工程零件主要失效形式及防护方法

第1章　工程零件的主要失效形式

零件若失去设计要求的效能即为失效。造成零件失效的原因是多方面的，但从本质看，零件失效都是由于外界载荷、温度、介质等的损害作用超过了材料抵抗损害的能力造成的。

以汽车零件失效为例：

发动损件-气缸套：常见故障有缸孔自然磨损、外径压配不当漏水（湿式缸套）、缸壁因敲缸损伤，或在突发情况下如连杆螺栓松脱被连杆击穿等、使用不当和自然疲劳损坏；

活塞：自然磨损，在发动机过热时会造成部分铝合金熔蚀发生拉缸或咬死，磨损后配合间隙过大、积碳早燃时会击伤、裂缝等；

活塞环：因活塞拉缸被折断，自然磨损，弹性衰减等。

底盘易损件-离合器总成：从动盘摩擦面片磨损、钢片裂纹、面片铆钉突出或面片被油脂污染，分离轴承套筒、分离叉、分离杠杆等零件摩擦工作面的磨损等；

转向节：主销孔、指轴及轴承径磨损，紧固螺纹损坏，指轴受冲击负荷弯曲变形、产生疲劳裂纹等。

通过观察零件的失效特征，找出造成失效的原因，从而确定相应的失效抗力指标，为制订技术条件、正确选材和制订合理工艺提供依据。因此，研究机械零件的失效具有重要意义。本章节主要讨论工程零件常见的四种失效形式：过量变形、断裂、磨损和腐蚀。

1.1　过量变形

材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化叫变形。研究材料在常温静载荷下的变形常采用静拉伸、压缩、弯曲、扭转和硬度等试验方法，其中静拉伸试验可以全面地揭示材料在静载荷作用下的变形规律。

根据外力去除后变形能否恢复，将变形分为弹性变形和塑性变形。能够恢复的变形叫做弹性变形；不能够恢复的变形叫做塑性变形。

1.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为

（1）低碳钢的应力-应变行为

图 1-1为低碳钢的应力-应变曲线。由图可以看出，低碳钢在拉伸应力作用下的变形过程分为：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段。钢在低于弹性极限σe的应力作用下发生弹性变形，在此阶段内，当应力低于比例极限σp时，应力与应变成正比，服从虎克定律，即：

式中，E——拉伸杨氏模量。

显然比例极限即是应力和应变成正比的最大应力，图中：

弹性极限σe——不产生塑性变形的最大应力；

屈服极限σs——材料开始产生塑性变形的应力；

抗拉强度σb——材料产生最大均匀变形的应力。

图1-1　低碳钢的应力-应变曲线

当应力超过弹性极限σe后，在继续发生弹性变形的同时，开始发生塑性变形并出现屈服现象，即外力不增加，但变形继续进行。除低碳钢外，正火、退火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料也具有上述类似的应力-应变行为。

但并非所有材料在拉伸应力作用下都经历上述变形过程，图 1-2给出了其它类型材料的应力-应变曲线。对高分子材料，像聚氯乙烯，在拉伸开始时应力和应变不成直线关系，如图 -2（a）所示。大多数纯金属（如A1、Cu、Au、Ag等）的应力-应变曲线如图 1-2（b）所示，其变形过程包括弹性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形三个阶段，不发生屈服塑性变形。图 1-2（c）是苏打石灰玻璃的应力-应变曲线，只显示弹性变形，没有塑性变形立即断裂，这是完全脆断的情形。工程结构陶瓷材料像Al2O3，SiC等均属这种情况，淬火态的高碳钢、普通灰铸铁也属这种情况。

图1-2　几种类型材料的应力-应变曲线

零（构）件在外力作用下所发生的弹性变形和塑件变形对零（构）件的使用寿命有着重要的影响，有时常常由于变形超过了允许量而导致零（构）件失效。

2.过量变形失效

（1）过量弹性变形

任何机器零件在工作时都处于弹性变形状态。有些零件在一定载荷作用下只允许一定的弹性交形，若发生过量弹性变形就会造成失效。如齿轮轴，为了保证齿轮的正常啮合，要求齿轮轴在工作过程中具有较小的弹性变形，若因其刚度不足，产生过量弹性交形，则会影响齿轮的正常啮合，加速齿轮磨损，增加噪声。由此可见，刚度不够是零件产生过量弹性变形的根本原因。

（2）过量塑性变形

绝大多数机器零件在使用过程中部处于弹性变形状态，不允许产生塑性变形。但是，由于偶然的过载或材料本身抵抗塑性变形的能力不够，零件也会产生塑性变形。当塑性变形超过允许量时，零件就失去其应有的效能。如汽车板簧，只允许在弹性范围内工作，若其材料的弹性极限过低，使用一段时间后，板簧弓形就会变小，即产生了塑性变形，导致弹力不够并更换。

零（构）件经常因过量塑性变形而失效，所以一般不允许发生过量塑性变形，但是要求的严格程度是不一样的。设计时应根据零（构）件工作条件所允许的残留变形量加以选择。

1.2　零件在静载和冲击载荷下的断裂

1.2.1　韧断和脆断

断裂是指材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。图 1-3是零件静拉伸时的断裂示意图。

图1-3　零件静拉伸时的断裂示意图

断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效，其分类比较复杂，一般有如下几种：

（1）按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂；

（2）按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂；

（3）按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。

按断裂前宏观塑性变形的大小分类，疲劳断裂属脆性断裂范畴。但由于疲劳断裂出现的比例高，危害性大，且是在交变载荷作用下出现的断裂，因此国内外工程界通常也将其单独作为一种断裂形式加以重点分析研究。

韧性断裂又叫延性断裂或塑性断裂，即零件断裂之前，在断裂部位出现较为明显的塑性变形。例如低碳钢在室温拉伸时，有足够大的伸长量后才断裂，其断口为杯形，呈暗灰色纤维状。而脆性断裂是断裂前不发生塑性变形，断裂后其断口齐平，由无数发亮的小平面组成。零件在静载和冲击载荷下通常具有这两种断裂形式。(www.xing528.com)

对于韧性断裂，裂纹形成后经历很长的裂纹亚稳扩展阶段，裂纹扩展与塑性变形同时进行，变形一旦停止，裂纹也停止扩展，只有再增加外力使变形继续进行时，裂纹才相应地继续扩展。金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。

脆性断裂是指工程构件在很少或不出现宏观塑性变形（一般按光滑拉伸试样的ψ＜5%）情况下发生的断裂。因其断裂应力低于材料的屈服强度，故又称作低应力断裂。

对于脆性断裂，裂纹形成后很快达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展速度极快，故脆性断裂前无明显塑性变形。由于脆性断裂大都没有事先预兆，具有突发性，对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的后果。金属构件脆性断裂主要有穿晶脆断（解理与准解理）和沿晶脆断两大类。

显然，韧性是表示材料在塑性变形相断裂过程中吸收能量的能力，它是材料强度与塑性的综合表现。评定材料韧件的力学性能是冲击韧性和断裂韧性。

1.2.2　冲击韧性及衡量指标

冲击韧性可以用来评定材料在冲击载荷下的脆断倾向。所谓冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功AK表示。冲击吸收功由冲击试验测得，它是将带有U型或V型缺口的标准试样放在冲击试验机上，用摆锤将试样冲断。冲断试样所消耗的功即为冲击吸收功AK，其单位为J。若将AK除以试样断口处截面积Fk即得材料的冲击韧度aK（＝AK/Fk），其单位为J·cm-2。因此AK或aK是衡量材料冲击韧性的力学性能指标。

图1-4　冲击吸收功AK随温度的变化曲线

工程材料的冲击吸收功通常是在室温测得，若降低试验温度，在低温下不同温度进行冲击试验（称之为低温冲击试验或系列冲击试验），可以得到冲击吸收功AK随温度（T）的变化曲线，如图 1-4所示。由图可见，材料的冲击吸收功随试验温度降低而降低，当试验温度低于Tk时，冲击吸收功明显降低，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性，将AK—T曲线上冲击吸收功急剧变化的温度Tk，称为韧脆转变温度。低温脆性是中、低强度结构钢经常遇到的现象，它对桥梁、船舶、低温压力容器以及在低温下工作的机器零件是十分有害的，容易引起低温脆性断裂。显然材料的AK越高和Tk越低，其冲击韧性越好。冲击吸收功AK是对材料成分、组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化、热处理等方法改变。由图1-4可以看出高强度马氏体钢韧性最差，即使在室温其韧性也很低；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的韧脆转变温度，低温韧性差；奥氏体钢韧性最高，没有明显的韧脆转变温度，低温韧性好。

1.2.3　断裂韧性及衡量指标

对于受载的裂纹体，应力强度因子K1是描写裂纹尖端应力场强弱程度的力学参量，可以推断当应力增大时，K1也逐渐增加，当K1达到某一临界值时，带裂纹的构件发生断裂，这一临界值称为断裂韧性K1c（也称为Kc）。

K1是受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也和裂纹的形状类型，以及加载方式有关，但它和材料本身的固有性能无关。而断裂韧性K1c则是反映材料阻止裂纹扩展的能力，因此是材料本身的特性。Kc和K1c的不同点在于，Kc是平面应力状态下的断裂韧性，它和板材或试样厚度有关，而当板材厚度增加到达到平面应变状态时断裂韧性就趋于一稳定的最低值，这时便与板材或试样的厚度无关，该稳定的最低值即为材料的断裂韧性或材料平面应变的断裂韧性K1c，是一材料常数，反映了材料阻止裂纹扩展的能力。

当应力强度因子增大到一临界值，这一临界值在数值上等于材料的平面应变断裂韧性K1c时，裂纹就立即失稳扩展，构件就发生脆断。因此，断裂判据可表达为：

断裂判据K＝K1c建立之后，要确定零构件所允许的工作应力和裂纹尺寸，必须从力学上计算应力强度因子和实验上测定材料的断裂韧性。

材料研究中通常测定的材料断裂韧性，就是平面应变的断裂韧性K1c。而建立的断裂判据也是以K1c为标准的，因为它反映了最危险的平面应变断裂情况。从平面应力向平面应变过渡的板材厚度取决于材料的强度，材料的屈服强度越高，达到平面应变状态的板材厚度越小。

1.3　零件的磨损失效

机器运转时，任何在接触状态下发生相对运动的零件之间都会发生摩擦，如活塞环与汽缸套、轴与轴承、十字头与滑块等。简单地讲，零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质耗损的现象即称为磨损。工业生产、运行中磨损现象无处不在，如发动机气缸套的磨损量超过允许值或者活塞环受磨损后其开口间隙明显增大，会引起发动机功率不足，耗油量增加，并产生噪声和振动等故障；磨煤机（球磨机或中速磨）是通过衬板、磨球或磨辊与煤块间的磨损才能达到细煤粉完全燃烧目的；矿料破碎要通过锤头冲击磨损来实现。由于磨损有可能使零件断面削弱而断裂，或引起与该零件毗连的其它零件产生附加应力而断裂。因此研究磨损规律，提高零件抗磨性，对延长机件的使用寿命具有重要意义。

磨损是零件失效的一种方式，也是决定机械寿命的重要因素。磨损种类很多，最常见的有粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、麻点磨损（即接触疲劳）等，图 1-5是水电厂冲击式水轮机转轮含沙水流的冲蚀磨损形貌（鱼鳞状），鉴于本书主要介绍磨损及其各种先进抗磨材料，因此磨损的定义、分类及其各种磨损机理主要在第2章节重点介绍。这里只介绍提高零件磨损抗力的途径。

图1-5　冲击式水轮机转轮泥沙磨损形貌

磨损是机械设备重要的失效方式，浪费了大量的材料和能源，材料磨损是一个非常复杂的现象，它受摩擦工况条件、环境和材料内部因素的影响。因此，材料磨损尽管不同于另外两种形式，很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。如磨料磨损己成为冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通、军工等许多工业部门设备失效或材料破坏的一个重要原因，也是造成经济损失最多的问题之一。因此，研究和发展新型抗磨材料，减少金属磨损，对国民经济建设具有重要的意义。在现有的抗磨材料中，一般有奥氏体锰钢、合金铸铁、低合金抗磨钢、抗磨合金和硬质合金等，它们都有各自的特点。随着工业的发展，这些材料逐步从传统型过渡到多合金化和多样（复合）化方向发展。新型抗磨陶瓷材料、复合材料以及表面涂层材料已逐步在进行研究和开发。

1.4　零件的腐蚀失效

金属零（部）件的腐蚀失效包括高温氧化腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀。研究金属腐蚀及其防护方法具有重要的工程应用意义。

1.4.1　高温氧化腐蚀

除少数贵金属如金、铂外，大多数金属在大气中都会发生氧化，形成氧化膜。在室温或温度不高时，氧化过程进行很慢，然而在较高温度下，氧化过程会明显加速。由于氧化膜较脆.其力学性能明显低于基体金属，而且氧化后会导致零（构）件力学性能下降、有效承载截面积减小等，从而降低零（构）件的承载能力。因此，有些在高温含氧气氛中工作的零（构）件，如工业加热炉的炉栅、炉底板，汽轮机燃烧室，锅炉的过热器等常常因高温氧化而失效。

金属的氧化过程分为如下三个步骤（以＋2价金属为例）：

（1）金属原子失去电子成为金属离子：M→M2＋＋2e；

（2）氧原子吸收电子成为氧离子：O＋2e→O2-

（3）金属离子和氧离子结合形成氧化物：M2＋＋O2-→MO。

氧化膜形成后覆盖在金属表面将金属与氧隔开，基体金属能否继续被氧化，将取决于该氧化膜层对金属离子及电子（由内向外）和氧原子或氧离了（由外向内）穿过氧化膜的阻力。实验表明，氧化膜越致密、熔点越高，阻力越大，则其保护能力越强，越能有效地防止金属继续氧化。例如Al2O3、SiO2、NiO、Cr2O3膜的熔点高、致密，覆盖在金属表面可以防止基体金属继续氧化，而FeO膜的熔点低、疏松，不能防止基体金属继续氧化。因此，碳钢在高温（＞570℃）下因形成疏松多孔的低熔点FeO而易氧化。若在钢中加入Cr、Ni、Si、Al等元素，由于这些元素与氧的亲和力较Fe大，优先在钢的表面形成高熔点致密氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3、NiO，提高了钢的抗氧化能力。

1.4.2　电化学腐蚀

金属发生电化学腐蚀的条件是不同金属间或同一金属的各个部分之间存在着电极电位差，而且它们是相互接触并处于相互连通的电解质溶液中构成微电池。其中电位较低的一方为阳极，容易失去电子变为金属离子溶于电解质中而受腐蚀，电位较高的一方则为阴极，起传递电子的作用而不受腐蚀，只发生析氢反应或吸氧反应。

在机器或金属结构中，两种金属相互接触的情况是经常发生的，它们一旦与潮湿空气或电解质相接触就会发生电化学腐蚀。即使对于同一种金属或合金，由于化学成分或组织状态、应力状态、表面粗糙度等的不同，也会导致某些相邻区域的电极电位不同，从而产生电化学腐蚀。

应该指出，不同金属的电化学腐蚀倾向是不同的，通常用它们的电极电位来衡量。金属的电极电位越高即越正，越不易发生电化学腐蚀。

1.4.3　应力腐蚀

所谓应力腐蚀是指零（构）件在拉应力和特定的化学介质联合作用下所产生的低应力脆性断裂现象，其特点是：①引起应力腐蚀的拉应力很小，如果没有腐蚀介质存在，零（构）件在该应力作用下可以长期工作不会发生断裂；②引起应力腐蚀的介质的腐蚀性较弱，如果没有拉应力存在，零（构）件在该介质中可以认为是抗腐蚀的，而且材料只有在特定的介质中才会产生应力腐蚀。正是由于应力腐蚀常发生在较小的拉应力和腐蚀件较弱的介质中，往往被人们所忽视而引起灾难性事故。历史上曾发生过大桥因钢梁在含H的大气中应力腐蚀断裂而塌陷；飞机因高强度螺栓和起落架应力腐蚀断裂而失事；输油气钢管在含H2S的介质中应力腐蚀而爆裂；锅炉因在含少量NaOH的水中发生应力腐蚀而爆炸等。

研究表明，应力腐蚀断裂也是通过裂纹的形成和扩展过程进行的，在应力作用下，零件表面钝化膜在应力集中点处被破坏，该处成为阳极，钝化膜为阴极，构成微电池形成腐蚀坑，萌生裂纹，然后在拉应力和介质联合作用下裂纹便不断扩展导致断裂。

1.4.4　改善零件腐蚀抗力的措施

对于抗氧化，常采取的措施是：①选择抗氧化材料，如耐热钢、耐热铸铁、陶瓷材料等；②表面涂层如热喷涂铝、陶瓷等。

对于抗电化学腐蚀，常采取的措施为：①选择耐蚀材料，如不锈钢合金、陶瓷材料、高分子材料等；②表面涂层，如电镀Cr、热浸镀Zn、Sn、Al、Pb，热喷涂陶瓷及喷涂涂料、搪瓷、塑料等；③电化学保护如牺牲阳极保护、外加电位的阴极保护；④加缓蚀剂降低电解质的腐蚀性。

对于抗应力腐蚀常采取的措施是：①设计时应尽量避免应力集中；②进行去应力退火，消除冷、热加工产生的残留拉应力；③根据工作介质选择在该介质中对应力腐蚀不敏感的材料；④改变介质条件，清除促进应力腐蚀的有害化学离子，例如通过水的净化处理降低冷却水与水蒸气中腐蚀离子，对预防不锈钢的应力腐蚀十分有效。