第1章机械讲义零件的失效分析2
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机械零件的失效分析
δ = Lk － Lo / Lo ×100%
断面收缩率：指试样断裂后的截面收缩 量ΔF与试样原始截面积Fo的百分比
Ψ = Fo － Fk / Fo ×100%
洛氏硬度（HRC）：用钢球或金刚石锥压入材料
表面，以压入深度的大小来度量材料硬度 布氏硬度（HB）：用钢球压入材料表面，以单位压 痕面积承受的载荷大小来度量材料硬度
工程材料基础
绪论
1．材料是社会进步的先导
材料对人类社会发展起着巨大的推动作用
石器时代
陶器时代
铜器时代 钢铁时代
铁器时代 新材料时代
2．材料与技术进步
能源、信息和材料是现代技术的三大支柱 很多技术都是通过老材料的改进或新材料 的开发而获得突破性进展的
1911年，德国开发出了强度与软钢相近的
硬铝合金后，人类才能进行真正的航空事业 镍基高温合金的出现，使飞机制造业从此 迈进了能够制造特大型飞机的时代
紧固螺栓：s ＜ ss/n弹n ＞1 ＝ se
进一步提高材料强度，提高零件自身抵抗塑性 变形的能力
要求：
① 掌握加工硬化的定义和技术意义
② 掌握静拉伸指标的物理意义及用途
力学 性能 指标 的应 用
为防止构件发生过量弹性变 形，设计时需使用刚度。如 镗床的镗杆等
屈服极限（sS ＝Ps / Fo）：材料抵抗起始塑性 变形的抗力指标
为避免零件发生塑性变形或发生过量塑性变形失 效，产品设计时应以屈服极限为依据
加工硬化：由塑性变形导致的材料强度 升高、塑性降低现象
加工硬化的技术意义：
1.能提高机件的安全性 2.能获得截面均匀一致的产品
3. 是金属材料的一种有效强化方法
塑性：材料在断裂前能够发生塑性变形 的能力
断面收缩率：指试样断裂后的截面收缩 量ΔF与试样原始截面积Fo的百分比
Ψ = Fo － Fk / Fo ×100%
洛氏硬度（HRC）：用钢球或金刚石锥压入材料
表面，以压入深度的大小来度量材料硬度 布氏硬度（HB）：用钢球压入材料表面，以单位压 痕面积承受的载荷大小来度量材料硬度
工程材料基础
绪论
1．材料是社会进步的先导
材料对人类社会发展起着巨大的推动作用
石器时代
陶器时代
铜器时代 钢铁时代
铁器时代 新材料时代
2．材料与技术进步
能源、信息和材料是现代技术的三大支柱 很多技术都是通过老材料的改进或新材料 的开发而获得突破性进展的
1911年，德国开发出了强度与软钢相近的
硬铝合金后，人类才能进行真正的航空事业 镍基高温合金的出现，使飞机制造业从此 迈进了能够制造特大型飞机的时代
紧固螺栓：s ＜ ss/n弹n ＞1 ＝ se
进一步提高材料强度，提高零件自身抵抗塑性 变形的能力
要求：
① 掌握加工硬化的定义和技术意义
② 掌握静拉伸指标的物理意义及用途
力学 性能 指标 的应 用
为防止构件发生过量弹性变 形，设计时需使用刚度。如 镗床的镗杆等
屈服极限（sS ＝Ps / Fo）：材料抵抗起始塑性 变形的抗力指标
为避免零件发生塑性变形或发生过量塑性变形失 效，产品设计时应以屈服极限为依据
加工硬化：由塑性变形导致的材料强度 升高、塑性降低现象
加工硬化的技术意义：
1.能提高机件的安全性 2.能获得截面均匀一致的产品
3. 是金属材料的一种有效强化方法
塑性：材料在断裂前能够发生塑性变形 的能力
第1章 机械零件失效理论 讲稿
第1章机械零件失效理论第1节机械故障原因1 故障定义就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合），因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。
如：通常见到的发动机发动不起来，机床运转不平稳，汽车刹车失灵等等现象都是机械故障的表现形式，如图1-1所示。
图1-1 机械故障2 机械故障分类机械故障可以从不同角度来进行分类，是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的对策，以下是各种故障分类方法。
2.1 按故障形成的时间规律分类2.1.1 渐发性故障渐发性故障是由于某些损伤过程的发展，导致机械设备初始参数的劣化而造成，故亦称磨损故障。
大部分机器的故障都属于这类故障，如图1-2所示。
图1-2 轮胎磨损故障2.1.2突发性故障突发性故障的产生是各种不利因素和偶然的外界影响共同作用的结果。
这种作用已超出了机器设备所能承受的限度，故障往往经过某一时间间隔后发生，时间是个随机变量。
这类故障的例子如：因润滑油受阻中断而使轴瓦烧损，因机器使用不当或出现超负荷现象而引起的零件折断,这种故障往往突然发生，事先并无任何征兆，如图1-3所示。
图1-3 轮齿折断渐发性故障和突发性故障的区别在于：在给定的时间内，故障率与产品已使用的时间有无关系2.1.3 复合型故障它兼有上述二类故障的特性。
例如：由于在零件内部存在着应力集中（比如曲轴圆角不合要求），当受到外界对机器的冲击作用后，出现疲劳裂纹的根源属于突发特性，随着机器的继续使用，裂纹逐渐发展属于渐发特性，最后导致零件的断裂，如图1-4所示。
图1-4 曲轴圆角应力集中区2.2按故障的因果关系分类由于故障所处的不合格状态，可以是某一产品完全丧失了其设计功能，也可以是某种显露即将丧失功能的迹象。
2.2.1功能故障（Functional Failure）功能故障是指一个产品不能满足规定性能标准的现象。
完全丧失功能显然是功能故障，如内燃机不能发动，油泵不能供油等。
但一个机件工作不能达到规定的性能水平也属于功能故障，例如汽车制动力不足，如图1-5所示。
机械零件的失效分析
总结
• 磨损是机械零件常见的一种失效形式， 总是从零件表面开始发生。各种磨损的 过程和机理不同，因此其主要的预防措 施也不同。 • 提高零件表面硬度，合理设计减小压应 力，以及提高表面光洁度等对降低磨损 都有利。
第五节 零件的腐蚀失效
1 2 3 4 问 题 什么是腐蚀？可分为几类？ 高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热 钢为什么具有抗高温氧化能力？ 发生电化学腐蚀的条件是什么？ 改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么
3
硬度
硬度：表征材料软硬程度的一种性能。 硬度指标：物理意义与试验方法有关
• 滑痕法硬度值（莫氏硬度） • 弹性回跳法硬度值（肖氏硬度） • 压入法硬度值（工业中应用广泛） 布氏硬度（HBS)淬火钢球 洛氏硬度(HRC)（锥角为120°的金刚石圆锥体） 维氏硬度(HV)（锥面角为136 °的金刚石四棱锥体为压 头
一、材料在高温下的力学行为
1 材料的强度随温度的升高而降抵。
2 高温下材料的强度随时间的延长而降抵。 3 高温下材料的变形量随时间的延长而增加。
二 蠕变和蠕变曲线
1 蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑 性变形的现象称为蠕变。 蠕变曲线
2
I 减速蠕变阶段 II 恒速蠕变阶段
III 加速蠕变阶段
上部分的现象。
• 断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂 • 断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展 • 韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中 吸收能量的能力。
韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌
韧性 断口
脆性 断口
二、冲击韧性及衡量指标
1 冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综 合表现。 衡量指标：冲击吸收功Ak 冲击韧度ak(ak＝ Ak/Fk ) 应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结 合用于一般零件抗断裂设计。 低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK)
第01章机械零件失效理论
5
二、故障分类
• 3. 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 严重故障 一般故障 轻微故障。
6
7
三、故障原因
• 1. 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
第一章 机械零件失效理论
机械故障原因 机械的可靠性 机械的维修性 机械零件磨损失效 机械零件其他失效形式
1
第一节 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。
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 和维修。
机械零件失效分析 ppt课件
一般用于测量经过淬火的钢件等。
PPT课件
锥角为120°的金刚石圆1锥9 体
维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
一般用于测量经表面处理的
锥面角为136 °的金刚石四棱锥体为压头
表面层硬度或薄件的硬度。 PPT课件
20
影响金属材料力学性能的主要因素
含碳量：碳，强度和硬度，塑性 合金元素：改善综合性能，得到特殊性能 温度：温度，强度和硬度，塑性 热处理工艺：改变力学性能
第一章 机械零件失效分析
PPT课件
1
概述：
定义: 零件不能正常和安全的工作，即失效。
结构或形状设计不合理。
原因
材料的选择不合理。 加工工艺不合理。
安装与使用不合理。
由于外界载荷、温度、介质等的损害作用超过了材料抵抗损害的能力造成的。
PPT课件
2
失效形式
过量弹性变形 过量变形失效
过量塑性变形
断裂失效
24
总结
零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足 抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
强 调！ 金属和合金的弹性模量不
1.3过量变形失效
1.3.2过量塑性变形
过量塑性变形—外加应力超过零件材料的屈服极限 时发生明显的塑性变形。
PPT课件
例如：重载且摩擦力很大时，齿面较 软的齿轮表面就会沿摩擦力方向产生 塑性变形。
压入法硬度是材料抵抗局部塑性变形能力的性能指标。
PPT课件
17
布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
布氏硬度计
一般用于测量HB<450较软材P料PT、课件毛坯、 成品的硬度。
淬火钢球
机械零部件失效分析的方法和步骤
第一章机械零部件失效分析的方法和步骤1、失效分析与机械设计的关系机械产品丧失其规定功能的事件称为机械产品的失效。
失效常发生在产品使用过程中,也发生在试运转过程中,甚至可能发生在使用前的存放过程中。
以同类产品使用寿命期内失效事件总数为基数的统计数据表明,寿命早期失效率较高,晚期的失效率也较高,而中期较长时间的失效率很低,典型的失效率曲线呈浴盘状曲线。
机械产品的早期失效案例尤其值得重视。
它们常常暴露出设计和制造工艺中各种的欠缺和不当,及时的失效分析有利于改进和提高产品的质量。
晚期失效分析反应出机械产品耗损期的诸多病端失效分析有利于提高产品的使用寿命。
针对机械产品失效案例进行的技术和管理活动称为失效分析。
失效分析的主要内容是查明失效的具体原因(失效诊断)和提出预防和补救措施(失效对策)。
失效分析的主要目标是防止同类失效事件的再次发生和提高产品质量。
机械产品的恶性失效事故造成重大经济损失,甚至人员伤亡,例如飞机坠落,大型机组毁坏,大型压力容器爆炸,这种特大事故发生后,通常开展大规模的调查活动。
如果确认或怀疑事故是由机械零部件失效而造成,就会进行一系列失效分析活动,包括各种试验和研究工作。
由于领导部门重视,投入较大,研究工作深入,常能达到预期目标。
中、小型失效事件或事故,也应该进行相应的失效分析活动。
而各单位和厂家对于所发生失效事件的重视程度有很大的差异。
有一些厂家极重视其产品的失效案例,买回典型的失效零部件,进行认真分析研究。
许多设计师经常调查所设计机械设备使用中失效情况,作为改善设计的重要依据。
“失败乃成功之母”,概略地说明了失效分析与机械设计间的关系。
2、机械产品失效分类机械产品失效分类有两种主要系统:按照失效类型分类;按照失效原因分类。
机械产品失效类型有五大类:变形、断裂、腐蚀、磨损和老化。
还可以进一步细分为更多的类型,断裂失效可分为塑性断裂、脆性断裂、环境促进断裂和高温断裂。
还有一些复合的失效类型,例如微动腐蚀疲劳是磨损、化学腐蚀和疲劳断裂的综合。
机械零件的失效分析
任何零件受到外力作用都会产生弹性 变形。有些零件在一定载荷下只允许一定的 弹性变形，若发生过量弹性变形就会造成失 效。
如机床主轴、大型立式车床横梁、镗 床镗杆，机床导轨等。为了保证加工精度，要 求立式车床横梁因刀架重力产生的弹性变形要 小。若横梁刚度不够，则会造成车削的工件端 面中间凸的平面度误差，外圆有锥度。
接触疲劳磨损是零件表面在接触压应力的长期不断 反复作用下引起的一种表面疲劳剥落破坏现象。表现为在 接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑称麻点。如长期工 作的齿轮的齿表面产生大量麻点后其啮合情况恶化，引起 噪声增大，振动增加，甚至齿根折断。
1.1 机械零件常见的失效形式
高温下工作零件的失效
对于许多在高温下工作的零件，只考虑室温下的 力学性能是不够的，因为高温下材料的强度随温度升高和 加载时间的延长而降低。
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
韧性断裂1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
脆性断裂
脆性断裂实物
河流花样
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
疲劳断裂
疲劳断裂实物
疲劳断裂显微形貌
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
断裂是最危险的一种失效形式，在 机械零件设计时，认真考虑如何防止断裂 事故发生是非常重要的。
1.2 机械零件失效的原因
•零件选材
选材错误或不合理会造成成批 零件报废，另外，材料的杂质、组织 状态对零件性能有显著的影响，因此 选材时应充分考虑并做认真检查。
1.2 机械零件失效的原因
•零件加工与装配
因零件的冷热加工或热处理不当 而产生的质量缺陷，也会构成引发零件 失效的危险源。机器装配或安装过程中， 由于装配不良，对中性较差等问题，使 机器在运转时产生附加应力及振动，就 会使零件过早失去应有功能。
如机床主轴、大型立式车床横梁、镗 床镗杆，机床导轨等。为了保证加工精度，要 求立式车床横梁因刀架重力产生的弹性变形要 小。若横梁刚度不够，则会造成车削的工件端 面中间凸的平面度误差，外圆有锥度。
接触疲劳磨损是零件表面在接触压应力的长期不断 反复作用下引起的一种表面疲劳剥落破坏现象。表现为在 接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑称麻点。如长期工 作的齿轮的齿表面产生大量麻点后其啮合情况恶化，引起 噪声增大，振动增加，甚至齿根折断。
1.1 机械零件常见的失效形式
高温下工作零件的失效
对于许多在高温下工作的零件，只考虑室温下的 力学性能是不够的，因为高温下材料的强度随温度升高和 加载时间的延长而降低。
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
韧性断裂1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
脆性断裂
脆性断裂实物
河流花样
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
疲劳断裂
疲劳断裂实物
疲劳断裂显微形貌
1.1 机械零件常见的失效形式
断裂失效
断裂是最危险的一种失效形式，在 机械零件设计时，认真考虑如何防止断裂 事故发生是非常重要的。
1.2 机械零件失效的原因
•零件选材
选材错误或不合理会造成成批 零件报废，另外，材料的杂质、组织 状态对零件性能有显著的影响，因此 选材时应充分考虑并做认真检查。
1.2 机械零件失效的原因
•零件加工与装配
因零件的冷热加工或热处理不当 而产生的质量缺陷，也会构成引发零件 失效的危险源。机器装配或安装过程中， 由于装配不良，对中性较差等问题，使 机器在运转时产生附加应力及振动，就 会使零件过早失去应有功能。
零件失效分析2失效分析基础知识PPT课件
第23页/共120页
键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂
初始裂 纹源
裂纹扩 展区
最终瞬 断区
第24页/共120页
键槽
2.2 应力集中与零件失效 ➢ 应力集中与应力集中系数 ➢ 应力集中对零件失效的影响 ➢ 降低应力集中的措施
第25页/共120页
零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配， 也会造成应力集中。
第34页/共120页
➢ 影响应力集中与断裂失效的因素
力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低， 应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；
第35页/共120页
➢ 影响应力集中与断裂失效的因素 零件几何形状：
断裂部位
第36页/共120页
零件应力状态： 举例：
上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期 失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局 部脱碳。
含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况
第26页/共120页
变截面过渡圆角处的应力分布
理论应力集中系数
Kt
max 平均
第27页/共120页
应力集中系数手册
典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值
第28页/共120页
典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值
第55页/共120页
➢ 振动时效 (Vibration Stress Relief, VSR) ➢ 锤击、喷丸、滚压
第56页/共120页
振动等离子熔覆过程示意图
第57页/共120页
0Hz
50Hz
75Hz
100Hz
125Hz
第58页/共120页
150Hz
100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象
键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂
初始裂 纹源
裂纹扩 展区
最终瞬 断区
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键槽
2.2 应力集中与零件失效 ➢ 应力集中与应力集中系数 ➢ 应力集中对零件失效的影响 ➢ 降低应力集中的措施
第25页/共120页
零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配， 也会造成应力集中。
第34页/共120页
➢ 影响应力集中与断裂失效的因素
力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低， 应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；
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➢ 影响应力集中与断裂失效的因素 零件几何形状：
断裂部位
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零件应力状态： 举例：
上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期 失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局 部脱碳。
含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况
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变截面过渡圆角处的应力分布
理论应力集中系数
Kt
max 平均
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应力集中系数手册
典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值
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典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值
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➢ 振动时效 (Vibration Stress Relief, VSR) ➢ 锤击、喷丸、滚压
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振动等离子熔覆过程示意图
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0Hz
50Hz
75Hz
100Hz
125Hz
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150Hz
100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象
机械工程材料沈莲01章机械零件的失效分析
应该指出，金属材料的弹性模量主要取决于基体金 属的性质，当基体金属一定时，不能通过合金化、热处 理、冷变形等方法使之改变。
SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING
电气信息工程学院
机械工程材料
SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING
而脆性断裂没有明显征兆，因而危害性极大，
研究表明，无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过 程均包含裂纹形成和扩展两个阶段。材料在外力作用下形 成微裂纹或者以原有的内部缺陷（如微裂纹、空孔、杂质 等）作为裂纹源，当裂纹源逐渐扩展到一个临界裂纹长度 时，立刻发生断裂。
SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING
机械工程材料
SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING
电气信息工程学院
3. 应力集中
当材料有缺口时，缺口 根部有应力集中，改变了该 处三向应力分布，使缺口前 沿切应力减小，导致应力状 态变硬，容易引起材料脆化。
机械工程材料
SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING
电气信息工程学院
4. 零件尺寸
机械工程材料
零件截面尺寸愈大,愈易脆断。 因为薄件处于平面应力状态，而厚件中心受三向拉 应力，处于平面应变状态而易造成脆断。
SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING
电气信息工程学院
机械工程材料
四、断裂韧性及其衡量指标
机械零件的失效及分析
目录第一章机械零件的失效及分析 (3)第一节基本概念 (3)一、失效的概念 (3)二、失效的危害 (3)三、机械零件失效的基本形式 (3)四、失效分析 (4)第二节零件的磨损失效 (4)一、磨损的一般规律 (4)二、磨料（粒）磨损 (5)三、粘着磨损 (6)四、疲劳磨损 (7)五、微动磨损 (9)六、冲蚀磨损 (10)第三节零件的断裂失效 (10)一、断裂的分类 (11)二、过载断裂 (11)三、疲劳断裂 (12)四、脆性断裂 (14)五、断裂失效分析的步骤 (15)第四节零件的腐蚀失效 (16)一、腐蚀与腐蚀失效危害的严重性 (16)二、金属的化学腐蚀与电化学腐蚀 (17)三、腐蚀失效主要表现形态 (17)第五节零件的畸变失效 (20)一、弹性畸变失效 (20)二、塑性畸变失效 (21)三、翘曲畸变失效 (22)四、畸变失效分析 (22)第二章设备的使用与维护 (23)第一节设备的使用 (23)一、合理安排生产任务 (23)二、配备合格的设备操作人员 (24)三、设备操作的基本功培训 (24)四、建立健全的设备使用管理规章制度 (25)第二节延长机械的使用寿命的方法 (25)一、优秀的设计是延长机械使用寿命的首要环节 (26)二、提高机械产品的质量使之经久耐用 (27)三、正确合理使用是延长施工机械的寿命的关键 (27)四、实行定期保养 (28)五、掌握正确的机械维修的方法有效地延长使用寿命 (28)六、其它 (28)第三节润滑保养 (29)一、润滑油检测的传统方法 (29)二、油品的报废判断 (30)三、传统润滑油检测方法的不足之处 (31)四、专业、科学的润滑油检测方法 (31)六、设备润滑的作用 (33)七、润滑管理的基本要求 (33)参考文献 (34)第一章机械零件的失效及分析第一节基本概念一、失效的概念机械设备中各种零件或构件都具有一定的功能，如传递运动、力或能量，实现规定的动作，保持一定的几何形状等等。
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• 1999年1月4日晚6时50分左右，彩虹桥整体垮塌，
包括18名年轻武警战士在内的40人遇难。
• 调查组认为，这次垮塌事件由两方面的原因造
成。一是工程质量问题；二是工程承发包不合 法。调查结果表明，这次惨剧不是天灾，而是 人祸。其根本原因，是由于政府在工程开发建 设上没有遵循法律，履行必要的审核、论证程 序，采取了“特事特办”的方式，盲目追求效 率营造“献礼工程”，从而酿成大祸。
裂纹失稳扩展时，裂纹扩展 阻力小， da/dt大，最大可达该材 料的声速。
• 韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段较长，
裂纹的扩展与塑性变形同时进行， 故有明显的塑性变形，断裂慢。
• 脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，
故无明显塑性变形，断裂快。
韧性
材料在塑性变形和断裂过程中吸收能 量的能力，是材料强度和塑性的综合 表现。
张开型裂纹 I型
滑移型裂纹 II型
撕裂型裂纹 III型
σ
KI Y a
Ｙ: 几何形状因子，
Y＝1～2；
2a
σ: 工作应力；
a : 裂纹半长度。
σ
研 扩究展表，明零：件当是安KI较全小的时；，当裂KI纹达不到会一 个临界值时，裂纹才会扩展，这 个临界值KIC是材料的性质。
断裂韧度
断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断 裂的力学性能指标，指的是材料抵抗 裂纹失稳扩展的能力。
• 韧性越好，脆断倾向越小； • 力学性能指标：
冲击韧性 断裂韧性
二、冲击韧性
材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断 裂功的能力。是材料强度和塑性的综合 表现。
衡量指标：冲击吸收功 Ak 冲击韧度 ak (ak＝ Ak/Fk )
Ak mg(hh)
冲击韧性的应用
工程中常将材料的屈服强度与冲 击韧性结合在一起用于零件及结构的 设计。
解理型断口
微孔聚合型断口
晶间断裂
晶内断裂
断裂过程
• 裂纹形成（萌生）阶段 • 裂纹扩展阶段
裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹 或以内部缺陷作为裂纹源。
裂纹扩展：微裂纹或裂纹源逐渐扩展至一临界 尺寸时，立即发生断裂。前者段 称裂纹亚稳扩展阶段，后者称裂 纹失稳扩展阶段。
裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展 阻力大，da/dt较小；
Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越好。
性能A指k标是。对γ材钢料韧的性成最分高和，无组明织显敏的感T的k
力学 ，低
温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有
明最差显，的即Tk使，室低温温韧韧性性好差很；低高。强度M钢韧性
三、断裂韧性
传统的零件及结构设计是基于“材料 是一个连续均质的整体”假设之上的，为 防止脆性断裂，除强度要求之外，还加上 了材料的塑性和韧性指标。
赵祥忠 男，原重庆市市政工程质量监督站站长，因工程 重大安全事故罪，被判处有期徒刑5年，并处以罚金2万元。
贺际慎 女，原綦江县人大常委会副主任，因玩忽职守罪， 被判处有期徒刑3年。
费上利 男，“虹桥”工程组织承建者，因工程重大安全 事故罪，被判处有期徒刑10年，并处罚金50万元。
此外，李蒙泽、孙立、段浩、夏福利、阎珂、刘泽均、胡 开明、王远凯等人，及重庆通用工业技术服务部，因重大工程 重大安全事故罪、玩忽职守罪、生产销售不符合安全标准的产 品罪等罪名，被判处6年至10年的有期徒刑，并处以3万至25万 元罚金。
扭转 α＝0.8
单向拉 α＝0.5
τs σk
三向不等拉 α<0.5
σmax
加载方式不同，断裂方式不同
强度 σb, σs
五大力学 性能指标
塑性 δ,ψ
韧性 Ak/ak
实际材料中是存在微裂纹及各种冶金 缺陷的，而其中裂纹是最危险的一类缺陷， 因此有必要研究带裂纹体的问题。
断裂力学
应力强度因子
断裂力学研 究表明：裂 纹尖端的应 力应变场可
用物理量Ｋ
来表征。
σx , σy , τxy εx , εy , γxy
③ 已知应力，裂纹长度，确定结构
安全的材料
KI Y aKIC
断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭 的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型 发电机转子等大型零件的重要性能指标。
四、影脆性断裂的因素
• 加载方式 • 材料本质 • 温度和加载速度 • 应力集中 • 零件尺寸
（一）加载方式和材料本质
单位：MPa·m 1/2 或者 MN ·m-3/2
断裂判据
KI < KIC KI > KIC KI ＝ KIC
构件安全 构件发生脆性断裂 构件发生低应力脆性断裂的临界条件
应用
① 已知应力，材料，确定结构安全的
最大裂纹长度
ac
K IC
Y
2
② 已知裂纹长度，材料，确定结构安全的
最大应力
c
K IC Ya
焊接结构设计中，除了强度的要 求外，规定焊接接头冲击吸收功
Ak > 27J
-59℃ -12℃ 4℃ 16℃ 24℃ 79℃
低强度铁素体钢冲击断口照片
系列冲击试验
奥氏体钢 低强度铁素体钢
冲击吸收功 Ak
高强度钢
Tk
温度 T
温度对材料的韧性影响很大，材料由
韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆
转变温度，Tk。
綦江彩虹桥垮塌案例
1999年3、4月，重庆第一中级人民法院对“綦江彩虹桥垮 塌案”14名责任被告人进行一审宣判。其中10人不服，并上诉。 同年12月，重庆市高院作出终审判决。
林世元 男，原綦江县委员会副书记，因受贿罪、玩忽职 守罪，被高级人民法院终审判处死刑，缓期2年执行。
张基碧 男，原綦江县城乡建设管理委员会主任，因玩忽 职守罪，被判处有期徒刑6年。
第1章机械零件的失效分析2
精品jin
一、基本概念
• 静载荷和冲击载荷 • 断裂：材料在外力作用下分为两
个或者两个以上部分的现象。
• 断裂的分类
力学 宏观 微观
正断
切断
韧断
脆断
微孔聚合 解理 晶间 晶内
綦江彩虹桥垮塌案
• “虹桥”系綦江县形象工程，形似彩虹而得名，
该桥跨越长江支流—綦河，连接城东城西，于 1994年11月5日动工建设，1996年2月16日竣工， 桥净空跨度120米，耗资368万元。
材料力学知识
零件受外力作用时，
其内部各点的应力
状态可用三个主应 力 σ1 、 σ2 、 σ3 来 （ σ1> σ2 > σ3）来 表示。
m ax 1 ( 2 3 )
max
1
2
3
max max
α：应力状态软性系数，零件加载方式由α表示。
τmax
侧压 α>2
单向压 α＝2
τk
包括18名年轻武警战士在内的40人遇难。
• 调查组认为，这次垮塌事件由两方面的原因造
成。一是工程质量问题；二是工程承发包不合 法。调查结果表明，这次惨剧不是天灾，而是 人祸。其根本原因，是由于政府在工程开发建 设上没有遵循法律，履行必要的审核、论证程 序，采取了“特事特办”的方式，盲目追求效 率营造“献礼工程”，从而酿成大祸。
裂纹失稳扩展时，裂纹扩展 阻力小， da/dt大，最大可达该材 料的声速。
• 韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段较长，
裂纹的扩展与塑性变形同时进行， 故有明显的塑性变形，断裂慢。
• 脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，
故无明显塑性变形，断裂快。
韧性
材料在塑性变形和断裂过程中吸收能 量的能力，是材料强度和塑性的综合 表现。
张开型裂纹 I型
滑移型裂纹 II型
撕裂型裂纹 III型
σ
KI Y a
Ｙ: 几何形状因子，
Y＝1～2；
2a
σ: 工作应力；
a : 裂纹半长度。
σ
研 扩究展表，明零：件当是安KI较全小的时；，当裂KI纹达不到会一 个临界值时，裂纹才会扩展，这 个临界值KIC是材料的性质。
断裂韧度
断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断 裂的力学性能指标，指的是材料抵抗 裂纹失稳扩展的能力。
• 韧性越好，脆断倾向越小； • 力学性能指标：
冲击韧性 断裂韧性
二、冲击韧性
材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断 裂功的能力。是材料强度和塑性的综合 表现。
衡量指标：冲击吸收功 Ak 冲击韧度 ak (ak＝ Ak/Fk )
Ak mg(hh)
冲击韧性的应用
工程中常将材料的屈服强度与冲 击韧性结合在一起用于零件及结构的 设计。
解理型断口
微孔聚合型断口
晶间断裂
晶内断裂
断裂过程
• 裂纹形成（萌生）阶段 • 裂纹扩展阶段
裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹 或以内部缺陷作为裂纹源。
裂纹扩展：微裂纹或裂纹源逐渐扩展至一临界 尺寸时，立即发生断裂。前者段 称裂纹亚稳扩展阶段，后者称裂 纹失稳扩展阶段。
裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展 阻力大，da/dt较小；
Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越好。
性能A指k标是。对γ材钢料韧的性成最分高和，无组明织显敏的感T的k
力学 ，低
温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有
明最差显，的即Tk使，室低温温韧韧性性好差很；低高。强度M钢韧性
三、断裂韧性
传统的零件及结构设计是基于“材料 是一个连续均质的整体”假设之上的，为 防止脆性断裂，除强度要求之外，还加上 了材料的塑性和韧性指标。
赵祥忠 男，原重庆市市政工程质量监督站站长，因工程 重大安全事故罪，被判处有期徒刑5年，并处以罚金2万元。
贺际慎 女，原綦江县人大常委会副主任，因玩忽职守罪， 被判处有期徒刑3年。
费上利 男，“虹桥”工程组织承建者，因工程重大安全 事故罪，被判处有期徒刑10年，并处罚金50万元。
此外，李蒙泽、孙立、段浩、夏福利、阎珂、刘泽均、胡 开明、王远凯等人，及重庆通用工业技术服务部，因重大工程 重大安全事故罪、玩忽职守罪、生产销售不符合安全标准的产 品罪等罪名，被判处6年至10年的有期徒刑，并处以3万至25万 元罚金。
扭转 α＝0.8
单向拉 α＝0.5
τs σk
三向不等拉 α<0.5
σmax
加载方式不同，断裂方式不同
强度 σb, σs
五大力学 性能指标
塑性 δ,ψ
韧性 Ak/ak
实际材料中是存在微裂纹及各种冶金 缺陷的，而其中裂纹是最危险的一类缺陷， 因此有必要研究带裂纹体的问题。
断裂力学
应力强度因子
断裂力学研 究表明：裂 纹尖端的应 力应变场可
用物理量Ｋ
来表征。
σx , σy , τxy εx , εy , γxy
③ 已知应力，裂纹长度，确定结构
安全的材料
KI Y aKIC
断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭 的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型 发电机转子等大型零件的重要性能指标。
四、影脆性断裂的因素
• 加载方式 • 材料本质 • 温度和加载速度 • 应力集中 • 零件尺寸
（一）加载方式和材料本质
单位：MPa·m 1/2 或者 MN ·m-3/2
断裂判据
KI < KIC KI > KIC KI ＝ KIC
构件安全 构件发生脆性断裂 构件发生低应力脆性断裂的临界条件
应用
① 已知应力，材料，确定结构安全的
最大裂纹长度
ac
K IC
Y
2
② 已知裂纹长度，材料，确定结构安全的
最大应力
c
K IC Ya
焊接结构设计中，除了强度的要 求外，规定焊接接头冲击吸收功
Ak > 27J
-59℃ -12℃ 4℃ 16℃ 24℃ 79℃
低强度铁素体钢冲击断口照片
系列冲击试验
奥氏体钢 低强度铁素体钢
冲击吸收功 Ak
高强度钢
Tk
温度 T
温度对材料的韧性影响很大，材料由
韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆
转变温度，Tk。
綦江彩虹桥垮塌案例
1999年3、4月，重庆第一中级人民法院对“綦江彩虹桥垮 塌案”14名责任被告人进行一审宣判。其中10人不服，并上诉。 同年12月，重庆市高院作出终审判决。
林世元 男，原綦江县委员会副书记，因受贿罪、玩忽职 守罪，被高级人民法院终审判处死刑，缓期2年执行。
张基碧 男，原綦江县城乡建设管理委员会主任，因玩忽 职守罪，被判处有期徒刑6年。
第1章机械零件的失效分析2
精品jin
一、基本概念
• 静载荷和冲击载荷 • 断裂：材料在外力作用下分为两
个或者两个以上部分的现象。
• 断裂的分类
力学 宏观 微观
正断
切断
韧断
脆断
微孔聚合 解理 晶间 晶内
綦江彩虹桥垮塌案
• “虹桥”系綦江县形象工程，形似彩虹而得名，
该桥跨越长江支流—綦河，连接城东城西，于 1994年11月5日动工建设，1996年2月16日竣工， 桥净空跨度120米，耗资368万元。
材料力学知识
零件受外力作用时，
其内部各点的应力
状态可用三个主应 力 σ1 、 σ2 、 σ3 来 （ σ1> σ2 > σ3）来 表示。
m ax 1 ( 2 3 )
max
1
2
3
max max
α：应力状态软性系数，零件加载方式由α表示。
τmax
侧压 α>2
单向压 α＝2
τk