1、第一章第一章 机械零件失效的模式及其机理机械零件失效的模式及其机理失效：设备在使用过程中，零件由于设计、材料、工艺及装配等各种原因，丧失规定功能，无法继续工作的现象。失效的模式：即失效的外在表现形式。主要表现为磨损、变形和断裂等。失效的机理：失效的物理、化学、机械等变化的过程和内在原因的实质。第一节 机械零件的磨损 通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。两个物体接触摩擦磨损磨损：微观和动态的过程世界近一半的能源摩擦和磨损外形和尺寸变化其他各种物理、化学和机械的变化80%零件的实效磨损一、粘着磨损2.粘着磨损的分类3.影响粘着磨损的因素 当构成摩擦副的两个摩擦表
2、面相互接触并发生相对的运动时，由于粘着 作用，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粘着 磨损。粘着磨损又称粘附磨损。（1）摩擦表面的状态（洁净程度和粗糙度）（2）摩擦表面的材料的成分和金相组织1.粘着磨损机理载荷和相对运动粘着剪断再粘着类别破坏现象损坏原因实例轻微磨损 剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料极轻微 粘着结合强度比摩擦副的两个基体金属都弱 轴与滑动轴承、缸套与活塞环涂抹 剪切破坏发生在离粘着结合部不远的较软金属层内，软金属涂抹在硬金属表面 粘着结合强度大于较软金属的抗剪强度 主轴轴颈与巴士合金轴瓦、重载蜗轮副擦伤 剪切破坏，主要发生在较软金属的亚表层内，有
3、时硬金属的亚表层也有划痕 粘着结合强度比两基体金属抗剪强度都高，转移到硬面上的粘着物质又拉削软金属表面 减速器齿轮表面、内燃机铝活塞壁与缸体撕脱 剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处 粘着结合强度大于任一基体金属的抗剪强度，剪切应力高于粘着结合强度主轴-轴瓦咬死 摩擦副之间咬死，不能相对运动 粘着结合强度比任一基体金属的抗剪强度都高，且粘着区域大，切应力低于粘着结合强度 齿轮油泵中的轴与轴承、齿轮副、不锈钢螺栓与螺母 磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副的接触表面之间存在这硬质颗粒，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，其特征是在接触表面上有明
4、显的切削痕迹。二、磨料磨损1.磨料磨损的机理（假说）（1）微量切削：磨料磨损主要是由于磨料颗粒沿摩擦表面进行微量切削而引起的，微切削大多呈螺旋状、弯曲状或环状。（2）疲劳破坏：磨料磨损是磨料使金属表面层受交变应力和变形，使材料表面疲劳破坏，并呈小颗粒状态从表层脱落下来。（3）压痕破坏：塑性较大的材料，因磨料在载荷的作用下压入材料的表面而产生压痕，并从表层上挤出剥落物。（4）断裂：磨料压入和划擦金属表面时，压痕处的金属要产生变形，磨料压入深度达到临界值时，伴随压入而产生的拉伸应力足以产生裂纹。2.磨料磨损的分类3.影响磨料磨损的因素 由于磨料磨损主要是由磨料颗粒与摩擦表面的机械作用而引起的，而影
5、 响它的因素也就取决于这两方面。（1）磨料 磨料磨损与磨料的相对硬度、形状、大小有密切关系。（2）摩擦表面材料 摩擦表面材料的显微组织，力学性能如硬度、断裂 韧度、弹性模量等，与磨料磨损也有很大的关系。磨料相对于摩擦面材料硬度越大，磨损越严重；呈棱角状的磨料比圆滑状的挤切能力强，磨损率高；在一定粒度范围内，摩擦表面的磨损量随磨料尺寸的增加而按比例较快增长，但磨粒达到临界尺寸后，磨损量基本不变。（由于本身的缺陷和裂纹导致磨料的抗拉强度降低，容易断碎破裂）一定范围内，硬度越高，材料越耐磨；断裂韧度反应了材料对裂纹的产生和扩散的敏感性；弹性模量反映出被磨材料是否能以弹性变形的形式去适应磨料，允许磨料
6、通过而不发生塑性变形或切削作用，避免或减轻磨损程度。三、疲劳磨损 疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。1.疲劳磨损机理按裂纹产生的位置，疲劳磨损的机理有两种情况：(1)滚动接触疲劳磨损 滚动接触过程中，材料表层受到周期性载荷作用，引起塑性变形，表面硬化，最后在表面出现初始裂纹，并沿与滚动方向呈45方向由表向里扩展。（2）滚滑接触疲劳磨损 两滚动接触物体在距表面下0.786b处切应力最大，该处塑性变形最剧烈，在周期性载荷作用下的反复变形使材料局部弱化，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，
7、使最大切应力从0.786b处向表面移动。2.疲劳磨损的分类：（1）非扩展性疲劳磨损 某些新的摩擦表面上，因接触点较少，压力较大，容易产生小麻点状的点蚀。经磨合后，接触面积扩大，实际压力降低，小麻点停止扩展。（运动速度不高的摩擦副影响不大）（2）扩展性疲劳磨损 作用在接触表面的交变应力较大时，由于材料的塑性稍差或润滑不当，在磨合阶段就产生小麻点。在载荷继续作用下，小麻点就会发展成痘斑状坑，逐渐使零件失效。3.影响接触疲劳磨损的主要因素：（1）材质（2）接触表面粗糙度 适当降低表面粗糙度可有效提高抗疲劳磨损能力（3）表面残余内应力 表层在一定深度范围内存在有残余应力，不仅可提高弯曲、扭转疲劳抗力，
8、还能提高接触疲劳抗力，减小疲劳磨损。（过大残余应力反而有害）（4）其他因素 装配精度、润滑油粘度、润滑油中的化学添加剂等含有杂质应力集中裂纹降低接触疲劳寿命材料组织状态：晶粒细小、均匀，碳化物成球状且均匀分布硬度在一定范围内增加，其接触疲劳抗力将随之增大四、腐蚀磨损 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的腐蚀产物剥落，这种现象成为腐蚀磨损。它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。汽车储气罐放水阀弹簧腐蚀磨损 弹簧材料为碳素弹簧钢，长期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到严重腐蚀，表面腐蚀产物从材料表面剥落，减少了弹簧丝的
9、截面，同时弹簧因腐蚀而变脆。在阀芯受到向上的作用力F时，弹簧破断。当作用力去除后，阀芯在重力和气罐内气压的作用下，阀芯与阀座间尚能起到一定的密封作用。但如果车辆受到强烈震动，阀芯会跳离阀座，破断的弹簧丝会卡入阀芯、阀座的密封面处，使气体泄漏，造成气压降低，刹车失灵。（氧化磨损和特殊介质磨损）1.氧化磨损摩擦表面要能够发生氧化，而且氧化膜生成速度要大于其磨损破坏速度；氧化膜与摩擦表面的结合强度大于摩擦表面承受的切应力；氧化膜厚度大于摩擦表面破坏的深度。氧化磨损的因素：氧化膜生长的速度与厚度 金属表面在摩擦过程中，表面形成氧化物的速度要比非摩擦时快的多。在常温下，金属表面形成的氧化膜厚度非常小。硬
10、度 氧化膜硬度越高，载荷作用下变形越小，膜不易破碎，耐磨性好。但大多数比原金属硬而脆。（有防止金属间粘着作用）基于氧化磨损的特点，可以看出发生氧化磨损必须同时具备三个条件：氧化膜的性质 氧化膜紧密、完整无孔，与金属表面结合的牢固，有利于防止氧化。（氧化膜被磨掉氧化再被磨掉）2.特殊介质下的腐蚀磨损 它是摩擦副金属材料与酸、碱、盐等介质作用生成的各种化合物，在摩 擦过程中不断被除去的磨损过程。其机理与氧化磨损相似，但磨损速率较高。腐蚀介质来源常有以下方面：2）摩擦金属表面受到工作过程中产生的腐蚀性介质作用。（排放的废气）3）工作介质中的添加剂。（极压齿轮油中由于有极压添加剂）1）工作介质。（水泵
11、中的水）腐蚀磨损的速率与介质的腐蚀性质和作用温度有关，也与相互摩擦的两金属形成电化学腐蚀的电位差有关。4）润滑油在工作中因氧化而形成机酸。五、微动磨损两个接触表面由于受相对低振幅震荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。产生于相对静止的接合零件上，往往易被忽视。1.微动磨损的机理2.影响微动磨损的主要因素微动磨损是一种兼有磨料磨损、粘着磨损和氧化磨损的复合磨损形式。实践与试验表明，外界条件（载荷、振幅、温度、润滑等）及材质对微动磨损影响相当大。特点：外界变动载荷作用下，产生很小振幅的相对运动。后果：配合精度下降，紧配合部件紧度下降甚至松动，连接件松动乃至分离。第二节 金属零件的断裂 断裂是零件在机械、
12、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。断裂的分类方法很多，本书介绍其中的延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂 和环境断裂四种。一、延性断裂 零件在外力的作用下首先产生弹性变形，当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形。外力继续增加，应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂就称为延性断裂。延性断裂的宏观特点就是断裂前有明显的塑性变形，常出现劲缩，断面有大量的微坑覆盖。实际上时显微空洞形成、长大、连接以致最终导致断裂。二、脆性断裂 金属零件或构件在断裂之前无明显的塑性变形，发展速度极快的一类断裂叫脆性断裂。它通常在没有预示信号的情况下突然发生，
13、是一种极危险的断裂。机械设备中的轴类、齿轮、凸轮等许多零件，都是在交变应力作用下工作的。它们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度，按静强度设计是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，零件仍会发生断裂，称为疲劳断裂。实际失效中，疲劳断裂约占80%90%。三、疲劳断裂四、环境断裂 在腐蚀的环境中，材料表面或裂纹边沿由于氧化、腐蚀或其它过程使材料强度下降，促使材料发生断裂。其是材料与某种特殊环境相互作用而引起的具有一定环境特征的断裂方式。应力腐蚀断裂、氢脆断裂、高温蠕变断裂、腐蚀疲劳断裂和冷脆断裂 金属材料在拉应力和特定的腐蚀介质联合作用下引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀断
14、裂。1.应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂产生的原因要在一定的拉应力作用下腐蚀环境是特定的（包括介质种类、浓度、温度等）金属材料本身对应力腐蚀断裂的敏感性预防的措施合理选用材料，尽量使用对其不敏感的材料结构设计上要合理，尽量减少应力集中，消减残余应力改善腐蚀环境 由于氢渗入钢件内部而在应力作用下导致的脆性断裂称为氢脆断裂。2.氢脆断裂氢脆断裂 氢脆断裂也是裂纹萌生和扩展的过程，而裂纹的扩展速率和钢中的含氢量、氢在钢中的扩散速度有很大影响。氢在钢中的溶解度越小，其扩散系数越大，氢脆断裂的扩展速率也就越大，即越容易发生。机理：高浓度的固溶氢可以降低晶界上或相界上金属晶体的原子结合力，当局部应力等于已被氢降低
15、了的原子间结合力时，原子间的键合就会发生破坏，材料便产生了脆性断裂。金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢的产生塑性变形的过程称为蠕变。由于蠕变变形而导致的断裂称为蠕变断裂。蠕变在低温下也会产生，但只有当温度高于0.3Tm时才较显著，顾称为高温蠕变断裂。3.高温蠕变断裂高温蠕变断裂主要原因：应力、温度、时间和材料的耐热性等避免措施：设计上避免应力集中和早期裂纹产生；采取隔热涂层，防止局部温度过高；制造中严格控制热加工工艺；制造和修理中采用表面强化或预防措施消除表面缺陷。金属材料在腐蚀介质环境中，在低于抗拉强度的交变应力的反复作用下所产生的断裂称为腐蚀疲劳断裂。4.腐
16、蚀疲劳断裂腐蚀疲劳断裂与纯机械疲劳断裂的区别：可以在很低的循环应力下发生，并且往往没有明显的疲劳极限值。与应力腐蚀断裂的区别：腐蚀疲劳的应力是交变的，其产生的滑移具有累计作用，金属表面的保护膜也更容易遭到破坏。绝大多数金属都会发生疲劳破坏，对介质也没有选择性，在容易产生孔蚀的介质下更容易发生。介质的腐蚀性越强，腐蚀疲劳越容易发生。预防措施：防止腐蚀介质的作用；采用耐腐蚀的材料；采用阴（阳）极保护；表面防腐涂层。当金属材料所处的温度低于某一温度Tk时，材料将转变为脆性状态，其冲击韧度明显下降，这种现象称为冷脆。由于材料的冷脆而造成的断裂称为冷脆断裂。5.冷脆断裂冷脆断裂冷脆温度Tk：材料屈服点s
17、和断裂强度f相等时的温度。第三节 金属零件的腐蚀损伤 金属零件的腐蚀损伤，是指金属材料与周围介质产生化学或电化学反应而导致的破坏。金属腐蚀是普遍存在的自然现象。(化学腐蚀和电化学腐蚀）一、金属零件的化学腐蚀单纯由化学作用而引起的腐蚀叫化学腐蚀。（腐蚀过程中不产生电流）金属氧化膜要在含氧气的条件下其保护膜作用必须具有以下条件：膜必须是紧密的，能完整的把金属表面全部覆盖住；膜在气体介质中是稳定的；膜和基体金属的结合力强，且具有一定的强度和塑性；膜具有与基体金属相当的热膨胀系数。电化学腐蚀的根本原因是腐蚀电池的形成。需要形成腐蚀电池的三条是：有两个或两个以上的不同电极电位的物体，或在同一物体具有不同
18、电极电位的区域，以形成正、负极；电极之间需要有导体相连接或电极直接接触；要有电解液。常见的电化学腐蚀形式有：在熔融盐中的腐蚀大气腐蚀（潮湿空气）土壤腐蚀（地下管线）在电解质溶液中的腐蚀三、减轻腐蚀危害的措施1.正确选材2.合理设计3.覆盖保护层4.电化学保护二、金属零件的电化学腐蚀 电化学腐蚀是金属与电解物质接触时产生的腐蚀。（产生电流）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物质，即缓蚀剂，可减轻腐蚀。6.改变环境条件即将环境中的腐蚀介质除去，以减少其腐蚀作用。四、气蚀 气蚀是一种比较复杂的破坏现象，它不单是机械作用，还有化学、电化学作用，当液体中含有杂质或磨粒时，就会加剧这一
19、破坏过程。根据被保护设备所连接电源极性，可分为：（2）阳极保护法（1）阴极保护法减轻气蚀的主要措施有：1）减小与液体接触表面的振动，以减少水击现象的发生。2）选用耐气蚀的材料。3）零件表面涂塑料、陶瓷等防气蚀材料，也可在表面镀铬。4）改进零件结构，减小表面粗糙度，减少涡流现象。5）水中添加乳化油，减小气泡爆破时的冲击力。产生的主要原因：产生的主要原因：气泡被压溃瞬时产生的局部高压和微射流冲击金属的反复作用，使零件表面发生塑性变形，导致疲劳损坏而脱落。当液体中含有杂质或磨粒时，会加剧这一破坏过程。第四节 机械零件的变形 机械零件或构件在外力的作用下，产生形状或尺寸变化的现象称为变形。过量的变形是
20、机械失效的重要类型，也是判断韧性的明显征兆。一、弹性变形金属零件在作用应力小于材料屈服强度时产生的变形称为弹性变形。变形量随着时间的不断增加，逐渐改变了产品的初始参数，当超过允许极限时，将丧失规定的功能。根据外力去除后变形能否恢复，变形可分为弹性变形和塑性变形。金属零件在使用过程中，若产生超过设计允许的弹性变形（称为超量弹性变形），则会影响零件正常工作。二、塑性变形 机械零件在外载荷去除后留下来的一部分不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。金属零件的塑性变形从宏观形貌特征上看主要有翘曲变形、体积变形和时效变形等。（1）翘曲变形 当金属零件本身受到某种应力（机械应力、热应力等）的作用，其实际应力
21、值超过了金属在该状态下的抗拉强度或抗剪强度后，就会产生呈翘曲、椭圆和歪扭得塑性变形。常见于细长轴类、薄板状零件以及薄壁的环形或套类零件。（2）体积变形 金属零件在受热与冷却过程中，由于金相组织转变引起质量体积变化，导致金属零件体积胀缩的现象称为体积变形。如果由于金相组织转变引起质量体积变化而出现的体积变形发生在金属零件的局部范围内，则往往导致该区域产生微裂纹。本章完本章完三、减少变形的措施（1）设计 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、拆卸和修理等问题。注意应用新技术、新工艺，减少制造时的内应力和变形。（2）加工 采取一系列工艺措施来防止和减少变形。如对毛坯要进行时效以消除其残余内应力；高精度零件在精加工过程中必须安排人工时效。（3）修理 在修理中，应制定出与变形有关的标准和修理规范；设计简单可靠、好用的专业量具和工夹具；尽量减少零件在修理过程中产生的应力和变形。（4）使用 加强设备的管理，制定并严格执行操作规程，不超负荷运行，避免局部超载或过热，加强机械设备的检查和维护。
