设备故障发生的原因

机械设备发生故障的原因，有的来自设备自身缺陷的影响；有设计方面的问题，如原设计结构、尺寸、配合、材料选择不合理等；有零件材料缺陷的问题，如材料材质不匀、内部残余应力过大等；有制造方面的问题，如制造过程中的机械加工、铸锻、热处理、装配、标准件等存在工艺问题；有装配方面的问题，如零件的选配、调整不合理，安装不当等；还有检验、试车等方面的问题。
1.机械零件的失效
（1）机械零件失效的分类
机械零件丧失规定的功能即称为失效。一个零件处于下列两种状态之一就认为是失效：一是不能完成规定功能；二是不能可靠和安全地继续使用。
零件的失效是导致机械设备故障的主要原因。因此，研究零件的失效规律，找出其失效原因和采取改善措施，对减少机械故障的发生和延长机械的使用寿命有着重要意义。
机械零件失效的主要表现形式是零件工作配合面的磨损，它占零件损坏的比例最大。材料的腐蚀、老化等是零件工作过程中不可避免的另一类失效形式，但其比例一般要小得多。这两种形式的失效，基本上概括了在正常使用条件下机械零件的主要失效形式。其他形式的失效，如零件疲劳断裂、变形等虽然实际中也经常发生，且属于最危险的失效形式，但多属于制造、设计方面的缺陷，或者是对机器维护、使用不当引起的。
失效分析是指分析研究机件磨损、断裂、变形、腐蚀等现象的机理或过程的特征及规律，从中找出产生失效的主要原因，以便采用适当的控制方法。
失效分析的目的是为制定维修技术方案提供可靠依据，并对引起失效的某些因素进行控制，以降低设备故障率，延长设备使用寿命。此外，失效分析也能为设备的设计、制造反馈信息，为设备事故的鉴定提供客观依据。
（2）零件的磨损
1）零件的磨损规律
众所周知，一台机器如汽车、拖拉机，其构成的基本单元是机件，许多零件构成的摩擦副，如轴承、齿轮、活塞-缸筒等，它们在外力作用下以及热力、化学等环境因素的影响下，经受着一定的摩擦、磨损直至最后失效，其中磨损这种故障模式，在各种机械故障中占有相当的比重。因此，了解零件及其配合副的磨损规律是非常必要的。
①零件的典型磨损曲线　磨损这种故障模式属于渐进性故障。例如气缸由于磨损而产生的故障与风扇皮带的断裂、电容器被击穿等故障不同，后者属于突发性故障，而磨损产生的故障是耗损故障。

②允许磨损和极限磨损

2）磨料磨损

磨料磨损也称磨粒磨损，它是由于摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损现象。它是机械磨损的一种，特征是在接触面上有明显的切削痕迹。在各类磨损中，磨料磨损约占50%左右，是十分常见且危害性最严重的一种磨损，其磨损速率和磨损强度很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量消耗。
根据摩擦表面所受的应力和冲击的不同，磨料磨损的形式又分为錾削式、高应力碾碎式和低应力擦伤式三类。
①磨料磨损的机理　属于磨料颗粒的机械作用，一种是磨粒沿摩擦表面进行微量切削的过程；另一种是磨粒使摩擦表面层受交变接触应力作用，使表面层产生不断变化的密集压痕，最后由于表面疲劳而剥蚀。磨粒的来源有外界沙尘、切屑侵入、流体带入、表面磨损产物、材料组织的表面硬点及夹杂物等。
磨料磨损的显著特点是：磨损表面具有与相对运动方向平行的细小沟槽，有螺旋状、环状或弯曲状细小切屑及部分粉末。
②减轻磨料磨损的措施　磨料磨损是由磨粒与摩擦副表面的机械作用引起的，因而减少或消除磨料磨损的对策可从如下两方面着手。
a.减少磨料的进入　对机械设备中的摩擦副应阻止外界磨料进入并及时清除摩擦副磨合过程中产生的磨屑。具体措施是配备空气滤清器及燃油、机油过滤器；增加用于防尘的密封装置等；在润滑系统中装入吸铁石、集屑房及油污染程度指示器；经常清理更换空气、燃油、机油滤清装置。
b.增强零件摩擦表面的耐磨性　一是可选用耐磨性能好的材料；二是对于要求耐磨又有冲击载荷作用的零件，可采用热处理和表面处理的方法改善零件材料表面的性质，提高表面硬度，尽可能使表面硬度超过磨料的硬度；三是对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）黏着磨损
构成摩擦副的两个摩擦表面，在相对运动时接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为黏着磨损。根据零件摩擦副表面破坏程度，黏着磨损可分为轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱以及咬死五类。
①黏着磨损机理　摩擦副在重载条件下工作，因润滑不良、相对运动速度高、摩擦等原因产生的热量来不及散发，摩擦副表面产生极高的温度，严重时表层金属局部软化或熔化，材料表面强度降低，使承受高压的表面凸起部分相互黏着，继而在相对运动中被撕裂下来，使材料从强度低的表面上转移到材料强度高的表面上，造成摩擦副的灾难性破坏，如咬死或划伤。
②减少黏着磨损的措施
a.控制摩擦副的表面状态　摩擦表面愈洁净、光滑，表面粗糙度过分小，愈易发生黏着磨损。金属表面经常存在吸附膜，当有塑性变形后，金属滑移，吸附膜被破坏，或者温度升高达到100～200℃时吸附膜也会破坏，这些都容易导致黏着磨损的发生。为了减少黏着磨损，应根据其载荷、温度、速度等工作条件，选用适当的润滑剂，或在润滑剂中加入添加剂等，以建立必要的润滑条件。而大气中的氧通常会在金属表面形成一层保护性氧化膜，也能防止金属直接接触和发生黏着，有利于减少摩擦和磨损。

b.控制摩擦副表面的材料成分与金相组织　材料成分和金相组织相近的两种金属材料之间最容易发生黏着磨损，这是因为两摩擦副表面的材料形成固溶体或金属间化合物的倾向强烈。因此，作为摩擦副的材料应当是形成固溶体倾向最小的两种材料，即应当选用不同材料成分和晶体结构的材料。在摩擦副的一个表面上覆盖铅、锡、银、铜等金属或者软的合金可以提高抗黏着磨损的能力，如经常用巴氏合金、铝青铜等作为轴承衬瓦的表面材料，可提高其抗黏着磨损的能力，钢与铸铁配对的抗黏着性能也不错。

c.改善热传递条件　通过选用导热性能好的材料，对摩擦副进行冷却降温或采取适当的散热措施，以降低摩擦副相对运动时的温度，保持摩擦副的表面强度。

4）疲劳磨损

疲劳磨损是摩擦副材料表面上局部区域在循环接触应力周期性地作用下产生疲劳裂纹而发生材料微粒脱落的现象。根据摩擦副之间的接触和相对运动方式，可将疲劳磨损分为滚动接触疲劳磨损和滑动接触疲劳磨损两种形式。

①疲劳磨损机理　疲劳磨损的过程就是裂纹产生和扩展、微粒形成和脱落的破坏过程。磨料磨损和黏着磨损都与摩擦副表面直接接触有关，有润滑剂将摩擦两表面分隔开，则这两类磨损机理就不起作用。对于疲劳磨损，即使摩擦表面间存在润滑剂，并不直接接触，也可能发生，这是因为摩擦表面通过润滑油膜传递而承受很大的应力。疲劳磨损与磨料磨损和黏着磨损不同，它不是一开始就发生的，而是应力经过一定循环次数后发生微粒脱落，以致摩擦副失去工作能力。根据裂纹产生的位置，疲劳磨损的机理有如下两种情况。

a.滚动接触疲劳磨损　滚动轴承、传动齿轮等有相对滚动摩擦副表面间出现深浅不同的针状、痘斑状凹坑（深度在0.1～0.2mm以下）或较大面积的微粒脱落，都是由滚动接触疲劳磨损造成的，又称为点蚀或痘斑磨损。

b.滑动接触疲劳磨损　两滑动接触物体在距离表面下0.786b处（b为平面接触区的半宽度）切应力最大，该处塑性变形最剧烈，在周期性载荷作用下的反复变形会使材料表面出现局部强度弱化，并在该处首先出现裂纹。在滑动摩擦力引起的切应力和法向载荷引起的切应力叠加作用下，使最大切应力从0.786b处向表面深处移动，形成滑动疲劳磨损，剥落层深度一般为0.2～0.4mm。

②减少或消除疲劳磨损的对策　减少或消除疲劳磨损的对策就是控制影响裂纹产生和扩展的因素，主要有以下两方面。

a.合理选择材质和热处理　钢中非金属夹杂物的存在易引起应力集中，这些夹杂物的边缘最易形成裂纹，从而降低材料的接触疲劳寿命。材料的组织状态、内部缺陷等对磨损也有重要的影响。通常，晶粒细小、均匀，碳化物成球状且均匀分布，均有利于提高滚动接触疲劳寿命。在未溶解的碳化物状态相同的条件下，马氏体中碳的质量分数在0.4%～0.5%左右时，材料的强度和韧性配合较佳，接触疲劳寿命高。对未溶解的碳化物，通过适当热处理，使其趋于量少、晶粒细小、均布，避免粗大的针状碳化物出现，都有利于消除疲劳裂纹。硬度在一定范围内增加，其接触疲劳抗力也将随之增大。例如，轴承钢表面硬度为62HRC左右时，其抗疲劳磨损能力最大；对传动齿轮的齿面，硬度在58～62HRC范围内最佳。此外，两接触滚动体表面硬度匹配也很重要，例如滚动轴承中，以滚道和滚动元件的硬度相近，或者滚动元件比滚道硬度高出10%为宜。

b.合理选择表面粗糙度　实践表明，适当减小表面粗糙度值是提高抗疲劳磨损能力的有效途径。例如，将滚动轴承的表面粗糙度值从Ra 0.40μm减小到Ra 0.20μm时，寿命可提高2～3倍；从Ra 0.20μm减小到Ra 0.10μm时，寿命可提高1倍；而减小到Ra 0.05μm以下则对寿命的提高影响甚小。表面粗糙度要求的高低与表面承受的接触应力有关，通常接触应力大或表面硬度高时，均要求表面粗糙度值要小。

此外，表面应力状态、配合精度的高低、润滑油的性质等都会对疲劳磨损的速度产生影响。通常，表面应力过大、配合间隙过小或过大、润滑油在使用中产生的腐蚀性物质等都会加剧疲劳磨损。

5）腐蚀磨损

①腐蚀磨损的机理　运动副在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面产生腐蚀物并剥落，这种现象称为腐蚀磨损。它是腐蚀与机械磨损相结合而形成的一种磨损现象，因此腐蚀磨损的机理与磨料磨损、黏着磨损和疲劳磨损的机理不同，它是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境中，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质的条件下。根据腐蚀介质及材料性质的不同，通常将腐蚀磨损分为氧化磨损和特殊介质中的腐蚀磨损两大类。

a.氧化磨损　在摩擦过程中，摩擦表面在空气中的氧或润滑剂中的氧的作用下所生成的氧化膜很快被机械摩擦去除的磨损形式称为氧化磨损。工业中应用的金属绝大多数都能被氧化而生成表面氧化膜，这些氧化膜的性质对磨损有着重要的影响。若金属表面生成致密完整、与基体结合牢固的氧化膜，且膜的耐磨性能很好，则磨损轻微；若膜的耐磨性不好则磨损严重。例如，铝和不锈钢都易形成氧化膜，但铝表面氧化膜的耐磨性不好，不锈钢表面氧化膜的耐磨性好，因此不锈钢具有的抗氧化磨损能力比铝更强。

b.特殊介质中的腐蚀磨损　在摩擦过程中，环境中的酸、碱等电解质作用于摩擦表面上所形成的腐蚀产物迅速被机械摩擦所除去的磨损形式称为特殊介质中的腐蚀磨损。这种磨损的机理与氧化磨损相似，但磨损速率较氧化磨损高得多。介质的性质、环境温度、腐蚀产物的强度、附着力等都对磨损速率有重要影响。这类腐蚀磨损出现的概率很高，如流体输送泵，当其输送带腐蚀性的流体，尤其是含有固体颗粒的流体时，与流体有接触的部位都会受到腐蚀磨损。

②减少腐蚀磨损的对策

a.合理选择材质和对表面进行抗氧化处理。可以选择含铬、镍、钼、钨等成分的钢材，提高运动副表面的抗氧化磨损能力。或者对运动副表面进行喷丸、滚压等强化处理，或者对表面进行阳极化处理等，使金属表面生成致密的组织或氧化膜，提高其抗氧化磨损能力。

b.对于特定介质作用下的腐蚀磨损，可以通过控制腐蚀性介质的形成条件，选用合适的耐磨材料以及改变腐蚀性介质的作用方式来减轻腐蚀磨损速率。

6）微动磨损

两个固定接触表面由于受相对小振幅振动而产生的磨损称为微动磨损，主要发生在相对静止的零件结合面上，例如键连接表面、过盈或过渡配合表面、机体上用螺栓连接和铆钉连接的表面等，因而往往易被忽视。

微动磨损的主要危害是使配合精度下降，过盈配合部件的过盈量下降甚至松动，连接件松动乃至分离，严重者还会引起事故。微动磨损还易引起应力集中，导致连接件疲劳断裂。

①微动磨损的机理　微动磨损是一种兼有磨料磨损、黏着磨损和氧化磨损的复合磨损形式。微动磨损通常集中在局部范围内，接触应力使结合表面的微凸体产生塑性变形，并发生金属的黏着；黏着点在外界的小振幅振动反复作用下被剪切，黏附金属脱落，剪切处表面被氧化；两结合表面永远不脱离接触，磨损产物不易往外排除，磨屑在结合表面因振动而起着磨料的作用，所以微动磨损兼有黏着磨损、氧化磨损和磨料磨损的作用。

②减少或消除微动磨损的对策　实践表明，材质性能、载荷、振幅的大小以及温度的高低是影响微动磨损的主要因素。因而，减少或消除微动磨损的对策主要有以下几个方面。

a.改善材料性能　选择适当材料配对以及提高硬度都可以减小微动磨损。一般来说，抗黏着性能好的材料配对对抗微动磨损能力也好，而铝对铸铁、铝对不锈钢、工具钢对不锈钢等抗黏着能力差的材料配对，其抗微动磨损能力也差。将碳钢表面硬度从180HV提高到700HV时，微动磨损可降低50%。采用表面硫化处理或磷化处理以及镀上聚四氟乙烯表面镀层也是降低微动磨损的有效措施。

b.控制载荷和增加预应力　在一定条件下，微动磨损量随载荷的增加而增加，但增大的速率会不断减少，当超过某临界载荷之后，磨损量则减小。因而，可通过控制过盈配合的预应力或过盈量来有效地减缓微动磨损。

c.控制振幅　实验证明，振幅较小时，磨损率也比较小；当振幅在50～150μm时，磨损率会显著上升。因此，应有效地将振幅控制在30μm以内。

d.合理控制温度　低碳钢在0℃以上，磨损量随温度上升而逐渐降低；在150～200℃时磨损量会突然降低；继续升高温度，则磨损量上升，温度从135℃升高到400℃时，磨损量会增加15倍。中碳钢在其他条件不变时，温度为130℃的情况下微动磨损发生转折，超过此温度，微动磨损量大幅度降低。
e.选择合适的润滑剂　实验表明，普通的液体润滑剂对防止微动磨损效果不佳；黏度大、滴点高、抗剪切能力强的润滑脂对防止微动磨损有一定的效果；效果最佳的是固体润滑剂，如MoS2等。
7）磨损的控制
①控制因素　影响磨损的因素是十分复杂的，但大体上有四个方面，即材料性能、运转条件、几何因素及工作环境，每一个方面又都包含很多具体内容。需要特别指出的是，并不是任何磨损过程的控制都必须全面考虑这些因素，对于一给定的磨损条件而言，有的因素很重要，必须考虑，但有的因素却可能并不重要甚至无关。
②磨损件选材的一般考虑　不论何种磨损条件，正确选材对控制零件的磨损，保证产品质量是十分重要的。正确选材的第一步必须对零件的工作条件及环境有详细的了解，在此基础上，确定对该零件的总的性能要求。一般来说，总的性能要求可以分为两大类：一类是属于非摩擦学性能要求；另一类是摩擦学性能要求。在非摩擦学性能要求中又可分成两类：一类是一般性能要求，另一类是特殊性能要求。
以滑动轴承为例，作为机械零件，它必须具有一定的强度、一定的塑性、具有可加工性、成本低廉等，这些都属于对机械零件的一般要求。然而，作为滑动轴承，它还应具有合适的硬度、较好的导热性等，这是对滑动轴承非摩擦学性能中的特殊要求。当然，作为摩擦组件最重要的是摩擦学性能要求，因此把它单独列为一类。摩擦学性能要求一般包括表面损伤情况、摩擦因数、磨损率与运转限制。
表面损伤情况或损伤倾向，对滑动磨损来说主要取决于配对材料间的相容性。如前所述，两个互溶度很高的金属材料间的黏着或焊合能力很强，容易造成擦伤或咬合，这点对铁基、镍基合金及钛合金、铝合金都适用；不过高硬度材料，例如硬度在60HRC以上的淬火钢则可以不受这种限制，也就是说它们可以在自配对的条件下使用。
关于摩擦因数，在有些情况下是必须特别加以考虑的，如刹车装置、夹紧装置及一些传动装置中。一般情况下，摩擦因数确定了系统的动力性能、材料表面的应力、表面温度及系统所要求的功率。

至于磨损率，它直接影响零件的使用寿命，在选材考虑中的重要地位是显而易见的。要特别强调的是，不同运转条件下的磨损机理可能很不相同，要使不同磨损机理或磨损类型的磨损率减少，对材料性能的要求是不完全相同的，因此在选择磨损件材料时，非常重要的一点是，必须首先确定占主导地位的是何种磨损机制。

（3）零件的腐蚀损伤

零件的腐蚀损伤是指金属材料与周围介质产生化学或电化学反应造成的表面材料损耗、表面质量破坏、内部晶体结构损伤，最终导致零件失效的现象。

金属零件的腐蚀损伤具有以下特点：损伤总是由金属表层开始，表面常常有外形变化，如出现凹坑、斑点、溃破等；被破坏的金属转变为氧化物或氢氧化物等化合物，形成的腐蚀物部分附着在金属表面上，如钢板生锈表面附着一层氧化铁。

1）腐蚀损伤的类型

按金属与介质作用机理，机械零件的腐蚀损伤可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。

①机械零件的化学腐蚀　化学腐蚀是指金属和介质发生化学作用而引起的腐蚀，在这一腐蚀过程中不产生电流，介质是非导电的。化学腐蚀的介质一般有两种形式，一种是气体腐蚀，指在干燥空气、高温气体等介质中的腐蚀；另一种是非电解质溶液中的腐蚀，指在有机液体、汽油和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的。

大多数金属在室温下的空气中就能自发地氧化，但在表面形成氧化物层之后，如能有效地隔离金属与介质间的物质传递，就成为保护膜；如果氧化物层不能有效阻止氧化反应的进行，那么金属将不断地被氧化而受到腐蚀损伤。

②金属零件的电化学腐蚀　电化学腐蚀是金属与电解质物质接触时产生的腐蚀，大多数金属的腐蚀都属于电化学腐蚀。金属发生电化学腐蚀的特点是，引起腐蚀的介质是具有导电性的电解质，腐蚀过程中有电流产生，电化学腐蚀比化学腐蚀普遍而且要强烈得多。

2）减少或消除机械零件腐蚀损伤的对策

①正确选材　根据环境介质和使用条件，选择合适的耐腐蚀材料，如含有镍、铬、铝、硅、钛等元素的合金钢；在条件许可的情况下，尽量选用尼龙、塑料、陶瓷等材料。

②合理设计结构　设计零件结构时应尽量使整个部位的所有条件均匀一致，做到结构合理，外形简化，表面粗糙度合适，应避免电位差很大的金属材料相互接触，还应避免结构应力集中、热应力及流体停滞和聚集的结构以及局部过热等现象。
③覆盖保护层　在金属表面上覆盖耐腐蚀的金属保护层，如镀锌、镀铬、镀钼等，把金属与介质隔离开，以防止腐蚀。也可覆盖非金属保护层和化学保护层，如油基漆等涂料、聚氯乙烯、玻璃钢等。还可用化学或电化学方法在金属表面覆盖一层化合物薄膜，如磷化、发蓝、钝化、氧化等。
④电化学保护　电化学腐蚀是由于金属在电解质溶液中形成了阳极区和阴极区，存在一定的电位差，组成了化学电池而引起的腐蚀。电化学保护法就是对被保护的机械零件接通以直流电流进行极化，以消除电位差，使之达到某一电位时，被保护金属的腐蚀可以很小，甚至呈无腐蚀状态。这种方法要求介质必须导电和连续。
⑤添加缓蚀剂　在腐蚀性介质中加入少量能减少腐蚀速度的缓蚀剂，可减轻腐蚀。按化学性质的不同，缓蚀剂有无机缓蚀剂和有机缓蚀剂两类。无机类能在金属表面形成保护，使金属与介质隔开，如重铬酸钾、硝酸钠、亚硫酸钠等。有机化合物能吸附在金属表面上，使金属溶解并抑制还原反应，减轻金属腐蚀，如胺盐、琼脂、动物胶、生物碱等。在使用缓蚀剂防腐时，应特别注意其类型、浓度及有效时间。
⑥改变环境条件　这种方法是将环境中的腐蚀性介质去掉，如采用强制通风、除湿、除二氧化硫等有害气体，以减少腐蚀损伤。
（4）零件的断裂
1）断裂的类型
断裂是指零件在某些因素经历反复多次的应力或能量负荷循环作用后才发生的断裂现象。零件断裂后形成的表面称为断口。断裂的类型很多，与断裂的原因密切相关，工程中分为五种类型。
①过载断裂　当外力超过了零件危险截面所能承受的极限应力时发生的断裂。其断口特征与材料拉伸试验断口形貌类似。对钢等韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口有颈缩现象，呈杯锥状，称韧性断裂；分析失效原因应从设计、材质、工艺、使用载荷、环境等角度考虑问题。对铸铁等脆性材料，断裂前几乎无塑性变形，发展速度极快，断口平齐光亮，且与正应力垂直，称脆性断裂；由于发生脆性断裂之前无明显的预兆，事故的发生具有突然性，因此是一种非常危险的断裂破坏形式。目前，关于断裂的研究主要集中在脆性断裂上。
②腐蚀断裂　零件在有腐蚀介质的环境中承受低于抗拉强度的交变应力作用，经过一定时间后产生的断裂。断口的宏观形貌呈现脆性特征，即使是韧性材料也如此。裂纹源常常发生在表面而且呈多发源。在断口上可看到腐蚀特征。
③低应力脆性断裂　有两种：一种是零件制造工艺不正确或使用环境温度低，使材料变脆，在低应力下发生脆断，常见的有钢材回火脆断和低温下脆断；另一种是由于氢的作用，零件在低于材料屈服极限的应力作用下导致的氢脆断裂，氢脆断裂的裂纹源在次表层，裂纹源不是一点而是一小片，裂纹扩展区呈氧化色颗粒状，与断裂区成鲜明对比，断口宏观上平齐。

④蠕变断裂　金属零件在长时间的恒温、恒应力作用下，即使受到小于材料屈服极限的应力作用，也会随着时间的延长，而缓慢产生塑性变形，最后导致零件断裂。在蠕变断裂口附近有较大变形，并有许多裂纹，多为沿晶断裂，断口表面有氧化膜，有时还能见到蠕变孔洞。

⑤疲劳断裂　金属零件经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的断裂现象称为疲劳断裂。在机械零件的断裂失效中，疲劳断裂占很大的比重，约为50%～80%。轴、齿轮、内燃机连杆等都承受交变载荷，若发生断裂多半为疲劳断裂。

疲劳断裂断口的宏观特征明显分为三个区域，即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。疲劳源区是疲劳裂纹最初形成的地方，它一般总是发生在零件的表面，但若材料表面进行了强化或内部有缺陷，也在皮下或内部发生；疲劳源区往往是一表面光滑细洁、贝纹线不明显的狭小区域。疲劳裂纹扩展区最明显的特征是常常呈现宏观的疲劳弧带和微观的疲劳纹，疲劳弧带大致以疲劳源为核心，似水波形式向外扩展，形成许多同心圆或同心弧带，其方向与裂纹扩展方向相垂直。瞬时破断区是当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时发生的快速破断区；其宏观特征与静载拉伸断口中快速破断的放射区及剪切唇相同。

各类断口的宏观形貌如图1-4所示。通过对断裂零件断口形貌的研究，推断出断裂的性质和类型，找出破坏原因，以便采取预防措施。

2）断裂失效分析及其对策

①断裂失效分析　其步骤大致如下。

a.现场调查　断裂发生后，要迅速调查了解断裂前后的各种情况并做好记录，必要时还应摄影、录像。对零件破断后的断口碎片应严加保护，防止氧化、腐蚀和污染，在未查清断口特征和照相记录之前，不允许移动碎片和清洗断口。另外，还应对当时的工作条件、运转情况及周围环境等进行详细调查记录。

b.分析主导失效件　一个关键零件发生断裂失效后，往往会造成其他关联零件及构件的断裂。出现这种情况时，要理清次序，准确找出起主导作用的断裂件，否则会误导分析结果。主导失效件可能已经支离破碎，应搜集残块，拼凑起来，找出哪一条裂纹最先发生，这一条裂纹即为主导裂纹。

c.断口分析　首先进行断口的宏观分析，用肉眼或20倍以下的低倍放大镜，对断口进行观察和分析；分析前可对破损零件的油污进行清洗，对锈蚀的断口可采用化学法、电化学法除锈，去除氧化膜；要仔细观察断口的形貌，裂纹的位置，断口与变形方向的关系，判断出裂纹与受力之间的关系及裂纹源位置，断裂的原因、性质等，为微观分析提供依据。然后进行断口的微观分析，用金相显微镜或电子显微镜进一步观察分析断口形貌与显微组织的关系；断裂过程中微观区域的变化；断口金相组织及夹杂物的性质、形状、分布以及显微硬度、裂纹起因等。

d.进行检验　进行金相组织、化学成分、力学性能的检验，以便研究材料是否有宏观或微观缺陷，裂纹分布与发展以及金相组织是否正常等。复验金属化学成分是否符合要求，以及常规力学性能是否合格等。

e.确定失效原因　确定零件的失效原因时，应对零件的材质、制造工艺、载荷状况、装配质量、使用年限、工作环境中的介质和温度、同类零件的使用情况等作详细的了解和分析，再结合断口的宏观特征、微观特征作出准确的判断，确定断裂失效的主要原因和次要原因。

②确定失效对策　断裂失效的原因找出以后，可从以下几个方面考虑对策。

a.设计方面　零件结构设计时，应尽量减少应力集中，根据环境介质、温度、负载性质合理选择材料。

b.工艺方面　表面强化处理可大大提高零件疲劳寿命，适当的表面涂层可防止杂质造成的脆性断裂。在对某些材料进行热处理时，在炉中通入保护气体可大大改善其性能。

c.安装使用方面　第一，要正确安装，防止产生附加应力与振动，对重要零件应防止碰伤拉伤；第二，应注意正确使用，保护设备的运行环境，防止腐蚀性介质的侵蚀，防止零件各部分温差过大，如有些设备在冬季生产时需先低速空转一段时间，待各部分预热以后才能负载运转。

（5）零件的变形

1）零件变形的基本概念

机械设备在作业过程中，由于受力的作用，使零件的尺寸或形状产生改变的现象称为变形。过量的变形是机械失效的重要类型，也是判断韧性断裂的明显征兆。有的机械零件因变形引起结合零件出现附加载荷、加速磨损或影响各零部件间的相互关系，甚至造成断裂等灾难性后果。例如，各类传动轴的弯曲变形、桥式起重机主梁下挠曲或扭曲、汽车大梁的扭曲变形、缸体或变速箱壳等基础零件发生变形等，相互间位置精度就会遭到破坏；当变形量超过允许极限时，将丧失规定的功能。

2）零件变形的类型

①金属的弹性变形　弹性变形是指金属在外力去除后能完全恢复的那部分变形。弹性变形的机理，是晶体中的原子在外力作用下偏离了原来的平衡位置，使原子间距发生变化，从而造成晶格的伸缩或扭曲。因此，弹性变形量很小，一般不超过材料原来长度的0.10%～1.0%。而且金属在弹性变形范围内符合虎克定律，即应力与应变成正比。

许多金属材料在低于弹性极限应力作用下会产生滞后弹性变形。在一定大小应力的作用下，试样将产生一定的平衡应变。但该平衡应变不是在应力作用的一瞬间产生，而需要应力持续充分的时间后才会完全产生。应力去除后平衡变形也不是在一瞬间完全消失，而是需经充分时间后才完全消失。材料发生弹滞性变形时，平衡应变滞后于应力的现象称为弹性滞后现象，简称弹性后效。曲轴等经过冷校直的零件，经过一段时间后又发生弯陷，这种现象就是弹性后效所引起的。消除弹性后效的办法是长时间的回火，一般钢件的回火温度为300～450℃。

在金属零件使用过程中，若产生超过设计允许的超量弹性变形，则会影响零件正常工作。例如，传动轴工作时，超量弹性变形会引起轴上齿轮啮合状况恶化，影响齿轮和支承它的滚动轴承的工作寿命；机床导轨或主轴超量弹性变形，会引起加工精度降低甚至不能满足加工精度要求。因此，在机械设备运行中防止超量弹性变形是十分必要的。

②金属的塑性变形　塑性变形是指金属在外力去除后，不能恢复的那部分永久变形。

实际使用的金属材料，大多数是多晶体，且大部分是合金。由于多晶体有晶界的存在，各晶粒位向的不同以及合金中溶质原子和异相的存在，不但使各个晶粒的变形互相阻碍和制约，而且会严重阻碍位错的移动。因此，多晶体的变形抗力比单晶体高，而且使变形复杂化。由此可见，晶粒愈细，则单位体积内的晶界愈多，因而塑性变形抗力也愈大，即强度愈高。

金属材料经塑性变形后，会引起组织结构和性能的变化。较大的塑性变形，会使多晶体的各向同性遭到破坏，而表现出各向异性；也会使金属产生加工硬化现象。同时，由于晶粒位向差别和晶界的封锁作用，多晶体在塑性变形时，各个晶粒及同一晶粒内部的变形是不均匀的。因此，外力去除后各晶粒的弹性恢复也不一样，因而在金属中产生内应力或残余应力。另外，塑性变形使原子活泼能力提高，造成金属的耐腐蚀性下降。

塑性变形导致机械零件各部分尺寸和外形的变化，将引起一系列不良后果。例如，机床主轴塑性弯曲，将不能保证加工精度，导致废品率增大，甚至使主轴不能工作。零件的局部塑性变形虽然不像零件的整体塑性变形那样明显引起失效，但也是引起零件失效的重要形式。如键连接、花键连接、挡块和销钉等，由于静压力作用，通常会引起配合的一方或双方的接触表面挤压而产生局部塑性变形，随着挤压变形的增大，特别是那些能够反向运动的零件将引起冲击，使原配合关系破坏的过程加剧，从而导致机械零件失效。

3）引起零件变形的原因

引起零件变形的主要原因有如下几个。

①工作应力　由外载荷产生的工作应力超过零件材料的屈服极限时，就会使零件产生永久变形。

②工作温度　温度升高，金属材料的原子热振动增大，临界切变抗力下降，容易产生滑移变形，使材料的屈服极限下降；或零件受热不均，各处温差较大，产生较大的热应力，引起变形。

③残余内应力　零件在毛坯制造和切削加工过程中，都会产生残余内应力，影响零件的静强度和尺寸稳定性。这不仅使零件的弹性极限降低，还会产生减小内应力的塑性变形。

④材料内部缺陷　材料内部夹渣、有硬质点、应力分布不均等，造成使用过程中零件变形。值得指出的是，引起零件的变形，不一定在单因素作用下一次产生，往往是几种原因的共同作用，多次变形累积的结果。因此，要防止零件变形，必须从设计、制造工艺、使用、维护修理等几个方面采取措施，避免和消除上述引起变形的因素，从而把零件的变形控制在允许的范围之内。

使用中的零件，变形是不可避免的，因此在进行设备大修时不能只检查配合面的磨损情况，对于相互位置精度也必须认真检查和修复，尤其对第一次大修机械设备的变形情况更要注意检查、修复，因为零件在内应力作用下的变形，通常在12～20个月内完成。

4）防止和减少机械零件变形的对策

实际生产中，机械零件的变形是不可避免的。引起变形的原因是多方面的，因此减轻变形危害的措施也应从设计、加工、修理、使用等多方面来考虑。

①设计　在设计时不仅要考虑零件的强度，还要重视零件的刚度和制造、装配、使用、拆卸、修理等问题。

a.正确选材，注意材料的工艺性能。如铸造的流动性、收缩性；锻造的可锻性、冷镦性；焊接的冷裂、热裂倾向性；机加工的可切削性；热处理的淬透性、冷脆性等。

b.选择适当的结构，合理布置零部件，改善零件的受力状况。如避免尖角、棱角，将其改为圆角、倒角，厚薄悬殊的部分可开工艺孔或加厚太薄的部位；安排好孔洞位置，把盲孔改为通孔；形状复杂的零件尽可能采用组合结构、镶拼结构等。

c.在设计中，还应注意应用新技术、新工艺和新材料，减少制造时的内应力和变形。

②加工　在加工中要采取一系列工艺措施来防止和减少变形。

a.对毛坯要进行时效处理，以消除其残余内应力。

b.在制定机械零件加工工艺规程时，要在工序、工步的安排以及工艺装备和操作上采取减小变形的工艺措施。例如，按照粗、精加工分开的原则，在粗、精加工中间留出一段存放时间，以利于消除内应力。

c.机械零件在加工和修理过程中要减少基准的转换，尽量保留工艺基准留给维修时使用，减少维修加工中因基准不统一而造成的误差。对于经过热处理的零件来说，注意预留加工余量、调整加工尺寸、预加变形非常必要。在知道零件的变形规律之后，可预先加以反向变形量，经热处理后两者抵消；也可预加应力或控制应力的产生和变化，使最终变形量符合要求，达到减少变形的目的。

③修理

a.为了尽量减少零件在修理中产生的应力和变形，在机械大修时不能只是检查配合面的磨损情况，对于相互位置精度也必须认真检查和修复。

b.应制订出合理的检修标准，并且应该设计出简单可靠、易操作的专用工具、检具、量具，同时注意大力推广维修新技术、新工艺。

④使用

a.加强设备管理，严格执行安全操作规程，加强机械设备的检查和维护，避免超负荷运行和局部高温。

b.还应注意正确安装设备，精密机床不能用于粗加工，合理存放备品备件等。

1.3.2　使用过程中诸多因素的影响

机械设备在使用中受到种种因素作用，逐渐损坏或老化，以致发生故障甚至失去应有的功能。涉及外部作用的因素主要有以下一些。

①磨粒作用　大多数机械设备都受到周围环境中的粉尘磨粒作用，如果直接与磨粒接触或无任何防护措施，则机械设备寿命会在很宽范围内变化。

②腐蚀作用　金属表面与周围介质发生化学及电化学作用而遭受破坏称为腐蚀。腐蚀和磨损大多同时存在，腐蚀过程伴有摩擦力作用，腐蚀使材料变质、变脆；摩擦使腐蚀层很快脱落。这种腐蚀与磨损的联合作用称为蚀损或腐蚀磨损。

③自然因素　自然气候除了湿度外，还有温度、大气压力、太阳辐射等，可能导致电气设备、塑料和橡胶制品的各种损坏。

④载荷状况　载荷状况对机械状况的影响是不一样的，不同大小的载荷所造成的磨损程度也不同。当载荷高于设计平均载荷时，则机件磨损过程加剧，甚至导致事故的发生；而减少载荷后，磨损则会减少。研究和实践还表明，间歇性载荷对机件的磨损影响很大。bvty

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