机械零部件故障分析

1第二章机械零部件故障分析2.1机械零部件的故障模式分析2.1.1故障模式的基本概念2.1.2机械零件典型故障模式及机理2.2故障原因分析服役条件受力状况载荷类型载荷性质应力状态工作环境设计制造设计材料制造工艺使用维护2静应力故障2.2.1应力状态2.2.2变形故障2.2.3断裂故障2.2.4静应力失效的强度理论2.3疲劳断裂故障2.4磨损故障2.5腐蚀故障32.1机械零部件的故障模式和机理2.1.1故障模式、机理的基本概念国军标GJB451-89《可靠性维修性术语》中，故障模式的定义是：故障的表现型式。更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范的描述。故障机理是指导致产品功能故障或潜在故障的产品自身的那些物理、化学或生物变化过程等直接原因故障原因包括了直接原因和间接原因，后者是指由于其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的间接故障原因应正确区分故障模式与故障原因42.1机械零部件的故障模式和机理2.1.2机械零件典型故障模式及机理按失效的宏观特征，可将零件失效分为变形失效、断裂失效、磨损失效和腐蚀失效四大类。按失效性质和具体特征，每一类型还可以包括几个小类，如图所示。举例说明故障模式及原因，如表所示52.1机械零部件的故障模式和机理机械零件失效变形失效断裂失效过量弹性变形失效过量塑性变形失效脆性断裂失效塑性断裂失效环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆断裂等）疲劳断裂低周疲劳高周疲劳腐蚀疲劳热疲劳高温疲劳冲击断裂蠕变持久断裂磨损失效腐蚀失效均匀腐蚀局部腐蚀氧化磨损粘着磨损磨粒磨损接触疲劳6机械零件故障模式表2-1金属弹簧故障模式、原因分析75种基本载荷类型轴向载荷力在作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩载荷例如，受拉的绳索、受拉或压缩的杆件等等在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。零件上主应力与最大切应力的关系为：主应力/最大切应力=2弯曲载荷垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶），它使零件产生弯曲变形例如，齿轮轮齿的根部、汽车的钢板弹簧等，工作中承受弯曲载荷在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。8基本载荷类型扭转载荷作用在垂直于零件轴线平面内的力偶，它使零件发生扭转变形。例如，传递扭矩的传动轴、圆柱螺旋弹簧等，工作是承受扭转载荷在扭转载荷作用下，横截面上的切应力的分布规律是：从表面最大到横截面中心处为零（这里讲的“中心点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点）剪切载荷使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。表（d）表示螺栓在连接接合面处受剪切，并与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接合面贴紧的情况下可以不考虑。在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的横截面上均匀的。9基本载荷类型接触载荷两个零件表面间的接触有点接触、线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正交压缩载荷称为接触载荷。例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定。实际零件工作中往往不是只受单一载荷作用的，而是同时承受几种类型载荷的复合作用。10应力分布情况载荷类型轴向载荷弯曲载荷扭转载荷剪切载荷接触载荷拉伸压缩压缩悬臂简单弯曲+_+_中性轴中性轴中性轴5种基本载荷类型11载荷性质静载荷缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷冲击载荷以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为能量载荷交变载荷载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其变化可以是周期性的，也可以是无规则的12交变载荷对称循环应力等值交变的拉伸、压缩和剪切应力。例如，弯曲载荷作用下的旋转轴。其最大应力和最小应力数值相等但符号相反，其应力比r=-1脉动循环应力单向应力，其应力值从零变化到最大，r=0。例如一对齿轮传动，转动方向不变时，齿轮的弯曲应力即为脉动循环应力。非对称循环应力应力值由最小到最大变化，最小应力既可能是正值，也可能负值。例如，连杆螺栓所受的应力。随机循环应力实际运转的机器，由于服役条件可能发生变化，例如，开车、停车，工作载荷可能有大有小，运转可能时快时慢，所以交变应力的波形、应力幅大小、方向和周期都随时间而变化。13交变载荷+_0应力辐+_0应力辐minmaxmaa时间时间+_0应力辐时间+_0应力辐时间(a)(b)(c)(d)14断口特征静载荷或冲击载荷作用下发生断裂的断口与交变载荷引起的疲劳断口特征有明显的不同15应力状态零件的应力状态是指通过受载零件任一点所作的各个截面上的应力状态。从不同角度分类，零件的应力状态可分为单向应力，多向应力；“软性”应力状态、“硬性”应力状态等。16点应力定义表示体微元（dx,dy,dz）上应力分布的情况，用符号σ表示垂直于正方体表面的正应力，用符号τ表示平行于正方体表面的剪应力。一般情况下，一个点的三轴应力可用九个应力来表示，如图所示。九个应力分别是：zyxzyyzzxxzyxxy,,,,,,,,172.2静应力故障2.2.1应力状态定义：零件的应力状态是指通过受载零件任一点所作的各个截面上的应力状态分类：从不同角度分类，零件的应力状态可分为单向应力，多向应力等。这里介绍“软性”应力状态、“硬性”应力状态对零件变形及断裂形式的影响182.2.1应力状态通常用软性系数表示最大切应力和最大正应力的比值大小是应力状态的一种标志，称为应力状态的软性系数。把的应力状态称为“软性”应力状态；的应力状态称为“较软性”应力状态；的应力状态称之为“硬性”应力状态。因加载方式的不同，的值不同。表2-2列出了不同加载方式下的软性系数maxmax＝1maxmax1maxmax1maxmax192.2.1应力状态表2-2不同加载方式下的软性系数202.2.2变形故障过量弹性变形零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形，应力与应变（变形量称为应变）之间服从Hooke定律为应力；为应变；为弹性模量特征具有可逆的性质，即加载时产生，卸载后恢复到原状的这种性质在弹性变形过程中，不论是在加载阶段还是在卸载阶段，有的材料弹性变形的应力和应变保持线性对应关系，有的材料则呈非线性的对应关系。无论哪一种，其应力和应变都是单值对应的关系。金属的弹性应变主要发生在弹性阶段，但在塑性变形阶段也伴随着发生一定量E＝E21过量弹性变形防止措施由应力和（或）温度引起的弹性变形而导致失效的责任，几乎全部在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，故防止措施主要应从设计方面考虑选择合适的材料或结构确定适当的匹配尺寸采用减小变形影响的转接件222.2.2变形故障屈服失效定义零件受力后，应力较低时产生弹性变形，当外力增大到一定程度时，将产生不可恢复的变形——塑性变形。由塑性变形引起的失效称为屈服失效特征：失效件有明显的塑性变形防止及改进措施降低实际应力提高材料的屈服强度232.2.3断裂故障塑性断裂塑性断裂失效：当零件所受实际应力高于材料的屈服强度时，将产生塑性变形。如果应力进一步增加，并且该零件与其他零部件的匹配关系又允许时，塑性变形将继续进行，就可能发生断裂（破裂）。特征在裂纹或断口附近有宏观塑性变形，或者在塑性变形（截面收缩）处有用肉眼或探伤仪能检测出的裂纹用扫描电镜观察，断口上存在大面积的韧窝用高倍金相显微镜观察，裂纹或断口附近的组织有明显的塑性变形层242.2.3断裂故障塑性断裂改进措施除了与屈服失效相同的改进措施外，应在设计上采用变形限位装置或者增加变形保护报警系统等不同加载方式下的断裂情况，如表所示零件材料的强度指标（剪切屈服强度、切断抗力和正断抗力）与外加载荷所产生的应力状态如何配合，决定零件的断裂形式。决定断裂形式的力学状态图如图所示skmax252.2.3断裂故障——塑性断裂表2-3不同加载方式下出现正断或切断的情况262.2.3断裂故障——塑性断裂图决定断裂形式的力学状态图扭转12141正应力切应力ABCO切断抗力(材料甲和乙)剪切屈服强度(材料甲和乙)拉伸缺口拉伸正断抗力(材料甲)正断抗力(材料乙)maxmax＝272.2.3断裂故障脆性断裂定义：是指断裂前没有明显塑性变形的断裂形式。断裂应力低于材料屈服强度，因此称为低应力脆断特征：断裂部位在宏观上几乎看不出或者完全没有塑性变形，碎块断口可以拼合复原起裂部位常在变截面处即应力集中部位，或者存在表面缺陷或内部缺陷处形成平断口，断口平面与主应力方向垂直断口呈细瓷状，较光亮，对着光线转动，可看到闪光刻画，无剪切唇断裂常发生于低温条件下，或受冲击载荷作用时断裂过程瞬间完成，无预兆282.2.3断裂故障脆性断裂防止和改进措施从设计上考虑，应保证工作温度高于材料的脆性转变温度，对在低温下工作的零件应选用脆性转变温度比工作温度更低的材料；尽量避免三向应力的工作条件，减缓应力集中从工艺上考虑，应正确执行工艺规程，避免诸如过热、过烧、回火脆性、焊接裂纹及淬火裂纹等。热加工后需要回火的，应及时回火，消除内力。对于电镀件应及时进行去氢处理从操作上考虑，应遵守设计规定的使用条件，操作平稳，尽量避免冲击载荷292.2.4静应力失效的强度理论二十世纪以来，提出了很多通过机械零件在多轴应力状态下的关键点预计失效的模型。关键点的多轴应力如图所示，应力是在给定方向的单位面积内给所受内力的大小图表示体微元（dx,dy,dz）上应力分布的情况，用符号σ表示垂直于正方体表面的正应力，用符号τ表示平行于正方体表面的剪应力。一般情况下，一个点的三轴应力可用九个应力来表示，如图所示。九个应力分别是：zyxzyyzzxxzyxxy,,,,,,,,302.2.4静应力失效的强度理论图点应力的完整定义312.2.4静应力失效的强度理论最大正应力理论该理论可以表达为：“当构件在多轴应力状态下的最大正应力大于或等于其在单轴应力状态下的最大正应力时即发生失效。”数学表达式如下：（压应力取负值，拉应力取正值）当成立时，发生失效为最大正应力为韧性材料的拉伸屈服强度或脆性材料的拉伸强度极限为韧性材料的受压屈服强度或脆性材料的受压断裂强度极限ctctct231211或321,,tc322.2.4静应力失效的强度理论变形能理论（八面体剪应力理论）变形能理论假设单元总应变能u由两部分组成：只与形状变化相关的变形能ud，和只与体积变化相关的变形能uv。因此，单元变形能：u=ud+uv变形能理论认为：在多轴应力状态下，单位体积的变形能ud大于或者等于单轴应力下的变形能时，即发生失效。变形能数学公式如下，当下式成立时，发生失效为最大正应力为单轴屈服应力222212233112ff321,,332.2.4静应力失效的强度理论最大正应变理论最大正应变理论认为：引起材料断裂的主要因素是最大正应变，而且，不论材料处于何种应力状态，只要最大正应变达到材料单向拉伸断裂时的最大正应力，材料即发生断裂。按此理论，材料的断裂条件为（1）对于铸铁等脆性材料，从受力直到断裂，其应力、应变关系基本符合虎克定律。所以，复杂应力状态下的最大正应变为（2）1o1o1132111E＝34最大正应变理论材料在单向拉伸断裂时的最大正应变则为（3）将式（2）、（3）代人式（1），得（4）此即用主应力表示的断裂条件由式（4）并考虑安全系数后，得相应的强度条件为（5）代表构件危险点处的主应力；为单向拉伸时材料的许用应力。Ebo1b＝