第二章 机械零件失效分析.ppt

第二章 机械零件的失效及分析 一. 失效的概念 在设备使用过程中，机械零件由于设计、材料、工艺及装配等各种原因，丧失规定的功能，无法继续工作的现象称为失效。当机械设备的关键零部件失效时，就意味着设备处于故障状态。 二. 机械零件失效的基本形式 主要有磨损、变形、断裂、腐蚀等四种。 三. 失效的危害 第二节零件的磨损失效 相接触的物体相互移动时发生阻力的现象称为摩擦。相对运动的零件的摩擦表面发生尺寸、形状和表面质量变化的现象称为磨损。摩擦是不可避免的自然现象；磨损是摩擦的必然结果，两者均发生于材料表面。 机械设备中约有80%的零件因磨损而失效报废。世界上的能源消耗约有30%~50%是由于摩擦和磨损造成的。 一. 摩擦 两物体相对运动使其接触表面间产生运动阻力的现象称为摩擦，该阻力称为摩擦力。 摩擦的存在，不但使动力消耗增加，而且还会引起零件接触表面的磨损。因此，机械各零件的相对运动表面之间，通常都采用润滑油来进行润滑以减轻磨损。 按零件表面润滑状态的不同，摩擦可分为干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦四类。 1.干摩擦 摩擦表面间无任何润滑介质隔开时的摩擦。 零件处于干摩擦状态时，摩擦表面间受到接触面分子间的相互吸引力；由于存在微观凹凸不平而产生的相互嵌合力；由于相对运动引起的摩擦热而造成熔合点的粘结力。这些力的共同作用，使两零件相对运动的阻力增大。要使两个零件相互运动，必须克服这些摩擦阻力，使零件表面急剧磨损，所以机械各零件相互运动的表面应尽量避免干摩擦发生。 例如，气缸壁上部与活塞环以干摩擦和边界摩擦为主，轴颈与轴承在工作过程中受冲击载荷作用时会出现干摩擦状态。 2.液体摩擦 两摩擦表面被润滑油完全隔开时的摩擦，称为液体摩擦。 液体摩擦时两摩擦表面被一层厚度为1.5--2μm的润滑油膜完全隔开，避免了两零件间工作表面的直接接触。 摩擦只发生在润滑油流体分子之间，故其摩擦阻力很小，零件的磨损也非常轻微。 设备上相对运动的部位都应在液体摩擦状态下进行运动。 如：曲轴和轴承、连杆和轴承、变速箱中的轴。 3.边界摩擦 两摩擦表面被一层极薄的边界膜隔开时的摩擦，称为边界摩擦。 油膜厚度通常只在0.1μm以下。它是靠分子内相互的吸引力使油膜分子紧密排列，使其具有一定的承载能力，防止了零件表面的直接接触，使摩擦仅发生在边界膜的外层分子之间，减轻了零件的摩擦与磨损。 但由于其厚度很小，工作中受冲击和高温等作用易被破坏，所以不如液体摩擦可靠。 例如：气缸壁与活塞环之间；若工作中曲轴与轴颈之间润滑油供给不足，易产生边界摩擦。 4.混合摩擦 两摩擦表面间干摩擦、液体摩擦和边界摩擦混合存在时的摩擦，称为混合摩擦。 实际工作状态中，零件通常都是在混合摩擦状态下工作的，其摩擦状态随工作条件的变化而变化。 工作过程中润滑油供给不充足，或受冲击载荷的作用时，轴颈与轴承之间也会出现边界摩擦和干摩擦状态。 二. 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，称为零件的磨损。 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；但磨损有时也是有益的（磨合）。 1.磨料磨损 摩擦表面间存在的硬质颗粒引起的磨损，称为磨料磨损。这种硬质颗粒称为磨料，它主要来自空气中的灰尘、润滑油中的杂质及运动过程中从零件表面脱落下来的金属颗粒。 磨料磨损的影响因素 2.粘着磨损 当金属表面的油膜被破坏，摩擦表面间直接接触而发生粘着作用，使一个零件表面的金属转移到另一个零件表面引起的磨损称为粘着磨损。 主要是由于金属表面负荷大、温度高而引起的。 3.疲劳磨损 影响接触疲劳磨损的主要因素 (1)材质 组织状态——有非金属夹杂物、晶粒不均匀、有缺陷的，造成应力集中，容易发生疲劳磨损。 硬度——硬度高的，抗疲劳能力强。 (2)粗糙度 表面粗糙度低的，抗疲劳能力强。 (3)其他因素 表面应力过大、配合间隙过小或过大，润滑油含腐蚀性物质，容易发生疲劳磨损。 4.腐蚀磨损 ① 化学腐蚀磨损 ② 电化学腐蚀磨损 ③ 微动磨损 微动磨损的影响因素及减少微动磨损的方法 (1)载荷的影响 载荷增加，磨损量增加，载荷超过某一临界值后，磨损量减小。 增加预应力和过盈量可以减缓微动磨损。 (2)振幅的影响 振幅较小时，磨损率较低。振幅超过某一临界值时，磨损率显著上升。 (3)温度的影响 低温和高温，磨损量大。 在130~200℃，磨损量低。 (4)润滑剂的影响 液体润滑剂效果不佳。 黏度大的、固体的润滑剂较好 (5)材料性能的影响 采用较