零部件失效形式分析

9.2.1 零部件失效的概念及形式

零部件的失效是指零部件在使用过程中，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。零部件失效的具体表现为以下三种：完全破坏不能使用；虽然能工作，但不能满意地起到预定的作用；损伤不严重，但继续工作不安全。

机械设备类型很多，其运行工况和环境条件差异很大，机械零件的失效形式也很多，一般机器零件常见的失效形式有变形、断裂、磨损和蚀损四种。

1.变 形

机械零件或构件在外力作用下，产生形状或尺寸变化的现象称为变形。根据外力去除后变形能否恢复，机械零件或构件的变形可分为弹性变形和塑性变形。过量变形包括过量弹性变形、过量塑性变形和蠕变等。

过量弹性变形是由于构件刚度不足造成的。要预防过量弹性变形，应选用弹性模量高的材料制作构件或增加构件截面面积。

过量塑性变形是由于构件的强度不够（塑性变形抗力太小）造成的，是机械零件失效的重要形式。可以从改变工艺或更换材料及改进设计的角度来解决这一问题，还可通过降低工作应力来阻止这种变形。

蠕变是由于长期在高温和应力作用下，零件发生缓慢而连续的塑性变形而造成的。蠕变一般是不可避免的，通常是以金属在一定温度和应力下经过一定时间所引起的变形量来衡量的。

2.断 裂

断裂是零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或者联合作用下，其本身连续性遭到破坏，发生局部开裂或分裂成几部分的现象。断裂是金属材料最主要也是最严重的失效形式，特别是在没有明显塑性变形的情况下突然发生的脆性断裂，往往会造成灾难性事故。按断裂原因不同，断裂可分为韧性断裂、低温脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、环境破断失效五种。

韧性断裂是零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明显的塑性变形，尺寸发生明显的变化。一般断面缩小，且断口呈纤维状。零件的韧性断裂往往是由于受到很大的载荷或过载引起的。

低温脆性断裂是零件在低于其材料的脆性转变温度以下工作时，其韧性和塑性大大降低并发生脆性断裂而失效的现象。

疲劳断裂是零件在承受交变载荷时，尽管应力的峰值在抗拉强度甚至在屈服强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂的现象。疲劳断裂是脆性断裂，断裂前往往没有明显的预兆而突然断裂。

蠕变断裂是在高温下工作的零件，当蠕变变形量超过一定范围时，零件内部产生裂纹而很快断裂的现象。

环境破断失效是指在承受一定载荷的条件下，由于环境因素（如腐蚀介质）的影响，往往出现低应力下的延迟断裂，使零件失效的现象。环境破断失效包括应力腐蚀、氢脆、腐蚀和疲劳等。

3.磨 损

磨损失效是指相互接触的一对金属部件相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象。机械零件的磨损主要分为黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和微动磨损四种类型。

黏着磨损是由相对运动物体表面的微凸体在摩擦热的作用下发生焊合或黏着，当相对运动的物体继续运动时，两黏着表面发生分离，从而将部分表面物体撕去，造成表面严重损伤。为减少黏着磨损，必须使摩擦系数减小，最好要有自润滑能力或有利于保存润滑剂或改善润滑条件。近年来在不少设备上已采用尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、粉末冶金材料制造轴承、轴套等。

磨粒磨损是在相对运动的物体做相对摩擦时，由于有硬颗粒嵌入金属表面的切削作用而造成了沟槽，致使磨面材料逐渐损耗的一种磨损。磨粒磨损是机械中普遍存在的一种磨损形式，磨损速度较大。根据磨损的机理，为了解决磨损失效，降低磨粒磨损，要求材料的硬度提高。在一定范围内，硬度越高，材料越耐磨。

疲劳磨损是指相互接触的两个运动表面在工作过程中承受交变接触应力的作用并使表面层材料发生疲劳而脱落造成的失效。为减少或消除疲劳磨损，常采用提高零件表面硬度和强度的方法，如表面淬火、化学热处理，使零件表面硬化层有一定的深度；同时也可提高材料的纯度，限制夹杂物数量和提高润滑剂的黏度等。(www.xing528.com)

微动磨损是两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损。它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被忽视。例如在键连接处、过盈配合连接处、螺栓连接处、铆钉连接接头等结合面上产生的磨损。提高材料硬度及选择适当材料配副都可以减小微动磨损。一般情况下，抗黏着性能好的材料配副对抗微动磨损较好，采用表面处理（如硫化或磷化处理以及镀上金属镀层）也是降低微动磨损的有效措施。

4.蚀 损

蚀损即腐蚀损伤，机械零件的蚀损是指零件暴露于活性介质环境中并与环境介质间发生化学或电化学作用，从而造成零件表面材料的损耗，引起零件尺寸和性能变化而导致的失效。按金属与介质作用机理，机械零件的蚀损分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

化学腐蚀是指金属跟接触到的干燥气体或非电解质溶液等直接发生化学应而引起的腐蚀。化学腐蚀的介质一般有两种形式：一种是气体腐蚀，指在干燥气体（如O2、SO2、Cl2）等介质中的腐蚀；另一种是非电解质溶液中的腐蚀，指在有机液体、汽油、润滑油等介质中的腐蚀，它们与金属接触时进行化学反应形成表面膜，在不断脱落又不断生成的过程中使零件腐蚀。

电化学腐蚀是金属与电解质物质接触时，发生原电池反应产生的腐蚀。大多数金属的腐蚀都属于电化学腐蚀，其过程比化学腐蚀强烈。金属零件常见的电化学腐蚀形式主要有大气腐蚀、土壤腐蚀、在电解质溶液中的腐蚀、在熔融盐中的腐蚀等。

选择材料时，要根据环境介质和使用条件，选择合适的耐腐蚀材料，如含有镍、铬、铝、硅、铁等元素的合金钢；在条件许可的情况下，尽量选用尼龙、塑料、陶瓷等材料。在金属表面上覆盖保护层、隔离金属与介质、添加缓蚀剂、改变环境条件等，都可有效减少或消除电化学腐蚀。

实际上零件的失效形式往往不是单一的，随着外界条件的变化，失效可以从一种形式转变为另一种形式。

9.2.2 零部件失效的原因

造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工工艺、装配使用等因素。

1.设计不合理

零部件设计不合理主要表现在零部件的尺寸和结构设计上。例如，过渡圆角太小、尖锐的切口、尖角等会造成较大的应力集中而导致失效。另外，对零部件的工作条件及过载情况估计不足，所设计的零部件承载能力不够，或对环境的恶劣程度估计不足，忽略或低估了温度、介质等因素的影响等，都会造成零部件过早失效。

2.选材不当

选材不当主要表现在选材所依据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力，不能满足工作条件的要求。另外，材料的冶金质量太差，如存在夹杂物太多、过大，杂质元素太多、偏析等缺陷，而这些缺陷通常是零部件失效的源头。因此，对原材料进行严格检验是避免零件失效的重要措施。

3.加工工艺不当

零部件在加工或成型过程中，采用的工艺不当将产生各种质量缺陷，如冷加工不良使粗糙度过大，产生较深的切削刀痕、磨削裂纹等；锻造不良造成过热、过烧组织等；零部件热处理时，冷却速度不够、表面脱碳、淬火变形和开裂等都是产生失效的重要原因。

4.装配使用不当

在将零部件装配成机器或装置的过程中，由于装配不当、对中不好、过紧或过松都会使零部件产生附加应力或振动，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。使用维护不良，不按工艺规程操作，也可使零部件在不正常的条件下运转，造成零部件过早失效。

一个零件的失效可能是多种因素造成的，因而失效分析非常重要，通过失效分析，找出失效原因和预防措施，改进产品结构，提高产品质量，发现管理漏洞，提升管理水平，从而提高经济效益和社会效益。