机械零件的失效分析-学习领悟

机械零件的失效分析

失效：零件或部件失去应有的功效零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。

失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。

一、零件的失效形式

失效形式分3种基本类型：变形、断裂和表面损伤。

1、变形失效与选材（机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效）

①弹性变形失效（由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效）

弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。金刚石与陶瓷的弹性模量最高，其次是难溶金属、钢铁，有色金属则较低，有机高分子材料的弹性模量最低。因此，作为结构件，从刚度及经济角度看，选择钢铁是比较合适。

②塑性变形失效（零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效）

塑性变形失效是零件中的工作应力超过材料的屈服迁都的结果。一般陶瓷材料的屈服强度很高，但脆性非常大，因此，不能用来制造高强度结构件。有机高分子材料的强度很低，最高强度的塑料也不超过铝合金。因此，目前用作高强度结构的主要材料还是钢铁。

2、断裂失效

①塑性断裂

零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂；

②脆性断裂

脆性断裂发生时，事先不产生明显的塑性变形，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断；

③疲劳断裂

在低于材料屈服强度的交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂；

④蠕变断裂

在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效；

3、表面损伤

①磨损失效

磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。磨损可能是被硬质点切削下来，也可能是在大的压力下焊合撕开，所以材料表面的硬度愈高，抵抗磨损的能力愈强。

磨粒磨损：相对运动的零件表面间嵌入硬质颗粒而造成的磨损

粘着磨损：两个相对运动零件表面的微观凸起发生粘合而撕裂

②表面疲劳（在交变接触应力作用下，使机件表面产生点蚀而发生磨损）

相互接触的两个运动表面(特别是滚动接触),在工作过程中承受交变接触应力的作用，使材料表层发生疲劳破坏而脱落，造成零件失效。接触疲劳按其损伤程度分为麻点(浅层剥落)与剥落(深层剥落)。提高表面接触疲劳抗力要求在一定的层深范围内有高的硬度。

③腐蚀失效

由于化学或电化学腐蚀作用造成的零件失效。腐蚀的种类有多种，如点腐蚀、裂隙腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀。重点在于改善材料的化学性能，不仅材料整体的化学稳定性，特别是晶界的化学稳定性。

二、零件失效的原因

1、零件设计不合理：主要是指零件的强度设计不足，或结构工艺性不当。由于零件设计时对①其工作条件估计错误，如对工作时的过载估计不足，散热、润滑、环境腐蚀气氛了解不足等，设计依据不合理；②结构外形设计不合理，往往容易忽视高应力处的应力集中，仅考虑结构而出现尖角、缺口、过小的圆角。

2、选材不合理：①对零件的失效形式判断错误，所选材料不能满足使用要求；②选材依据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力，错选材料；③材料本身的缺陷，如杂质元素过多、夹杂物过多或存在夹层、裂纹的宏观缺陷，即材料的质量问题。

3、加工工艺不合理：由于生产加工的工艺不良，也会造成各种缺陷。如铸、锻、焊工艺不良产生的偏析、带状组织或过热、过烧现象；机械加工的光洁度不足，存在过深的刀痕、磨痕；热处理不良出现的过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足导致较大的残余内应力等。值得注意的是零件的结构不合理会造成或加大产生各中加工缺陷的可能性。

4、安装与使用不正确：零件安装时的配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等会造成零件的早期失效，在使用时的非法过载或维护不良(润滑、散热、粉尘)也会造成零件的早期失效。

5、意外事故：人为或非人为因素造成零件出现了不可承受的载荷。

三、失效分析的步骤、方法

包括逻辑推理和实验研究两个方面。

实验研究的步骤：

（1）对失效零件进行观察，测量并记录损坏位置、尺寸变化和断口的宏观特征。

（2）了解零件的工作环境和失效经过，观察相邻零件的损坏情况，判断损坏顺序收集有关零件设计、材料、加工、安装、使用和维修等方面的资料。

（3）根据需要选择以下项目进行试验：①化学分析②断口分析③金相分析④机械性能测试⑤断裂力学分析⑥应力分析

（4）综合分析以上调查材料，测试结果，判明失效原因，提出改进措施并在实践中检验效果

小结：

一、失效形式

主要失效形式是断裂、变形、和表面损伤三大类。

二、失效原因

（1）设计不当（2）选材不合理（3）加工不当（4）安装使用不当

三、失效分析方法

选材的一般原则

一、材料的使用性能原则

1.零件使用条件与失效形式分析

（1）零件使用条件

①受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；

②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；

③特殊要求：如导电性、导热性、密度与磁性等。

（2）零件失效形式分析

根据零件的失效形式，分析得出起主导作用的使用性能，并以此作为选材的主要依据。

2.确定使用性能指标和数值

通过分析零件的工作条件和失效形式，确定零件对使用性能的要求后，必须进一步转化为实验室性能指标和数值，这是选材的极其重要的步骤。

3.根据力学性能选材时应注意的问题

（1）学会正确使用手册和有关资料

（2）正确使用硬度指标

（3）强度与韧性应合理配合

（4）KIC在选材中的应用

二、材料的工艺性能原则

所用材料要有相应的工艺能制造出来。

工艺性能好坏对零件加工生产有直接影响，主要的工艺性能：

①铸造性能

凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。

②压力加工性能

包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。

③焊接性能

钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。

④机械加工性能

主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。

⑤热处理工艺性能

三、经济性原则

所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。选材时应注意以下几点：

（1）尽量降低材料及其加工成本

（2）用非金属材料代替金属材料

（3）零件的总成本

在这三条原则中，要依次选择，首先要满足性能，其次考虑加工、兼顾成本。技术的发展不断对材料提出新要求，工艺的发展不断创新加工方法。