机械知识：常见机械设备零部件失效的原因分析
机械知识：常见机械设备零部件失效的原因分析
(2015-10-31 23:51:50)
标签：
磨损
断口
断裂
失效模式
机械设备
分类：
制造业研究/机械设备/新能源
【机械件失效的定义】
机械产品在服役过程中，由于种种原因还未达到设计使用寿命就丧失或部分丧失既定功能的现象，称为早期失效。若使用寿命已达到设计要求而丧失使用性能的现象，称为正常失效。
【机械零部件的常见失效形式】
1、断裂失效机理分析：大多数机械设备失效是由于在应力作用下材料与力学的交互作用引起材料的断裂、疲劳。这种失效在原始缺陷或损伤造成裂纹萌生、扩展，直至断裂的发展过程，断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效。工程上常见的断裂失效形式有：（1）延性断裂实效：延性材料承受载荷而发生塑性变形，引起位错塞积或交替作用形成微裂纹，并随变形的不断发展，而逐渐长大和连接，以至最后导致断裂。（2）疲劳断裂实效：材料受交变载荷作用，金属局部产生集中滑移形成微裂纹，并逐渐扩展而致的断裂。（3）解理断裂实效：脆性材料的塑性形变过程受到严重限制，前端的拉应力超过理论断裂强度而形成微裂纹，以致以分离方式沿一定结晶学平面发生快速断裂过程，以至最后导致的断裂。（4）环境破裂断裂实效：材料由于环境条件的影响而发生的破断。2、磨损失效机理及分析：磨损通常是指机械设备相互接触，相对运动的物体表面材料常会发生位移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化而造成设备受损失效。磨损本身是一种伴随着摩擦的存在而存在的摩擦面材料的逐步变形、迁移或损失的过程。由磨损到磨损失效实际存在一个由量变到质变的转化。工程上常见的磨损失效形式有：（1）磨粒磨损失效：硬磨粒（石英砂、金属屑等）进入机械设备内部（如齿轮间隙）造成磨料磨损。（2）摩擦磨损失效：机械设备接触面上发生了阻碍相对运动的现象，常见摩擦磨损失效有刀具、模具、量具及机床导轨、蜗轮-蜗杆等的摩擦失效形式。（3）冲蚀磨损失效：机床冷却液管路、水泵、油泵叶轮等受流体或固体微小颗粒冲击处易产生冲蚀磨损。（4）疲劳磨损失效：气缸-活塞、设备外壳等易产生腐蚀磨损；滚动轴承、齿轮等易产生疲劳磨损。3、腐蚀失效机理及分析：机械设备与环境间的物理-化学相互作用，引起材料（构件）腐蚀，其结果是使材料的性能发生变化。绝大部分机械零部件为金属材料，每种金属对点腐蚀都是敏感的，在有活性侵蚀离子、氧化剂等共存的条件下，金属易产生点腐蚀。由于腐蚀失效过程的影响因素很多，随机性较强，实验室研究结果又与工程实际差距较大，工程上常见的腐蚀失效形式有：（1）全面腐蚀失效：整个机械设备的金属表面均发生腐蚀，机械钢铁构件在大气、海水及稀的还原性介质中的腐蚀失效形式。（2）局部腐蚀失效：机械设备受腐蚀破坏主要集中于局部区域，而其他部分几乎未遭腐蚀的现象。局部腐蚀包括点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、晶间腐蚀、腐蚀疲劳等腐蚀失效形式。4、变形失效机理及分析：机械设备在外力载荷作用下机械设备的变形量不断增加，经过弹性变形阶段和塑性变形阶段后，发生的形状和尺寸的变化而出现裂纹、裂纹扩展直至失效。工程上常见的变形失效形式有：（1）弹性变形失效：机械设备在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性模量大的材料。（2）塑性变形失效：机械设备的零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形，造成零部件间相对位置发生变化，致使整个机械运转不良而失效。
【机械零部件失效机理】
失效机理是对机械设备失效内在本质、必然性和规律性的研究，是物理、化学变化本质和微观过程。关于失效机理的研究可以分为宏观失效机理研究（即失效的热力学和动力学研究）和微观失效机理研究（即失效的微观机制理论和模型研究）。在研究方法上分为定性的方法和定量的方法，定量的方法又可分为确定型方法和概率型方法。失效机理研究所采用的模型按所属学科分为理化模型和物理数学模型，并可细分为力学模型、材料学模型、化学模型、物理模型、数学模型以及它们相互结合的综合模型。
【失效分析的方法】
进行失效分析时，首先要判断失效的类型，即失效模式诊断。机械零件失效模式的判断依据是不同的，几种失效模式的诊断依据如下：1、断裂失效模式：（1）失效残骸：根据残骸的轨迹、断口的宏观性质、断口的变形顺序等寻找首先破坏件，然后对其断口性质、裂纹走向、变形情况、痕迹来源、力学性能、显微组织、工艺过程以及热处理状态等进行单项和综合的检验分析，对失效模式进行判断。（2）进行应力分析：包括应力来源、性质和大小的估算，特别是对首先破坏件的结构和受力进行分析，同时对工况和环境进行分析，与断口的定性和定量分析相对照，并与仍在服役件的调查相结合进行综合分析。（3）失效模拟：在实验室或现场对主要的失效模式和主要的控制或影响参量进行模拟试验，然后对模拟试验失效的断口与实际断口进行对比分析。2、磨损失效模式：（1）被磨损表面的形貌和亚表层组织与性能的变化；（2）磨屑形貌、磨屑成分组织结构的变化；（3）磨损系统中各个参量的关系和变化等。虽然磨损伴随着摩擦，但磨损并不等于磨损失效。实际上，由磨损到磨损失效是一个由量变到质变的过程。对于不同的机械，这种转化的分界点是不同的。3、腐蚀失效模式：（1）腐蚀表面形貌；（2）被腐蚀材料的成分、组织和性能的变化；（3）腐蚀产物的成分、组织和结构分析；（4）腐蚀环境和参量分析，包括气氛、介质、温度、应力以及电极电位等。
【失效分析基本程序】
1、收集失效现场信息：失效现场是失效分析的起点，因此应进行现场的调查和记录，并仔细地收集失效件及有关的零部件和样品为积累资料及便于分析。2、了解失效件服役历史：了解服役历史的内容，包括失效件的设计要求、冷热加工工艺、装配情况、受力情况、环境介质及查阅操作人员工作记录等。3、宏观检查：宏观检查通常用肉眼或放大镜检查失效件的外观。检查的具体内容有失效件的总外观，各部份损环情况，察看失效部位大小、形状和数量，观察裂纹走向和分布状况，注意断口表而的颜色、形貌、尺寸和相对位置等。4、选取试样：失效原因的正确分析，很大程度依赖于试样的正确选择，因此要认真考虑取样部位、数量和种类。根据检验目的，选择有代表性的部位。取样要防止状态发生变化。5、金相检查：金相检查是失效分析中的例行程序，它能有效地指示材料在处理过程中产生的缺陷和确定各种促成失效的有害工况对材料性能影响的结果。6、断口分析：断口分析由宏观断口分析与显微断口分析组成。通过断口分析可以检查和分析冶金缺陷，有害工况，裂源位置，裂纹走向，场应力类型，韧断还是脆断等。7、机械性能试验：机械性能试验主要是检查材料的常规强度及塑性指标，判定是否符合技术条件，制造工艺执行情况等。8、成份分析：成分分析包活常规的、局部的、表面的和微区的几种，主要是检查失效件的化学成份是否在规定范围。9、相结构分析：相结构分析包括应办分析及晶面晶向分析。主要用于应为状态分析，应力、应变数值的初步估计，残余应力和工作应力的测定以及化学分析不能确定的异相、氧化物、腐蚀产物、第二相、断裂面的晶面指数和裂纹晶向的分析，分析相的作用和断裂机理。10、综合分析：在完成上述各项观察、分析和测试后，分析内外因素与失效的关系，确定机件失效过程和原因，提出改进措施，反馈到有关部门。
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