零件失效与失效类型

6.1　零件失效与失效类型

6.1.1　失效概念

失效就是机械零件丧失规定功能的现象。失效的含义有三:一是零件破损，不能正常工作；二是虽然还可以安全工作，但不能满足原有的功能要求；三是还可继续工作，但不安全。上述三种情况中的任何一种发生，就认为该零件已经失效了。例如，桥梁因焊接等质量问题突然垮塌，属于第一种情况；轴承经长期使用后由于磨损出现噪声，旋转精度下降，虽然还能继续使用，也应视为已经失效，属于第二种情况；火车紧急制动失灵，虽不影响火车运行，但在前进方向出现异常情况时，因不能实施紧急有效的制动，影响了行车的安全性，属于第三种情况。

若是低于规定的期限或超出规定的范围发生的失效，则称为早期失效。失效分析就是针对早期失效进行的。进行失效分析的目的就是找出失效的原因，并提出相应的改进措施，失效分析也是选材过程的一个主要环节。

6.1.2　失效的形式与对策

机器零件及工程结构的失效形式主要有以下四种（见图6－1）。

图6－1　零件失效的四种形式

1.过量变形失效

（1）过量弹性变形失效　金属零件或构件在外力作用下总要发生弹性变形，在大多数情况下要对变形量加以限制，这就是零件设计时要考虑的刚度问题。不同的零件对刚度的要求大不相同，如镗床镗杆的刚度不足，会发生过量的弹性变形，就会产生“让刀”现象，使被加工件出现较大误差。零件的刚度取决于材料的弹性模量和零件的截面尺寸与形状。陶瓷材料和金属材料的弹性模量远大于高分子材料。但是，如果对零件或构件要求很高的刚度时，则主要靠增加截面尺寸和改变截面形状来增加刚度。

（2）塑性变形失效　塑性变形失效是零件的实际工作应力超过材料的屈服强度引起的。冷镦冲头工作端部镦粗、紧固螺栓在预紧力和工作应力作用下的塑性伸长等都是塑性变形失效。选用高强度材料、采用强化工艺、加大零件的截面尺寸、降低应力水平等都是解决塑性变形失效的途径。

（3）过量蠕变失效　过量蠕变失效是零件或构件在高温、长时间力的作用下产生的缓慢塑性变形失效。通过热处理、合金化（如热强钢、高温合金等）及复合增强等途径可提高零件的高温抗蠕变能力。

2.断裂失效

断裂是零件最危险的失效形式，特别是在没有明显塑性变形的情况下的脆性断裂，可能会造成灾难性后果，必须予以充分关注。

（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之为韧性断裂。它主要发生于韧度较好的材料产品中，此时断裂是较缓慢进行的过程，需消耗较多的变形能量。板料拉伸的断裂、拉伸试样出现颈缩的断裂等都是韧性断裂的例子。只要把零件所受应力控制在许用应力范围内，就可以有效地防止这类断裂。

（2）低应力脆断失效　构件所受名义应力低于屈服强度，在无明显的塑性变形的情况下产生的突然断裂称为低应力脆断。低应力脆断最为危险，多发生在焊接结构或某些大截面零件中。此时构件或工作于低温环境，或受冲击载荷，或存在冶金、焊接缺陷，或有突出的应力集中源等。主要从提高材料的断裂韧度、保证零件加工质量、减少应力集中源等方面来预防这类断裂。

（3）疲劳断裂失效　疲劳断裂是在零件承受交变负荷，且在负荷循环了一定的周次之后出现的断裂。一般，疲劳断裂前没有塑性变形的征兆，此时出现的疲劳断裂有很大的危险性。在齿轮、弹簧、轴、模具等零件中常见到这种失效。疲劳断裂多起源于零件表面的缺口或应力集中部位，在交变应力作用下，经过裂纹萌生、扩展直至剩余截面积不能承受外加载荷的作用而发生突然的快速断裂。为了提高零件抵抗疲劳断裂的能力，应选择高强度和较好韧度的材料，在零件结构上避免或减少应力集中，降低表面粗糙度值，采用表面强化工艺等。

（4）蠕变断裂失效　它是在高温下工作的零件或构件，当蠕变变形量超过一定范围时产生韧性断裂。此时，正确选择耐热材料才是防止断裂的关键。

（5）介质加速断裂失效　它是指受力零件或构件在特定介质中经过一定时间运行后出现的低应力脆断，主要有应力腐蚀断裂、氢脆断裂及腐蚀疲劳断裂等。

3.表面损伤失效

（1）磨损失效　当相互接触的两个零件作相对运动时，由于摩擦力的作用，零件表面材料逐渐脱落，使表面状态和尺寸改变而引起的失效称为磨损失效。提高材料硬度，降低表面粗糙度可减少磨损。

（2）接触疲劳失效　两个零件作相对滚动或周期性地接触，由于压应力或接触应力的反复作用所引起的表面疲劳破坏现象称为接触疲劳失效。其特征是在零件表面形成深浅不同的麻点剥落。齿轮、滚动轴承、冷镦模、凿岩机活塞等常出现这种失效。

提高材料的冶金质量，降低接触表面粗糙度值，提高接触精度，以及硬度适中，都是提高接触疲劳抗力的有效途径。

（3）腐蚀失效　金属零件或构件的表面在介质中发生化学或电化学作用而逐渐损坏的现象称为腐蚀失效。选择抗腐蚀性强的材料（如不锈钢、非铁合金、工程塑料等），对金属零件进行防护处理，采取电化学保护措施，改善环境介质，是目前常用的对付腐蚀的方法。

4.物理性能降低

物理性能降低主要是指材料的电、磁、热等物理性能衰减。

6.1.3　失效的原因

1.设计

（1）应力计算错误　它表现为对零件的工作条件或过载情况估计不足造成的应力计算错误，多见于形状复杂的零件、组合变形的零件、负荷对工作条件依赖性较强的零件。

（2）结构工艺性不合理　结构工艺性不合理，常表现为把零件受力大的部位设计成尖角或厚薄悬殊等，这样导致应力集中、应变集中和复杂应力等，从而容易产生不同形式的失效。

2.选材与热处理

（1）选材错误　材料牌号选择不当、错料、混料，均会造成零件的热处理缺陷或力学性能得不到保证和使用寿命下降。

（2）热处理工艺不当　材料选择合理，但是在热处理工艺或是热处理操作上出现了毛病，即使零件装配前没有报废，也容易早期失效。

（3）冶金缺陷　夹杂物、偏析、微裂纹、不良组织等超标，均会产生废品和零件失效。

3.加工缺陷

冷加工和热加工工艺不合理会引起加工的缺陷，缺陷部位可能成为失效的起源。

切削加工缺陷主要指敏感部位的粗糙度太高，存在较深的刀痕；由于热处理或磨削工艺不当造成的磨削回火软化或磨削裂纹；应力集中部位的圆角太小，或圆角过渡不好；零件受力大的关键部位精度偏低，运转不良，甚至引发振动等，均可能造成失效。

4.装配与使用

装配时零件配合表面调整不好、过松或过紧、对中不好、违规操作、对某些零件在使用过程中未实行或未坚持定期检查、润滑不良及过载使用等，均可能成为零件失效的原因。

对具体零件进行失效分析，一定要认真找出失效的具体原因，以指导零件设计、选材和制造工艺。