零件的失效形式

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。

汽车零件失效的五种形式：一、磨损：零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的现象称为磨损，它包括物理的、化学的、机械的、冶金的综合作用。

对于一个表面的磨损，可能是由于单独的磨损机理造成的，也可能是由于综合的磨损机理造成的。

磨损的发生将造成零件形状、尺寸及表面性质的变化，使零件的工作性能逐渐降低。

二、腐蚀：金属零件的腐蚀是指表面与周围介质起化学或电化学作用而发生的表面破坏现象。

腐蚀损伤总是从金属表面开始，然后或快或慢地往里深入，并使表面的外形发生变化，出现不规则形状的凹洞、斑点等破坏区域。

腐蚀的结果使金属表面产生新物质，时间长久将导致零件被破坏。

三、穴蚀：穴蚀是一种比较复杂的破坏现象，它是机械、化学、电化学等共同作用的结果。

当液体中含有杂质或磨料时会加速破坏过程。

穴蚀常发生在柴油机缸套的外壁、水泵零件、水轮机叶片、液压泵等处。

四、断裂断裂是零件在机械力、热、磁、声响、腐蚀等单独或联合作用下，发生局部开裂或分成几部分的现象。

断裂是零件破坏的重要原因致意，它是金属材料在不同情况下，当局部裂纹发展到零件裂缝尺寸时，剩余截面所承受的外载荷超过其强度极限而导致的完全断裂。

断裂是零件使用过程中的一种最危险的破坏形式。

断裂往往会造成重大事故，产生严重后果。

五、变形多年的维修实践证实，虽然将磨损的零件进行修复，恢复了原来的尺寸、形状和配合性质，但装配皇后仍达不到预期的效果。

出现这种情况，通常是由于零件变形，特别是基础零件变形，使零部件之间的相互位置精度遭到破坏，影响了各组成零件之间的相互关系。

在高科技迅速发展的今天，变形问题将越来越突出，它已成为维修质量低、大修周期短的一个重要原因。

汽车各类易损件：一、发动损件：（1）气缸体：除气缸正常磨损可进行镗磨加大尺寸予以修理外，在冬季因缸体未放尽积水被冻裂，运行中因气缸缺少冷缺冷却水被过热膨胀裂缝漏水，以及在行车事故中被碰撞损坏和孔孔径数次镗销扩大至极限。

（2）气缸套：常见故障有缸孔自然磨损、外径压配不当漏水（湿式缸套）、缸壁因敲缸损伤，或在突发情况下如连杆螺栓松脱被连杆击穿等。

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。

机械设计：20个基础知识点1、机械零件的失效形式有哪些？（一）整体断裂（二）过大的残余变形（三）零件的表面破坏（四）破坏正常工作条件引起的失效2、为什么螺纹联接常需要防松？防松的实质是什么？有哪几种防松措施？答：一般螺纹连接能满足自锁条件而不会自动松脱，但在受振动或冲击载荷下，或是温度变化较大时，连接螺母可能会逐渐松动。

螺纹松动的主要原因是螺纹副之间的相对转动造成的，因此在实际设计时，必须采用防松措施，常采用的措施主要有以下几点：1、摩擦防松---保持螺纹副之间的摩擦力以防松，如添加弹簧垫圈，对顶双螺母；2、机械防松---采用止动零件来保证防松，常采用的是槽形螺母和开口销等；3、破坏螺纹副防松---破坏及改变螺纹副关系，例如冲击法。

3、螺纹联接中拧紧目的是什么？举出几种控制拧紧力的方法。

答：螺纹连接中拧紧的目的是让螺栓产生预紧力，预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑动。

控制拧紧力的有效方法是测力矩扳手或定力矩扳手，当达到需要的力矩时，锁紧即可；或者采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。

4、带传动的弹性滑动与打滑有何区别？设计V带传动时，为什么要限制小带轮的dmin？答：弹性滑动是带传动的固有特性，是不可避免的。

当存在拉力差并且带是弹性体，就会发生弹性滑动现象。

打滑是由于过载造成的，是一种失效形式，是可以避免的，而且必须避免。

原因：打滑发生在小带轮上，外载越大，两边的拉力差就越大，就导致弹性滑动区增大，当包角内都发生弹性滑动现象时就发生打滑现象。

弹性滑动是量变，打滑是质变。

小轮直径小，包角小，摩擦接触面积小，容易打滑。

5、为什么灰铸铁和铝铁青铜涡轮的许用接触应力与齿面的滑动速度有关？答：因为：灰铸铁和铝铁青铜涡轮的主要失效形式是齿面胶合，而发生胶合与滑动的速度有关，所以其许用接触应力和齿向滑动速度有关。

铸锡青铜涡轮的主要失效形式是齿面点蚀，其发生是由接触应力所致，故许用接触应力和滑动速度无关。

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。

简要说明零件的主要失效形式。

零件的主要失效形式可以分为以下几类：
1. 断裂：零件在工作过程中由于应力过大而发生断裂破坏。

2. 磨损：零件在工作过程中由于摩擦力作用而发生磨损。

3. 腐蚀：零件在工作过程中受到腐蚀剂的侵蚀，使其加工性能下降。

4. 疲劳：零件在长时间工作过程中由于反复应力作用而发生疲劳破坏。

5. 过热：零件在工作过程中由于温度过高而发生过热破坏。

6. 过载：零件在工作过程中承受的负荷过大，导致结构破坏。

7. 拉伸和压缩：零件在工作过程中由于拉伸或压缩力作用而发生变形或破坏。

1．2．1机械零件的主要失效形式机械零件由于各种原因而不能正常工作称为失效。

机械零件的失效形式主要有：(1)整体断裂零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂；或者零件在受交变应力作用时，危险截面上发生的疲劳断裂均属此类。

(2)过大的残余变形如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变形。

机床上夹持定位零件的过大的残余变形，要降低加工精度；高速转子轴的残余挠曲变形，将增大不平衡度，并进一步引起零件的变形。

(3)零件的表面破坏零件的表面破坏主要有腐蚀、磨损和接触疲劳。

腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。

磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。

零件表面的接触疲劳，是指受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。

腐蚀、磨损和接触疲劳都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。

零件到底会发生哪种形式的失效，与很多因素有关，并且在不同行业和不同的机器上也不尽相同。

从有关统计分类结果来看，由于腐蚀、磨损和各种疲劳破坏所引起的失效就占了73.88％，而由于断裂所引起的失效只占4.79％。

所以可以说，腐蚀、磨损和疲劳是引起零件失效的主要原因。

1．2．2机械零件的计算准则设计零件所依据的计算准则，是与零件的失效形式紧密联系在一起的，针对不同的失效形式，提出不同的计算准则。

(1)强度准则强度是衡量机械零件工作能力最基本的计算准则。

它是指受载后零件中的应力不得超过允许的极限。

判断机械零件的强度条件有两种形式：σ≤[σ] (1—1)s≥[S] (1—2)σ―计算应力，泛指拉压应力σ、剪切应力τ、弯曲应力σb、扭转应力τT，、挤压应力σp、接触应力σH、当量应力σe以及应力幅σa等。

[σ] ―许用应力S ―安全系数[S] ―许用安全系数许用安全系数[S]是为了考虑在强度计算中一系列不确定的因素：计算所用力学模型的精确性；推导公式忽略一些影响因素的程度；所用载荷的精确性；材料机械性能的均匀性和准确性；零件的重要性等等。

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。