系统失效的机理及解决方案

失效机理是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。该过程是应力作用在部件上造成损伤，最终导致系统失效。本质上，它是上面介绍的模型中的一种或多种组合。Griffith的分析和试验证明：失效不仅与所施加的应力大小有关，也与瑕疵大小有关。因此，需要了解应力施加过程中材料失效发展过程，即其失效机理。通常，产品的失效机理可以分为疲劳、磨损、老化等不同类型。

1.疲劳失效机理分析^[5]

当对材料施加循环应力时，由于损伤的累积，材料失效发生时所承受应力远低于材料的最大拉伸强度。疲劳失效开始时，会出现很小的、只能用显微镜才能观察到的微裂纹，其位置通常在材料的不连续点或材料的缺陷处，这些地方会导致局部应力或塑性应变集中，这种现象称作疲劳裂纹萌生。一旦裂纹开始萌生，在循环应力作用下，裂纹就会稳定地扩展，直到在所施加应力振幅作用下变得不稳定引起断裂。一般而言，由于应变振幅较大而在10～10⁴个循环内就发生的疲劳失效，称作低周期疲劳。高周期疲劳是指较低应变或应力振幅在10³～10⁴个循环后才发生的疲劳失效。材料的疲劳特性可以用应力-寿命（S-N）曲线或应变-寿命曲线来描述，同时用概率因子来补充，这些曲线绘制了应力或应变振幅与失效时应力反向的平均数量的关系，或者应力或应变振幅与物体具体失效比例的关系。

一般认为一个产品在交变应力作用下，材料的损伤是线性累积的，一旦材料的累积能量达到一定值（所做的功为W）就会引起元件故障。设在某一交变应力S_i作用下，机械材料的循环寿命次数为N_i，所做的功为W_i，元件施加的交变载荷为：交变应力S₁作用下循环n₁次，交变应力S₂作用下循环n₂次，……，如此不断改变应力等级直至元件故障，其所做的功为W=∑W_i，那么存在（W_i/W）=（n_i/N_i）成线性比例关系。假定每个交变应力作用下元件发生的故障是随机的，在时间上服从指数分布，那么这些故障事件同时发生的概率为

当上述概率值为e^-1时所经历的时间就是平均寿命，即

解式（2-16）可以求得循环寿命次数的期望值∑n_i。

2.磨损失效机理分析

磨损是在接触力作用下，两个相互接触的表面经历相对滑移运动而产生的材料侵蚀。磨损可以是黏附、研磨、或在液体冷却部件上由于气穴现象而导致冷管的液体侵蚀。磨损率通常是一种材料特性，同时它与材料硬度直接相关。对材料表面进行处理可以提高硬度，并提高耐磨损性。磨损侵蚀可以导致材料的均匀脱落，如往复式内燃机发动机中活塞环的磨损、喷沙或喷丸处理的除锈等。另一方面磨损侵蚀也可能是不均匀的，如齿轮表面的凹坑等。

根据摩擦学理论^[6]，可以得到如下关系：

r=kp^mqⁿ （2-17）

式中，r为磨损速度；k为一定工况下的耐磨系数；p为摩擦表面的压力；q为摩擦表面的相对速度；m、n为取值在1～3的系数。

显然，当产品的配对摩擦副工作时，其磨损的速度与摩擦表面压力、相对速度成幂律关系，增大摩擦表面压力和相对速度均可以达到加速产品故障的目的，且其磨损量是累积的^[7]。

3.老化失效机理分析^[8]

老化是温度变化引起产品材料特性变化的不可逆的过程，老化包括脆性、韧性破坏、变形、材料性能变化、腐蚀、黏附、表面性能变化（如硬度、粗糙度等）和磨损等，老化的过程就是产品出故障前的物理化学过程。常发生的液压产品老化是密封圈老化，其老化的产生和发展与产品所受环境和工作温度的变化有关。通常的密封圈采用橡胶材料，当温度发生变化并超出规定情况时则会引发橡胶圈老化、性能下降，导致密封、减振性能下降，引起设备、系统性能的不可靠。(www.xing528.com)

造成密封圈老化的原因有氧化作用造成的橡胶老化、臭氧造成的氧化膜龟裂、热作用下的活化作用、光作用下的“光外层裂”、机械应力反复作用下的分子链断裂等。橡胶密封圈老化的体积变化可用式（2-18）表示：

1-ε=Be^-Kτα （2-18）

式中，ε为橡胶密封圈的老化率；B为试验常数，随温度变化；K为密封圈的老化速度系数；为老化时间；α为经验常数。

ε可以采用式（2-19）计算获得^[9]

式中，H₀为试样原始截面直径；H为试样压缩老化后的截面直径；H₁为限制器高度。

虽然式（2-19）给出的橡胶老化率经验公式考虑了温度变化效应对橡胶材料老化的影响，但其中橡胶密封圈式样的几何尺寸变化参数的获取非常困难，且没有考虑压缩力及其时间对压缩老化的影响，因此从密封圈材料结构入手分析其老化模型。

4.腐蚀失效机理分析^[10]

腐蚀是材料化学或电化学降解的过程。腐蚀的常见形式是均匀腐蚀、原电池腐蚀和坑蚀。腐蚀反应速度取决于材料、离子污染物的电解液、几何形状因素和局部电偏压。

均匀腐蚀是均匀地发生在整个金属-电解液的化学或电化学的反应，腐蚀过程的连续性和腐蚀速度取决于腐蚀材料的特性。如果腐蚀材料可溶于水，那么它可以被洗刷掉，这样露出新的金属从而发生进一步的腐蚀。如果腐蚀材料形成一层不溶于水、无孔性的附着层，它就可以控制腐蚀速度并最终使腐蚀停止。

原电池腐蚀发生在两个或两个以上不同金属相互接触时，每种金属都有唯一的电化学势，所以当两种金属接触时，电化学势高的金属就成为阴极（该处发生还原反应），另一种金属则成为阳极（该处发生氧化反应或称腐蚀），此时形成原电池效应。原电池腐蚀速度取决于阳极的电离速度（即阳极材料溶入溶液的速度，同时也取决于两种接触金属材料间的电化学势差），势能差越大，原电池腐蚀的速度就越高。由于电荷是守恒的，因此原电池腐蚀速度也取决于阴极反应的速度。此外，阴极与阳极的面积比也对原电池腐蚀有很大影响。

坑蚀在局部区域发生，并形成凹坑。这种在坑内的腐蚀情况加速了腐蚀过程，随着阳极的阳离子进入到溶液中，它们进行水解并形成氢离子，这就提高了坑内的酸度，从而破坏了附着的腐蚀材料，进而暴露出更多的新的金属受到腐蚀。由于坑内氧气含量较低，阴极还原反应只会在坑口发生，这样就限制了坑的横向扩展。

表面氧化是另一种在金属材料中常见的腐蚀类型，它取决于氧化物形成的自由能。例如：铝和镁氧化的驱动力很大，但铜、铬和镍的氧化驱动力就要小得多。氧化层的特性通常决定了继续腐蚀的速度，因为表面上稠密的氧化层可以充当内部材料的保护层的作用，而不像多孔性、低密度的氧化层，这些氧化层提供的保护特性有着明显区别。

腐蚀在所有工程结构中都是一个非常普遍性的问题，尤其是恶劣化学环境下的工程结构，如化学工程处理设备，在盐雾环境下的海军设备，海上石油钻塔和桥梁等。