當(dāng)機(jī)械零件喪失它應(yīng)有的功能后,則稱該零件失效。造成失效的原因有很多,如斷裂、變形、表面磨損等。所謂失效，主要指零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀或材料的組織與性能的變化而喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象。為幫助大家深入了解，本文將對零件失效分析的相關(guān)知識予以匯總。如果您對本文即將要涉及的內(nèi)容感興趣的話，那就繼續(xù)往下閱讀吧。

機(jī)械零件的失效，一般包括以下幾種情況。

(1)零件完全破壞，不能繼續(xù)工作。

(2)雖然仍能安全工作，但不能滿意地起到預(yù)期的作用。

(3)零件嚴(yán)重?fù)p傷，繼續(xù)工作不安全。

1.零件的失效形式

根據(jù)零件損壞的特點，可將失效形式分為3種基本類型：變形、斷裂和表面損傷。

1)變形失效與選材

變形失效有兩種情況，彈性變形失效與塑性變形失效。

(1)彈性變形失效。彈性變形失效是指由于發(fā)生過大的彈性變形而造成零件的失效。 例如，電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸的剛度不足，發(fā)生過大的彈性變形，結(jié)果轉(zhuǎn)子與定子相撞，最后主軸撞彎，甚至折斷。

彈性變形的大小取決于零件的幾何尺寸及材料的彈性模董。金剛石與陶瓷的彈性模量最髙，其次是難熔金屬、鋼鐵，有色金屬則較低，有機(jī)高分子材料的彈性模量最低。因此，作為結(jié)構(gòu)件，從剛度及經(jīng)濟(jì)角度來看，選擇鋼鐵是比較合適。

(2)塑性變形失效。塑性變形失效是指零件由于發(fā)生過量塑性變形而失效。塑性變形失效是零件中的工作應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度的結(jié)果。塑性變形是一種永久變形，可在零件的形狀和尺寸上表現(xiàn)出來。在給定載荷條件下，塑性變形發(fā)生與否，取決于零件幾何尺寸及材料的屈服強(qiáng)度。

一般陶瓷材料的屈服強(qiáng)度很髙，但脆性非常大。進(jìn)行拉伸試驗時，在遠(yuǎn)未達(dá)到屈服應(yīng)力時就發(fā)生脆斷，強(qiáng)度高的特點發(fā)揮不出來。因此，不能用來制造高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件。有機(jī)高分子材料的強(qiáng)度很低，最髙強(qiáng)度的塑料也不超過鑰合金。因此，目前用作高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的主要材料還是鋼鐵。

2)斷裂失效

斷裂失效是機(jī)械零件的主要失效形式。根據(jù)斷裂的性質(zhì)和斷裂的原因，可分為以下4種。

(1)塑性斷裂。塑性斷裂是指零件在受到外載荷作用時，某一截面上的應(yīng)力超過了料的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生很大的塑性變形后發(fā)生的斷裂。如低碳鋼光滑試樣拉伸試驗時。由于斷裂前已經(jīng)發(fā)生了大量的塑性變形而進(jìn)人了失效狀態(tài)，故只能使零件不能工作，但不會造成較大的危險。

(2)脆性斷裂。脆性斷裂發(fā)生時，事先不產(chǎn)生明顯的塑性變形，承受的工作應(yīng)力通常遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，所以又稱為低應(yīng)力脆斷，這種斷裂經(jīng)常發(fā)生在有尖銳缺口或裂紋的零件中，另外，零件結(jié)構(gòu)中的棱角、臺階、溝槽及拐角等結(jié)構(gòu)突變處也易發(fā)生，特別是在低溫或沖擊載荷作用的情況下，更易發(fā)生脆性斷裂。

(3)疲勞斷裂。在低于材料屈服強(qiáng)度的交變應(yīng)力反復(fù)作用下發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂。因疲勞而最終斷裂是瞬時的，因此危害性較大，常在齒輪、彈簧、軸、模具、葉片零件中發(fā)生。疲勞斷裂是一種危害極大，而且是一種常見的失效形式，據(jù)統(tǒng)計，承受交變 應(yīng)力的零件，80%~90%以上的損壞是由于疲勞引起的。采用各種強(qiáng)化方法提高材料的強(qiáng) 度，尤其是表面強(qiáng)度，在表面形成殘余壓應(yīng)力，可使疲勞強(qiáng)度顯著提高。此外，減少零件上各種能引起應(yīng)力集中的缺陷、刀痕、尖角、截面突變等，均可提高零件的抗疲勞能力。

(4)蠕變斷裂。蠕變斷裂即在應(yīng)力不變的情況下，變形量隨時間的延長而增加，最后由于變形過大或斷裂而導(dǎo)致的失效。如架空的聚氣乙烯電線管在電線和自重的作用下發(fā)生的緩慢的撓曲變形，就是典型的材料蠕變現(xiàn)象。金屬材料一般在高溫下才產(chǎn)生明顯的蠕變，而高聚物在常溫下受載就會產(chǎn)生顯著的蠕變，當(dāng)蠕變變形量超過一定范圍時，零件內(nèi)部就會產(chǎn)生裂紋而很快斷裂。

3)表面損傷

零件在工作過程中，由于機(jī)械和化學(xué)的作用，使工件表面及表面附近的材料受到嚴(yán)重?fù)p傷導(dǎo)致失效，稱為表面損傷失效。表面損傷失效大體上分為3類：磨損失效、表面疲勞失效和腐蝕失效。

(1)磨損失效。在機(jī)械力的作用下，產(chǎn)生相對運動(滑動、滾動等）而使接觸表面的材料以磨屑的形式逐漸磨耗，使零件的形狀、尺寸發(fā)生變化而失效，稱為磨損失效。零件磨損后，會使其精度下降或喪失，甚至無法正常運轉(zhuǎn)。材料抵抗磨損的能力稱為耐磨性，單位時間的磨損量表示。磨損量愈小，耐磨性愈好。

磨損主要有磨粒磨損和黏著(膠合)磨損兩種類型。

①磨粒磨損。磨粒磨損是在零件表面遭受摩擦?xí)r，有硬質(zhì)顆粒嵌人材料表面，形成許多切屑溝槽而造成的磨損。這種磨損常發(fā)生在農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械以及車輛、機(jī)床等機(jī)械運行時因嵌人硬屑（硬質(zhì)顆粒)而磨損等情況中。

②黏著磨損。黏著磨損又稱膠合磨損，是相對運動的摩擦表面之間在摩擦過程中發(fā)生局部焊合或黏著，在分離時黏著處將小塊材料撕裂，形成磨屑而造成的磨損?這種磨損在所有的摩擦副中均會產(chǎn)生，例如蝸輪與蝸桿、內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)和缸套、軸瓦與軸頸等。

為了減少黏著磨損，所選材料應(yīng)當(dāng)與所配合的摩擦副為不同性質(zhì)的材料，而且摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能的小，最好具有自潤滑能力或有利于保存潤滑劑。例如，近年來在不少設(shè)備上已采用尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯、粉末冶金材料制造軸承、軸套等。

(2)表面疲勞。相互接觸的兩個運動表面(特別是滾動接觸)在工作過程中承受交變接觸應(yīng)力的作用，使表層材料發(fā)生疲勞破壞而脫落，造成零件失效稱為表面疲勞失效。為了提高材料的表面疲勞抗力，材料應(yīng)具有足夠高的硬度，同時具有一定的塑性和韌性；材料應(yīng)盡童少含夾雜物，材料要進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，強(qiáng)化層的深度足夠大，以免在強(qiáng)壓層下的基體內(nèi)形成小裂紋，使強(qiáng)化層大塊剝落。

(3)腐蝕失效。由于化學(xué)和電化學(xué)腐蝕的作用使表面損傷而造成的零件失效稱為腐蝕失效。腐蝕失效除與材料的成分、組織有關(guān)外，還與周圍介質(zhì)有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的成分性質(zhì)選材。

2.零件失效的原因

零件到底會發(fā)生哪種形式的失效，這與很多因素有關(guān)。概括起來，失效的原因有以下4個方面。

1)零件設(shè)計

零件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸設(shè)計不合理最容易引起失效。如鍵槽、孔或截面變化較劇烈的尖角處或尖銳缺U處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂紋。其次是對零件在工作中的受力情況判斷有誤，設(shè)計時安全系數(shù)過小或?qū)Νh(huán)境的變化情況估計不足造成零件實際承載能力降低等均屬設(shè)計不合理。

2)選材

選材不合理即選用的材料性能不能滿足工作條件要求，或者所選材料名義性能指標(biāo)不能反映材料對實際失效形式的抗力。所用材料的化學(xué)成分與組織不合理、質(zhì)量差也會造成零件的失效，如含有過多的夾雜物和雜質(zhì)元素等缺陷。因此原材料進(jìn)行嚴(yán)格檢驗是避免零件失效的重要步驟。

3)加工工藝

零件在加工和成形過程中，因采用的工藝方法、工藝參數(shù)不合理，操作不正確等會造成失效。如熱成形過程中溫度過高所產(chǎn)生的過熱、過燒、氧化、脫碳；熱處理過程中工藝參數(shù)不合理造成的變形和裂紋、組織缺陷及由于淬火應(yīng)力不均勻?qū)е铝慵睦饨恰⑴_階等處產(chǎn)生拉應(yīng)力。

4)安裝及使用

機(jī)器在安裝過程中，配合過緊、過松、對中不良、固定不牢或重心不穩(wěn)、密封性差以裝配擰緊時用力過大或過小等，均易導(dǎo)致零件過早失效。在超速、過載，潤滑條件不良的情況下工作，工作環(huán)境中有腐蝕性物質(zhì)及維修、保養(yǎng)不及時或不善等均會造成零件過早失效。

3.失效分析的步驟、方法

對失效零件進(jìn)行失效分析的基本步驟和方法如下：

(1)現(xiàn)場勘察察看零件失效的部位、形式，弄清零件工作條件，操作情況和失效過程；收集并保護(hù)好失效零件，必要時對現(xiàn)場進(jìn)行拍照。

(2)了解零件背景資料，了解零件設(shè)計、加工制造、裝配及使用、維護(hù)等一系列歷史資料，并收集與該零件失效相類似的相關(guān)資料。

(3)測試分析主要包括斷口宏觀分析、金相組織分析、電鏡分析、成分分析、表面及內(nèi)部質(zhì)量分析、應(yīng)力分析、力學(xué)分析及力學(xué)性能測試等。以上項目可根據(jù)需要選擇。

(4)綜合分析對以上調(diào)查材料、測試結(jié)果進(jìn)行綜合分析，判明失效原因（尤其是主要原因，是確定主要失效抗力指標(biāo)的依據(jù)），提出改進(jìn)措施并在實踐中檢驗效果。

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