《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型

2.2零件失效與失效類型1.失效概念

?定義：機(jī)械零件或工程構(gòu)件喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象。?失效含義：①零件破損，不能正常工作。②零件尚可安全工作，但不能滿足原有功能要求。③零件不能安全工作。?失效的定量指標(biāo)：額定壽命；某些指標(biāo)的規(guī)定范圍（如模具沖頭磨損量）達(dá)不到定量指標(biāo)，即發(fā)生早期失效。

1《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024

失效導(dǎo)致嚴(yán)重事故:

2《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024據(jù)美國1982年統(tǒng)計(jì)，因機(jī)械零件斷裂、腐蝕和磨損失效，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3400億美元，其中斷裂失效造成的損失約為1190億美元（占1/3）。3《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20241980年3月27日，北海的石油鉆探船AlexanderKielland號(hào)，由于連接五條立柱的水平橫梁發(fā)生腐蝕疲勞斷裂而完全傾覆，損失達(dá)幾千萬美元。4《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024我國，機(jī)械零部件失效率也很高，由此造成的損失也是驚人的。1979年9月7日，我國某工廠氯氣車間的液氯瓶爆炸，使10噸氯液（5.12地震期間有一化工廠氯液泄露，造成恐慌）外溢擴(kuò)散，波及范圍達(dá)7.35km2，致使59人死亡，779人中毒，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)63萬元。5《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20241979年12月18日，我國某地煤氣公司液化氣廠發(fā)生了一起惡性爆炸事故，一臺(tái)直徑9.2m、容積400m3的球形液化氣貯罐突然爆裂，從長13.5m、寬0.75m的裂縫噴出的液化石油氣，遇明火而爆炸燃燒，引起附近三個(gè)400m3的球罐和一個(gè)50m3的臥式貯罐以及25m以外倉庫中的5000個(gè)民用液化氣瓶先后爆炸起火。大火燃燒了19h，共燒掉液化石油氣超過700噸，燒毀機(jī)動(dòng)車15輛以及罐區(qū)全部建筑，死亡33人，受傷53人，直接損失達(dá)650萬元。6《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20241972年10月，一輛由齊齊哈爾開往富拉爾基的公共客車，行駛至嫩江大橋時(shí)因過小坑受到震動(dòng)，前軸突然折斷，致使客車墜入江中，造成28人死亡。7《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024

1979年5月30日，某發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組在運(yùn)行過程中突然發(fā)生劇烈振動(dòng)和聲響，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪上10個(gè)葉片全部斷裂并脫落，葉片、葉軸碎裂成500多塊。兩臺(tái)機(jī)組修復(fù)費(fèi)用為110萬元，因停機(jī)3年少發(fā)電1.2億度。8《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20241.9《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20242011年7月23日20時(shí)38分，北京南開往福州的D301次動(dòng)車組列車運(yùn)行至甬溫線上海鐵路局管內(nèi)永嘉至溫州南間K584＋300處，與前行的杭州開往福州南的D3115次動(dòng)車組列車發(fā)生追尾事故。10《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20242.11《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20243.12《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024有人擔(dān)心，此次事故的深層原因可能是近年來國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)競爭中“大趕快上”的積弊所致，中聯(lián)重科可能要第一個(gè)品嘗到這枚行業(yè)盲目“追標(biāo)”的惡果。

三一重工履帶式起重機(jī)的最大起重量3600噸；中聯(lián)重科也研制出了3200噸履帶起重機(jī)；徐工則研制出了2000噸履帶起重機(jī)。但這些數(shù)千噸噸位的履帶式起重機(jī)目前并無產(chǎn)品投向市場，“都只是在宣示實(shí)力。”據(jù)了解，此次斷裂的中聯(lián)QUY1000系中聯(lián)重科目前交投市場的第一臺(tái)千噸級(jí)履帶式起重機(jī)，這從一個(gè)側(cè)面證實(shí)了上述判斷。

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失效不僅會(huì)給人們帶來巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失、同時(shí)也會(huì)造成驚人的間接經(jīng)濟(jì)損失。所謂間接經(jīng)濟(jì)損失，主要包括：（1）由于失效迫使企業(yè)停產(chǎn)或減產(chǎn)所造成的損失（云天化的甲醛預(yù)熱器開裂，損失近億元）；（2）引起其他企業(yè)停產(chǎn)或減產(chǎn)的損失；（3）影響企業(yè)的信譽(yù)和市場競爭能力所造成的損失。14《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024零件失效的模式及其失效機(jī)理15《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024一、斷裂失效16《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024二、變形失效

1.彈性變形失效——?jiǎng)偠?.塑性變形失效——強(qiáng)度3.翹曲變形失效17《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024①磨損失效②接觸疲勞失效?特征：接觸零件之間周期性壓應(yīng)力或接觸應(yīng)力反復(fù)作用的結(jié)果，例齒輪齒面剝落、軸承表面麻點(diǎn)。?措施：提高表面質(zhì)量、表面強(qiáng)化。③腐蝕失效：量大面廣；選抗蝕材料、表面防護(hù)等。三、表面損傷失效18《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20242.5摩擦、磨損與潤滑

摩擦是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；

磨損是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；

潤滑是減輕摩擦和磨損所采取的措施。19《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024采取潤滑是控制摩擦、減少磨損的最有效方法。

世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。機(jī)械產(chǎn)品的易損零件約有80%

由于磨損超過限度而報(bào)廢，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。此外，在有些場合則需增大摩擦，但同時(shí)仍應(yīng)減小磨損。關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)(Tribology)這一新興學(xué)科。20《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20241.

摩擦的分類內(nèi)摩擦：在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。外摩擦：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。靜摩擦：僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)的摩擦。動(dòng)摩擦：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中的摩擦?；瑒?dòng)摩擦：物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滑動(dòng)。滾動(dòng)摩擦：物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滾動(dòng)。根據(jù)摩擦面間摩擦狀態(tài)的不同，滑動(dòng)摩擦可分為4種狀態(tài)：21《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20241)干摩擦干摩擦是指表面間無任何潤滑劑或保護(hù)膜而直接接觸的純凈材料表面間的摩擦。工程實(shí)際中并不存在干摩擦。通常是將未經(jīng)人為潤滑的摩擦狀態(tài)當(dāng)作干摩擦處理。干摩擦?xí)r摩擦阻力很大，磨損嚴(yán)重，應(yīng)避免。干摩擦?xí)r金屬間的摩擦系數(shù)f≈0.3~1.5。22《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20242)邊界摩擦邊界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，其摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能。邊界摩擦?xí)r金屬間的摩擦系數(shù)f≈0.1~0.5。23《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20243)

流體摩擦流體摩擦是指摩擦表面被流體膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。流體摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)最小，理論上不會(huì)有磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦狀態(tài)。流體摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)f≈0.001~0.01。24《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20244)混合摩擦注意：邊界摩擦和混合摩擦在工程實(shí)際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為

不完全流體摩擦?；旌夏Σ潦侵改Σ帘砻骈g處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)時(shí)的摩擦?；旌夏Σ?xí)r的摩擦系數(shù)f≈0.01~0.1。25《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024磨損是運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損會(huì)影響機(jī)器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢。2.1

典型磨損過程對(duì)磨損的研究開展較晚，20世紀(jì)50年代提出粘著理論后，60年代在相繼研制出各種表面分析儀器的基礎(chǔ)上，磨損研究才得以迅速開展。一個(gè)零件的磨損過程大致可分為三個(gè)階段，即：2.磨損26《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024在設(shè)計(jì)或使用機(jī)器時(shí)，應(yīng)該力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。

磨合階段新的零件在開始使用時(shí)一般處于這一階段，磨損率較高。

穩(wěn)定磨損階段屬于零件正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。

劇烈磨損階段屬于零件即將報(bào)廢的階段，磨損率急劇升高。三個(gè)階段:27《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20241.粘附磨損2.2磨損的分類嚴(yán)重的粘附磨損會(huì)造成運(yùn)動(dòng)副咬死。為金屬摩擦副之間最普遍的一種磨損形式。減輕粘附磨損措施：合理選擇配對(duì)材料；進(jìn)行表面處理；控制摩擦表面溫度；控制壓強(qiáng)；采用含極壓添加劑的潤滑油等。又稱膠合，摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點(diǎn)處由于瞬時(shí)的溫升和壓力會(huì)發(fā)生“冷焊”，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，便形成粘附磨損。28《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20242.磨粒磨損進(jìn)入摩擦面間的游離硬顆粒為空氣中的塵土或磨損后從材料表面脫落下來的金屬微粒等.磨粒磨損與摩擦副材料的硬度和磨粒的硬度有關(guān)。是外部進(jìn)入摩擦表面的游離硬顆粒或硬的輪廓峰尖所引起的磨損。29《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20243.疲勞磨損又稱點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的機(jī)械磨損。當(dāng)滾動(dòng)或滾—滑運(yùn)動(dòng)的高副受到反復(fù)作用的接觸應(yīng)力(如滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)或齒輪傳動(dòng))時(shí)，如果接觸應(yīng)力超過材料相應(yīng)的接觸疲勞極限，就會(huì)在零件工作表面或表面下一定深度處形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展與相互連接，就造成許多微粒從零件工作表面上脫落下來，致使表面上出現(xiàn)許多月牙形淺坑，形成疲勞磨損或疲勞點(diǎn)蝕。30《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/20244.腐蝕磨損當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作用下引起腐蝕，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。除了以上4種磨損類型外，還有沖蝕磨損、微動(dòng)磨損等。31《機(jī)械設(shè)計(jì)原理》零件失效與失效類型5/9/2024潤滑油：應(yīng)用最廣泛，它包括有機(jī)