機械設備發(fā)生故障的原因，有的來自設備自身缺陷的影響；有設計方面的問題，如原設計結構、尺寸、配合、材料選擇不合理等；有零件材料缺陷的問題，如材料材質不勻、內部殘余應力過大等；有制造方面的問題，如制造過程中的機械加工、鑄鍛、熱處理、裝配、標準件等存在工藝問題；有裝配方面的問題，如零件的選配、調整不合理，安裝不當?shù)?；還有檢驗、試車等方面的問題。
1.機械零件的失效
（1）機械零件失效的分類
機械零件喪失規(guī)定的功能即稱為失效。一個零件處于下列兩種狀態(tài)之一就認為是失效：一是不能完成規(guī)定功能；二是不能可靠和安全地繼續(xù)使用。
零件的失效是導致機械設備故障的主要原因。因此，研究零件的失效規(guī)律，找出其失效原因和采取改善措施，對減少機械故障的發(fā)生和延長機械的使用壽命有著重要意義。
機械零件失效的主要表現(xiàn)形式是零件工作配合面的磨損，它占零件損壞的比例最大。材料的腐蝕、老化等是零件工作過程中不可避免的另一類失效形式，但其比例一般要小得多。這兩種形式的失效，基本上概括了在正常使用條件下機械零件的主要失效形式。其他形式的失效，如零件疲勞斷裂、變形等雖然實際中也經常發(fā)生，且屬于最危險的失效形式，但多屬于制造、設計方面的缺陷，或者是對機器維護、使用不當引起的。
失效分析是指分析研究機件磨損、斷裂、變形、腐蝕等現(xiàn)象的機理或過程的特征及規(guī)律，從中找出產生失效的主要原因，以便采用適當?shù)目刂品椒ā?br class="sysbr">失效分析的目的是為制定維修技術方案提供可靠依據(jù)，并對引起失效的某些因素進行控制，以降低設備故障率，延長設備使用壽命。此外，失效分析也能為設備的設計、制造反饋信息，為設備事故的鑒定提供客觀依據(jù)。
（2）零件的磨損
1）零件的磨損規(guī)律
眾所周知，一臺機器如汽車、拖拉機，其構成的基本單元是機件，許多零件構成的摩擦副，如軸承、齒輪、活塞-缸筒等，它們在外力作用下以及熱力、化學等環(huán)境因素的影響下，經受著一定的摩擦、磨損直至最后失效，其中磨損這種故障模式，在各種機械故障中占有相當?shù)谋戎?。因此，了解零件及其配合副的磨損規(guī)律是非常必要的。
①零件的典型磨損曲線　磨損這種故障模式屬于漸進性故障。例如氣缸由于磨損而產生的故障與風扇皮帶的斷裂、電容器被擊穿等故障不同，后者屬于突發(fā)性故障，而磨損產生的故障是耗損故障。

②允許磨損和極限磨損

2）磨料磨損

磨料磨損也稱磨粒磨損，它是由于摩擦副的接觸表面之間存在著硬質顆粒，或者當摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多時，所產生的一種類似金屬切削過程的磨損現(xiàn)象。它是機械磨損的一種，特征是在接觸面上有明顯的切削痕跡。在各類磨損中，磨料磨損約占50%左右，是十分常見且危害性最嚴重的一種磨損，其磨損速率和磨損強度很大，致使機械設備的使用壽命大大降低，能源和材料大量消耗。
根據(jù)摩擦表面所受的應力和沖擊的不同，磨料磨損的形式又分為鏨削式、高應力碾碎式和低應力擦傷式三類。
①磨料磨損的機理　屬于磨料顆粒的機械作用，一種是磨粒沿摩擦表面進行微量切削的過程；另一種是磨粒使摩擦表面層受交變接觸應力作用，使表面層產生不斷變化的密集壓痕，最后由于表面疲勞而剝蝕。磨粒的來源有外界沙塵、切屑侵入、流體帶入、表面磨損產物、材料組織的表面硬點及夾雜物等。
磨料磨損的顯著特點是：磨損表面具有與相對運動方向平行的細小溝槽，有螺旋狀、環(huán)狀或彎曲狀細小切屑及部分粉末。
②減輕磨料磨損的措施　磨料磨損是由磨粒與摩擦副表面的機械作用引起的，因而減少或消除磨料磨損的對策可從如下兩方面著手。
a.減少磨料的進入　對機械設備中的摩擦副應阻止外界磨料進入并及時清除摩擦副磨合過程中產生的磨屑。具體措施是配備空氣濾清器及燃油、機油過濾器；增加用于防塵的密封裝置等；在潤滑系統(tǒng)中裝入吸鐵石、集屑房及油污染程度指示器；經常清理更換空氣、燃油、機油濾清裝置。
b.增強零件摩擦表面的耐磨性　一是可選用耐磨性能好的材料；二是對于要求耐磨又有沖擊載荷作用的零件，可采用熱處理和表面處理的方法改善零件材料表面的性質，提高表面硬度，盡可能使表面硬度超過磨料的硬度；三是對于精度要求不太高的零件，可在工作面上堆焊耐磨合金以提高其耐磨性。
3）黏著磨損
構成摩擦副的兩個摩擦表面，在相對運動時接觸表面的材料從一個表面轉移到另一個表面所引起的磨損稱為黏著磨損。根據(jù)零件摩擦副表面破壞程度，黏著磨損可分為輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫以及咬死五類。
①黏著磨損機理　摩擦副在重載條件下工作，因潤滑不良、相對運動速度高、摩擦等原因產生的熱量來不及散發(fā)，摩擦副表面產生極高的溫度，嚴重時表層金屬局部軟化或熔化，材料表面強度降低，使承受高壓的表面凸起部分相互黏著，繼而在相對運動中被撕裂下來，使材料從強度低的表面上轉移到材料強度高的表面上，造成摩擦副的災難性破壞，如咬死或劃傷。
②減少黏著磨損的措施
a.控制摩擦副的表面狀態(tài)　摩擦表面愈潔凈、光滑，表面粗糙度過分小，愈易發(fā)生黏著磨損。金屬表面經常存在吸附膜，當有塑性變形后，金屬滑移，吸附膜被破壞，或者溫度升高達到100～200℃時吸附膜也會破壞，這些都容易導致黏著磨損的發(fā)生。為了減少黏著磨損，應根據(jù)其載荷、溫度、速度等工作條件，選用適當?shù)臐櫥瑒?，或在潤滑劑中加入添加劑等，以建立必要的潤滑條件。而大氣中的氧通常會在金屬表面形成一層保護性氧化膜，也能防止金屬直接接觸和發(fā)生黏著，有利于減少摩擦和磨損。

b.控制摩擦副表面的材料成分與金相組織　材料成分和金相組織相近的兩種金屬材料之間最容易發(fā)生黏著磨損，這是因為兩摩擦副表面的材料形成固溶體或金屬間化合物的傾向強烈。因此，作為摩擦副的材料應當是形成固溶體傾向最小的兩種材料，即應當選用不同材料成分和晶體結構的材料。在摩擦副的一個表面上覆蓋鉛、錫、銀、銅等金屬或者軟的合金可以提高抗黏著磨損的能力，如經常用巴氏合金、鋁青銅等作為軸承襯瓦的表面材料，可提高其抗黏著磨損的能力，鋼與鑄鐵配對的抗黏著性能也不錯。

c.改善熱傳遞條件　通過選用導熱性能好的材料，對摩擦副進行冷卻降溫或采取適當?shù)纳岽胧?，以降低摩擦副相對運動時的溫度，保持摩擦副的表面強度。

4）疲勞磨損

疲勞磨損是摩擦副材料表面上局部區(qū)域在循環(huán)接觸應力周期性地作用下產生疲勞裂紋而發(fā)生材料微粒脫落的現(xiàn)象。根據(jù)摩擦副之間的接觸和相對運動方式，可將疲勞磨損分為滾動接觸疲勞磨損和滑動接觸疲勞磨損兩種形式。

①疲勞磨損機理　疲勞磨損的過程就是裂紋產生和擴展、微粒形成和脫落的破壞過程。磨料磨損和黏著磨損都與摩擦副表面直接接觸有關，有潤滑劑將摩擦兩表面分隔開，則這兩類磨損機理就不起作用。對于疲勞磨損，即使摩擦表面間存在潤滑劑，并不直接接觸，也可能發(fā)生，這是因為摩擦表面通過潤滑油膜傳遞而承受很大的應力。疲勞磨損與磨料磨損和黏著磨損不同，它不是一開始就發(fā)生的，而是應力經過一定循環(huán)次數(shù)后發(fā)生微粒脫落，以致摩擦副失去工作能力。根據(jù)裂紋產生的位置，疲勞磨損的機理有如下兩種情況。

a.滾動接觸疲勞磨損　滾動軸承、傳動齒輪等有相對滾動摩擦副表面間出現(xiàn)深淺不同的針狀、痘斑狀凹坑（深度在0.1～0.2mm以下）或較大面積的微粒脫落，都是由滾動接觸疲勞磨損造成的，又稱為點蝕或痘斑磨損。

b.滑動接觸疲勞磨損　兩滑動接觸物體在距離表面下0.786b處（b為平面接觸區(qū)的半寬度）切應力最大，該處塑性變形最劇烈，在周期性載荷作用下的反復變形會使材料表面出現(xiàn)局部強度弱化，并在該處首先出現(xiàn)裂紋。在滑動摩擦力引起的切應力和法向載荷引起的切應力疊加作用下，使最大切應力從0.786b處向表面深處移動，形成滑動疲勞磨損，剝落層深度一般為0.2～0.4mm。

②減少或消除疲勞磨損的對策　減少或消除疲勞磨損的對策就是控制影響裂紋產生和擴展的因素，主要有以下兩方面。

a.合理選擇材質和熱處理　鋼中非金屬夾雜物的存在易引起應力集中，這些夾雜物的邊緣最易形成裂紋，從而降低材料的接觸疲勞壽命。材料的組織狀態(tài)、內部缺陷等對磨損也有重要的影響。通常，晶粒細小、均勻，碳化物成球狀且均勻分布，均有利于提高滾動接觸疲勞壽命。在未溶解的碳化物狀態(tài)相同的條件下，馬氏體中碳的質量分數(shù)在0.4%～0.5%左右時，材料的強度和韌性配合較佳，接觸疲勞壽命高。對未溶解的碳化物，通過適當熱處理，使其趨于量少、晶粒細小、均布，避免粗大的針狀碳化物出現(xiàn)，都有利于消除疲勞裂紋。硬度在一定范圍內增加，其接觸疲勞抗力也將隨之增大。例如，軸承鋼表面硬度為62HRC左右時，其抗疲勞磨損能力最大；對傳動齒輪的齒面，硬度在58～62HRC范圍內最佳。此外，兩接觸滾動體表面硬度匹配也很重要，例如滾動軸承中，以滾道和滾動元件的硬度相近，或者滾動元件比滾道硬度高出10%為宜。

b.合理選擇表面粗糙度　實踐表明，適當減小表面粗糙度值是提高抗疲勞磨損能力的有效途徑。例如，將滾動軸承的表面粗糙度值從Ra 0.40μm減小到Ra 0.20μm時，壽命可提高2～3倍；從Ra 0.20μm減小到Ra 0.10μm時，壽命可提高1倍；而減小到Ra 0.05μm以下則對壽命的提高影響甚小。表面粗糙度要求的高低與表面承受的接觸應力有關，通常接觸應力大或表面硬度高時，均要求表面粗糙度值要小。

此外，表面應力狀態(tài)、配合精度的高低、潤滑油的性質等都會對疲勞磨損的速度產生影響。通常，表面應力過大、配合間隙過小或過大、潤滑油在使用中產生的腐蝕性物質等都會加劇疲勞磨損。

5）腐蝕磨損

①腐蝕磨損的機理　運動副在摩擦過程中，金屬同時與周圍介質發(fā)生化學反應或電化學反應，引起金屬表面產生腐蝕物并剝落，這種現(xiàn)象稱為腐蝕磨損。它是腐蝕與機械磨損相結合而形成的一種磨損現(xiàn)象，因此腐蝕磨損的機理與磨料磨損、黏著磨損和疲勞磨損的機理不同，它是一種極為復雜的磨損過程，經常發(fā)生在高溫或潮濕的環(huán)境中，更容易發(fā)生在有酸、堿、鹽等特殊介質的條件下。根據(jù)腐蝕介質及材料性質的不同，通常將腐蝕磨損分為氧化磨損和特殊介質中的腐蝕磨損兩大類。

a.氧化磨損　在摩擦過程中，摩擦表面在空氣中的氧或潤滑劑中的氧的作用下所生成的氧化膜很快被機械摩擦去除的磨損形式稱為氧化磨損。工業(yè)中應用的金屬絕大多數(shù)都能被氧化而生成表面氧化膜，這些氧化膜的性質對磨損有著重要的影響。若金屬表面生成致密完整、與基體結合牢固的氧化膜，且膜的耐磨性能很好，則磨損輕微；若膜的耐磨性不好則磨損嚴重。例如，鋁和不銹鋼都易形成氧化膜，但鋁表面氧化膜的耐磨性不好，不銹鋼表面氧化膜的耐磨性好，因此不銹鋼具有的抗氧化磨損能力比鋁更強。

b.特殊介質中的腐蝕磨損　在摩擦過程中，環(huán)境中的酸、堿等電解質作用于摩擦表面上所形成的腐蝕產物迅速被機械摩擦所除去的磨損形式稱為特殊介質中的腐蝕磨損。這種磨損的機理與氧化磨損相似，但磨損速率較氧化磨損高得多。介質的性質、環(huán)境溫度、腐蝕產物的強度、附著力等都對磨損速率有重要影響。這類腐蝕磨損出現(xiàn)的概率很高，如流體輸送泵，當其輸送帶腐蝕性的流體，尤其是含有固體顆粒的流體時，與流體有接觸的部位都會受到腐蝕磨損。

②減少腐蝕磨損的對策

a.合理選擇材質和對表面進行抗氧化處理?？梢赃x擇含鉻、鎳、鉬、鎢等成分的鋼材，提高運動副表面的抗氧化磨損能力?；蛘邔\動副表面進行噴丸、滾壓等強化處理，或者對表面進行陽極化處理等，使金屬表面生成致密的組織或氧化膜，提高其抗氧化磨損能力。

b.對于特定介質作用下的腐蝕磨損，可以通過控制腐蝕性介質的形成條件，選用合適的耐磨材料以及改變腐蝕性介質的作用方式來減輕腐蝕磨損速率。

6）微動磨損

兩個固定接觸表面由于受相對小振幅振動而產生的磨損稱為微動磨損，主要發(fā)生在相對靜止的零件結合面上，例如鍵連接表面、過盈或過渡配合表面、機體上用螺栓連接和鉚釘連接的表面等，因而往往易被忽視。

微動磨損的主要危害是使配合精度下降，過盈配合部件的過盈量下降甚至松動，連接件松動乃至分離，嚴重者還會引起事故。微動磨損還易引起應力集中，導致連接件疲勞斷裂。

①微動磨損的機理　微動磨損是一種兼有磨料磨損、黏著磨損和氧化磨損的復合磨損形式。微動磨損通常集中在局部范圍內，接觸應力使結合表面的微凸體產生塑性變形，并發(fā)生金屬的黏著；黏著點在外界的小振幅振動反復作用下被剪切，黏附金屬脫落，剪切處表面被氧化；兩結合表面永遠不脫離接觸，磨損產物不易往外排除，磨屑在結合表面因振動而起著磨料的作用，所以微動磨損兼有黏著磨損、氧化磨損和磨料磨損的作用。

②減少或消除微動磨損的對策　實踐表明，材質性能、載荷、振幅的大小以及溫度的高低是影響微動磨損的主要因素。因而，減少或消除微動磨損的對策主要有以下幾個方面。

a.改善材料性能　選擇適當材料配對以及提高硬度都可以減小微動磨損。一般來說，抗黏著性能好的材料配對對抗微動磨損能力也好，而鋁對鑄鐵、鋁對不銹鋼、工具鋼對不銹鋼等抗黏著能力差的材料配對，其抗微動磨損能力也差。將碳鋼表面硬度從180HV提高到700HV時，微動磨損可降低50%。采用表面硫化處理或磷化處理以及鍍上聚四氟乙烯表面鍍層也是降低微動磨損的有效措施。

b.控制載荷和增加預應力　在一定條件下，微動磨損量隨載荷的增加而增加，但增大的速率會不斷減少，當超過某臨界載荷之后，磨損量則減小。因而，可通過控制過盈配合的預應力或過盈量來有效地減緩微動磨損。

c.控制振幅　實驗證明，振幅較小時，磨損率也比較?。划斦穹?0～150μm時，磨損率會顯著上升。因此，應有效地將振幅控制在30μm以內。

d.合理控制溫度　低碳鋼在0℃以上，磨損量隨溫度上升而逐漸降低；在150～200℃時磨損量會突然降低；繼續(xù)升高溫度，則磨損量上升，溫度從135℃升高到400℃時，磨損量會增加15倍。中碳鋼在其他條件不變時，溫度為130℃的情況下微動磨損發(fā)生轉折，超過此溫度，微動磨損量大幅度降低。
e.選擇合適的潤滑劑　實驗表明，普通的液體潤滑劑對防止微動磨損效果不佳；黏度大、滴點高、抗剪切能力強的潤滑脂對防止微動磨損有一定的效果；效果最佳的是固體潤滑劑，如MoS2等。
7）磨損的控制
①控制因素　影響磨損的因素是十分復雜的，但大體上有四個方面，即材料性能、運轉條件、幾何因素及工作環(huán)境，每一個方面又都包含很多具體內容。需要特別指出的是，并不是任何磨損過程的控制都必須全面考慮這些因素，對于一給定的磨損條件而言，有的因素很重要，必須考慮，但有的因素卻可能并不重要甚至無關。
②磨損件選材的一般考慮　不論何種磨損條件，正確選材對控制零件的磨損，保證產品質量是十分重要的。正確選材的第一步必須對零件的工作條件及環(huán)境有詳細的了解，在此基礎上，確定對該零件的總的性能要求。一般來說，總的性能要求可以分為兩大類：一類是屬于非摩擦學性能要求；另一類是摩擦學性能要求。在非摩擦學性能要求中又可分成兩類：一類是一般性能要求，另一類是特殊性能要求。
以滑動軸承為例，作為機械零件，它必須具有一定的強度、一定的塑性、具有可加工性、成本低廉等，這些都屬于對機械零件的一般要求。然而，作為滑動軸承，它還應具有合適的硬度、較好的導熱性等，這是對滑動軸承非摩擦學性能中的特殊要求。當然，作為摩擦組件最重要的是摩擦學性能要求，因此把它單獨列為一類。摩擦學性能要求一般包括表面損傷情況、摩擦因數(shù)、磨損率與運轉限制。
表面損傷情況或損傷傾向，對滑動磨損來說主要取決于配對材料間的相容性。如前所述，兩個互溶度很高的金屬材料間的黏著或焊合能力很強，容易造成擦傷或咬合，這點對鐵基、鎳基合金及鈦合金、鋁合金都適用；不過高硬度材料，例如硬度在60HRC以上的淬火鋼則可以不受這種限制，也就是說它們可以在自配對的條件下使用。
關于摩擦因數(shù)，在有些情況下是必須特別加以考慮的，如剎車裝置、夾緊裝置及一些傳動裝置中。一般情況下，摩擦因數(shù)確定了系統(tǒng)的動力性能、材料表面的應力、表面溫度及系統(tǒng)所要求的功率。

至于磨損率，它直接影響零件的使用壽命，在選材考慮中的重要地位是顯而易見的。要特別強調的是，不同運轉條件下的磨損機理可能很不相同，要使不同磨損機理或磨損類型的磨損率減少，對材料性能的要求是不完全相同的，因此在選擇磨損件材料時，非常重要的一點是，必須首先確定占主導地位的是何種磨損機制。

（3）零件的腐蝕損傷

零件的腐蝕損傷是指金屬材料與周圍介質產生化學或電化學反應造成的表面材料損耗、表面質量破壞、內部晶體結構損傷，最終導致零件失效的現(xiàn)象。

金屬零件的腐蝕損傷具有以下特點：損傷總是由金屬表層開始，表面常常有外形變化，如出現(xiàn)凹坑、斑點、潰破等；被破壞的金屬轉變?yōu)檠趸锘驓溲趸锏然衔?，形成的腐蝕物部分附著在金屬表面上，如鋼板生銹表面附著一層氧化鐵。

1）腐蝕損傷的類型

按金屬與介質作用機理，機械零件的腐蝕損傷可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。

①機械零件的化學腐蝕　化學腐蝕是指金屬和介質發(fā)生化學作用而引起的腐蝕，在這一腐蝕過程中不產生電流，介質是非導電的。化學腐蝕的介質一般有兩種形式，一種是氣體腐蝕，指在干燥空氣、高溫氣體等介質中的腐蝕；另一種是非電解質溶液中的腐蝕，指在有機液體、汽油和潤滑油等介質中的腐蝕，它們與金屬接觸時進行化學反應形成表面膜，在不斷脫落又不斷生成的過程中使零件腐蝕的。

大多數(shù)金屬在室溫下的空氣中就能自發(fā)地氧化，但在表面形成氧化物層之后，如能有效地隔離金屬與介質間的物質傳遞，就成為保護膜；如果氧化物層不能有效阻止氧化反應的進行，那么金屬將不斷地被氧化而受到腐蝕損傷。

②金屬零件的電化學腐蝕　電化學腐蝕是金屬與電解質物質接觸時產生的腐蝕，大多數(shù)金屬的腐蝕都屬于電化學腐蝕。金屬發(fā)生電化學腐蝕的特點是，引起腐蝕的介質是具有導電性的電解質，腐蝕過程中有電流產生，電化學腐蝕比化學腐蝕普遍而且要強烈得多。

2）減少或消除機械零件腐蝕損傷的對策

①正確選材　根據(jù)環(huán)境介質和使用條件，選擇合適的耐腐蝕材料，如含有鎳、鉻、鋁、硅、鈦等元素的合金鋼；在條件許可的情況下，盡量選用尼龍、塑料、陶瓷等材料。

②合理設計結構　設計零件結構時應盡量使整個部位的所有條件均勻一致，做到結構合理，外形簡化，表面粗糙度合適，應避免電位差很大的金屬材料相互接觸，還應避免結構應力集中、熱應力及流體停滯和聚集的結構以及局部過熱等現(xiàn)象。
③覆蓋保護層　在金屬表面上覆蓋耐腐蝕的金屬保護層，如鍍鋅、鍍鉻、鍍鉬等，把金屬與介質隔離開，以防止腐蝕。也可覆蓋非金屬保護層和化學保護層，如油基漆等涂料、聚氯乙烯、玻璃鋼等。還可用化學或電化學方法在金屬表面覆蓋一層化合物薄膜，如磷化、發(fā)藍、鈍化、氧化等。
④電化學保護　電化學腐蝕是由于金屬在電解質溶液中形成了陽極區(qū)和陰極區(qū)，存在一定的電位差，組成了化學電池而引起的腐蝕。電化學保護法就是對被保護的機械零件接通以直流電流進行極化，以消除電位差，使之達到某一電位時，被保護金屬的腐蝕可以很小，甚至呈無腐蝕狀態(tài)。這種方法要求介質必須導電和連續(xù)。
⑤添加緩蝕劑　在腐蝕性介質中加入少量能減少腐蝕速度的緩蝕劑，可減輕腐蝕。按化學性質的不同，緩蝕劑有無機緩蝕劑和有機緩蝕劑兩類。無機類能在金屬表面形成保護，使金屬與介質隔開，如重鉻酸鉀、硝酸鈉、亞硫酸鈉等。有機化合物能吸附在金屬表面上，使金屬溶解并抑制還原反應，減輕金屬腐蝕，如胺鹽、瓊脂、動物膠、生物堿等。在使用緩蝕劑防腐時，應特別注意其類型、濃度及有效時間。
⑥改變環(huán)境條件　這種方法是將環(huán)境中的腐蝕性介質去掉，如采用強制通風、除濕、除二氧化硫等有害氣體，以減少腐蝕損傷。
（4）零件的斷裂
1）斷裂的類型
斷裂是指零件在某些因素經歷反復多次的應力或能量負荷循環(huán)作用后才發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。零件斷裂后形成的表面稱為斷口。斷裂的類型很多，與斷裂的原因密切相關，工程中分為五種類型。
①過載斷裂　當外力超過了零件危險截面所能承受的極限應力時發(fā)生的斷裂。其斷口特征與材料拉伸試驗斷口形貌類似。對鋼等韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口有頸縮現(xiàn)象，呈杯錐狀，稱韌性斷裂；分析失效原因應從設計、材質、工藝、使用載荷、環(huán)境等角度考慮問題。對鑄鐵等脆性材料，斷裂前幾乎無塑性變形，發(fā)展速度極快，斷口平齊光亮，且與正應力垂直，稱脆性斷裂；由于發(fā)生脆性斷裂之前無明顯的預兆，事故的發(fā)生具有突然性，因此是一種非常危險的斷裂破壞形式。目前，關于斷裂的研究主要集中在脆性斷裂上。
②腐蝕斷裂　零件在有腐蝕介質的環(huán)境中承受低于抗拉強度的交變應力作用，經過一定時間后產生的斷裂。斷口的宏觀形貌呈現(xiàn)脆性特征，即使是韌性材料也如此。裂紋源常常發(fā)生在表面而且呈多發(fā)源。在斷口上可看到腐蝕特征。
③低應力脆性斷裂　有兩種：一種是零件制造工藝不正確或使用環(huán)境溫度低，使材料變脆，在低應力下發(fā)生脆斷，常見的有鋼材回火脆斷和低溫下脆斷；另一種是由于氫的作用，零件在低于材料屈服極限的應力作用下導致的氫脆斷裂，氫脆斷裂的裂紋源在次表層，裂紋源不是一點而是一小片，裂紋擴展區(qū)呈氧化色顆粒狀，與斷裂區(qū)成鮮明對比，斷口宏觀上平齊。

④蠕變斷裂　金屬零件在長時間的恒溫、恒應力作用下，即使受到小于材料屈服極限的應力作用，也會隨著時間的延長，而緩慢產生塑性變形，最后導致零件斷裂。在蠕變斷裂口附近有較大變形，并有許多裂紋，多為沿晶斷裂，斷口表面有氧化膜，有時還能見到蠕變孔洞。

⑤疲勞斷裂　金屬零件經過一定次數(shù)的循環(huán)載荷或交變應力作用后引發(fā)的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。在機械零件的斷裂失效中，疲勞斷裂占很大的比重，約為50%～80%。軸、齒輪、內燃機連桿等都承受交變載荷，若發(fā)生斷裂多半為疲勞斷裂。

疲勞斷裂斷口的宏觀特征明顯分為三個區(qū)域，即疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時破斷區(qū)。疲勞源區(qū)是疲勞裂紋最初形成的地方，它一般總是發(fā)生在零件的表面，但若材料表面進行了強化或內部有缺陷，也在皮下或內部發(fā)生；疲勞源區(qū)往往是一表面光滑細潔、貝紋線不明顯的狹小區(qū)域。疲勞裂紋擴展區(qū)最明顯的特征是常常呈現(xiàn)宏觀的疲勞弧帶和微觀的疲勞紋，疲勞弧帶大致以疲勞源為核心，似水波形式向外擴展，形成許多同心圓或同心弧帶，其方向與裂紋擴展方向相垂直。瞬時破斷區(qū)是當疲勞裂紋擴展到臨界尺寸時發(fā)生的快速破斷區(qū)；其宏觀特征與靜載拉伸斷口中快速破斷的放射區(qū)及剪切唇相同。

各類斷口的宏觀形貌如圖1-4所示。通過對斷裂零件斷口形貌的研究，推斷出斷裂的性質和類型，找出破壞原因，以便采取預防措施。

2）斷裂失效分析及其對策

①斷裂失效分析　其步驟大致如下。

a.現(xiàn)場調查　斷裂發(fā)生后，要迅速調查了解斷裂前后的各種情況并做好記錄，必要時還應攝影、錄像。對零件破斷后的斷口碎片應嚴加保護，防止氧化、腐蝕和污染，在未查清斷口特征和照相記錄之前，不允許移動碎片和清洗斷口。另外，還應對當時的工作條件、運轉情況及周圍環(huán)境等進行詳細調查記錄。

b.分析主導失效件　一個關鍵零件發(fā)生斷裂失效后，往往會造成其他關聯(lián)零件及構件的斷裂。出現(xiàn)這種情況時，要理清次序，準確找出起主導作用的斷裂件，否則會誤導分析結果。主導失效件可能已經支離破碎，應搜集殘塊，拼湊起來，找出哪一條裂紋最先發(fā)生，這一條裂紋即為主導裂紋。

c.斷口分析　首先進行斷口的宏觀分析，用肉眼或20倍以下的低倍放大鏡，對斷口進行觀察和分析；分析前可對破損零件的油污進行清洗，對銹蝕的斷口可采用化學法、電化學法除銹，去除氧化膜；要仔細觀察斷口的形貌，裂紋的位置，斷口與變形方向的關系，判斷出裂紋與受力之間的關系及裂紋源位置，斷裂的原因、性質等，為微觀分析提供依據(jù)。然后進行斷口的微觀分析，用金相顯微鏡或電子顯微鏡進一步觀察分析斷口形貌與顯微組織的關系；斷裂過程中微觀區(qū)域的變化；斷口金相組織及夾雜物的性質、形狀、分布以及顯微硬度、裂紋起因等。

d.進行檢驗　進行金相組織、化學成分、力學性能的檢驗，以便研究材料是否有宏觀或微觀缺陷，裂紋分布與發(fā)展以及金相組織是否正常等。復驗金屬化學成分是否符合要求，以及常規(guī)力學性能是否合格等。

e.確定失效原因　確定零件的失效原因時，應對零件的材質、制造工藝、載荷狀況、裝配質量、使用年限、工作環(huán)境中的介質和溫度、同類零件的使用情況等作詳細的了解和分析，再結合斷口的宏觀特征、微觀特征作出準確的判斷，確定斷裂失效的主要原因和次要原因。

②確定失效對策　斷裂失效的原因找出以后，可從以下幾個方面考慮對策。

a.設計方面　零件結構設計時，應盡量減少應力集中，根據(jù)環(huán)境介質、溫度、負載性質合理選擇材料。

b.工藝方面　表面強化處理可大大提高零件疲勞壽命，適當?shù)谋砻嫱繉涌煞乐闺s質造成的脆性斷裂。在對某些材料進行熱處理時，在爐中通入保護氣體可大大改善其性能。

c.安裝使用方面　第一，要正確安裝，防止產生附加應力與振動，對重要零件應防止碰傷拉傷；第二，應注意正確使用，保護設備的運行環(huán)境，防止腐蝕性介質的侵蝕，防止零件各部分溫差過大，如有些設備在冬季生產時需先低速空轉一段時間，待各部分預熱以后才能負載運轉。

（5）零件的變形

1）零件變形的基本概念

機械設備在作業(yè)過程中，由于受力的作用，使零件的尺寸或形狀產生改變的現(xiàn)象稱為變形。過量的變形是機械失效的重要類型，也是判斷韌性斷裂的明顯征兆。有的機械零件因變形引起結合零件出現(xiàn)附加載荷、加速磨損或影響各零部件間的相互關系，甚至造成斷裂等災難性后果。例如，各類傳動軸的彎曲變形、橋式起重機主梁下?lián)锨蚺で⑵嚧罅旱呐で冃?、缸體或變速箱殼等基礎零件發(fā)生變形等，相互間位置精度就會遭到破壞；當變形量超過允許極限時，將喪失規(guī)定的功能。

2）零件變形的類型

①金屬的彈性變形　彈性變形是指金屬在外力去除后能完全恢復的那部分變形。彈性變形的機理，是晶體中的原子在外力作用下偏離了原來的平衡位置，使原子間距發(fā)生變化，從而造成晶格的伸縮或扭曲。因此，彈性變形量很小，一般不超過材料原來長度的0.10%～1.0%。而且金屬在彈性變形范圍內符合虎克定律，即應力與應變成正比。

許多金屬材料在低于彈性極限應力作用下會產生滯后彈性變形。在一定大小應力的作用下，試樣將產生一定的平衡應變。但該平衡應變不是在應力作用的一瞬間產生，而需要應力持續(xù)充分的時間后才會完全產生。應力去除后平衡變形也不是在一瞬間完全消失，而是需經充分時間后才完全消失。材料發(fā)生彈滯性變形時，平衡應變滯后于應力的現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，簡稱彈性后效。曲軸等經過冷校直的零件，經過一段時間后又發(fā)生彎陷，這種現(xiàn)象就是彈性后效所引起的。消除彈性后效的辦法是長時間的回火，一般鋼件的回火溫度為300～450℃。

在金屬零件使用過程中，若產生超過設計允許的超量彈性變形，則會影響零件正常工作。例如，傳動軸工作時，超量彈性變形會引起軸上齒輪嚙合狀況惡化，影響齒輪和支承它的滾動軸承的工作壽命；機床導軌或主軸超量彈性變形，會引起加工精度降低甚至不能滿足加工精度要求。因此，在機械設備運行中防止超量彈性變形是十分必要的。

②金屬的塑性變形　塑性變形是指金屬在外力去除后，不能恢復的那部分永久變形。

實際使用的金屬材料，大多數(shù)是多晶體，且大部分是合金。由于多晶體有晶界的存在，各晶粒位向的不同以及合金中溶質原子和異相的存在，不但使各個晶粒的變形互相阻礙和制約，而且會嚴重阻礙位錯的移動。因此，多晶體的變形抗力比單晶體高，而且使變形復雜化。由此可見，晶粒愈細，則單位體積內的晶界愈多，因而塑性變形抗力也愈大，即強度愈高。

金屬材料經塑性變形后，會引起組織結構和性能的變化。較大的塑性變形，會使多晶體的各向同性遭到破壞，而表現(xiàn)出各向異性；也會使金屬產生加工硬化現(xiàn)象。同時，由于晶粒位向差別和晶界的封鎖作用，多晶體在塑性變形時，各個晶粒及同一晶粒內部的變形是不均勻的。因此，外力去除后各晶粒的彈性恢復也不一樣，因而在金屬中產生內應力或殘余應力。另外，塑性變形使原子活潑能力提高，造成金屬的耐腐蝕性下降。

塑性變形導致機械零件各部分尺寸和外形的變化，將引起一系列不良后果。例如，機床主軸塑性彎曲，將不能保證加工精度，導致廢品率增大，甚至使主軸不能工作。零件的局部塑性變形雖然不像零件的整體塑性變形那樣明顯引起失效，但也是引起零件失效的重要形式。如鍵連接、花鍵連接、擋塊和銷釘?shù)?，由于靜壓力作用，通常會引起配合的一方或雙方的接觸表面擠壓而產生局部塑性變形，隨著擠壓變形的增大，特別是那些能夠反向運動的零件將引起沖擊，使原配合關系破壞的過程加劇，從而導致機械零件失效。

3）引起零件變形的原因

引起零件變形的主要原因有如下幾個。

①工作應力　由外載荷產生的工作應力超過零件材料的屈服極限時，就會使零件產生永久變形。

②工作溫度　溫度升高，金屬材料的原子熱振動增大，臨界切變抗力下降，容易產生滑移變形，使材料的屈服極限下降；或零件受熱不均，各處溫差較大，產生較大的熱應力，引起變形。

③殘余內應力　零件在毛坯制造和切削加工過程中，都會產生殘余內應力，影響零件的靜強度和尺寸穩(wěn)定性。這不僅使零件的彈性極限降低，還會產生減小內應力的塑性變形。

④材料內部缺陷　材料內部夾渣、有硬質點、應力分布不均等，造成使用過程中零件變形。值得指出的是，引起零件的變形，不一定在單因素作用下一次產生，往往是幾種原因的共同作用，多次變形累積的結果。因此，要防止零件變形，必須從設計、制造工藝、使用、維護修理等幾個方面采取措施，避免和消除上述引起變形的因素，從而把零件的變形控制在允許的范圍之內。

使用中的零件，變形是不可避免的，因此在進行設備大修時不能只檢查配合面的磨損情況，對于相互位置精度也必須認真檢查和修復，尤其對第一次大修機械設備的變形情況更要注意檢查、修復，因為零件在內應力作用下的變形，通常在12～20個月內完成。

4）防止和減少機械零件變形的對策

實際生產中，機械零件的變形是不可避免的。引起變形的原因是多方面的，因此減輕變形危害的措施也應從設計、加工、修理、使用等多方面來考慮。

①設計　在設計時不僅要考慮零件的強度，還要重視零件的剛度和制造、裝配、使用、拆卸、修理等問題。

a.正確選材，注意材料的工藝性能。如鑄造的流動性、收縮性；鍛造的可鍛性、冷鐓性；焊接的冷裂、熱裂傾向性；機加工的可切削性；熱處理的淬透性、冷脆性等。

b.選擇適當?shù)慕Y構，合理布置零部件，改善零件的受力狀況。如避免尖角、棱角，將其改為圓角、倒角，厚薄懸殊的部分可開工藝孔或加厚太薄的部位；安排好孔洞位置，把盲孔改為通孔；形狀復雜的零件盡可能采用組合結構、鑲拼結構等。

c.在設計中，還應注意應用新技術、新工藝和新材料，減少制造時的內應力和變形。

②加工　在加工中要采取一系列工藝措施來防止和減少變形。

a.對毛坯要進行時效處理，以消除其殘余內應力。

b.在制定機械零件加工工藝規(guī)程時，要在工序、工步的安排以及工藝裝備和操作上采取減小變形的工藝措施。例如，按照粗、精加工分開的原則，在粗、精加工中間留出一段存放時間，以利于消除內應力。

c.機械零件在加工和修理過程中要減少基準的轉換，盡量保留工藝基準留給維修時使用，減少維修加工中因基準不統(tǒng)一而造成的誤差。對于經過熱處理的零件來說，注意預留加工余量、調整加工尺寸、預加變形非常必要。在知道零件的變形規(guī)律之后，可預先加以反向變形量，經熱處理后兩者抵消；也可預加應力或控制應力的產生和變化，使最終變形量符合要求，達到減少變形的目的。

③修理

a.為了盡量減少零件在修理中產生的應力和變形，在機械大修時不能只是檢查配合面的磨損情況，對于相互位置精度也必須認真檢查和修復。

b.應制訂出合理的檢修標準，并且應該設計出簡單可靠、易操作的專用工具、檢具、量具，同時注意大力推廣維修新技術、新工藝。

④使用

a.加強設備管理，嚴格執(zhí)行安全操作規(guī)程，加強機械設備的檢查和維護，避免超負荷運行和局部高溫。

b.還應注意正確安裝設備，精密機床不能用于粗加工，合理存放備品備件等。

1.3.2　使用過程中諸多因素的影響

機械設備在使用中受到種種因素作用，逐漸損壞或老化，以致發(fā)生故障甚至失去應有的功能。涉及外部作用的因素主要有以下一些。

①磨粒作用　大多數(shù)機械設備都受到周圍環(huán)境中的粉塵磨粒作用，如果直接與磨粒接觸或無任何防護措施，則機械設備壽命會在很寬范圍內變化。

②腐蝕作用　金屬表面與周圍介質發(fā)生化學及電化學作用而遭受破壞稱為腐蝕。腐蝕和磨損大多同時存在，腐蝕過程伴有摩擦力作用，腐蝕使材料變質、變脆；摩擦使腐蝕層很快脫落。這種腐蝕與磨損的聯(lián)合作用稱為蝕損或腐蝕磨損。

③自然因素　自然氣候除了濕度外，還有溫度、大氣壓力、太陽輻射等，可能導致電氣設備、塑料和橡膠制品的各種損壞。

④載荷狀況　載荷狀況對機械狀況的影響是不一樣的，不同大小的載荷所造成的磨損程度也不同。當載荷高于設計平均載荷時，則機件磨損過程加劇，甚至導致事故的發(fā)生；而減少載荷后，磨損則會減少。研究和實踐還表明，間歇性載荷對機件的磨損影響很大。bvty

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