机械故障机理

一、机械故障机理

故障机理

1.1磨损机理

1、磨损的概念

两个相对运动的机件相互摩擦，结果其表面分子逐渐脱落，原有的尺寸，表面质量，几何形状发生变化称为磨损。

摩擦的主要形式有以下几类：

（1）干摩擦：两个金属物体在摩擦表面之间完全没有润滑油或其它润滑介质，其表面是直接接触的相互摩擦运动，存在强烈磨损。例如离合器摩擦片与压板之间，摩擦片与飞轮，自行车制动片与制动鼓。

（2）液体摩擦：摩擦表面之间被润滑油或其它润滑介质隔开，其表面不发生直接接触的摩擦。摩擦力很小，几乎没有磨损。例如，发动机稳定运转时曲轴轴颈与轴承之间的摩擦。

（3）边界摩擦：因润滑油粘度下降、油膜变薄，润滑油楔的动压力不足以保证液体摩擦，使油层厚度小于表面不平度的二分之一，其摩擦表面只由一层很薄的油膜隔开的摩擦。摩擦力较小，磨损量较小。例如，发动机高负载、低转速和高温条件下或是泄漏时曲轴轴颈与轴承之间。

（4）半液摩擦：介于液体摩擦和边界摩擦之间，但趋向于液体摩擦的摩擦。施加在零件上的大部分载荷由液体层所承受，而小部分载荷由零件接触表面所承受。例如,发动机在良好工况时曲轴轴颈与轴承之间。

（5）半干摩擦：介于干摩擦和边界摩擦之间，但趋向于干摩擦的摩擦。施加在零件上的小部分载荷由液体层所承受，而大部分载荷由零件接触表面所承受。例如，发动机在不良工况时曲轴轴颈与轴承之间。

2、磨损的过程

磨损过程分跑和、稳定、和剧烈磨损三个阶段。如图1-1，跑和开始时表面具有一定的粗糙度，真实接触面积小，磨损先快后慢。剧烈磨损时机械效率下降，精度丧失，产生异常噪声。

图1-1

3、磨损机理

（1）粘着磨损

粘着磨损又称咬合磨损，在对于机械性能相差不大的两种金属之间时最常见的。分冷粘着和热粘着两种形式。

若粘着点结合强度小于两边金属强度，则分离时从接触面分开，分离面比较光滑；若粘着点结合强度大于一边金属强度，则分离时从一边金属最薄弱处分开。磨损量和接触压力、摩擦面积、距离成正比，和材料压缩屈服极限成反比。

下图为粘着磨损的主要形式及其损坏原因：

磨

损量

磨损过程

图1-2

（2）磨粒磨损

条件：是接触面间存在硬质粒子，或者当摩擦件的一方比另一方硬度大得多。

在摩擦过程中，表面凸出部分渐渐剥落，这些微粒加上外部侵入的沙尘形成磨粒，由于磨粒的棱面相对于摩擦表面的取向不同，作用在磨粒上的力分为垂直于表面的分力和平行于表面的分力。因此，磨粒磨损的实质是微量切削、压痕损伤与疲劳破坏的综合结果。

垂直分力：楔入较软材料表面，造成擦伤压痕，对脆性材料导致表面疲劳剥落。

平行分力：留下细槽痕迹，对塑性材料则切下一个连续的切屑，对脆性材料则切下一个断屑，使产生裂纹。

下图为磨粒磨损的主要形式及其损坏原因：

图1-3

（3）表面疲劳磨损

两接触面作滚动或滚动滑动复合摩擦时，在交变接触应力作用下使材料表面疲劳而产生的物理损伤现象。

机理：疲劳磨损也是裂纹产生和破坏的过程，裂纹不断扩展造成金属表面的剥落。

下图是表面疲劳磨损的主要形式：

图1-4

（4）腐蚀磨损

机理：摩擦时金属同周围介质发生化学或者电化学反应，引起腐蚀产物剥落。

下图为腐蚀磨损的几种主要形式：

图1-5

1.2变形机理

任何机件在外力作用下都会产生一定的变形，有弹性变形和塑性变形两种类型的变形，这里主要介绍一下塑性变形的机理。

1、滑移

载荷的剪应力分量造成塑性变形，剪应力超过受晶界面的滑移抗力，晶体的一部分将沿晶面和晶向相对另一部分产生滑移。

滑移主要发生在原子排列最精密的晶面，沿着原子排列最精密的方向。这是因为原子排列最密的面上，原子结合力最强，相邻面的间距就越大，面结合能力就越弱。

2、孪生

孪生变形时晶体的一部分相对于一定的晶面沿一定方向相对移动，移动距离和原子离开孪生晶面的距离成正比。

临界孪生应力比临界滑移应力要大很多，只有在滑移很困难时，才会出现孪晶变形。两者往往交替进行。

3、机件变形的原因

机件变形的原因有内应力包括热应力和相变应力，外载荷，温度，材料的结晶缺陷。

热应力—零件上相连的部分厚薄不同，冷却速度不同，收缩时间有先后，通常厚壁受拉，薄壁受压。

相变应力—零件由于组织变化发生体积改变所引起。

外载荷—机件结构不合理，如刚度不够，在外载荷的作用下会产生变形。

温度—金属的弹性极限随温度的升高而下降。

材料的结晶缺陷—材料的内部缺陷，在应力的持续作用下也会产生变形。

1.3断裂机理

断裂时机械故障中一种最危险的破坏形式，因此避免机件的断裂显得十分重要。断裂主要由以下几种形式：

高周疲劳

疲劳断裂

低周疲劳

韧性断裂

断裂静载断裂

脆性断裂

应力腐蚀断裂

氢脆断裂

环境断裂高温蠕变断裂

腐蚀疲劳断裂

冷脆断裂

1、疲劳断裂

（一）高周疲劳机理

低应力、高寿命的疲劳，例如曲轴、弹簧的失效。分为三个过程：裂纹产生、裂纹扩展、瞬时断裂。

（1）疲劳裂纹的产生

裂纹总在应力最高、强度最弱的机体上产生。有三种形式：

1。夹杂物和基体界面的开裂。在循环应力的作用下，夹杂物和基体界面分离，逐渐形成裂纹源。

2。滑移带开裂。金属在交变应力的作用下，驻留滑移带的表面产生“挤出脊”和“挤出沟”现象。这些凝聚形成裂纹源。

3。晶界开裂。滑移带穿过晶界时，方向改变，终止在晶界处，形成高应力区，在交变应力的作用下，滑移带在晶界处引起变形不断增加，在晶界上产生裂纹。

(2)疲劳裂纹的扩展

在没有应力集中的情况下，疲劳扩展分为二个阶段。第一阶段从金属表面上驻留滑移带“挤出脊”和“挤出沟”或非金属夹杂物处开始，沿最大切应力方向的晶面向内扩展，由于晶粒位相不同、晶界阻碍，扩展方向逐渐转向和主应力垂直，速率较慢，若存在应力集中则直接进入第二阶段，方向通主应力垂直。速率较快。疲劳条纹主要在这阶段产生。

（3）瞬时断裂

随着裂纹不断扩展，机件有效承载面逐渐减小，应力不断增大，到达强度极限时，发生瞬时断裂。疲劳断口特征是脆性的，无明显塑性变形。

（二）低周疲劳机理（塑性疲劳）

塑性应变的循环作用所引起的疲劳断裂。加载频率很低，寿命短,交变应力很高，一般接近或超过材料的屈服强度。

高周和低周区分决定于塑性变形和弹性变形的相对比例，高周中弹性变形起支配作用，低周中塑性起支配作用。两者都是循环塑性变形积累损伤的结果。

2、静载断裂

根据断裂前产生的塑性变形量分为：

(1)韧性断裂

韧性断裂是显微空洞形成，长大，连接以致最终导致断裂。

断口微观特征：大量的微坑覆盖—韧窝。