故障診斷與失效

1、故障診斷與失效分析故障診斷與失效分析 何柏林教授何柏林教授/博士博士 華東交通大學(xué)華東交通大學(xué)1. 故障診斷與失效分析概述故障診斷與失效分析概述2. 斷口分析斷口分析3.磨損分析磨損分析 主要內(nèi)容主要內(nèi)容4.失效分析的系統(tǒng)工程方法失效分析的系統(tǒng)工程方法 第一章故障診斷與失效分析概述第一章故障診斷與失效分析概述第一節(jié)失效分析的意義及名詞失效分析的意義及名詞 1失效 產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能（包括規(guī)定功能的完全喪失，也包括規(guī)定功能的降低）稱為失效，對于可修復(fù)的產(chǎn)品，通常稱之為故障。o失效:涉及到產(chǎn)品、可修復(fù)產(chǎn)品、功能、規(guī)定的功能和喪失等幾個概念。o產(chǎn)品：按ISO9000定義

2、，產(chǎn)品是過程的輸出。產(chǎn)品一詞在失效分析及其相關(guān)領(lǐng)域特指成品。o可修復(fù)產(chǎn)品：當產(chǎn)品喪失規(guī)定功能時，按規(guī)定的程序和方法進行維修后，可恢復(fù)規(guī)定功能的產(chǎn)品。一個產(chǎn)品是否需要修復(fù)，是一個相對的概念，受到多方面因素的制約。首先要看技術(shù)上是否可行，其次要看經(jīng)濟上是否合理，再次要看時間上是否允許等等。o功能：功能是指作為產(chǎn)品必須完成的事項，指產(chǎn)品的功用和用途。o規(guī)定的功能：規(guī)定的功能是指國家有關(guān)法規(guī)、質(zhì)量標準、技術(shù)文件以及合同規(guī)定的對產(chǎn)品適用、安全和其它特性的要求。它既是產(chǎn)品質(zhì)量的核心，也是產(chǎn)品是否失效的判據(jù)。o喪失：產(chǎn)品在商品流通或使用過程中失去了原有規(guī)定的功能（或降低到規(guī)定功能以下），也就是說，產(chǎn)品規(guī)定的

3、功能有一個從有到無、從合格到不合格的過程。這種功能的喪失可能是暫時的、簡短的或永久性的；可能是部分的、全部的；喪失可能快也可能慢；喪失規(guī)定的功能，經(jīng)過修理后有可能恢復(fù)，也可能無法恢復(fù)。 失效的種類是很多的。一般情況失效可作如下分類。1.1按失效原因劃分誤用失效：未按規(guī)定條件使用產(chǎn)品而引起的失效；本質(zhì)失效：由于產(chǎn)品本身固有的弱點而引起的失效，與是否按規(guī)定條件使用無關(guān)；早期失效：由于產(chǎn)品在設(shè)計、制造或檢驗方面的缺陷等原因而引起的失效。一般情況下，新產(chǎn)品在研究和試制階段出現(xiàn)的失效，多為早期失效。一般來說，早期失效可通過強化試驗找出失效原因并加以排除。偶然時效（隨機失效）：產(chǎn)品因為偶然因素而發(fā)生失效，

4、通常是產(chǎn)品完全喪失規(guī)定功能。既不能通過強化試驗加以排除，采取良好維護措施也不能避免，在什么時候發(fā)生也無法判斷。耗損失效：產(chǎn)品由于磨損、疲勞、老化、損耗等原因而引起的失效，它往往是產(chǎn)品的輸出特性變壞，但仍有一定的工作能力。 1.2按失效程度劃分完全失效：完全喪失規(guī)定功能的失效；部分失效：產(chǎn)品的性能偏離某種規(guī)定的界限，但尚未完全喪失規(guī)定功能的失效。1.3按失效的時間特性劃分突然失效：通過事先的檢測或監(jiān)控不能預(yù)測到的失效；漸變失效：通過事先的檢測或監(jiān)控就可以預(yù)料到的失效。產(chǎn)品的規(guī)定功能是逐漸減退的，但開始該過程的時間不明顯。 1.4按失效后果的嚴重程度劃分致命失效：導(dǎo)致重大損失的失效；嚴重失效：能導(dǎo)

5、致復(fù)雜產(chǎn)品完成規(guī)定功能的能力降低的產(chǎn)品組成單元的失效；輕度失效：指不致引起復(fù)雜產(chǎn)品完成規(guī)定功能的能力降低的產(chǎn)品組成單元的失效。1.5按失效的獨立性劃分獨立失效：不是因為其它產(chǎn)品的失效而引起的本產(chǎn)品的失效；從屬失效：是因為其它產(chǎn)品的失效而引起的本產(chǎn)品的失效。1.6按失效的關(guān)聯(lián)性劃分關(guān)聯(lián)失效：在解釋試驗結(jié)果或計算可靠性特征數(shù)值時必須計入的失效；非關(guān)聯(lián)失效：在解釋試驗結(jié)果或計算可靠性特征數(shù)值時不應(yīng)計入的失效； 產(chǎn)品的零件失效，并不總會引起產(chǎn)品的不可靠。對于復(fù)雜的產(chǎn)品，會有這樣的零件，它的失效不一定會引起產(chǎn)品基本特性偏離規(guī)定界限之外。例如，車廂內(nèi)的照明燈，對于汽車的可靠性沒有影響，在計算產(chǎn)品的可靠性時

6、，該零件的失效不予考慮。 2失效分析 o機件失效，特別是那些事先沒有明顯征兆的失效，有時會帶來巨大的經(jīng)濟損失，甚至會造成嚴重的人身事故。因此，對失效的零件進行分析，找出失效原因，提出改進和防范措施，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量，杜絕類似事故再次發(fā)生是十分重要的。o 失效分析的目的不只是要判斷機件的失效原因，更重要的是為預(yù)防失效找到有效的途徑。前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的繼續(xù)，兩者是不可分割的。 2.1失效分析的定義： 研究產(chǎn)品潛在的或顯在的失效機理，發(fā)生率及失效的影響，或為決定改進措施而進行的系統(tǒng)調(diào)查研究。 潛在的和顯在的事前、事中、事后分析 談到失效分析，往往只著眼于工程中、試驗或使用后發(fā)生的顯在異常

7、或失效。但從預(yù)防的角度來看，應(yīng)盡量追溯其起源、源流，“抓住不好的苗頭”。即應(yīng)重視包括預(yù)測和預(yù)報技術(shù)（模擬、環(huán)境試驗、有限元、應(yīng)力分析、FMEA(Failure Mode and Effect Analysis,失效模式及效應(yīng)分析)、FTA（Failure Tree Analysis，故障樹分析）、FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Analysis，失效模式、效應(yīng)及危害度分析）、ETA等）的事前和事中的失效分析。 o事前分析：應(yīng)用于設(shè)計、開發(fā)、制造階段的預(yù)測分析。主要包括：工程計算、可靠度計算、故障率的評價、FTA、FMEA、ETA等，以及零部件

8、外購階段的評價和認定等外購管理。o事中分析：在制造階段中的制造、生產(chǎn)設(shè)備，使用中產(chǎn)品異常的預(yù)測、狀態(tài)監(jiān)視維護及狀態(tài)監(jiān)視。o事后分析：事后通過追究制造、試驗和使用等各階段發(fā)生不良情況和異常情況，以及失效現(xiàn)場分析，根據(jù)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及再現(xiàn)實驗提出進一步改善的措施。o最典型的失效分析是事后分析，以失效分析的目的上看，它是改善和排除失效原因的預(yù)防工作。機理、發(fā)生率、失效的影響質(zhì)的和量的分析o 關(guān)于機理，不僅需要質(zhì)的評價，也需要發(fā)生率這一量的評價。o質(zhì)的、功能的分析固有技術(shù)分析、應(yīng)力分析、功能和環(huán)境試驗、再現(xiàn)實驗、材料和物性論的分析、可靠性方框圖、FMEA、FTA（功能面）的利用等。o量的分析工程計算、

9、模擬、失效率的預(yù)測、變化率和漸變失效的預(yù)測等。統(tǒng)計、概率分布、用概率紙分析、累積風險性分析、多變量分析、實驗設(shè)計法等。 改進措施和系統(tǒng)的調(diào)查研究o 失效分析方法本身的開發(fā)是非常重要的。失效機理的探求歸根到底涉及到產(chǎn)品壽命的全過程，可以必須有組織的、有系統(tǒng)的，而不是零星的、片斷的調(diào)查結(jié)果而告終。o 在追溯導(dǎo)致失效原因的過程中，獲得和整理必要的信息也是不可缺少的。不論是否提出改進措施，一定要匯編成報告書，進而編入事例集及輸入數(shù)據(jù)庫，供事前分析和防止再發(fā)生失效使用。2.2失效具有絕對性失效具有絕對性從人類認識客觀世界的歷史長河來說，人的認識是有限的，而客觀世界是無限的。失效是人們的主觀認識與客觀事物

10、相互脫離的結(jié)果，失效發(fā)生與否是不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移的。因此，失效是絕對的，而安全則是相對的，失效具有絕對性2.3失效分析具有原創(chuàng)性失效分析具有原創(chuàng)性失效分析是人們認識客觀物理本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律的逆向思維和探索，是對正向思維和研究的不可或缺的重要方法和補充；失效分析是變失效（失?。榘踩ǔ晒Γ┑幕经h(huán)節(jié)和關(guān)鍵；失效分析是人們深化客觀事物認識的知識源頭和途徑。 因此，失效分析具有原創(chuàng)性。2.4失效及其分析具有普遍性失效及其分析具有普遍性失效分析、改進提高、再失效分析研究、再提高發(fā)展，如此往復(fù)循環(huán)、螺旋上升、發(fā)展飛躍，就是人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷史、乃至于社會發(fā)展歷史的全過程。因此，廣義地說，科學(xué)技術(shù)發(fā)展

11、史、社會發(fā)展史都是人類與廣義的失效不斷作斗爭、變失?。ㄊВ槌晒Γò踩┑臍v史。因此，失效及其分析具有普遍性。2.5失效分析的復(fù)雜性 構(gòu)件（或產(chǎn)品）的失效原因是非常復(fù)雜的，它涉及到機構(gòu)設(shè)計、可靠性工程、材料選擇、加工制造、裝配調(diào)整、故障診斷及使用與保養(yǎng)等許多因素。正確進行失效分析就必須綜合運用工程力學(xué)、可靠性理論、故障診斷理論、物理化學(xué)、金屬學(xué)、材料科學(xué)、加工工藝學(xué)及理化測試技術(shù)等多方面的知識。因此，失效分析是復(fù)雜的，是一門綜合性的技術(shù)科學(xué)。 第二節(jié)機械產(chǎn)品的失效類型及影響因素第二節(jié)機械產(chǎn)品的失效類型及影響因素 本節(jié)不去分析影響機械產(chǎn)品失效的各種因素，而只是從金屬的力學(xué)性能角度出發(fā)，根據(jù)失效

12、分析提出的失效抗力指標技術(shù)，運用金屬學(xué)、材料科學(xué)、金屬材料強度學(xué)等基本知識，介紹影響失效抗力指標的冶金因素，為從金屬材料方面提高失效抗力指出方向。 2.1機械產(chǎn)品的失效類型和相應(yīng)的抗力指標 2.1.1故障模式的基本概念 在我國軍標（GJB45189可靠性維修術(shù)語）中，故障模式的定義是：故障的表現(xiàn)形式。更確切的說，故障模式一般是對產(chǎn)品所發(fā)生的，能被觀察或測量到的故障現(xiàn)象的規(guī)范的描述。 在分析產(chǎn)品故障時，一般是從產(chǎn)品故障的現(xiàn)象入手，通過故障現(xiàn)象（故障模式）找出故障原因和故障機理。對機械產(chǎn)品而言，故障模式的識別是進故障模式的識別是進行故障分析的基礎(chǔ)之一行故障分析的基礎(chǔ)之一。 故障模式可能是系統(tǒng)的，如

13、發(fā)動機不能運動；也可能是某一部件，如傳動箱有異常音響；也可能就是某一具體的零件，如履帶板斷裂，油管破裂等。因此，針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同層次，其故障模式有互為因果的關(guān)系。如“發(fā)動機損壞”這一故障模式是它上一層次“汽車不能開動”的因，又是它下一層次故障模式“連桿疲勞斷裂”的果。 故障模式層次表2.1.2零件常見的故障模式 由于機械產(chǎn)品種類繁多，在這里不可能逐個列舉各產(chǎn)品的故障模式，這里重要分析機械零件的故障模式。 o將機械零件的故障模式概括為材料的損害類型，并根據(jù)材料的力學(xué)性能提出相應(yīng)的抗力指標（見下表） 2.2影響失效抗力的冶金因素影響失效抗力的冶金因素 2.2.1對裂紋萌生與擴展的影響（界面因素）

14、對裂紋萌生與擴展的影響（界面因素） 裂紋是一切破壞的起源。除因表面的應(yīng)力集中或材料內(nèi)部宏觀缺陷引起以外，涉及到冶金因素關(guān)系就微觀尺度而言：裂紋萌生：晶界面 晶界、亞晶界、彎晶界、滑移帶界面、解理面相界面 脆性第二相界面、韌性第二相界面 改善界面的物理、化學(xué)、力學(xué)狀態(tài)，可以抑制裂紋的萌生，提高疲勞和斷裂抗力。 裂紋的擴展總是沿著能量消耗最小的方向，阻力最小的逾徑進行的。為延緩裂紋的擴展，提高裂紋擴展阻力，可從以下方面著手：o采用微量合金化、強韌化工藝，使裂紋擴展機制由沿晶脆斷轉(zhuǎn)換為沿晶界韌窩斷裂或轉(zhuǎn)換為穿晶韌窩斷裂。o在材料中有意識地設(shè)置種種障礙。如獲得一定數(shù)量的韌性第二相（F、A），細化晶粒。

15、提高工件使用壽命。o通過適當?shù)臒崽幚砉に?，改變材料的組織（單向或復(fù)相）的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布，增大裂紋擴展的阻力。2.2.2晶粒大小的影響晶粒大小的影響o 細化晶粒是一種既強化又韌化的有效措施業(yè)已發(fā)現(xiàn)，其它力學(xué)性能指標、Kth、K1c等在一定條件下也有類似的關(guān)系。 2/1dksis2.2.3非金屬夾雜物的影響非金屬夾雜物的影響o一次斷裂中， 、 、（）對夾雜物不敏感，而 、 、K1c對夾雜物敏感。o對疲勞斷裂的影響 使光滑和缺口疲勞強度下降。 sbk2.2.4雜質(zhì)元素在晶界偏聚的危害雜質(zhì)元素在晶界偏聚的危害 雜質(zhì)元素在晶界偏聚可引起回火脆性、低溫冷脆、晶間疲勞、晶間應(yīng)力腐蝕、氫脆、高溫蠕變斷

16、裂等?？刹扇∫韵麓胧簅降低雜質(zhì)元素含量（精煉）；o加入Al、Ti固定S、O、N減少偏聚；o加入Mo、W減緩Pb、P、Sn等的間隙擴散，控制第二類回火脆；o細化晶粒，使晶間偏聚濃度降低；o兩相區(qū)淬火；o利用復(fù)合偏聚作用。如加Re，可使P、Sn等偏聚減少，加B可使C在晶界偏聚減少；2.2.5殘余內(nèi)應(yīng)力 盡量造成殘余壓應(yīng)力，使疲勞性能增加。1)垂擊;2)滾壓;3)超聲沖擊；4）熱處理第三節(jié)失效分析的基本內(nèi)容和故障診斷的第三節(jié)失效分析的基本內(nèi)容和故障診斷的基本類型基本類型3.1失效分析的基本內(nèi)容失效分析的基本內(nèi)容 發(fā)生故障的部件，零件雖各不相同，其發(fā)生故障的部件，零件雖各不相同，其分析方法與步驟也各

17、有差異，但故障分析的分析方法與步驟也各有差異，但故障分析的基本程序卻是共同的?；境绦騾s是共同的。 機械故障原因分析的通用程序 ： 1、現(xiàn)場調(diào)查收集背景數(shù)據(jù)和使用條件 o部件發(fā)生故障的日期、時間、工作溫度和環(huán)境；o部件損壞的程度，部件故障發(fā)生的順序；o故障發(fā)生時的操作階段，故障件有無反常情況或不正常的音響；o對故障部件及其鄰近范圍部件進行拍照或畫草圖；o在使用過程中可以導(dǎo)致故障的任何差錯；o使用人員的技術(shù)水平和對故障的看法；（2）故障現(xiàn)場攝像或照相的重點是：對有可能迅速改變更位置的事，應(yīng)盡快地拍照。它包括：n設(shè)備n儀表指示的讀數(shù)和控制的位置；n可能被天氣、來往行人、車輛或清掃人員去掉的證據(jù)；

18、例如，地面上的痕跡，受熱的證據(jù)，液體等等。o正在燃燒的火災(zāi)，攝取煙和火焰的彩色圖像。調(diào)查人員可以分析燃燒材料的種類和溫度的高低等信息。o對整個故障現(xiàn)場要有足夠的表示。在特寫鏡頭中，應(yīng)包括一件熟悉的東西在內(nèi)，甚至放把直尺，以表示拍攝實物的尺寸。對斷口照片，一定要從不同角度來反映斷口形貌。o重要的部件或斷口要有特寫鏡頭。開始用廣角鏡頭表示部件之間的關(guān)系，如需要可進行實驗室照相。這對斷口的形貌和成份分析都是必要的。 （3）故障件的主要歷史資料。包括：o部件名稱，標記制造編號、廠家、使用單位；o部件的功能，使用材料，設(shè)計書中規(guī)定的有關(guān)項目；o致發(fā)生故障時的使用時間；o設(shè)計圖樣，說明書，指導(dǎo)部件生產(chǎn)、制

19、造、檢驗和操作規(guī)范；o生產(chǎn)廠的驗收技術(shù)報告和質(zhì)量控制報告；o使用情況記錄；o過去的故障情況記錄和維修報告等； （4）對故障件進行初步檢查；（5）故障件殘骸的鑒別、保存和清洗；2、分析并確定故障原因和故障機理 o故障件的檢查與分析。 包括無損探傷檢驗，機械性能試驗，斷口的宏觀與微觀檢查與分析，金相檢查與分析，化學(xué)分析等。o必要的理論分析和計算。包括強度，疲勞，斷裂力學(xué)分析及計算等。o初步確定故障原因和機理。o模擬試驗，確定故障原因與機理。3、分析結(jié)論 o每一件故障分析工作做到一定階段或試驗工件結(jié)束時，都要對所獲得的全部資料、調(diào)查記錄、證詞和測試數(shù)據(jù)，按設(shè)計、材料、制造、使用，四個方面是否有問題來

20、進行集中歸納，綜合分析和判斷處理，逐步形成初步的簡明結(jié)論。o 對設(shè)計和材料的要求以說明書為準，對制造過程以故障部件的分析檢測結(jié)果為準，而對使用則以操作規(guī)程為準。反復(fù)核對其中的差異，正是這種差異能夠說明故障的起因。o 對于運動部件，如軸、葉片等，還要考慮自身的固有頻率和運動頻率產(chǎn)生共振時所引起的附加載荷。首先要了解設(shè)計人員是否考慮了這個問題，核對計算有無問題。o 在匯集整理力學(xué)測試數(shù)據(jù)，化學(xué)分析數(shù)據(jù)和斷口形貌以及顯微組織、照片的同時，要回答或說明這些結(jié)果是否符合設(shè)計要求和使用要求。 故障分析結(jié)束時必須提出一個結(jié)論明確、建議中肯的報告。一方面是為了改進工作，積累資料，交流經(jīng)驗；另一方面也為索賠和法

21、律仲裁提供依據(jù)。 分析報告主要內(nèi)容有：n故障分析結(jié)論；n改進措施與建議及對改進效果的預(yù)計；n故障分析報告提供（交）給有關(guān)部門，并反饋給有關(guān)承制單位；n必要時應(yīng)對改進措施的執(zhí)行情況進行跟蹤和管理； 3.2故障診斷的基本類型（方法）o3.2.1 機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的定義o機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷n識別機械設(shè)備(機器或機組)運行狀態(tài)的一門綜合性應(yīng)用科學(xué)和技術(shù)，它主要研究機械設(shè)備運行狀態(tài)的變化在診斷信息中的反映。n通過測取設(shè)備狀態(tài)信號，并結(jié)合其歷史狀況對所測信號進行處理分析，特征提取，從而定量診斷(識別)機械設(shè)備及其零部件的運行狀態(tài)(正常、異常、故障)，進一步預(yù)測將來狀態(tài)，最終確定需要采取的

22、必要對策的一門技術(shù)。n主要內(nèi)容包括監(jiān)測、診斷(識別)和預(yù)測三個方面。定義 監(jiān)測與診斷的關(guān)系o機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷既有區(qū)別、又有聯(lián)系，同一學(xué)科的兩個層次：簡易/精密n狀態(tài)監(jiān)測也稱為簡易診斷，一般是通過測定設(shè)備的某些較為單一的特征參數(shù)(如振動、溫度、壓力等)來檢查設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)特征參數(shù)值與門限值之間的關(guān)系來決定設(shè)備的狀態(tài)。n如果對設(shè)備進行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測，便可獲得有關(guān)設(shè)備狀態(tài)變化的趨勢規(guī)律，據(jù)此可預(yù)測和預(yù)報設(shè)備的將來狀態(tài)。通常這就叫做趨勢分析。n故障診斷也稱為精密診斷，不僅要掌握設(shè)備的狀態(tài)正常與否，同時還需要對產(chǎn)生故障的原因、部件（位置）以及故障的嚴重程度進行深入的分析和判斷。3.2.

23、2 故障診斷的主要目的與任務(wù) 故障診斷的主要目的故障診斷的主要目的：n及時、正確、有效地對設(shè)備的各種異?；蚬收蠣顟B(tài)作出診斷，預(yù)防或消除故障；同時對設(shè)備的運行維護進行必要的指導(dǎo)。確?？煽啃?、安全性和有效性。n制定合理的監(jiān)測維修制度，保證設(shè)備發(fā)揮最大設(shè)計能力,同時在允許的條件下充分挖掘設(shè)備潛力，延長其服役期及使用壽命，降低設(shè)備全壽命周期費用。n通過檢測、分析、性能評估等，為設(shè)備修改結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息。.3 開展故障診斷工作的意義o有利于提高設(shè)備管理水平n“ 管好、用好、修好”設(shè)備，不僅是保證簡單再生產(chǎn)的必要條件，而且能提高企業(yè)經(jīng)濟效益，推動國民經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)地發(fā)

24、展。n機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是提高設(shè)備管理水平的一個重要組成部分。我國已將我國已將設(shè)備診斷技術(shù)設(shè)備診斷技術(shù)、修復(fù)技術(shù)修復(fù)技術(shù)和和潤滑技術(shù)潤滑技術(shù)列為列為設(shè)備管理和維修工作的三項基礎(chǔ)技術(shù)。設(shè)備管理和維修工作的三項基礎(chǔ)技術(shù)。按診斷環(huán)境劃分有離線人工分析、診斷和在線計算機輔助監(jiān)視診斷。按檢測手段劃分振動檢測診斷方法噪聲檢測診斷法溫度檢測診斷法壓力檢測診斷法聲發(fā)射檢測診斷法潤滑油或冷卻液中金屬含量分析診斷法金相分相診斷法按診斷方法原理劃分o頻域診斷法：應(yīng)用頻譜分析技術(shù)，根據(jù)頻譜特征變化，判別機器的工況狀態(tài)的變化。o時域分析方法：應(yīng)用時間序列模型及其有關(guān)的特征函數(shù)，判別及其的工況狀態(tài)的變化。o統(tǒng)計分

25、析法：應(yīng)用概率統(tǒng)計模型及其有關(guān)的特征函數(shù)，實現(xiàn)工況狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷。o信息理論分析法：應(yīng)用信息理論建立的某些特性函數(shù)，如庫爾伯克（Kullback）信息數(shù)，J散度等在機器運行過程中的變化，進行工況狀態(tài)分析與故障診斷。o模式識別法：利用檢測信號，提取對工況狀態(tài)反應(yīng)敏感的特征量構(gòu)成模式矢量，設(shè)計合適的分類器，判別工況狀態(tài)，它是人工智能的技術(shù)之一。o其它人工智能方法：如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等。屬新領(lǐng)域。 按診斷對象分o 有汽輪機故障診斷、壓縮機故障診斷、化工機械故障診斷、齒輪箱的故障診斷等等。o 就學(xué)科角度而言，上述方法又是相互變更的，如許多統(tǒng)計方法都包括在統(tǒng)計模式識別范疇之內(nèi)。本課程的性質(zhì)與任

26、務(wù)本課程的性質(zhì)與任務(wù) o了解常見的機械零部件失效形式；o了解失效分析的基本方法和步驟；o對于簡單的失效零件能夠提出失效分析思路和具體的失效分析方案。 原子力顯微鏡原子力顯微鏡原子力顯微像原子力顯微像透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡透射電子顯微像透射電子顯微像掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡掃描電子顯微像掃描電子顯微像碳納米管碳納米管第二章斷口分析第一節(jié)斷裂分類及斷口宏觀特征第一節(jié)斷裂分類及斷口宏觀特征 一、斷裂分類一、斷裂分類 按斷裂形態(tài)分 根據(jù)材料斷裂前所產(chǎn)生的宏觀塑性變形量大小來確定斷裂類型。 韌性斷裂：特征是斷裂前發(fā)生明顯宏觀塑性變形。用肉眼或低倍顯微鏡觀察時，斷口呈暗灰色，纖維狀。脆性斷裂：特

27、征是斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征召，故危害性很大。一般具有如下特點：o脆斷時承受的工作應(yīng)力很低，一般低于材料的屈服極限；o脆斷的裂紋源總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始；o溫度降低，脆斷傾向增加；o脆性斷口平齊而光亮，且與正應(yīng)力垂直，斷口上常呈人字紋或放射花樣。o材料的韌性斷與脆性斷是相對的，脆斷前也發(fā)生微量塑性變形。一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5則為脆性斷口，該材料稱為脆性材料，反之為韌性材料。 按裂紋擴展路徑分類穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)。沿晶斷裂：沿晶界擴展。o穿晶斷裂可以是韌性斷，也可以是脆性斷，而沿晶斷則多數(shù)是脆性斷。o金屬材料在室溫下多數(shù)都是韌性穿晶斷裂。（如拉伸）o金屬在高溫

28、下，多由穿晶斷裂轉(zhuǎn)化為沿晶韌性斷裂。按斷裂機制分類 穿晶斷裂依其斷裂方式可分為解理斷裂與剪切斷裂。解理斷裂：在正應(yīng)力作用下產(chǎn)生的穿晶斷裂，通常斷裂面是嚴格沿一定的晶面（即解理面）而分離。 通常解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂卻不一定是解理斷裂，兩者不是同義語。剪切斷裂：在切應(yīng)力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑移面分離稱剪切斷裂?？煞譃閮深悾夯瑪啵兗羟袛嗔眩?純金屬，尤其是單晶體金屬常發(fā)生這種斷裂，斷口呈鋒利的楔形（單晶體）或刀尖形（多晶金屬的完全斷裂）。微孔聚集型斷裂（鋼鐵等工程材料多為這種斷裂）。 根據(jù)斷口的宏觀取向與最大正應(yīng)力的交角劃分：正斷型斷裂：斷口的取向與最大正應(yīng)力相垂直。（解理或塑

29、變約束較大的場合）切斷型斷裂：斷口的取向與最大切應(yīng)力方向一致，與最大正應(yīng)力約呈45角。按受力狀態(tài)，環(huán)境介質(zhì)不同分類 靜載斷裂（拉、扭、剪）、沖擊斷裂、疲勞斷裂、低溫冷脆斷裂、高溫蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂、磨損和接觸疲勞則為一種不完全斷裂。 二、斷口的宏觀特征二、斷口的宏觀特征 宏觀斷口指用肉眼、放大鏡或低倍顯微鏡所觀察到的斷口形貌，宏觀斷口分析是一種非常簡便而又實用的分析方法。在斷裂事故分析中總是首先進行宏觀斷口分析。從宏觀分析中，大致可判斷出斷裂的類型（韌、脆、疲勞），同時也可以大體上找出裂紋源位置和裂紋擴展路徑，粗略找出破壞原因。 圓柱試樣的靜拉伸斷口 光滑圓柱試樣的韌性斷口一般呈

30、纖維狀，它是由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個區(qū)域組成。纖維區(qū) 對于光滑試樣的杯錐狀斷口來說，纖維區(qū)往往位于斷口的中央。由于纖維區(qū)中塑性變形較大，加之斷面粗糙不平，對光線的散射能力很強，所以總是呈暗灰色。 放射區(qū)o 有放射樣特征，纖維區(qū)與放射區(qū)交界線標志著裂紋由緩慢擴展向快速擴展的轉(zhuǎn)化。o 放射花樣也是由剪切變形造成的，但與纖維區(qū)的剪切斷裂不同，是在裂紋達到臨界尺寸后作快速低能量撕裂的結(jié)果。此時，材料的宏觀變形量很小，表現(xiàn)為脆性斷裂。但在微觀局部區(qū)域，仍有很大的塑性變形。故放射花樣是剪切型的低能量撕裂的一種標志。o 材料越脆，放射線越細，若材料處于完全的沿晶斷裂或解理斷裂狀態(tài)（板脆狀態(tài)）則放射消失。

31、剪切唇o 與拉應(yīng)力呈45。此時，裂紋是在平面應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生失穩(wěn)擴展，材料的塑變量很大，屬于韌性斷裂區(qū)。o當試樣形狀、尺寸、材料性能以及試驗強度、加載速率和受力狀態(tài)不同時，斷口三個區(qū)域的形態(tài)、大小、相對位置都會發(fā)生變化。一般來說，材料強度上升，塑性下降，放射區(qū)所占比例上升；試樣尺寸上升，放射區(qū)上升。o 缺口試樣則使裂紋產(chǎn)生的位置發(fā)生了改變（裂紋起自缺口處，最后斷裂區(qū)在試樣心部）。 平板試樣的宏觀斷口o 無缺口的平板矩形拉伸試樣，如圖柱形試樣一樣，也有三個區(qū)域，但斷口形態(tài)不同，其中心部的纖維區(qū)變成“橢圓形”，而放射區(qū)變?yōu)椤叭俗中巍被?，人字形花樣的尖端指向裂紋源。沿晶斷裂的宏觀特征 晶界的存在本是

32、使金屬材料強化的重要因素之一。但某些情況下晶界變成特有的薄弱源，導(dǎo)致沿晶斷裂。o 沿晶斷裂總是與材料的某些機械性能明顯降低（如 、 、 、K1c等）相聯(lián)系。一般與熱處理規(guī)范、外界環(huán)境及應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。如熱處理引起的過熱脆和回火脆；環(huán)境引起的應(yīng)力腐蝕與氫脆斷裂；由于高溫及應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的蠕變斷裂等。大多數(shù)情況下都屬于沿晶斷裂。o 沿晶斷裂多屬脆性斷裂，斷口常呈“冰糖狀”形態(tài)，有時也稱“萘狀斷口”。 k晶內(nèi)斷裂晶內(nèi)斷裂疲勞斷口的宏觀特征 疲勞斷口宏觀上由兩個區(qū)域組成。疲勞裂紋產(chǎn)生及擴展區(qū)o 由于材質(zhì)的質(zhì)量、加工缺陷或結(jié)構(gòu)設(shè)計不當?shù)仍?，在零件的局部區(qū)域造成應(yīng)力集中，該區(qū)是疲勞裂紋核心產(chǎn)生的策源地。

33、裂紋產(chǎn)生后，在交變載荷作用下擴展，在疲勞裂紋擴展區(qū)常常留下一條條的同心圓弧線，叫前沿線（或疲勞線），這些弧線形成了象“貝殼”一樣的花樣。斷口表面因反復(fù)擠壓、摩擦，有時光亮得象細瓷斷口一樣。 最后斷裂區(qū)o 裂紋不斷擴展使零件的有效斷面逐漸減少，應(yīng)力不斷增加。當超過材料的斷裂強度時，則發(fā)生斷裂。該區(qū)和靜載下帶有尖銳缺口試樣得斷口相似。對塑性材料，斷口為纖維狀、暗灰色，而對于脆性材料則是沿晶狀。o根據(jù)疲勞斷口上兩個區(qū)域所占的比例，可估計零件所受應(yīng)力高低及應(yīng)力集中程度的大小。一般來說，瞬時斷裂區(qū)的面積愈大，愈靠近中心，則表示工件過載程度越大，應(yīng)力集中嚴重；相反，其面積愈小，位置愈靠近邊緣，則表示過載程

34、度愈小。應(yīng)力集中亦越小。 疲勞裂紋萌生區(qū)實際構(gòu)件斷口的宏觀特征 實際構(gòu)件受力狀態(tài)復(fù)雜，斷裂原因也是多種多樣，故宏觀斷口的形貌比較復(fù)雜。因此觀察實際構(gòu)件的宏觀斷口主要從以下幾個方面著手：觀察斷口是否存在放射花樣或人字紋，沿著人字紋尖頂，可找到裂紋源位置。放射區(qū)或人字紋區(qū)所占比例愈大，則脆性愈大。觀察斷口是否存在弧形跡線，疲勞斷口上的同心圓就是這種弧形跡線，找到了同心圓弧線，就可順著同心方向找到疲勞源。觀察斷口的粗糙程度。實際斷口的表面是由許多小斷面所構(gòu)成，小斷面的大小、曲率半徑及相鄰小斷面間的高度差，決定了斷面的粗糙度。斷口越粗糙，表明韌性纖維斷裂所占比例（重）越大；反之，斷口細平、多光澤，則面

35、積斷裂所占比重大。觀察斷口的光澤與顏色。斷口的暗灰色表明裂紋擴展過程中塑性變形大。但斷裂中若存在磨損，氧化時將變得很復(fù)雜。觀察斷口與最大正應(yīng)力方向的交角。脆斷斷口與最大正應(yīng)力方向垂直，純剪切斷裂的斷口與最大切應(yīng)力方向平行。但纖維區(qū)的宏觀平面與最大正應(yīng)力方向垂直。 第二節(jié)韌性斷裂的微觀機制 一、斷口的微觀形貌 韌性斷裂有兩種類型，一種是純剪切型，一種是微孔聚集型斷裂。微孔聚焦型斷口的特征 在高倍電子顯微鏡下觀察，可見大量微坑覆蓋斷面這些微坑稱為韌窩。 韌窩有拋物線型的剪切韌窩及撕裂韌窩、等軸韌窩之分，都屬于韌性斷裂的主要微觀形貌。微孔聚合型斷口微孔聚合型斷口純剪切型斷口特征o 純剪切型斷裂是沿滑

36、移面分離的結(jié)果，一般情況：單晶體金屬的滑移線往往不是直線，而是一些波紋線。多晶體純金屬（純鐵）往往出現(xiàn)“蛇行”花樣，這主要是由于沿幾個滑移面分離所造成的滑移臺階。此外，還呈現(xiàn)出的“波紋狀”或“漣波狀”。o 純剪切斷裂只在高純金屬中才易出現(xiàn)。 二、韌窩形成過程 o韌窩的形成是由于塑性變形使夾雜物周圍位錯塞積，塞積的結(jié)果使夾雜物界面上首先形成裂紋，并不斷擴大，最后夾雜物之間基體金屬產(chǎn)生“內(nèi)縮頸”，當縮頸達到一定程度后被撕裂或剪切斷裂，使空洞連結(jié)，從而形成了所看到的韌窩斷口形貌。 影響韌窩形貌的因素 實際斷口中觀察的韌窩其形成位置、形狀、大小、深淺很不相同，受很多因素影響。o成核粒子的大小及分布。o

37、基體材料的塑性變形能力，尤其是形變強化能力。o外界因素：包括應(yīng)力大小、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、形變速率。 o韌窩的位置一般均在第二相粒子處。o韌窩的形狀主要決定于應(yīng)力狀態(tài)或決定于拉應(yīng)力與斷面的相同取向。若正應(yīng)力垂直于微孔平面，使微孔在垂直于正應(yīng)力的平面上各方向長大的傾向相同，就形成等軸韌窩。若在切應(yīng)力作用下斷裂，如拉伸試樣杯錐狀斷口的剪切唇部分，韌窩的形態(tài)是拉長的拋物線形狀（斷裂韌性試驗也如此）。o韌窩的大小和深淺決定于材料斷裂時微孔形核的數(shù)量，材料的塑性和試驗溫度。若微孔形核位置很多或材料的韌性較差，則斷口上形成韌窩尺寸較小也較淺。反之則韌窩較大、較深。注意：微孔聚集型的韌性斷裂一定有韌窩存在，但在

38、微孔形態(tài)上出現(xiàn)韌窩的斷口，其宏觀上不一定就是韌性斷裂。因為宏觀脆斷在局部區(qū)域內(nèi)也可能有塑性變形，及在微觀上就顯示出韌窩狀態(tài)，因此在分析斷口時，一定要吧宏觀和微觀結(jié)合起來，才能得出正確的判斷。 第三節(jié)脆性解理斷裂的微觀機制 脆斷的類型很多：o高強鋼由于原始裂紋存在產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷；o結(jié)構(gòu)鋼在低溫下的冷脆斷裂；o交變應(yīng)力下的疲勞斷裂；o環(huán)境介質(zhì)與拉應(yīng)力共同作用而產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕與氫脆斷裂；o由于晶界析出脆性相而產(chǎn)生的沿晶脆斷等；本節(jié)主要介紹解理斷裂的微觀斷口形貌及形成原因。 o溫度降低脆斷傾向增大，特別是在有缺口或者是有較大應(yīng)力集中時，更是如此。例如二次世界大戰(zhàn)時美國的軍艦、油輪等的低溫脆斷。o（艙

39、蓋）1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂5 Titanic5 Titanic沉沒原因沉沒原因nTitanic 含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。Titanic 號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果一項新的科學(xué)研究回答了一項新的科學(xué)研究回答了80年未解之謎年未解之謎建造中的建造中的Titanic 號，可以看到船身上長長號，可以看到船身上長長的焊縫的焊縫o右圖是建造中的右圖是建造中的Titanic 號。號。oGannon 的文章指出，的文章指出，在水線上下都由在水線上下都由10 張張30

40、 英尺長的高含硫量英尺長的高含硫量脆性鋼板焊接成脆性鋼板焊接成300英英尺的船體。尺的船體。o船體上可見長長的焊縫。船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而船在冰水中撞擊冰山而裂開時，脆性的焊縫無裂開時，脆性的焊縫無異于一條異于一條300英尺長的英尺長的大拉鏈，使船體產(chǎn)生很大拉鏈，使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。入使船迅速沉沒。o這是鋼材韌性與人身安這是鋼材韌性與人身安全的一個突出例證。全的一個突出例證。 一、斷口的微觀形貌 解理斷裂o 在拉應(yīng)力作用下引起的一種脆性穿晶斷裂，通常總是沿著一定的結(jié)晶面分離，該晶面稱為解理面。解理面一般都是低指數(shù)面，其表面能低

41、，理論斷裂強度最低。解理斷裂一般均發(fā)生在體心立方和密排六方金屬中，而面心立方金屬只在特殊情況下才出現(xiàn)。 解理斷裂的微觀斷口形貌o 由于解理斷裂是沿一定的結(jié)晶面分離，所以單晶體的解理斷口應(yīng)是一個毫無特征的理想平面。多晶體則是由很多取向略有差別的光滑小平面（常稱為“刻面”）組成，每一個小平面代表一個晶粒。oa)河流花樣o 顯微觀察每個小平面，發(fā)現(xiàn)這些小平面并非是一個單一的解理面，而是由一組平行的解理面所組成，兩個平行解理面相差一定高度，交接處形成臺階。從垂直面方向觀察，臺階匯合會形成一種類似河流的花樣。o 河流花樣是臺階存在的標志。o 從河流花樣的走向可以判斷裂紋源的位置和裂紋擴展方向，河流的上游

42、（即支流發(fā)源處）是裂紋發(fā)源處（細處），而河流的下游是裂紋擴展的方向。 裂紋擴展方向b)舌狀花樣o 舌狀花樣因其形狀確實象躺在解理面上的“舌頭”而得名，兩個斷面之間凸凹相配。舌狀花樣的形成一般認為是解理裂紋與孿晶相遇時，便沿孿晶面發(fā)生局部二次解理，發(fā)展至一定程度后，二次解理面與主解理面之間的連接部分折斷，從而形成舌狀花樣。o 在低溫及高速變形時，容易發(fā)生孿生變形，容易出現(xiàn)舌狀花樣。 解理臺階及河流形成原因解理臺階及河流形成原因1）解理臺階（1）解理裂紋與螺型位錯交截形成臺階。（2）處于不同高度而兩個相互平行的解理裂紋，通過二次解理或撕裂（剪切）相互連接而形成“臺階”。2）河流花樣河流花樣實際上就

43、是解理臺階的一種標志，臺階匯合（隨裂紋擴展）而形成。影響河流花樣形貌的因素影響河流花樣形貌的因素o晶界的存在使河流花樣呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài)。當晶界或亞晶界是由刃位錯墻所組成的小角度晶界時，則它們對河流花樣的穿過不產(chǎn)生很大影響；當亞晶界是以螺位錯所組成的扭折晶界時，則河流不能通過亞晶界，只能在亞晶界處產(chǎn)生新的解理裂紋，結(jié)果導(dǎo)致從扭折晶界處形成新的河流，從而出現(xiàn)河流激增；對于大角度晶界，裂紋在擴展時，則會形成扇形花樣。 o扇型花樣的形成是由于河流不能通過大角度晶界向相鄰晶界傳播，而是在晶界上或離晶界很近的相鄰晶粒內(nèi)產(chǎn)生新的解理裂紋，以扇形方式向外擴張，傳遍整個晶粒，該花樣稱為扇形花樣。o故多晶拉解理斷裂

44、時，在每一個晶粒內(nèi)部都是以裂紋源為核心，河流花樣以扇形向四周擴展。扇形花樣表示解理裂紋的形成及擴展方式，只要找到扇形花樣，就能找到裂紋源及裂紋擴展方向。準解理斷裂 顯微觀察表面，某些脆性斷口上，即有解理斷裂特征形貌，同時又伴隨著一定的塑性變形痕跡，該斷口稱為準解理斷口。準解理通常在回火馬氏體鋼中發(fā)現(xiàn)。準解理和純解理相比有如下特征：準解理平面比回火馬氏體的尺寸要大得多，相當于淬火以前原始奧氏體晶粒度。準解理平面位向并不與鐵素體基體的解理面100嚴格對應(yīng)，故得名。準解理裂紋的擴展路程比起解理裂紋要求連續(xù)的多，常常在局部的地方形成裂紋并進行局部的擴展。裂紋源常在準解理平面的內(nèi)部形成，而解理裂紋源則在

45、解理面的邊界上形成。準解理平面上有許多撕裂棱。第四節(jié)疲勞斷裂的微觀形貌駐留滑移帶、擠出脊、擠入溝等都是金屬在交變載荷作用下，表面不均勻滑移所造成的疲勞裂紋策源地。此外，晶界、孿晶界以及非金屬夾雜物等處均為疲勞裂紋的策源地。疲勞輝紋o塑性疲勞輝紋o交變應(yīng)力作用，裂紋張開鈍化張開所形成。根據(jù)疲勞輝紋的寬度可近似地估計疲勞裂紋擴展速率da/dN。o脆性輝紋o脆性輝紋的主要特點在于它的擴展不是塑性變形而是解理斷裂。常?？煽吹交⌒蔚妮x紋，還有如裂紋擴展方向一致的河流花樣，河流花樣狀的放射線和輝紋相交，相互近似垂直。o宏觀斷口上看到的貝紋線和疲勞輝紋并不是一回事，前者往往是因交變應(yīng)力幅變化或載荷停歇等原因

46、形成的宏觀特征，而輝紋則是在一次交變應(yīng)力裂尖鈍化形成的微觀特征，有時宏觀斷口上看不到貝紋線，但電子顯微鏡下仍可看到疲勞輝紋， 疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌一個疲一個疲勞源勞源兩個疲兩個疲勞源勞源微裂紋微裂紋疲勞疲勞條紋條紋疲疲勞勞裂裂紋紋擴擴展展區(qū)區(qū)疲疲勞勞源源區(qū)區(qū)三、疲勞抗力指標及其影響因素o無裂紋零件的疲勞抗力指標疲勞極限、過載持久值、缺口敏感度疲勞極限、過載持久值、缺口敏感度o帶裂紋零件的疲勞抗力指標疲勞裂紋擴展門檻值疲勞裂紋擴展門檻值 Ktho影響疲勞裂紋抗力的因素載荷類型、材料本質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度、介質(zhì)載荷類型、材料本質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度、介質(zhì)（

47、一）無裂紋零（構(gòu)）件的疲勞抗力指標材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。疲勞極限疲勞極限材料在高于疲勞極材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。周次。過載持久值過載持久值N1、 N2、 N3、 N4均為疲勞過載持久值。第五節(jié)變形失效 2.5.1塑性變形失效塑性變形失效零件在使用過程中，發(fā)生了塑性變形，改變了零件的幾何形狀或尺寸而不能服役時，稱為塑性變形失效。例如:模具塑性變形失效形式主要表現(xiàn)為塌陷、鐓粗、彎曲等，見圖所示。2.5.2彈性變形失效 零件在使用過程中，發(fā)生了彈性變形，改變了零件的幾何形狀或尺寸

48、，但載荷去掉后零件又恢復(fù)了原有尺寸，雖未造成零件的最終尺寸變化，但加工的零件尺寸不符合要求，稱為彈性變形失效。 例1: 某汽車彈簧，在未裝滿載時已變形到最大位置，缺載后可完全恢復(fù)到原來狀態(tài)；另一汽車彈簧，使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)彈簧弓形越來越小，即產(chǎn)生了塑性變形，而且塑性變形量越來越大。試分析這兩種故障的本質(zhì)及改變措施。解:第一種故障主要是材料的剛度（彈性模量）不足，抵抗彈性變形能力不夠改進措施：（1）更換彈性模量高的材料; （2）改變材料的截面形狀尺寸第二種故障主要是材料的彈性極限偏低所致改進措施：（1）更換彈性極限高的材料; （2）對材料進行適當熱處理第三章磨損分析第三章磨損分析研究磨損的目的

49、在于通過對各種磨損現(xiàn)象的考察和特征分析，找出它們的變化規(guī)律和影響因素，從而尋求控制磨損和提高耐磨性的措施。一般說來，磨損研究的主要內(nèi)容有：o（1）研究磨損類型的發(fā)生條件、特征和變化規(guī)律；o（2）影響磨損的因素，包括摩擦副材料、表面狀態(tài)、潤滑狀況、環(huán)境條件，以及滑動速度、載荷、工作溫度等工況參數(shù)；o（3）磨損的物理模型與磨損計算；o（4）提高耐磨性的措施；o（5）磨損研究的測試技術(shù)與實驗分析方法。 第一節(jié) 典型的磨損過程磨 合 磨損 階 段穩(wěn) 定 磨 損 階 段劇 烈 磨 損 階 段IIIIIIqt時 間t磨損量qO1、磨合磨損過程 2、穩(wěn)定磨損階段 3、急劇磨損階段 在一定載荷作用下形成一個穩(wěn)

50、定的表面粗糙度，且在以后過程中，此粗糙度不會繼續(xù)改變，所占時間比率較小經(jīng)磨合的摩擦表面加工硬化，形成了穩(wěn)定的表面粗糙度，摩擦條件保持相對穩(wěn)定，磨損較緩,該段時間長短反映零件的壽命經(jīng)穩(wěn)定磨損后，零件表面破壞，運動副間隙增大動載振動潤滑狀態(tài)改變溫度磨損速度急劇上升直至零件失效 第二節(jié)磨損的分類o合理的分類能夠使研究工作簡化，更好地分析磨損實質(zhì)。不同的學(xué)者提出了不同的分類觀點，至今還沒有普遍公認的統(tǒng)一的磨損分類方法。o磨損與零件所受的應(yīng)力狀態(tài)、工作與潤滑條件、加工表面形貌、材料的組織結(jié)構(gòu)與性能以及環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用等一系列因素有關(guān)；1、分類o早期人們根據(jù)摩擦表面的作用將磨損分為以下三大類：o（1）機

51、械類 由于摩擦過程中表面的機械作用產(chǎn)生的磨損，包括磨粒磨損、表面塑性變形、脆性剝落等。其中磨粒磨損是最普遍的機械磨損形式。o（2）分子-機械類 由于分子力作用形成表面粘著結(jié)點，再經(jīng)機械作用使粘著結(jié)點剪切所產(chǎn)生的磨損，即粘著磨損。o（3）腐蝕-機械類 這類磨損是由介質(zhì)的化學(xué)作用引起表面腐蝕，而摩擦中的機械作用加速腐蝕過程。它包括氧化磨損和化學(xué)腐蝕磨損。o按表面破壞機理和特征，磨損可分為磨料磨磨料磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損微動磨損等；前兩種是磨損的基本類型，后兩種磨損形式只在某些特定條件下才會發(fā)生。o案例（輥子軸承的損傷）2、磨損的機理摩

52、擦與磨損的過程相當復(fù)雜，伴有物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象。（1）、早期的磨損理論認為：磨損過程主要起源于表面層金屬的直接接觸。在相互移動時發(fā)生彈性或塑性變形。（2）、粘著理論：兩摩擦面接觸時，實際接觸面積僅為名義接觸面積的1010000分之一，即便外界負荷不大，但實際單位面積上受的壓力足以使表面發(fā)生彈性或塑性變形。零件滑移時接觸點瞬時溫度可達一千度以上，從而引起這些點的粘著，滑移時“粘著點”又被剪開的過程。（3）、分子機械理論：兩個摩擦表面接觸，其微觀凸起相互嵌入嚙合，同時接觸部分存在分子吸引力。摩擦力為相互嚙合（機械阻力）與分子引力作用之合。該理論適用于超精加工表面。第三節(jié)磨料磨損機理和模型 3.1

53、磨料磨損的概念及分類磨粒磨損也稱為磨料磨損，可分為兩種類型：（1）雙體型磨料磨損較硬摩擦表面上的微凸體在較軟摩擦表面上進行犁削。（2）三體型磨料磨損由比摩擦表面更為堅硬的顆粒引起的磨料磨損，該顆?？梢杂赏饷孢M入，也可由自身粘著、剝落、氧化或其他化學(xué)和磨損過程所生成的。其尺寸大于表面間的油膜厚度。它們在表面運動中有可能因流動而劃傷表面，也有可能鑲嵌在較軟的表面上，即犁削。 3.2磨粒磨損機理 磨粒磨損模型示意圖。根據(jù)此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定為圓錐體）被壓入軟材料中。o當作用在一個凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接觸面積等于軟材料的壓縮屈服強度時，則凸出部分

54、或磨粒的壓入就會停止下來：2rlt磨損體積即磨損量W的計算式為：W若材料的硬度， 則 ( 為邁耶硬度，等于載荷與壓痕投影面積之比) ，當用維氏硬度表示時，上式可變?yōu)椋簅由上式可看出，磨損量與接觸壓力、摩擦距離成正比，與材料硬度成反比。 tantan2212lrlrr2rpHkkHplWtankHHVplWtanSiCSiC無潤滑時磨損面無潤滑時磨損面2影響磨粒磨損的因素（1）材料硬度的影響1）純金屬（及未經(jīng)熱處理鋼）耐磨性與其自然硬度成正比。2）經(jīng)過熱處理的鋼一般情況下，硬度越高，耐磨性也越好。3）鋼中的碳及碳化物形成元素含量越高，耐磨性越高。（2）顯微組織的影響1）基體組織自鐵素體逐步轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

55、珠光體、貝氏體、馬氏體時，耐磨性逐漸增加，相同硬度下，等溫轉(zhuǎn)變的下貝氏體要比回火馬氏體耐磨性好得多。殘余奧氏體較多且應(yīng)力較低時，耐磨性一般較差。但應(yīng)力增加時，能夠發(fā)生A殘M轉(zhuǎn)變（或加工硬化），從而導(dǎo)致耐磨性提高。2）第二相（碳化物）在較軟基體上增加碳化物數(shù)量、減少尺寸、增加彌散度，均能改善耐磨性。3）細化晶粒由于能提高屈服強度、硬度及靜載塑性，所以也提高耐磨性4）加工硬化的影響o低應(yīng)力磨損時，加工硬化不能提高表面的耐磨性。o高應(yīng)力磨損時，加工硬化的硬度越高，其抗磨損能力提高越多，例如高錳鋼。 改善磨粒磨損耐磨性的措施改善磨粒磨損耐磨性的措施(1) 對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬

56、度，這是提高耐磨性最有效的措施。(2) 根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高應(yīng)力沖擊載荷下，要選用高錳鋼Mn13，利用其高韌性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。(3) 采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨損耐磨性。(4) 經(jīng)常注意機件防塵和清洗，防止大于1微米磨粒進入接觸面，也是有效措施。第四節(jié)粘著磨損4.1粘著磨損的基本概念o定義：摩擦副相對運動時，由于固相焊合作用的結(jié)果，造成接觸面金屬損耗的現(xiàn)象稱為粘著磨損。是缺油或油膜破壞后發(fā)生干摩擦的結(jié)果；是指一個零件表面上的金屬轉(zhuǎn)移到另一個零件表面上，而產(chǎn)生的磨損。o 氣缸套與活塞、活塞環(huán)，曲軸軸頸與軸承、凸輪與挺

57、桿、差速器十字軸和齒輪等； 在宏觀表面間接觸壓力作用下，微凸體之間的單位面積壓力很快達到材料的屈服上，并發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致更多的微凸體進入接觸狀態(tài)。在結(jié)點發(fā)生塑變的同時，還要伴生大量的熱，使材料結(jié)點在瞬間達到材料熔融溫度。由于結(jié)點是熔焊而成，其附近的金屬材料又受到嚴重的應(yīng)變硬化。整個結(jié)點區(qū)域的材料強度要高于其兩邊的基體材料強度，當結(jié)點的兩個微凸體隨摩擦表面發(fā)生相對運動時就會沿著這個截面產(chǎn)生裂紋和縮頸，最終斷開，并最后造成一個表面上的微凸體材料隨著結(jié)點轉(zhuǎn)移到另一個微凸體表面上去。 4.2影響粘著磨損的因素（1）材料特性的影響1）脆性材料比塑性材料的抗粘著能力強 根據(jù)材料斷裂理論可知，一般情況下，

58、脆性材料的破壞由正應(yīng)力引起，而切應(yīng)力是導(dǎo)致塑性材料破壞的原因，表面接觸中最大正應(yīng)力出現(xiàn)在表面，最大切應(yīng)力出現(xiàn)在次表面，所以脆性材料比塑性材料的抗粘著能力強。2）材料匹配 互溶性大的材料（相同金屬或晶格類型、晶格間距、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬）所組成的摩擦偶件粘著傾向大。3）材料的硬度 兩種材料硬度相差較大時，剪切只發(fā)生在軟金屬的次表層，粘著磨損不嚴重；兩種材料硬度相近時，粘著處的強度一般比對磨的兩種金屬材料的強度高，剪切會同時發(fā)生在兩種材料的較深部位，粘著磨損嚴重。一般來說，硬度越高，材料抵抗粘著磨損的能力越強。 4）相組織結(jié)構(gòu) 從材料的相組織結(jié)構(gòu)來看，多相金屬比單向金屬粘著傾向小。5）

59、磨擦元素在周期表中的位置 周期表中的B族元素與鐵不相溶或能形成化合物，它們的粘著傾向小，而鐵與A族元素組成的摩擦偶件粘著傾向大。（2）接觸壓力和滑動速度的影響 在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨接觸應(yīng)力增大而增加。當平均壓力小于材料硬度的1/3時，磨損量與載荷成正比，且不大；當壓力超過臨界值時，磨損量急劇上升，嚴重時會產(chǎn)生咬死； 接觸壓力一定的情況下，粘著磨損量也隨著滑動速度的增加而增加，但達到某一極大值后，又隨摩擦速度的增加而減小。 o除上述影響因素外，摩擦偶件的表面粗糙度、摩擦表面的溫度以及潤滑狀態(tài)也對粘著磨損有著較大的影響。降低粗糙度，將提高抗粘著磨損能力。但粗糙度太低，反因潤滑劑不能儲存于

60、摩擦面內(nèi)而加速粘著磨損。溫度的影響和滑動速度的影響是一致的。在摩擦表面維持良好的潤滑狀態(tài)能顯著降低粘著磨損量。o按照粘著磨損理論，整個摩擦副材料只發(fā)生材料的相互轉(zhuǎn)移。而在實際上，摩擦副總是有磨粒產(chǎn)生，因而單純的粘著磨損是不存在的，它總是伴隨著氧化磨損及其他形式的磨損。 4.3提高粘著磨損的措施(1) 摩擦副配對材料的選擇基本原則是配對材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性小的材料配對，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對。(2) 采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效減輕粘著磨損。如果沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，可進行滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。(3) 控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，可使粘