失效的形式

11.1.1　失效的形式

零件的失效是复杂的，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及工作条件，零件失效的形式可分为变形失效、断裂失效、磨损和腐蚀四种类型。

1．变形失效

（1）弹性变形失效

零件产生的弹性变形量超过零件所允许的数值，称为过量的弹性变形失效。一些细长的轴、杆类件或薄壁筒类零部件，在外力作用下容易发生过量弹性变形，失去有效工作能力。例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降。

表11-1　常用材料的弹性模量

续表

按照虎克定律，单向受拉（或压）均匀截面的杠杆，应力—应变关系可表达为：

式中，P为外加载荷；A为杆的截面积；E为弹性模量；ε为弹性应变；σ为弹性应力。

在固定的外力作用下，弹性应变的大小取决于两个因素。一是物体的承载面积，即零件的几何尺寸，二是材料的弹性模量。零件截面积越大，材料的弹性模量越高，越不容易发生弹性变形失效。为了防止零件过量，弹性变形失效，从选材的角度考虑，应采用弹性模量高的材料。表11-1列出一些常用工程材料的弹性模量。从表中可知，各类材料的弹性模量相差非常大。金刚石与各种碳化物、硼化物陶瓷的弹性模量最高，其次为氧化物陶瓷与难熔金属，钢铁也具有较高的弹性模量，有色金属的低些，高分子材料的弹性模量最低。

（2）塑性变形失效

零件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效。塑性变形失效会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。例如压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或出现过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。

塑性变形失效是零件中的工作应力超过了材料的屈服强度的结果。受简单静载作用时，零件发生塑性变形的条件为：

式中，P为外加载荷；A为杠杆截面积。为了增加零件工作的可靠性，设计中进行强度计算时，许用应力[σ]一般应取小于材料屈服强度的应力值，即：

式中，k为安全系数，数值大于1。

所以，在给定外加载荷条件下，塑性变形失效的发生取决于零件截面的大小、安全系数k的数值以及材料的屈服强度_sσ。零件截面越大，安全系数越高，材料屈服强度_sσ越大，零件越不容易发生塑性变形。为了避免塑性变形，从选材的角度，零件应选用屈服强度高的材料。表11-2列出了一些常用材料的屈服强度。

表11-2　常用材料的屈服强度

从表中可以看出，金刚石和各种碳化物、氧化物、氮化物陶瓷材料的屈服强度最高（但极脆，作拉伸试验时，在远未到屈服应力时即已发生脆断，因此无法用拉伸试验来测定屈服强度，表中数据是根据硬度值推算出来的）。这类材料由于脆性太大，无法发挥出材料的强度高的特点。高强合金钢的强度仅次于陶瓷材料，广泛应用于各种高强结构。高分子材料的强度一般较低。

（3）蠕变变形失效

蠕变是在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现象。当零件的变形量超过规定范围称为蠕变变形失效，零件蠕变后则处于不安全状态，严重时可能与其他零件相碰，使设备不能正常工作。如锅炉、汽轮机、航空发动机及其他热机的零部件常常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。

蠕变失效是由高温下的长期载荷引起的。蠕变开始温度主要取决于材料的熔点T_m,在（0.3~0.4）T_m（金属）或（0.4~0.5）T_m（陶瓷）温度以上，材料会发生蠕变。所以熔点越高，蠕变越难。高分子材料没有固定的熔点，在玻璃化温度以上也会发生蠕变。表11-3给出了常用金属的熔点。

表11-3　常用材料的熔点

注：﹡为软化温度。

从抗蠕变的角度看，陶瓷材料与难熔金属的性能最好，其次是铁、镍合金，它们是目前应用最多的耐热材料。塑料的软化温度很低，不能做高温抗蠕变的结构材料使用。

2．断裂失效

（1）韧性断裂失效

零件所受应力大于断裂强度，断裂前有明显塑性变形的失效称为韧性断裂。韧性断裂本质上属微孔聚集型断裂，裂纹的形成与扩展有赖于微孔的形成、长大和连接。微孔首先在缩颈的中心或者应力集中处形成，以后的变形在微孔附近集中进行，促使已形成的微孔长大，同时在其附近形成新的微孔并长大。随着变形的继续进行，相邻微孔便连接起来，多个微孔的连接形成微裂纹。同样，微裂纹的扩展也是借助于微孔形成、长大与连接实现。当裂纹亚临界扩展至临界尺寸时，裂纹失稳，快速扩展断裂。韧性断裂失效是由于工作应力超过了材料的抗拉强度，避免韧性断裂失效的措施：①选择合适的强度的材料，表11-4列出了常用材料的抗拉强度；②准确地确定构件的工作载荷，正确地进行应力计算，合理地选取安全系数及进行结构设计，减少残余应力及应力集中水平。

（2）疲劳断裂失效

疲劳断裂是材料在交变应力的反复作用下发生的断裂，所谓交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向同时都随时间作周期性改变的应力。按疲劳寿命可分为高周疲劳和低周疲劳。疲劳寿命大于105周次，疲劳中所施加的循环载荷在弹性范围之内的称为高周疲劳。各种发动机的曲轴、主轴、齿轮、弹簧等容易发生高周疲劳断裂。疲劳寿命小于105周次，所施加的载荷由于应力集中在局部产生塑性变形的称为低周疲劳，飞机起落架、压力容器等所受应力水平较高，寿命较短。疲劳断裂前无显著变形，表现为突然破坏，因此危害性严重。

产生疲劳的原因，一般认为是由于材料含有杂质、表面划痕及其他引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹，这种微裂纹随应力循环周次的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷而突然断裂。防止疲劳断裂的措施：①减小表面粗糙度，降低应力集中水平，避免表面有刀痕、擦伤或者大的缺陷；②进行表面强化处理如喷丸、滚压、表面淬火、表面化学热处理等使零件表面产生残余压应力，提高疲劳抗力；③减少冶金缺陷如减小夹杂物的尺寸、数量，减小零件在铸造、锻造、焊接和热处理中产生的缩孔、裂纹、过烧及过热等缺陷都可以提高疲劳抗力；④合理选材，高周疲劳时，材料疲劳抗力指标主要为疲劳强度σ_－1,表11-5给出了一些常用材料的疲劳强度值。从表中可以看出，陶瓷材料和高分子材料的疲劳强度都很低，金属材料的疲劳强度较高，特别是钛合金和高强钢。低周疲劳时，材料的疲劳抗力不单与强度有关，而且与塑性有关，即材料应有较好的强韧性。

表11-4　常用材料的抗拉强度

表11-5　常用材料的疲劳强度

（3）低应力脆断失效

脆性断裂是指断裂前没有明显塑性变形的断裂形式，断裂应力低于材料屈服强度，因此称为低应力脆断。低应力脆性断裂按断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂两大类。解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面的断裂。解理断裂的主要特征是其断口上存在河流花样，如图11-1所示。沿晶断裂又称晶间断裂，它是沿不同取向的晶粒界面发生的断裂。沿晶断裂的断口特征为冰糖状，如图11.2所示。

图11-1　解理断裂微观断口形貌图

图11-2　沿晶断裂微观断口形貌

脆性断裂的影响因素很多，凡是导致材料韧性下降，韧脆转变温度升高的因素都会使材料致脆。总的来说，这些影响因素可分为内部因素和外部条件两个方面：内部因素有材料的晶体结构、组织成分以及内部缺陷等，如体心立方结构金属和密排六方金属；材料组分和工艺引起的有害元素在晶界的偏聚、脆性相的出现、晶粒粗大；热加工过程中产生的夹杂、孔洞、裂纹和残余应力等促进脆性断裂。外部因素则包括应力状态和应力集中、温度、应变速率等，一般受约束的应力状态、高的应力集中、低的温度和高的加载速率都促进脆性断裂。

从选材的角度出发，为了防止低应力脆性断裂，应选择断裂韧性和在使用温度下冲击韧性高的材料。一些常用材料的断裂韧性值见如11-6所示。可见陶瓷材料和高分子材料的断裂韧性非常低；复合材料与某些有色合金相当，还因它们的冲击韧性较高，可作断裂抗力较高的结构材料使用；钢和钛合金是韧性最好的材料。

表11-6　常用材料的断裂韧性

3．磨损失效

相互接触并做相对运动的物体由于机械、物理和化学作用，造成物体表面材料的位移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程称为磨损。磨损不是一个简单的力学过程，而是物理、力学和化学过程极为复杂的综合。按照磨损的破坏机理可分为黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳、冲蚀磨损。

（1）黏着磨损

黏着磨损也称咬合磨损或摩擦磨损，是相对运动的物体接触表面发生了固相黏着，使材料从一个表面转移到另一个表面的现象，称为黏着磨损。黏着的原因是由于摩擦副表面凹凸不平，当相互接触时，只有局部接触，接触面积很小，因此接触压应力很大，足以超过材料的屈服强度而发生塑性变形，致使这部分表面的润滑油膜、氧化膜被挤破，从而使摩擦副的两个金属面直接接触，发生黏着，随后在相对滑动时黏着点被剪断，有金属屑粒从表面被拉拽下来或零件表面被擦伤。黏着磨损普遍存在于生产实际中，机床的导轨，涡轮与蜗杆，汽车零件的缸体和缸套—活塞环、曲轴轴颈—轴瓦等摩擦副都承受黏着磨损。

（2）磨粒磨损

磨粒磨损也称为磨料磨损，是指硬的磨粒或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触运动过程中，刮擦表面使材料表面损耗的一种现象或过程。硬颗粒或凸出物一般为非金属材料，如石英砂、矿石等，也可能是金属，像落入齿轮间的金属屑等。易产生磨粒磨损的有球磨机的磨球和衬板、滚式破损机的滚轮等。

（3）腐蚀磨损

腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。整个腐蚀磨损的机制可以认为是由两个固体摩擦表面和环境的交互作用而引起的，这种交互作用是循环的和逐步进行的。在第一阶段是两个摩擦的表面和环境发生发应，反应的结果是在两个摩擦表面上形成反应产物。在第二阶段是两个摩擦表面相互接触，反应产物由于被摩擦和形成裂纹而被磨去。腐蚀磨损常发生于高温或潮湿的环境中，在有酸、碱、盐等特殊条件下最易发生。常见的腐蚀磨损是氧化腐蚀磨损和特殊介质腐蚀磨损。

（4）接触疲劳

接触疲劳可看成一种特殊形式的磨损（疲劳磨损），是指两接触作滚动或滑动，或是滑动与滚动复合的摩擦状态，同时在交变接触应力的作用下，使材料表面疲劳破坏而产生物质流失的过程。易产生表面疲劳磨损的有齿轮、凸轮、火车轮箍、铁轨、冷镦模等。

接触疲劳也是裂纹形成和扩展的过程。由于裂纹源产生的部位不同，接触疲劳破坏有三种形式：①裂纹源于表层的麻点剥落。它是零件在滚动并有滑动，其表面有沿滚动方向的摩擦力作用时，并有润滑油存在的情况下产生的。因为零件表面切应力最大，裂纹首先在表面形成，当有润滑油楔入裂纹并被封闭时，裂纹内壁产生很大的内应力，加速裂纹扩展而引起麻点剥落。剥落深度为0.1～0.2mm。例如齿轮除节圆啮合处属纯滚动外，在齿面其他部位则是带有一定滑动的滚动，因此常常在离节圆一定距离靠近齿根一侧处的齿面出现这类麻点剥落；②裂纹源于次表层的麻点剥落。它是零件在纯滚动或表面光洁、摩擦力很小、接近于纯滚动的情况下产生的。零件次表层即距表面0.786b（b为接触面半宽度），此处切应力最大，故首先发生塑性变形而形成裂纹，然后在交变切应力作用下裂纹不断向表面扩展而造成剥落，留下一个比较平直的麻坑，剥落深度为0.2～0.4mm。例如滚动轴承基本上属纯滚动，其表面常出现这类麻点剥落；③硬化层剥落。这种剥落只发生在经过表面硬化处理如表面淬火、表面化学热处理等的零件上。由于零件经表面硬化处理后，硬化层中形成残余压应力，而在硬化层和心部交界处常发生残余压应力向残余拉应力的转移，当残余应力和接触应力所引起的综合切应力超过材料的剪切屈服强度时，就在该处产生塑性变形而形成裂纹，并向表面扩展，从而造成大块剥落。

（5）冲蚀磨损

冲蚀磨损是指零件表面遭受固体或液体微粒冲刷或打击而使材料从表面流失的现象。冲蚀磨损典型的粒子如输送带有磨粒的压力管道、煤浆输送管道及泵送设备、火箭助推器尾翼排气管、在多尘地带飞行的直升机转子、用褐煤粉为动力原料的汽轮发电机、在热烟尘中的锅炉管道及流体催化器和裂化器等。

影响材料耐磨性的因素很多，相互间的关系也很复杂，要提高材料的耐磨性主要有以下三个途径：①改善摩擦副之间的接触状态，使用润滑剂在摩擦副表面形成润滑介质膜、表面吸附膜或表面反应膜，可以达到减轻磨损的目的；严格控制摩擦副表面的几何形貌，也可以减少磨损。②通过表面工程技术提高耐磨性。一般从两个方面着手：一是使表面具有良好的力学性能，如高硬度、高韧性等；二是设法降低材料表面的摩擦系数。③合理选择摩擦副材料。不同的磨损失效方式，对材料力学性能的要求也不相同，如表11-7所示。选材时，应综合考虑耐磨材料的特性、零件工作特点、经济因素等多方面的因素进行最佳选择。表11-8列举了按工况和需要的性能推荐的抗磨材料。

表11-7　各种磨损类型要求材料具备的性能

表11-8　根据工况和需要的性能推荐的材料

4.腐蚀失效

腐蚀是材料表面与周围介质发生化学反应或电化学反应所引起的表面损伤现象，并分别称为化学腐蚀和电化学腐蚀。在化学腐蚀中不产生电流，如钢在高温下的氧化、脱碳，在石油、燃气或含氢气体中的腐蚀等都属于化学腐蚀。在电化学腐蚀过程中产生电流，如金属在潮湿空气、海水或电解质溶液中的腐蚀等都属于电化腐蚀。常见腐蚀失效形式有以下几种：

①电偶腐蚀　异种金属在同一种介质中接触时，两金属之间存在电位差，产生电偶电流在两者之间流动，使电位较低的金属腐蚀加剧，造成接触处的局部腐蚀，而电位较高的金属则受到保护，这种现象称为电偶腐蚀。电偶腐蚀实质是由两种不同的金属电极构成的宏观电池，例如铜板用钢铆钉连接就会产生电偶腐蚀。

②缝隙腐蚀　金属表面由于异物或结构的原因形成缝隙，其宽度足以使介质进入缝隙但处于滞流状态，使与腐蚀有关的物质迁移困难，所引起的缝隙内金属腐蚀加剧的现象，称为缝隙腐蚀。几乎所有的金属和合金，以及金属与非金属之间的连接都会发生缝隙腐蚀。

③应力腐蚀　处于腐蚀性溶液和气氛下工作的材料，在机械应力和腐蚀介质共同作用下，在远远低于屈服强度的条件下，发生突然的、没有形变预兆的破裂现象称为应力腐蚀。应力腐蚀是所有腐蚀类型中破坏性和危害性最大的一种。产生应力腐蚀必须同时满足三个条件：特定的合金成分、特定的腐蚀介质、足够大的拉应力。即只有特定金属与特定介质的组合，才会发生应力腐蚀断裂。在工业上最常见的有：低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆”；奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”；铜合金在氨气介质中的“氨脆”。

④腐蚀疲劳　材料在周期性或非周期性交变应力与腐蚀介质的联合作用下发生脆性断裂的现象，称为腐蚀疲劳。它的本质是电化学腐蚀过程和力学过程的相互作用，这种相互作用远远超过交变应力和腐蚀介质单独作用的总和。

⑤氢腐蚀　是氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象。按照氢脆的来源可将氢脆分为内部氢脆和环境氢脆。所谓内部氢脆就是材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性，它可以是在材料在冶炼、热加工、热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程中产生。而环境氢脆则是指材料原先不含有氢或含氢极微，但是在有氢的环境与介质中产生。

防止腐蚀常采取的措施为：A．选择耐腐蚀材料如不锈钢、钛合金、陶瓷材料、高分子材料等；B．表面涂层如电镀Ni、Cr，热浸镀Zn、Sn、Al，热喷涂陶瓷及喷涂涂料、搪瓷、塑料等；C．电化学保护如牺牲阳极保护、外加电位的阴极保护；D．在腐蚀介质中加入缓蚀剂和去除介质中有害成分；E．合理设计结构如尽可能避免不同金属互相接触；尽量采用密闭结构，以防水、雾等环境介质的侵入；外形力求简单，尽量避免尖角、凹槽和缝隙。