零部件失效的概念及形式解析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：引起弹性变形失效的原因主要是零部件的刚度不足。

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、磨损和蚀损等四种。

8.1.1.1　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。

1. 过量弹性变形

机械零件在使用过程中只要受力必然会发生弹性变形，但是弹性变形量过大会使零件失效。引起弹性变形失效的原因主要是零部件的刚度不足。要预防过量弹性变形，则应选用弹性模量大的材料。

2. 过量塑性变形

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。过量塑性变形是机械零件失效的重要形式，轻则使机器工作情况变坏，重则使机器无法继续运行，甚至破坏。

3. 蠕　变

在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不可避免的，通常是以金属在一定温度和应力作用下经过一定时间所引起的变形量来衡量。

8.1.1.2　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。图8-1所示为蜗杆轴的断裂，图8-2所示为车轮轮毂断裂。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。

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图8-1　蜗杆轴的断裂

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图8-2　车轮轮毂断裂

1. 韧性断裂

韧性断裂时，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。

2. 低温脆性断裂

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称为低温脆性断裂。

3. 疲劳断裂

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，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂是脆性断裂，断裂前没有明显的预兆而突然断裂，图8-3为传动轴的疲劳断裂。

4. 蠕变断裂

在高温下工作下的零件，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，这种现象称为蠕变断裂。有些材料在断裂前产生颈缩现象。

5. 环境破断失效

在承受一定载荷的条件下，由于环境因素（例如，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，这类断裂称为环境破断失效。环境破断失效包括应力腐蚀、氢脆、腐蚀和疲劳等。图8-4所示为发生环境氢脆断裂的飞机起落架支柱螺栓。

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图8-3　传动轴的疲劳断裂

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图8-4　发生环境氢脆断裂的螺栓

8.1.1.3　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。

1. 黏着磨损

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。如图8-5所示，发动机气缸内壁的黏着磨损。由于摩擦副表面凹凸不平，当相互接触时，只有局部接触，接触面积很小，接触压力很大，超过材料的屈服强度，而发生塑性变形，使润滑油膜和氧化油膜被挤破，摩擦副金属表面直接接触，发生黏着、屑粒被剪切磨损或工作表面被擦伤。黏着磨损在滑动摩擦条件下，磨损速度大，具有严重的破坏性。

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。

2. 磨粒磨损

磨粒磨损是指相对运动的物体作相对摩擦时，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，如图8-6所示，金属表面发生磨粒磨损形成麻坑。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。

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图8-5　发动机气缸内壁的黏着磨损

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图8-6　金属表面发生磨粒磨损形成麻坑

3. 疲劳磨损

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。按初始裂纹的位置不同，接触疲劳可分为麻点剥落和表层压碎两大类。在接触应力小、摩擦力大、表面质量较差的情况下，裂纹首先在表面萌生，产生麻点剥落；反之，裂纹首先在次表面萌生，产生表层压碎，但麻点剥落和表层压碎往往同时发生。

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。

4. 微动磨损

两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损称为微动磨损。它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被忽视。例如在键联接处、过盈配合联接处、螺栓联接处、铆钉联接接头等结合面上产生的磨损。

微动磨损使配合精度下降，过受配合部件结合紧度下降甚至松动，联接件松动甚至分离，严重者会引起事故，还易引起应力集中，导致联接件疲劳断裂。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。

8.1.1.4　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。

1. 化学腐蚀

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图8-7　传动轴表面发生的化学腐蚀

化学腐蚀是指金属与接触到的干燥气体或非电解质溶液等直接发生化学反应而引起的腐蚀。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。大多数金属在室温下的空气中就能自发地氧化，在高温空气中，铁和铝都能生成完整的氧化膜，由于铝的氧化膜紧密、稳定，与金属结合力强，具有与基体金属相同的热膨胀系数，故具有良好保护性能，而铁的氧化膜与铁结合不良，故起不了保护作用，会产生蚀损。图8-7所示为传动轴表面发生的化学腐蚀。

2. 电化学腐蚀

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