機械零件失效形式及簡要分析

1、I斷裂脆性斷裂是一種構(gòu)件未經(jīng)明顯的變形而發(fā)生的斷裂，當零件在外載荷作用下,由于某一危險截面上的應力超過零件的抗拉強度時將會發(fā)生脆性斷裂，發(fā)生脆性斷裂時，零件幾乎沒有發(fā)生過塑性變形。如桿件脆斷時沒有明顯的伸長或彎曲，更無縮頸，容器破裂時沒有直徑的增大及壁厚的減薄。圖1.脆性斷裂實例分析：傳統(tǒng)力學把材料看成是沒有缺陷的、沒有裂紋的、均勻的和連續(xù)的理想固體，但是，實際工程材料在制備、加工（冶煉、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、冷加工等）及使用中（疲勞、沖擊、環(huán)境溫度等）都會產(chǎn)生各種缺陷（白點、氣孔、渣、未焊透、熱裂、冷裂、缺口等）。如上圖所示的齒輪，由于其內(nèi)部的缺陷和裂紋會在零件使用過程中產(chǎn)生應力集中，該

2、處所受拉應力為平均應力的數(shù)倍。過分集中的拉應力如果超過該齒輪材料的臨界拉應力值時，將會產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴展，導致脆性斷裂。圖2.韌性斷裂實例分析：韌性斷裂又稱延性斷裂。斷裂前發(fā)生過明顯的塑性變形的斷裂，是塑性變形的終結(jié)。消耗較高能量，以金屬撕裂為特征的一種斷裂，是與脆性斷裂相對應的一種斷裂模式。物體受力時其最危險截面或區(qū)域，從彈性變形逐漸轉(zhuǎn)入塑性變形狀態(tài)，這時截面的某一鄰域內(nèi)力學參量的某一組合達到臨界點，斷裂口附近出現(xiàn)明顯的宏觀塑性變形，微觀斷口表面呈韌窩狀。圖3.疲勞斷裂實例分析：零件在交變載荷下經(jīng)過較長時間的工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象就叫作疲勞斷裂。一開始，疲勞微裂紋在零件應力最高強度最低的基體

3、上產(chǎn)生，之后裂紋會穩(wěn)定擴展，但擴展速度較低，最后，當裂紋尺寸足夠大結(jié)構(gòu)有效受力截面小到不足以承受所加載荷時，零件即發(fā)生斷裂，如圖所示。II磨損磨擦副表面的材料微粒，由于機械力與化學腐蝕的作用而脫離母體，使零件尺寸和表面狀態(tài)改變，最終導致功能喪失，稱為磨損失效。磨損是機械的重要失效形式，它包括復雜的化學過程和物理過程，其主要形式有：粘著磨損（材料從一個磨擦表面移到另一個表面）、磨料磨損（硬磨料在摩擦表面犁出溝槽或道痕，使材料從零件表面脫落）、腐蝕磨損（化學腐蝕參與作用下的磨料磨損）和疲勞磨損（接觸應力作用使材料表面疲勞剝落）等。圖4.粘著磨損實例分析：粘著磨損又稱咬合磨損，如圖所示，零件在滑動摩

4、擦條件下，摩擦副的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的滑動過程中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽脫落或者金屬表面被擦傷。圖5.磨粒磨損實例分析：磨粒磨損又稱磨料磨損，如圖所示，零件在滑動摩擦時零件表面存在硬質(zhì)磨粒，是磨面發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入并切割金屬表面導致零件表面逐漸磨損、舌U傷。圖6.疲勞磨損實例分析：疲勞磨損類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴展的過程。如圖所示，零件工作面在做滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變壓應力的長期作用下會引起表面疲勞并剝落破壞的現(xiàn)象，這就是疲勞磨損。III腐蝕金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學作用、或電化學作用或物理溶解而產(chǎn)生的破壞和變質(zhì)，稱為腐蝕圖7.化學腐蝕實例分析：金屬與周圍非電解

5、質(zhì)介質(zhì)發(fā)生化學作用而引起的腐蝕稱為化學腐蝕，如圖所示的發(fā)動機，在其工作時，燃氣中某些低熔點成分熔化并附著在零件金屬表面，在高溫下會發(fā)生化學作用引起發(fā)動機零件的化學腐蝕，形成疏松多孔或瘤狀的腐蝕產(chǎn)物。圖8.電化學腐蝕實例分析;金屬表面與離子導電的電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學作用而產(chǎn)生的破壞稱為電化學腐蝕，如圖所示，零件表面可能形成由肉眼可見電極構(gòu)成的宏觀大電池或由于金屬表面電化學不均勻性而構(gòu)成無數(shù)微小電極的電池發(fā)生電化學作用，進而引起腐蝕。圖9.穴蝕實例分析：機件發(fā)生穴蝕的先決條件是機件浸于某種液態(tài)介質(zhì)中，并且機件與液體之間有某種形式的相對運動，或者機件在液體中受到某種能量的傳遞作用時，會形成液體中的局

6、部瞬時高壓或瞬時高真空，在瞬時高真空區(qū)，該局部區(qū)域內(nèi)的液體就會汽化，形成氣泡或溶于水中的空氣以空泡形式從液體中分離出來；而在瞬時高壓狀態(tài)時，氣泡、空泡被壓縮，泡內(nèi)的氣體迅速被液化而使氣泡破滅。這時，氣泡周圍的液體迅速沖向潰滅處，產(chǎn)生極強的沖擊波（最大壓力可達數(shù)百個兆帕）作用在機件金屬表面上，使之受到損傷。由于沖擊波的頻道作用，結(jié)果使機件表面金屬逐漸剝落。與此同時，機件金屬表面還會產(chǎn)生微觀電化學腐蝕，這樣多重腐蝕交替進行，共同作用，致使機件腐蝕破壞，穴蝕實例如圖所示IV過量變形圖9.過量變形實例分析：零件受載時會發(fā)生變形，如圖所示，當零件的剛度不足時，會發(fā)生過量的彈性變形，或者，當零件過載或本身

7、抵擋塑性變形的能力不夠時，塑形變形量也會超過允許變形量，使零件發(fā)生過量變形，從而破壞零件之間的位置和配合關(guān)系，導致零件或機器不能正常工作。V蠕變失效蠕變失效是金屬零件在應力和高溫長期作用下，產(chǎn)生永久變形的失效現(xiàn)象。晶粒沿晶界滑動產(chǎn)生形變是蠕變的主要機理，這種形變需要一定的溫度和時間。圖11.蠕變失效實例分析：如圖所示，零件在保持應力不變的情況下，其應變會隨時間緩慢增長，零件內(nèi)部隨時間發(fā)展的蠕變一般可分成3個階段：首先是衰減蠕變，應變率（應變的時間變化率）隨時間增加而逐漸減?。唤又嵌ǔＨ渥?，應變率近似為常值；最后是加速蠕變，應變率隨時間逐漸增加，最后導致蠕變斷裂。同一材料在不同的應力水平或不同溫度下，可處在