机械零件的失效形式

机械零件失效形式及诊断1. 引言机械零件是任何机械设备中最关键的组成部分之一。

随着机械设备的运行时间增加，零件的失效概率也会增加。

因此，了解机械零件的失效形式以及如何进行诊断对于设备的维护和保养至关重要。

本文将讨论常见的机械零件失效形式以及相应的诊断方法，希望能给读者提供一些有益的知识和实用的技巧。

2. 机械零件失效形式2.1 磨损失效磨损是机械设备常见的失效形式之一。

机械零件在长时间的摩擦和磨损中会出现磨损现象，导致零件尺寸变小、表面质量下降等问题。

常见的磨损形式包括表面磨损、疲劳磨损和焊接磨损等。

2.2 塑性变形失效塑性变形是指机械零件在受外力作用下发生塑性变形，导致零件形状和尺寸的永久性变化。

塑性变形常见的形式有弯曲、扭转和压扁等。

2.3 断裂失效断裂是机械设备中最严重的失效形式之一。

机械零件在受到较大的外力作用下可能会发生断裂，导致机械设备无法正常工作。

常见的断裂形式包括静态断裂、疲劳断裂和韧性断裂等。

2.4 腐蚀失效腐蚀是指机械零件在介质中受到化学反应导致金属表面发生腐蚀破坏的现象。

腐蚀会导致机械零件的表面质量下降、尺寸变化等问题。

3. 机械零件失效的诊断方法3.1 监测技术通过使用各种监测技术，可以实时监测机械零件的工作状态和性能参数。

这些监测技术包括振动监测、噪声监测、温度监测等。

通过对监测数据的分析和比对，可以及时发现机械零件的异常情况，进而进行相应的维修和更换。

3.2 检查和观察定期的检查和观察是诊断机械零件失效的有效方法之一。

通过检查和观察，可以发现机械零件的磨损、变形、断裂等异常情况。

同时，还可以观察机械零件的润滑情况、磨损程度等。

这些信息对于及时诊断并防止机械零件失效具有重要意义。

3.3 非破坏性检测技术非破坏性检测技术可以在不破坏机械零件的情况下检测其内部的缺陷和损伤。

这些技术包括超声波检测、磁粉检测、射线检测等。

通过分析和评估检测结果，可以及时发现机械零件的问题，并采取相应的修复措施。

机械零件的失效分析失效：零件或部件失去应有的功效零件在工作过程中最终都要发生失效。

所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。

只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。

一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。

失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。

根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。

一、零件的失效形式失效形式分3种基本类型：变形、断裂和表面损伤。

1、变形失效与选材（机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效）①弹性变形失效（由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效）弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。

金刚石与陶瓷的弹性模量最高，其次是难溶金属、钢铁，有色金属则较低，有机高分子材料的弹性模量最低。

因此，作为结构件，从刚度及经济角度看，选择钢铁是比较合适。

②塑性变形失效（零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效）塑性变形失效是零件中的工作应力超过材料的屈服迁都的结果。

一般陶瓷材料的屈服强度很高，但脆性非常大，因此，不能用来制造高强度结构件。

有机高分子材料的强度很低，最高强度的塑料也不超过铝合金。

因此，目前用作高强度结构的主要材料还是钢铁。

2、断裂失效①塑性断裂零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂；②脆性断裂脆性断裂发生时，事先不产生明显的塑性变形，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断；③疲劳断裂在低于材料屈服强度的交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂；④蠕变断裂在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效；3、表面损伤①磨损失效磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。

机械零件的主要失效形式有：根断表面压碎表面点蚀塑性变形过量弹性形变共振过热和过量磨损等平键按用途分为平键导键滑键普通平键用于静联接，即轴与轴上零件之间没有先对移动。

按端部形状不同分为A型（圆头） B型（平头） C型（单圆头） 3种导键和滑键均用于动联接。

导键适用于轴上零件轴向位移量不大的场合；滑键用于轴上零件轴向位移较大的场合。

平键的宽度应根据轴的直径选取润滑剂的主要作用是减小抹茶，磨损，降低工作表面温度。

常用的润滑剂有：液体润滑剂，半固体润滑剂，固体润滑剂，气体润滑剂径向滑动轴承动压油膜的形成过程静止时，轴与轴承孔自然形成油楔；刚启动，速度低。

由于轴径与轴承之间摩擦，轴承沿轴承孔上爬。

随着速度增大，被轴径带动起来的润滑油进入楔形间隙并产生东亚力将轴径推离，形成动压油膜。

提高螺纹连接强度的措施有：1. 改善螺纹牙间的载荷分配;2. 减小螺栓的应力幅3. 采用合理的制造工艺（冷镦，液压，冷作硬化）4. 避免附加弯曲应力5. 减小应力集中的影响6. 氰化氮化，喷丸等表面硬化处理改善螺纹牙间的载荷分配，避免附加弯曲应力是针对静强度，其余是疲劳强度当螺纹公称直径，牙型角，螺纹线数相同时，细牙螺纹的自锁性能比粗牙螺纹的自锁性能好螺纹联接的主要类型有1. 螺栓联接，常用语被联接件不太厚和周边有足够装配空间的场合2. 双头螺栓联接，用于常装拆或结构上受限制不能采用螺栓联接的场合3. 螺钉联接，用于不经常装拆联接的场合4. 紧定螺钉联接，多用于轴和轴上零件的联结，可传递不大的力和转矩对于普通螺栓组联接，当被联接件受横向工作载荷作用时，其螺栓本身主要受拉应力。

带传动中的两种滑动弹性滑动：带传动中，拉力差使带的弹性型变量变动，而引起带与带轮之间的相对滑动，称为弹性滑动。

使带传动比不精确，且使带与带轮之间产生磨损；打滑：当外界传递功率过大，所需有效拉力大于极限有效拉力时，带与带轮之间的显著滑动。

使带传动失效，但起过载保护作用。

1.机械零件的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳）、破坏正常工作条件引起的失效2.设计零件应满足的要求：避免在预定寿命期内失效的要求（强度、刚度、寿命）、结构工艺性要求、经济性要求、质量小的要求、可靠性要求3.零件的设计准则：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则4.零件的设计方法：理论设计、经验设计、模型试验设计5.机械零件常用的材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料6.零件的强度分为：静应力强度和变应力强度7.应力比r=-1为对称循环应力；r=0为脉动循环应力8.BC阶段为应变疲劳（低周疲劳）；CD为有限寿命疲劳阶段；D点以后的线段代表了试件无限寿命疲劳阶段；D点为持久疲劳极限9.提高零件疲劳强度的措施：尽可能降低零件上应力集中的影响（减载槽、开环槽）、选用疲劳强度高的材料和规定能提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺10.滑动摩擦：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦及混合摩擦11.零件的磨损过程：磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段；应该力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来12.磨损的分类：粘附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损13.润滑剂分为：气体、液体、固体和半固体四种；润滑脂分为：钙基润滑脂、纳基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂14.普通连接螺纹牙型为等边三角形，自锁性较好；矩形传动螺纹的传动效率比其他螺纹高；梯形传动螺纹是最常用的传动螺纹15.常用的连接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹16.普通螺栓连接（被连接件上开有通孔或铰制孔）、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接17.螺纹连接预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或相对滑移。

螺纹连接放松的根本问题：防止螺旋副在受载时发生相对转动。

（摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松）18.提高螺纹连接强度的措施：降低影响螺栓疲劳强度的应力幅（减少螺栓刚度或增大被连接件刚度）、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象、减小应力集中的影响、采用合理的制造工艺19.键连接类型：平键连接（两侧面是工作面）、半圆键连接、锲键连接、切向键连接20.带传动分为：摩擦型和啮合型21.带的瞬间最大应力发生在带的紧边开始绕上小带轮处；带一周，应力变化四次22.V带传动的张紧：定期张紧装置、自动张紧装置、采用张紧轮的张紧装置23.滚子链的链节数一般为偶数（链轮的齿数取奇数），滚子链为奇数时采用过度链节24.链传动张紧的目的：避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条振动现象，同时为了增加链条与链轮的啮合包角25.齿轮的失效形式：轮齿折断、齿面磨损（开式齿轮）、齿面点蚀（闭式齿轮）、齿面胶合、塑性变形（从动轮出现脊棱、主动轮出现沟槽）26.齿轮工作面的硬度大于350HBS或38HRS的称为硬面齿；反之为软齿面齿轮27.提高制造精度，减小齿轮直径以降低圆周速度，均可减小动载荷；为了减小动载荷，可将齿轮进行齿顶修缘；将齿轮的轮齿做成鼓形是为了改善齿向载荷分布28.Tanr=z1:q（直径系数）导程角越大，效率越高，自锁性越差29.对蜗轮进行变位，变位后蜗轮的分度圆和节园仍旧重合，只是蜗杆的节线有所改变不再与其分度圆重合30.蜗杆传动的失效形式：点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损；失效经常发生在蜗轮上31.闭式蜗杆传动的功率损耗：啮合磨损损耗、轴承磨损损耗、进入油池中的零件搅油时的溅油损耗32.蜗杆传动必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量条件进行热平衡计算措施：加装散热片以及增大散热面积、在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流动、在传动箱内装循环冷却管路33.形成液体动力润滑的条件：相对滑动的两表面必须形成收敛的锲形间隙；被油膜分开的两表面必须有足够的相对滑动速度，其运动必须使润滑油由大口流进小口流出；润滑油必须有一定的粘度，供油要充分34.滚动轴承的基本结构：内圈、外圈、液动体、保持架35. 3圆锥滚子轴承、5推力球轴承、6深沟球轴承、7角接触轴承、N圆柱滚子轴承00、01、02、03分别d=10mm、12mm、15mm、17mm 04表示d=20mm，12表示d=60mm 36.基本额定寿命：一组轴承中百分之十的轴承发生点蚀破坏，而百分之九十的不发生点蚀破坏的转速或工作小时数作为轴承的寿命37.基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷38.轴承配置方法：双支点各单向固定、一支点双向固定另一端支点游动、两端游动支承39.轴承按载荷分：转轴（弯矩和扭矩）、心轴（弯矩）、传动轴（扭矩）。

期末练习题一、填空1、机械零件的失效形式主要表现为磨损、变形、断裂。

2、通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损五种形式。

3、磨损分为三个阶段磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。

4、影响粘着磨损的因素摩擦表面的状态、摩擦表面材料和金相组织。

5、磨料磨损的机理微量切削、疲劳破坏、压痕破坏、断裂。

6、磨料磨损分为凿削式、高应力碾碎式和低应力擦伤式三类7、磨料磨损的影响因素磨料、摩擦表面材料。

8、疲劳磨损的机理滚动接触疲劳磨损、滚滑接触疲劳磨损。

滚滑接触疲劳磨损分为两类非扩展性疲劳磨损、扩展性疲劳磨损。

9、影响接触疲劳磨损的主要因素材质、接触表面粗糙度、表面残余内应力其他因素。

10、减轻腐蚀危害的措施：正确选材、合理设计、覆盖保护层、电化学保护、添加缓冲剂、改变环境条件。

11、影响氧化磨损的因素氧化膜生长的速度与厚度、氧化膜的性质、硬度。

12、影响微动磨损的因素：振幅、载荷、温度、润滑、材质性能。

13、金属零件的断裂分为延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、环境断裂。

14、金属零件的腐蚀损伤分为化学腐蚀、电化学腐蚀、气蚀。

15、机械零件的变形分为弹性变形和塑性变形，其中塑性变形又可分为翘曲变形、体积变形、时效变形。

二、选择1、下列哪种形式不属于磨损的五种形式之一。

（C ）A、磨料磨损B、粘着磨损C、断裂磨损D、疲劳磨损2、（ D ）是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离微片或颗粒的一种磨损。

A、微动磨损B、粘着磨损C、腐蚀磨损D、疲劳磨损3、腐蚀磨损可分为（ C ）和特殊介质下腐蚀磨损两大类。

A、酸碱液磨损B、氧化气体磨损C、氧化磨损D、介质磨损4、微动磨损是一种有磨料磨损，粘着磨损和（ A ）的复合磨损形式。

A、氧化磨损B、疲劳磨损C、断裂磨损D、腐蚀磨损5、下列哪一项不属于影响微动磨损的主要因素。

（B ）A、振幅B、氧化膜C、温度D、材质性能6、（A ）是一种危险的失效形式。

失效：在规定的工作条件下不能正常的工作叫做失效。

失效形式有：
断裂：占总失效的5％
零件在（拉、压、弯、扭）付载荷作用下，σ> σB（材料的强度极限）就可能发生断裂。

疲劳断裂过载
例如：
齿轮
传动
（轮
齿断
裂）
东风
４牵
动齿
轮断
裂
东风
型垂
直齿
轮断
裂
螺栓
断裂
车辆
切轴
过大的残余变形
在付载荷的作用下σ> σS则产生残余变形。

例如：
重载轮齿面齿轮传动，齿面塑性变形
轮齿面在冲击载荷下倒牙。

零件的表面破坏：占74％
磨损表面物质的转移或丧失
表面磨损：牵引齿轮
轮承磨损：拖拉机25％
轮滚钢轨
接触疲劳：在接触变应力长期作用下
齿面点蚀轴承点蚀
腐蚀：在有害介质中
柴油机缸套生锈
正常工作条件破坏引起的失效
动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏
带传动：过载打滑
高速回转零件：共振
一般：每一种零件在不同的工作条件下有不同的失效形式。

主要失效形式：磨损疲劳（点蚀、断裂）腐蚀
讲失效是为了防止失效，可以从材料、热处理工艺、结构润滑等方面采取措施防止失效。

机械零件失效形式1、整体断裂2、过大的弹性变形或残余变形3、零件表面的破坏4、不能满足工作条件所导致的失机械零件设计计算准则1、强度准则2、刚度准则3、寿命准则4、振动稳定性准则5、可靠性准则螺纹联接的主要失效形式有（1）螺栓联接的松动。

（2）螺栓杆的拉断。

（3）螺栓杆或螺栓孔的压溃。

（4）螺栓杆的剪断。

（5）因经常拆卸而发生滑扣现象。

其中，（1）（2）为静载时的主要失效形式；（3）（4）为铰制孔用联接时的主要失效形式。

螺纹联接的设计准则：考虑螺纹联接要有适当的拧紧力矩和放松措施，通过强度计算来确定螺栓的直径；对受剪螺栓，还要进行剪切强度和挤压强度校核平键的失效形式：压溃（静联接）、磨损（动联接）、剪短带传动的失效形式：打滑和疲劳破坏带传动设计准则：在保证不打滑的条件下，带传动具有一定的疲劳强度和寿命链传动失效形式：1、链板滚子与套筒疲劳破坏2、销轴与套筒间的磨损3、销轴与套筒的搅合4、链条静强度破断对于中高速链传动，通常按许用功率进行设计计算。

而低速链传动则按其静强度进行设计计算齿轮失效的主要形式有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形对于闭式软齿面齿轮传动，其失效形式主要是齿面点蚀，其次是轮齿折断，故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，确定齿轮的主要几何参数后，再校核齿根弯曲疲劳强度。

对于闭式硬齿面齿轮传动，其失效形式主要是轮齿折断，其次是齿面点蚀，故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，确定齿轮的主要几何参数后，再校核齿面接触疲劳强度。

对于高速重载齿轮传动，可能出现齿面胶合，故还需校核齿面胶合强度闭式蜗杆传动失效形式：齿面胶合、点蚀和磨损设计准则：按齿面接触疲劳强度条件计算蜗杆传动的承载能力，在选择许用应力时，适当考虑胶合和磨损的影响，同时应进行热平衡计算轴的形式有断裂、磨损、震动、变形。

轴设计要求设有：具有足够的强度和刚度、良好的振动稳定性和合理的结构。

转轴的失效形式为交变应力下的疲劳断裂，工作性能取决于疲劳强度轴的结构设计原则①轴应便于加工，轴上零件应便于装拆和调整（制造安装要求）；②轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）；③各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）；④改善受力状况，减小应力集中联轴器的基本功用是：连接轴与轴、轴与其他回转零件一起转动，并传递运动和动力。

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。

当机件在载荷（包括机械载荷、热载荷、腐蚀及综合载荷等）作用下丧失最初规定的功能时，即称为失效。

一个机件处于下列三种状态之一就认为是失效，这三个条件可以作为机件失效与否的判断原则：1.完全不能工作。

2.不能按确定的规范完成规定功能。

3.不能可靠和安全地继续使用。

机械零件失效的基本形式一般机械零件的失效形式是按失效件的外部形态特征来分类的，大体包括：磨损失效、断裂失效、腐蚀失效和畸变失效。

在生产实践中，最主要的失效形式是零件工作表面的磨损失效，而最危险的失效形式是瞬间出现裂纹和破断，统称为断裂失效。

1.零件的磨损失效摩擦与磨损是自然界的一种普遍现象。

当零件之间或零件与其他物质之间相互接触，并产生相对运动时，就称为摩擦。

零件的摩擦表面上出现材料耗损的现象称为零件的磨损。

材料磨损包括两个方面：一是材料组织结构的损坏，二是尺寸、形状及表面质量（粗糙度）的变化。

如果零件的磨损超过了某一限度，就会丧失其规定的功能，引起设备性能下降或不能工作，这种情形即称为磨损失效。

根据摩擦学理论，零件磨损按其性质可以分为磨料磨损、粘着磨损、微动磨损、冲蚀磨损和腐蚀磨损。

①磨料磨损：零件表面与磨料相互摩擦，而引起表层材料损失的现象称为磨料磨损或磨粒磨损。

磨料也包括对零件表面上硬的微凸体。

在磨损失效中，磨料磨损失效是最常见、危害最为严重的一种。

②粘着磨损：粘着磨损是指两个作相对滑动的表面，在局部发生相互焊合，使一个表面的材料转移到另一个表面所引起的磨损。

③疲劳磨损：当摩擦副两接触表面做相对滚动或滑动时，周期性的载荷使接触区受到很大的交变接触应力，使金属表层产生疲劳裂纹并不断扩展、引起表层材料脱落，造成点蚀和剥落，这一现象称为表面疲劳磨损。

④微动磨损：微动磨损是两固定接触面上出现相对小幅振动而造成的表面损伤，主要发生在宏观相对静止的零件结合面上。