微动磨损的影响因素及减少微动磨损的方法微动磨损的影响因素及减少微动磨损的方法(1)载荷的影响载荷增加，磨损量增加，载
22、荷超过某一临界值后，磨损量减小。增加预应力和过盈量可以减缓微动磨损。432.微动磨损的影响因素及减少微动磨损的方法微动磨损的影响因素及减少微动磨损的方法(2)振幅的影响振幅较小时，磨损率较低。振幅超过某一临界值时，磨损率显著上升。(3)温度的影响低温和高温，磨损量大。在130200，磨损量低。(4)润滑剂的影响液体润滑剂效果不佳。黏度大的、固体的润滑剂较好(5)材料性能的影响采用较高硬度或抗黏着性能好的材料配对，磨损小。44第五节第五节 机械零件其他失效形式机械零件其他失效形式一、零件断裂失效断裂是机械零件失效的主要形式之一。（一）断裂的分类 1.韧性断裂与脆性断裂韧性断裂与脆性断裂(1)韧性
23、断裂零件在断裂之前有明显的塑性变形，伴有颈缩现象的断裂形式。由于实际应力超过材料的屈服强度所造成。451.韧性断裂与脆性断裂韧性断裂与脆性断裂(2)脆性断裂零件在断裂之前无明显的塑性变形，断裂过程快。原因：在外力作用下，表面晶粒滑移（位错运动）形成微裂纹，裂纹形成应力集中，裂纹扩展，导致断裂。特征：工作应力低于材料的屈服强度，甚至低于设计许用应力。断口平直、光亮，与拉应力方向相垂直。没有预兆，瞬时发生。由于零件本身存在引发裂纹的因素而造成：材料内部缺陷夹杂物、疏松等。结构不连续形状、尺寸突变。表面加工质量不良粗糙、刀痕等。46（一）断裂的分类4.一次加载断裂与反复加载断裂一次加载断裂与反复加载
24、断裂(1)一次加载断裂：指零件在一次静载荷或一次冲击能量作用下发生的断裂.受力状态包括：l缓慢递增的或恒定的载荷静拉伸、静压缩、静扭转、静剪切等；l一次冲击载荷。(2)反复加载断裂（疲劳断裂）：指零件在经历反复多次的应力或能量循环作用后才发生的断裂。包括：l反复拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、疲劳点蚀、热应力疲劳、共振疲劳等；l多次冲击载荷。47（二）疲劳断裂的基本原理(1)疲劳断裂的过程三个阶段：萌生疲劳裂纹裂纹扩展瞬间断裂。萌生疲劳裂纹：零件承受循环载荷，局部出现塑性变形，使表面晶粒滑移，反复的滑移产生微裂纹。裂纹扩展：裂纹沿着最大切应力方向（与主应力成45）扩展，深度为零点几个毫米。然后裂
25、纹沿着与正应力垂直的方向发展。裂纹达到一定深度后，剩余截面减少，应力增大，裂纹加速扩展。瞬间断裂：剩余截面越来越小，应力越来越大，达到临界断裂应力时，发生突然的脆性断裂。4849(1)疲劳断裂的过程疲劳断口的形貌：有裂纹形成区。有裂纹扩展区在循环载荷的作用下，经过反复挤压、摩擦，较光亮，有贝壳纹。有瞬时断裂区断口粗糙。50（二）疲劳断裂的基本原理(2)疲劳裂纹的发生和发展裂纹在应力集中处开始。零件表面缺陷加工缺陷、截面尺寸突变、腐蚀缺陷等，形成应力集中。材料内部缺陷夹杂物、疏松、孔洞，形成应力集中.表面初始裂纹如果承受较低的静应力，则不会扩展。但如果承受较低的交变应力，裂纹也会扩展。在机械修理
26、中，裂纹扩展规律的应用：使用探伤设备发现裂纹。有裂纹的零件不一定立即就断，裂纹扩展有一定时间，在一定条件下也可能不断。对于重要零件，要制订出标准：规定允许使用的裂纹长度、必须修理的裂纹长度、必须报废的裂纹长度。51二、金属零件的腐蚀失效腐蚀失效金属材料与周围介质发生化学或电化学作用而导致的破坏。1.化学腐蚀化学腐蚀金属和外部介质直接起化学作用。高温氧化在非水溶液中腐蚀金属表面只要存在腐蚀介质，就可能遭到腐蚀。如机油中的有机酸、燃油中的硫。52二、金属零件的腐蚀失效2.电化学腐蚀电化学腐蚀金属在酸、碱、盐的水溶液中发生的腐蚀。条件：存在电解质存在电位差零件大多由含多种元素的材料制成，各种元素的不
27、同电极性、表面存在缺陷、应力不均等，产生电位差。环境条件使零件表面形成电解质：大气湿度过大时，表面存在的吸湿性物质（灰尘、腐蚀产物）从大气吸收水份，使表面湿润。空气中有害气体（如CO2、SO2）溶入，形成电解质。暴露在大气中的零件，不可避免会遭受电化学腐蚀。53二、金属零件的腐蚀失效3.腐蚀的控制腐蚀的控制(1)合理选材和设计合理选材根据使用环境，选择耐腐蚀合金钢、非金属材料。合理设计避免形成腐蚀的条件。尽量使环境条件均匀一致，如金属与气体的接触、热分布、应力分布等均匀一致。543.腐蚀的控制腐蚀的控制(2)覆盖保护层以表面薄膜的形式，使金属与介质隔离。主要有：金属保护层镀一层金属或合金。非金
28、属保护层油漆、塑料、橡胶、涂油（临时性）化学保护层覆盖化合物薄膜，如磷化、钝化.表面合金化氮化、渗铬、渗铝。阳极保护和阴极保护使金属表面带正电位或负电位，减少电化学腐蚀速度。改变环境通风、除湿。缓蚀剂加入腐蚀性介质中。55三、变形失效变形由于受力的作用，使零件的尺寸或形状产生改变的现象。1.金属变形的基本概念金属变形的基本概念(1)弹性变形指金属在外力去除后能完成恢复的变形。变形量小，应力与应变成正比（符合虎克定律）。当应力低于金属弹性极限时，产生滞弹性变形（弹性后效）应力持续充分时间以后才变形。应力去除后，经过充分时间才恢复。(2)塑性变形指金属在外力去除后，不能恢复的永久变形。会引起组织结
29、构和性能的变化，如产生加工硬化现象、残余内应力、耐腐蚀性下降等。56三、变形失效2.零件在使用中变形的原因零件在使用中变形的原因(1)毛坯制造方面铸、锻、焊的冷却过程，产生内应力。特别是零件厚薄过渡不合理等，容易产生内应力。(2)机械加工方面毛坯在有内应力状态下就加工，使内应力重新分布。切削热和切削力，产生残余内应力。减少变形的方法：时效处理（自然时效或人工时效）。(3)修理质量方面没有考虑零件已经变形就修理，造成更大的变形。修理工艺产生新的内应力和变形。(4)使用方面恶劣的工况、极限载荷、超负荷等。57三、变形失效3.零件变形及其危害零件变形及其危害以汽车拖拉机为例：(1)气缸体气缸轴线与曲轴轴线的垂直度超差增加气缸磨损。主轴承座孔同轴度和圆度超差造成曲轴及轴瓦磨损、曲轴断裂。(2)变速器壳各轴承座孔轴线的同轴度、平行度超差造成齿轮的齿面偏磨。(3)车架梁的弯扭降低行走系统零件使用寿命。58