第四章機械零件失效分析及對策

1、第四章第四章機械零件失效分析及對策機械零件失效分析及對策一、機械零件的失效一、機械零件的失效 設(shè)備或其零部件喪失了在預(yù)定期內(nèi)的設(shè)備或其零部件喪失了在預(yù)定期內(nèi)的規(guī)定功能稱之為失效。規(guī)定功能稱之為失效。機械零件發(fā)生下列情況之一時可被定義為失效：機械零件發(fā)生下列情況之一時可被定義為失效：完全失去原定的功能；完全失去原定的功能；仍然可用，但是不再能夠良好地執(zhí)行其原定的仍然可用，但是不再能夠良好地執(zhí)行其原定的功能；功能；嚴(yán)重的損傷，使其在繼續(xù)使用中失去可靠性和嚴(yán)重的損傷，使其在繼續(xù)使用中失去可靠性和安全性。安全性。 機械零件常見的失效形式包括機械零件常見的失效形式包括變形失效、斷裂失效、表面損傷失變形失

2、效、斷裂失效、表面損傷失效等。效等。二、機械零件常見失效形式及特征和診斷二、機械零件常見失效形式及特征和診斷失失 效效 形形 式式 過量彈性變形失效過量彈性變形失效（彈性畸變失效）（彈性畸變失效） 當(dāng)彈性變形超過規(guī)定的限量時（雖然在彈性極限以內(nèi)），當(dāng)彈性變形超過規(guī)定的限量時（雖然在彈性極限以內(nèi)），會造成零件的不正常匹配關(guān)系導(dǎo)致失效。會造成零件的不正常匹配關(guān)系導(dǎo)致失效。 判斷是否為過量彈性變形失效，要綜合考慮以下因素：判斷是否為過量彈性變形失效，要綜合考慮以下因素： 失效件是否有嚴(yán)格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫工作經(jīng)歷；失效件是否有嚴(yán)格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫工作經(jīng)歷； 正常工作下相

3、互接觸的配合表面上是否有劃傷、擦痕或磨損的痕跡；正常工作下相互接觸的配合表面上是否有劃傷、擦痕或磨損的痕跡； 設(shè)計時是否考慮了彈性變形及熱膨脹變形的影響及是否采取了相應(yīng)設(shè)計時是否考慮了彈性變形及熱膨脹變形的影響及是否采取了相應(yīng) 的措施；的措施； 通過計算來驗證是否有彈性變形失效的可能。通過計算來驗證是否有彈性變形失效的可能。1. 1.變形失效變形失效 變形失效分為過量彈性變形失效和塑性變形失效兩類。變形失效分為過量彈性變形失效和塑性變形失效兩類。防止過量彈性變形失效的措施防止過量彈性變形失效的措施選擇合適的材料或結(jié)構(gòu)；選擇合適的材料或結(jié)構(gòu)；確定適當(dāng)?shù)钠ヅ涑叽?；確定適當(dāng)?shù)钠ヅ涑叽纾徊捎脺p少變形影

4、響的轉(zhuǎn)接件。采用減少變形影響的轉(zhuǎn)接件。塑性變形失效塑性變形失效（塑性畸變失效）（塑性畸變失效） 塑性變形失效是零件由于發(fā)生過大的塑性變塑性變形失效是零件由于發(fā)生過大的塑性變形而不能繼續(xù)正常工作，由過量塑性變形引起的形而不能繼續(xù)正常工作，由過量塑性變形引起的失效也稱為屈服失效。失效也稱為屈服失效。塑性變形失效的特征是有明顯的永久變形，很容易鑒別。塑性變形失效的特征是有明顯的永久變形，很容易鑒別。防止塑性變形失效的措施：防止塑性變形失效的措施： 降低實際應(yīng)力降低實際應(yīng)力 （降低工作應(yīng)力、減少殘余應(yīng)力、降低應(yīng)力集中）（降低工作應(yīng)力、減少殘余應(yīng)力、降低應(yīng)力集中） 提高材料的屈服強度提高材料的屈服強度蠕

5、變變形失效蠕變變形失效 金屬材料在高溫和低于屈服強度的應(yīng)力作用金屬材料在高溫和低于屈服強度的應(yīng)力作用下的緩慢變形稱為蠕變。即，金屬在長時間恒溫、下的緩慢變形稱為蠕變。即，金屬在長時間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于其屈服強度，也會恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于其屈服強度，也會慢慢地產(chǎn)生塑性變形。慢慢地產(chǎn)生塑性變形。 低溫下蠕變也會發(fā)生，但只有當(dāng)溫度高于低溫下蠕變也會發(fā)生，但只有當(dāng)溫度高于0.3Tm0.3Tm時才比較顯著，所以，碳鋼在溫度高于時才比較顯著，所以，碳鋼在溫度高于300300，合金鋼在溫度高于，合金鋼在溫度高于400400時，必須考慮蠕時，必須考慮蠕變變形的影響。變變形的影響。 蠕變變形

6、失效的主要特征是：在高溫下永蠕變變形失效的主要特征是：在高溫下永久變形逐漸增加，當(dāng)其變形尺寸大于設(shè)計的要求久變形逐漸增加，當(dāng)其變形尺寸大于設(shè)計的要求時即告失效，所以對蠕變變形要進行點檢和監(jiān)督，時即告失效，所以對蠕變變形要進行點檢和監(jiān)督，防止出現(xiàn)蠕變斷裂等嚴(yán)重后果。防止出現(xiàn)蠕變斷裂等嚴(yán)重后果。 蠕變失效不僅表現(xiàn)在外部尺寸的變化，更主蠕變失效不僅表現(xiàn)在外部尺寸的變化，更主要的是表現(xiàn)為其內(nèi)部組織發(fā)生局部變化。所以對要的是表現(xiàn)為其內(nèi)部組織發(fā)生局部變化。所以對蠕變失效件進行分析時不僅要觀察失效環(huán)境、使蠕變失效件進行分析時不僅要觀察失效環(huán)境、使用情況等，而且還要進行光學(xué)金相、電子金相的用情況等，而且還要進

7、行光學(xué)金相、電子金相的分析。分析。2 .2 .斷裂失效斷裂失效塑性斷裂失效塑性斷裂失效 當(dāng)構(gòu)件承受的實際應(yīng)力大于材料的屈服極限當(dāng)構(gòu)件承受的實際應(yīng)力大于材料的屈服極限時，將產(chǎn)生塑性變形，若應(yīng)力進一步增加，則可時，將產(chǎn)生塑性變形，若應(yīng)力進一步增加，則可能發(fā)生塑性斷裂失效。能發(fā)生塑性斷裂失效。 塑性斷裂失效的特征：塑性斷裂失效的特征： 在斷口附近有宏觀塑性變形；在斷口附近有宏觀塑性變形； 有掃描電鏡觀察，斷口上存在大面積的韌窩；有掃描電鏡觀察，斷口上存在大面積的韌窩； 有高倍金相顯微鏡觀察，斷口附近的組織有明顯的塑有高倍金相顯微鏡觀察，斷口附近的組織有明顯的塑性變形層。性變形層。 防止塑性斷裂失效要

8、正確選材、避免超載使用，也可防止塑性斷裂失效要正確選材、避免超載使用，也可在設(shè)計上采用變形限位裝置或增設(shè)變形保護報警系統(tǒng)等。在設(shè)計上采用變形限位裝置或增設(shè)變形保護報警系統(tǒng)等。脆性斷裂失效脆性斷裂失效 當(dāng)載荷或應(yīng)力強度超過了當(dāng)時材料的承載能力當(dāng)載荷或應(yīng)力強度超過了當(dāng)時材料的承載能力時，在沒有明顯塑性變形的情況下發(fā)生的斷裂失效。時，在沒有明顯塑性變形的情況下發(fā)生的斷裂失效。 脆性斷裂失效的特征：脆性斷裂失效的特征： 斷裂部位在宏觀上沒有塑性變形，斷口可以拼湊復(fù)原；斷裂部位在宏觀上沒有塑性變形，斷口可以拼湊復(fù)原； 斷口呈細(xì)瓷狀，較光亮，無剪切唇；斷口呈細(xì)瓷狀，較光亮，無剪切唇； 斷裂常發(fā)生于低溫條件

9、下，或受沖擊載荷作用時；斷裂常發(fā)生于低溫條件下，或受沖擊載荷作用時； 斷裂過程瞬間完成，無明顯預(yù)兆。斷裂過程瞬間完成，無明顯預(yù)兆。 防止脆性斷裂失效要從設(shè)計上、工藝上及操作上考慮，做到設(shè)計合理、正確選材、遵章使用，并避免沖擊載荷。 疲勞斷裂失效疲勞斷裂失效 循環(huán)載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷循環(huán)載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷裂為疲勞斷裂失效，包括機械應(yīng)力引起的疲勞和熱裂為疲勞斷裂失效，包括機械應(yīng)力引起的疲勞和熱應(yīng)力引起的疲勞。應(yīng)力引起的疲勞。 引起失效的直接原因是周期引起失效的直接原因是周期( (交變交變) )作用力引起作用力引起的應(yīng)力破壞，疲勞斷裂的過程包括裂紋的萌生、擴的應(yīng)力破

10、壞，疲勞斷裂的過程包括裂紋的萌生、擴展和最終瞬斷三個階段。展和最終瞬斷三個階段。 疲勞斷口由疲勞裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬時疲勞斷口由疲勞裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)三部分組成。斷裂區(qū)三部分組成。影響疲勞性能的因素影響疲勞性能的因素載荷及工作條件載荷及工作條件零件幾何形狀及表面狀態(tài)零件幾何形狀及表面狀態(tài)材料本質(zhì)材料本質(zhì)表面處理及殘余內(nèi)應(yīng)力表面處理及殘余內(nèi)應(yīng)力提高疲勞抗力的措施提高疲勞抗力的措施優(yōu)化設(shè)計，合理選材優(yōu)化設(shè)計，合理選材改善和提高零件的抗疲勞品質(zhì)改善和提高零件的抗疲勞品質(zhì)改善材料塑性，減少變形約束，減小零件的改善材料塑性，減少變形約束，減小零件的 溫度梯度等溫度梯度等3.3.表面損傷

11、失效表面損傷失效 腐蝕失效腐蝕失效 金屬材料受周圍環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)或電金屬材料受周圍環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的損壞為金屬的腐蝕失效?；瘜W(xué)作用而引起的損壞為金屬的腐蝕失效。 影響腐蝕的因素：影響腐蝕的因素： 金屬的特性金屬的特性 金屬的成分金屬的成分 零件表面狀況零件表面狀況 環(huán)境環(huán)境防止腐蝕失效的措施防止腐蝕失效的措施正確選材正確選材合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)覆蓋保護層，隔離有害介質(zhì)覆蓋保護層，隔離有害介質(zhì)添加緩蝕劑和去除介質(zhì)中有害成分添加緩蝕劑和去除介質(zhì)中有害成分電化學(xué)保護電化學(xué)保護改變環(huán)境條件改變環(huán)境條件磨損失效磨損失效 零件的摩擦表面上出現(xiàn)了材料損零件的摩擦表面上出現(xiàn)了材料損

12、耗的現(xiàn)象為磨損，當(dāng)磨損超過某一限耗的現(xiàn)象為磨損，當(dāng)磨損超過某一限度，使其喪失規(guī)定功能而引起設(shè)備性度，使其喪失規(guī)定功能而引起設(shè)備性能下降或不能工作為磨損失效。能下降或不能工作為磨損失效。設(shè)備磨損的一般規(guī)律設(shè)備磨損的一般規(guī)律影響磨損的因素：影響磨損的因素： 零件材料零件材料 運轉(zhuǎn)條件運轉(zhuǎn)條件 零件幾何因素零件幾何因素 環(huán)境因素環(huán)境因素防止或減少磨損失效的措施防止或減少磨損失效的措施合理潤滑合理潤滑正確選材正確選材進行表面處理進行表面處理合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計改善工作條件改善工作條件提高修復(fù)質(zhì)量提高修復(fù)質(zhì)量正確使用和維護正確使用和維護三、機械零件失效原因剖析三、機械零件失效原因剖析 機械零件失

13、效是由于零件材料的物理、機械零件失效是由于零件材料的物理、力學(xué)性質(zhì)逐漸或突然降低，零件的磨損、壓力學(xué)性質(zhì)逐漸或突然降低，零件的磨損、壓折、腐蝕、老化、殘余應(yīng)力的重新分布等原折、腐蝕、老化、殘余應(yīng)力的重新分布等原因引起的零件變形、斷裂、表面損傷。因引起的零件變形、斷裂、表面損傷。 任何一種失效都是材料成分、結(jié)構(gòu)或力任何一種失效都是材料成分、結(jié)構(gòu)或力學(xué)性能、零件結(jié)構(gòu)尺寸及其表面狀態(tài)變化的學(xué)性能、零件結(jié)構(gòu)尺寸及其表面狀態(tài)變化的結(jié)果。因此，零件失效決定于結(jié)構(gòu)、工藝和結(jié)果。因此，零件失效決定于結(jié)構(gòu)、工藝和操作運轉(zhuǎn)等因素。操作運轉(zhuǎn)等因素。 服役條件服役條件 受力狀況受力狀況 載荷類型載荷類型 載荷性質(zhì)載荷

14、性質(zhì) 載荷在零件中引起的應(yīng)力狀態(tài)等載荷在零件中引起的應(yīng)力狀態(tài)等 工作環(huán)境工作環(huán)境 環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì) 環(huán)境溫度等環(huán)境溫度等機械零件失效的主要原因機械零件失效的主要原因設(shè)計制造過程因素設(shè)計制造過程因素設(shè)計不合理或不完善設(shè)計不合理或不完善零件材質(zhì)因素零件材質(zhì)因素制造工藝缺陷制造工藝缺陷裝配調(diào)試因素等裝配調(diào)試因素等使用維修因素使用維修因素超載使用超載使用潤滑不良潤滑不良清潔不好清潔不好腐蝕腐蝕表面碰傷表面碰傷違章操作違章操作維修不當(dāng)維修不當(dāng)人的素質(zhì)條件影響等人的素質(zhì)條件影響等四、機械零件失效分析四、機械零件失效分析 判斷機械零件的失效模式，查找其判斷機械零件的失效模式，查找其失效機理和原因，提出預(yù)防再

15、失效的對失效機理和原因，提出預(yù)防再失效的對策的技術(shù)活動和管理活動稱為失效分析。策的技術(shù)活動和管理活動稱為失效分析。 失效分析是指分析研究機械零件斷失效分析是指分析研究機械零件斷裂、腐蝕、磨損、變形等現(xiàn)象的機理或裂、腐蝕、磨損、變形等現(xiàn)象的機理或過程的特征及規(guī)律，從中找出產(chǎn)生失效過程的特征及規(guī)律，從中找出產(chǎn)生失效的主要原因，以便采用適當(dāng)控制方法的的主要原因，以便采用適當(dāng)控制方法的學(xué)科或技術(shù)。學(xué)科或技術(shù)。 1.1.失效分析的目的失效分析的目的 通過對失效件的分析，明確失效類通過對失效件的分析，明確失效類型，找出引起失效的原因，以便采取相型，找出引起失效的原因，以便采取相應(yīng)對策，使類似的失效不再重復(fù)

16、發(fā)生，應(yīng)對策，使類似的失效不再重復(fù)發(fā)生，并為制訂維修技術(shù)方案提供可靠依據(jù)，并為制訂維修技術(shù)方案提供可靠依據(jù)，以降低設(shè)備故障率。以降低設(shè)備故障率。2.2.失效分析的思路失效分析的思路五個基本原則五個基本原則 整體觀念原則整體觀念原則 從現(xiàn)象到本質(zhì)原則從現(xiàn)象到本質(zhì)原則 動態(tài)原則動態(tài)原則 一分為二原則一分為二原則 縱橫交匯原則縱橫交匯原則五種具體方法五種具體方法系統(tǒng)方法系統(tǒng)方法抓主要矛盾方法抓主要矛盾方法比較方法比較方法歷史方法歷史方法邏輯方法邏輯方法3.3.失效分析工作三要素失效分析工作三要素調(diào)查檢測調(diào)查檢測分析診斷分析診斷處置與預(yù)防處置與預(yù)防4.4.失效分析的程序與步驟失效分析的程序與步驟失失

17、效效 分分 析析 程程 序序 框框 圖圖失效分析一般步驟失效分析一般步驟調(diào)查研究收集原始背景材料調(diào)查研究收集原始背景材料殘骸拼湊分析與低倍宏觀檢查殘骸拼湊分析與低倍宏觀檢查零件失效部位應(yīng)力分析計算，必要時用實驗方零件失效部位應(yīng)力分析計算，必要時用實驗方法測定法測定深入實驗分析深入實驗分析綜合實驗分析找出失效原因，提出防止和改進綜合實驗分析找出失效原因，提出防止和改進措施的建議措施的建議撰寫失效分析報告撰寫失效分析報告失效分析常用的方法和技術(shù)失效分析常用的方法和技術(shù)五感檢查診斷技術(shù)五感檢查診斷技術(shù)痕跡分析技術(shù)痕跡分析技術(shù)化學(xué)成分分析技術(shù)化學(xué)成分分析技術(shù)性能測試分析技術(shù)性能測試分析技術(shù)無損檢測試驗

18、技術(shù)無損檢測試驗技術(shù)殘余應(yīng)力測試技術(shù)殘余應(yīng)力測試技術(shù)失效分析的作用失效分析的作用防止事故重復(fù)發(fā)生防止事故重復(fù)發(fā)生控制事故使之不擴展控制事故使之不擴展找出事故關(guān)鍵原因，改進制造工藝，提高零件質(zhì)量找出事故關(guān)鍵原因，改進制造工藝，提高零件質(zhì)量提供技術(shù)改造和制訂技術(shù)文件的科學(xué)依據(jù)提供技術(shù)改造和制訂技術(shù)文件的科學(xué)依據(jù)提供事故仲裁、案件偵破、失效保險等的技術(shù)依據(jù)提供事故仲裁、案件偵破、失效保險等的技術(shù)依據(jù)提供科學(xué)決策的信息和數(shù)據(jù)提供科學(xué)決策的信息和數(shù)據(jù)失效分析與產(chǎn)品設(shè)計制造的關(guān)系失效分析與產(chǎn)品設(shè)計制造的關(guān)系五、失效分析與故障預(yù)防技術(shù)五、失效分析與故障預(yù)防技術(shù) 應(yīng)用失效分析技術(shù)判斷出機械零件失效的應(yīng)用失效分

19、析技術(shù)判斷出機械零件失效的原因和機理，其目的是消除故障的隱患和預(yù)防原因和機理，其目的是消除故障的隱患和預(yù)防失效的再發(fā)生。失效的再發(fā)生。 通過對常用零部件和結(jié)構(gòu)的失效分析，從通過對常用零部件和結(jié)構(gòu)的失效分析，從斷口分析和表面損傷等分析中尋找出失效和故斷口分析和表面損傷等分析中尋找出失效和故障的性質(zhì)和原因，可以總結(jié)出其失效規(guī)律，從障的性質(zhì)和原因，可以總結(jié)出其失效規(guī)律，從而使故障預(yù)防技術(shù)得以應(yīng)用。而使故障預(yù)防技術(shù)得以應(yīng)用。六、失效分析與六、失效分析與FMEA FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）是是故障模式分析故障模式分析(FMA)和故障影響分析和故障影響分

20、析(FEA)的組合的組合, ,是是設(shè)設(shè)備維護前瞻性的預(yù)測方法備維護前瞻性的預(yù)測方法。 FMEA是一種重要的可靠性設(shè)計方法，可以對各種是一種重要的可靠性設(shè)計方法，可以對各種可能的風(fēng)險進行評價和分析，認(rèn)可并評價產(chǎn)品可能的風(fēng)險進行評價和分析，認(rèn)可并評價產(chǎn)品/ /過程中過程中的潛在失效以及該失效的后果的潛在失效以及該失效的后果, ,確定能夠消除或減少潛確定能夠消除或減少潛在失效發(fā)生機會的措施在失效發(fā)生機會的措施, ,使企業(yè)在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消使企業(yè)在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險或?qū)⑦@些風(fēng)險減小到可接受的水平內(nèi)。除這些風(fēng)險或?qū)⑦@些風(fēng)險減小到可接受的水平內(nèi)。 FMEA廣泛應(yīng)用于可靠性工程、安全性工程、維修廣泛應(yīng)用于可靠性工程、安全性工程、維修性工程等領(lǐng)域。性工程等領(lǐng)域。FMEA和和FMA的區(qū)別的區(qū)別失效分析（失效分析（FMA）潛在的失效模式及后果分析（潛在的失效模式及后果分析（FMEA）失效已經(jīng)產(chǎn)生失效已經(jīng)產(chǎn)生核心：糾正核心：糾正診斷已知的失效診斷已知的失效指引的是開發(fā)和生產(chǎn)指引的是開發(fā)和生產(chǎn)是一種事后行為是一種事后行為失效還未發(fā)生，可能發(fā)生，但不