機械零件的失效及分析

目錄

第一章機械零件的失效及分析2

第一節(jié)根本概念2

一、失效的概念2

二、失效的危害2

三、機械零件失效的根本形式2

四、失效分析3

第二節(jié)零件的磨損失效3

一、磨損的一般規(guī)律3

二、磨料（粒）磨損4

三、粘著磨損5

四、疲勞磨損6

五、微動磨損7

六、沖蝕磨損8

第三節(jié)零件的斷裂失效9

一、斷裂的分類9

二、過載斷裂9

三、疲勞斷裂10

四、脆性斷裂12

五、斷裂失效分析的步驟13

第四節(jié)零件的腐蝕失效14

一、腐蝕與腐蝕失效危害的嚴(yán)重性14

二、金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐飩14

三、腐蝕失效主要表現(xiàn)形態(tài)15

第五節(jié)零件的畸變失效18

一、彈性畸變失效18

二、塑性畸變失效18

三、翹曲畸變失效19

四、畸變失效分析19

第二章設(shè)備的使用與維護20

第一節(jié)設(shè)備的使用20

一、合理安排生產(chǎn)任務(wù)20

二、配備合格的設(shè)備操作人員21

三、設(shè)備操作的根本功培訓(xùn)21

四、建立健全的設(shè)備使用管理規(guī)章制度22

第二節(jié)延長機械的使用壽命的方法22

一、優(yōu)秀的設(shè)計是延長機械使用壽命的首要環(huán)節(jié)22

二、提高機械產(chǎn)品的質(zhì)量使之經(jīng)久耐用23

三、正確合理使用是延長施工機械的壽命的關(guān)鍵24

四、實行定期保養(yǎng)24

五、掌握正確的機械維修的方法有效地延長使用壽命24

六、其它25

第三節(jié)潤滑保養(yǎng)25

一、潤滑油檢測的傳統(tǒng)方法26

二、油品的報廢判斷26

三、傳統(tǒng)潤滑油檢測方法的缺乏之處27

四、專業(yè)、科學(xué)的潤滑油檢測方法27

六、設(shè)備潤滑的作用29

七、潤滑管理的根本要求29

參考文獻(xiàn)30

第一章機械零件的失效及分析

第一節(jié)根本概念

一、失效的概念

機械設(shè)備中各種零件或構(gòu)件都具有一定的功能，如傳遞運動、力或能量，實現(xiàn)規(guī)定的

動作，保持一定的幾何形狀等等。當(dāng)機件在載荷（包括機械載荷、熱載荷、腐蝕及綜合載

荷等）作用下喪失最初規(guī)定的功能時，即稱為失效。

一個機件處于以下三種狀態(tài)之一就認(rèn)為是失效：①完全不能工作；②不能按確定的標(biāo)

準(zhǔn)完成規(guī)定功能；③不能可靠和平安地繼續(xù)使用。這三個條件可以作為機件失效與否的判

斷原那么。

二、失效的危害

機械零件與構(gòu)件的失效最終必將導(dǎo)致機械設(shè)備的故障。關(guān)鍵機件的失效會造成設(shè)備事

故，人身傷亡事故，甚至大范圍內(nèi)災(zāi)難性后果。在生產(chǎn)線上一個小小的零件失效，可以是

整個生產(chǎn)線癱瘓。因此有效的預(yù)防、控制、監(jiān)測零件的失效是一項意義重大的工作。

三、機械零件失效的根本形式

一般機械零件的失效形式是按失效件的外部形態(tài)特征來分類的，大體包括：磨損失效、

斷裂失效、變形失效和腐蝕與氣蝕失效。在生產(chǎn)實踐中，最主要的失效形式是零件工作外

表的磨損失效；而最危險的失效形式是瞬間出現(xiàn)裂紋和破斷，統(tǒng)稱為斷裂失效。

四、失效分析

失效分析是指分析研究機件磨損、斷裂、變形、腐蝕等現(xiàn)象的機理或過程的特征及規(guī)

律，從中找出產(chǎn)生失效的主要原因，以便采用適當(dāng)?shù)耐谥品椒ā?/p>

失效分析的直接的、技術(shù)上的目的是為制訂維修技術(shù)方案提供可靠依據(jù)，并對引起失

效的某些因素進行控制，以降低設(shè)備故障率，延長設(shè)各使用壽命。此外，失效形式分析也

能為設(shè)備的設(shè)計、制造反響信息；為設(shè)備事故的仲裁提供客觀依據(jù)。

第二節(jié)零件的磨損失效

摩擦與磨損是自然界的i種普遍現(xiàn)象。當(dāng)零件之間或零件與其他物質(zhì)之間相互接觸，

并產(chǎn)生相對運動時，就稱為摩擦。零件的摩擦外表上出現(xiàn)材料耗損的現(xiàn)象稱為零件的磨損。

材料磨損包括兩個方面：一是材料組織結(jié)構(gòu)的損壞；二是尺寸、形狀及外表質(zhì)量(粗糙度)

的變化。

如果零件的磨損超過了某一限度，就會喪失其規(guī)定的功能，引起設(shè)備性能下降或不能

工作，這種情形即稱為磨損失效。根據(jù)摩擦學(xué)理論，零件磨損按其性質(zhì)可以分為磨料磨損、

粘著磨損、微動磨損、沖蝕磨損和腐蝕磨損。

一、磨損的一般規(guī)律

零件磨損的外在表現(xiàn)形態(tài)是表層材料的磨耗。在一般情況下，總是用磨損量來度量磨

損程度。一般可以分為三個階段：

(1)初期磨損階段

對機械設(shè)備中的傳動副而言是磨合過程。這一階段的特點是在短時間內(nèi)磨損量增長較

快。如果外表粗糙、潤滑不良或載荷較大，都會加速磨損。經(jīng)過這一階段后，零件的磨損

速度逐步過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。機械設(shè)備的磨合階段結(jié)束后，應(yīng)去除摩擦副中的磨屑，更換潤

滑油，才能進入滿負(fù)荷正常使用階段。

(2)正常磨損階段

摩擦外表的磨損量隨著時間的延長而均勻，、緩慢增長，屬于自然磨損。在磨損量到達(dá)

極限之前的這一段時間是零件的磨損壽命，它與摩擦外表工作條件、技術(shù)維護好壞關(guān)系極

大。使用保養(yǎng)得好，可以延長磨損壽命，從而提高設(shè)備的可靠性與有效利用率。

(3)急劇磨損階段

當(dāng)零件外表磨損量超過極限值以后如繼續(xù)摩擦，其磨損強度急劇增加，其原因是：①

零件耐磨性較好的表層被破壞，次表層耐磨性顯著降低；②配合間隙增大，出現(xiàn)沖擊載荷;

③摩擦力與摩擦功耗增大，使溫度升高，潤滑狀態(tài)惡化、材料腐蝕與性能劣化等。最終設(shè)

備會出現(xiàn)故障或事故。因此，這一階段也稱為事故磨損階段。當(dāng)零件磨損外表的磨損量到

達(dá)極限值時，就己經(jīng)失效，不能繼續(xù)使用，應(yīng)采取調(diào)整、維修、更換等措施，防止設(shè)備故

障與事故的發(fā)生。

二、磨料〔?！衬p

零件外表與磨料相互摩擦，而引起表層材料損失的現(xiàn)象稱為磨料磨損或磨粒磨損。磨

料也包括對零件外表上硬的微凸體。在磨損失效中，磨料磨損失效是最常見、危害最為嚴(yán)

重的一種。

（一）磨料磨損工況的分類

磨料磨損分為三種情況：第一種是直接與磨料接觸的機件所發(fā)生的磨損，稱為兩體磨

損；第二種是硬顆料進入摩擦副兩對摩外表之間所造成的磨損，稱為三體磨損；第三種是

堅硬、粗糙的外表微凸體在較軟的零件外表上滑動所造成的損傷，稱為微凸體磨損。

（二）磨料磨損的原理與特征

磨料磨損的過程實質(zhì)上是零件外表再磨料作用下發(fā)生塑性變形、切削與斷裂的過程。

磨料對零件外表的作用力分為垂直于外表與平行于外表的兩個分力，垂直分力使磨料壓入

材料外表，而平行分力使磨料向前滑動，對外表產(chǎn)生耕犁與微切削作用。微切削作用會產(chǎn)

生微切屑。而耕犁作用會使材料向磨料兩側(cè)擠壓變形，使犁溝兩側(cè)材料隆起。隨著零件表

層材料的脫離與外表性能的劣化，最終導(dǎo)致外表破壞和零件失效。

磨料磨損的顯著特點是：磨損外表具有與相對運動方向平行的細(xì)小溝槽；磨損產(chǎn)物中

螺旋狀、環(huán)狀或彎曲狀細(xì)小切屑及局部粉末。

（三）磨料磨損的影響因素分析

（1）金屬材料的硬度

一般情況下，金屬材料的硬度越高，耐磨性越好。實驗證明，未經(jīng)熱處理的金屬材料,

其相對耐磨性與硬度成正比，而與合金含量無關(guān)。經(jīng)淬火后的鋼，其相對耐磨性仍然與淬

火硬度成正比，但合金含量較高的鋼材，其相對耐磨性增長得較快。

（2）材料的顯微組織

一般來說，具有馬氏體組織的材料有較高的耐磨性。而在相同硬度條件下，貝氏體又

比馬氏體高得多。同樣硬度的奧氏體與珠光體相比，奧氏體的耐磨性要高得多。

(3)磨料性質(zhì)

許多研究工作者發(fā)現(xiàn)，磨料粒度對材料的磨損率存在一個臨界尺寸。當(dāng)磨料粒度小于

臨界尺寸時，材料的磨損率(單位時間磨損量)隨磨料粒度的增加而增加，且材料越軟越

敏感。當(dāng)磨料粒度超過臨界尺寸后，磨損率與粒度幾乎無關(guān)，即磨損率根本上不隨粒度的

增加而增加。

(4)其他因素

影響磨料磨損還有其他因素，例如磨料硬度、摩擦外表相對運動的方式，磨損過程的

工況條件等。

(四)減少磨料磨損的措施

對工程機械、農(nóng)業(yè)機械、礦山機械中的許多遭受二體磨損機件，主要是選擇適宜的耐

磨材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計。對所有機械設(shè)備中可能遭受三體磨損的摩擦副，如軸頸與

軸瓦，滾動軸承，缸套與活塞，機械傳動裝置等，應(yīng)設(shè)法阻止外界磨料進入摩擦副，并及

時去除摩擦副磨合過程中產(chǎn)生的磨屑及硬微凸體磨損產(chǎn)生的磨屑。具體措施是對空氣、油

料過濾；注意關(guān)鍵局部的密封；經(jīng)常維護、清洗換油；提高摩擦副外表的制造精度；進行

適當(dāng)?shù)耐獗硖幚淼取?/p>

三、粘著磨損

粘著磨損是指兩個作相對滑動的外表，在局部發(fā)生相互焊合，使一個外表的材料轉(zhuǎn)移

到另一個外表所引起的磨損。

(-)粘著磨損的機理

由于摩擦外表粗糙不平，兩摩擦外表實際上只是在一些微觀點上接觸。在法向載荷作用下，接觸點的壓

力很大，使金屬外表膜破裂，兩外表的裸露金屬直接接觸，在接觸點上發(fā)生焊合，即粘著。當(dāng)兩外表進

一步相對滑動時，粘著點便發(fā)生剪切及材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。在鄰近區(qū)域，凸出的材料又可能發(fā)生新的粘著，

直至最后在外表上脫落下來，形成磨屑。

(-)影響枯著磨損的因素

(1)金屬互溶性的影響

一般規(guī)律是互溶性越好，粘著傾向越大。同種材料互溶性好，異種材料互溶性差，故同種材料對磨損比

異種材料磨損大得多。

(2)金屬點陣結(jié)構(gòu)與硬度的影響

一般面心立方點陣的金屬明顯比其他點陣形式金屬的粘著傾向大，而六方點陣表現(xiàn)了

最小的粘著傾向。材料的硬度增加時，粘著的傾向減少。

(3)載荷與速度的影響

當(dāng)載荷較輕時，金屬外表有氧化膜保護，就不發(fā)生粘著。當(dāng)載荷或速度增大，微觀接

觸點上的溫度升高，氧化膜遭到破壞，就會發(fā)生嚴(yán)重粘著磨損現(xiàn)象。然而，當(dāng)載荷較大或

速度極快、摩擦外表溫度很高時，磨損率反而顯著下降，因為表露出的金屬會在高溫下迅

速生成新的保護膜。

〔三）減少粘著磨損的措施

（1）合理潤滑

建立可靠的潤滑保護膜，隔離相互摩擦的金屬外表，是最有效、最經(jīng)濟的措施。

（2）選擇互溶性小的材料配對

鉛、錫、銀等在鐵的溶解度小，用這些金屬的合金做軸瓦材料，抗粘著性能極好（如

巴氏合金、鋁青銅、高錫鋁合金等），鋼與鑄鐵配對抗粘著性能也不錯。

（3）金屬與非金屬配對

鋼與石墨、塑料等非金屬摩擦?xí)r，粘著傾向小，用優(yōu)質(zhì)塑料作耐磨層是很有效的。

（4）適當(dāng)?shù)耐獗硖幚?/p>

外表淬失、外表化學(xué)處理、磷化處理、硫化處理、滲氮處理、四氧化三鐵處理以及適

當(dāng)?shù)膰娡刻幚恚寄芴岣呓饘倏拐持p的能力。

四、疲勞磨損

當(dāng)摩擦副兩接觸外表做相對滾動或滑動時，周期性的載荷使接觸區(qū)受到很大的交變接

觸應(yīng)力，使金屬表層產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴展、引起表層材料脫落，造成點蝕和剝落，這

一現(xiàn)象稱為外表疲勞磨損。

（一）疲勞磨損的機理與特征

近年來，人們對疲勞機理的研究形成了一種新的、比擬深入的理論，認(rèn)為疲勞磨損主

要是由于接觸區(qū)切應(yīng)力周期的出現(xiàn)和消長造成的。

當(dāng)一個外表在另一個外表作純滾動或滾動加滑動時，最大切應(yīng)力發(fā)生在亞表層。在它

的作用下，亞表層內(nèi)的材料將產(chǎn)生錯位運動，錯位在非金屬夾雜物及晶界等障礙物處形成

堆積。由于錯位的相互切割產(chǎn)生空穴，空穴集中形成空洞，進而變成原始裂紋。裂紋在載

荷作用次下逐步擴展，最后折向外表。由于裂紋在擴展過程中相互交錯，加上潤滑油在接

觸點處被壓入裂紋產(chǎn)生楔裂作用，使表層產(chǎn)生點蝕或剝落。當(dāng)原始裂紋較淺時，表現(xiàn)為點

蝕（麻點狀），假設(shè)原始裂紋在表層以下大于200um時，表層材料呈片狀剝落（麻坑狀）。

〔二）提高抗疲勞磨損的途徑

但凡能阻止疲勞裂紋形成與擴展的措施都能減少疲勞磨損。具體可以考慮以下幾條主

要途徑：

(1)減少材料中的脆性夾雜物

脆性夾雜物邊緣極易產(chǎn)生微裂紋，降低材料的疲勞壽命。硅酸鹽類夾雜物對疲勞壽命

危害最大。

(2)適當(dāng)?shù)挠捕?/p>

在一定的硬度范圍內(nèi)，材料抗疲勞磨損的性能隨硬度的升高而增大，對于軸承鋼，抗

疲勞的最正確峰值硬度為62HRC左右，鋼制齒輪的最正確外表硬度為58-62HRC。此外，摩

擦副設(shè)當(dāng)?shù)挠捕绕ヅ湟彩菧p少疲勞磨損的正確途徑。

(3)提高外表加工質(zhì)量

降低摩擦外表粗糙度和形狀誤差，可以減少微凸體，均衡接觸應(yīng)力，提高抗疲勞磨損

的能力。接觸應(yīng)力越大，對加工質(zhì)量的要求也越高。

(4)外表處理

一般來說，當(dāng)表層在一定深度范圍內(nèi)存在剩余壓應(yīng)力時，不僅可以提高彎曲、扭轉(zhuǎn)疲

勞抗力，還能提高接觸疲勞抗力，減少疲勞磨損。當(dāng)進行外表滲碳、淬火、外表噴丸、滾

壓處理時，都可使表層產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力。

⑸潤滑

潤滑油的襯墊作用，可使接觸區(qū)的集中載荷分散。潤滑油粘度越高，接觸區(qū)壓應(yīng)力越

接近平均分布。但應(yīng)注意，如果潤滑油粘度過低，那么越容易滲入裂紋，產(chǎn)生楔裂作用，

加速裂紋的擴展和材料的剝落。

五、微動磨損

微動磨損是兩固定接觸面上出現(xiàn)相對小幅振動而造成的外表損傷，主要發(fā)生在宏觀相對靜

止的零件結(jié)合面上。其主要危害是使配合精度下降，緊配合的機體變松，更嚴(yán)重的是引起

應(yīng)力集中，導(dǎo)致零件疲勞斷裂。

(一)微動磨損的過程

當(dāng)兩接觸表具有一定壓力并產(chǎn)生小幅振動時，接觸面上的微凸體在振動沖擊力作用下

產(chǎn)生強烈的塑性變形和高溫，發(fā)生相互粘著現(xiàn)象。在以后的振動中，粘著點又會被剪斷，

粘著物在沖擊力作用下脫落，脫落的粘著物與被剪斷的外表因露出新鮮外表會迅速氧化。

由于兩接觸外表之間沒有宏觀相對運動，配合較緊，故磨屑不易排出，留在接合面上

起磨料的作用，磨料磨損取化了粘著磨損。隨著外表進一步磨損和磨料的氧化，磨屑體積

膨脹，磨損區(qū)間擴大，磨屑向微凸體四周溢出。最后，原來的微凸體轉(zhuǎn)化為麻點坑，隨著

振動過程的繼續(xù)，類似的過程也會在鄰近區(qū)域發(fā)生，使麻點坑連成一片，形成大而深的麻

坑。

(-)微動磨損的影響因素分析

(1)材料性能

提高材料硬度，選擇適當(dāng)?shù)牟牧吓涓倍伎梢詼p少微動磨損。因微動磨損是從粘著開始

的，所以但凡能抗粘著磨損的材料和材料配副，必然對防止微動磨損有利。

(2)載荷影響

在一定條件下，微動磨損隨載荷的增加而增加，但當(dāng)載荷超過某一臨界值時，微動磨

損現(xiàn)象反而減少。其原因是：當(dāng)載荷低于臨界值時，隨著載荷的增加，微凸體塑性變形增

加，是產(chǎn)生微動磨損的區(qū)域擴大，引起磨損速度增快；而當(dāng)載荷超過臨界值時，表層的塑

性變形與次表層的彈性變形均增加，限制了外表之間的相對振幅，降低了沖擊效應(yīng)，即使

發(fā)生了粘著也不容易剪斷，中止了磨損過程。

(3)振幅的影響

振幅較小時，微動磨損率也較低。

(4)外表處理的影響

經(jīng)過適當(dāng)?shù)耐獗硖幚恚山档突蛳幽p。如噴丸、滾壓、磷化、鍍銅等。

六、沖蝕磨損

沖蝕磨損是指材料受到固定粒子、液滴或液體氣泡沖擊時，外表出現(xiàn)的損失現(xiàn)象。

(一)硬粒子沖蝕

沖蝕機件的粒子小而松散，粒子平均直徑小于1mm,沖擊速度在500in/s以內(nèi)，粒子硬

度高于被沖蝕材料的外表硬度，這是硬粒子沖蝕的主要特點。

(二)液滴沖蝕

液滴沖蝕是軟粒子沖蝕中的一種特殊情況。當(dāng)液滴高速沖擊機件外表時，會造成機件

外表的損傷，如穿過雨層的導(dǎo)彈或飛機殼體，就容易碰到這種情況。

(三)氣蝕

當(dāng)零件與液體接觸，并有振動或攪動時，液流中的氣泡對零件外表造成的損傷稱為氣

蝕。其主要特點是：零件外表出現(xiàn)麻點、針孔，嚴(yán)重時外表呈蜂窩狀，小孔直徑達(dá)1mm以

上，深度可達(dá)20mln。

減少氣蝕危害的措施有：

1）減少液體內(nèi)的壓力波動，也就組織了氣泡的萌生與潰滅。具體方法可以采用減振措

施，與液體接觸的機件外表設(shè)計成流線型，防止液體產(chǎn)生渦流等。

2）選用強度高、抗腐蝕性能好的材料，如不銹鋼，陶瓷、尼龍等。

3）零件外表覆蓋高強度耐腐蝕層。

4）對封閉或循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的液體可采取降溫措施或添加緩蝕劑及防乳化油。

第三節(jié)零件的斷裂失效

機械零件在某些因素作用下分裂成兩塊或兩塊以上的現(xiàn)象稱為斷裂失效零件斷裂以后

形成的新的外表稱為斷口。

一、斷裂的分類

（一）按斷口宏觀變形量可分為延性斷裂和脆性斷裂。延性斷裂的斷口發(fā)生顯著的塑

性變形，在斷面上留有暗灰色纖維狀特征。脆性斷裂那么不發(fā)生明顯塑性變形（變形量＜5船，

斷口平整，有金屬光澤，表現(xiàn)為冰糖狀結(jié)晶顆粒。

（二）按斷口微觀形態(tài)分類

在顯微鏡下觀察斷口微觀組織，可將斷裂分為穿晶斷裂和晶間斷裂。裂紋穿過晶粒內(nèi)

部而發(fā)生的斷裂謂之穿晶斷裂，多數(shù)穿晶斷裂為延性斷裂。當(dāng)裂紋沿結(jié)晶平面擴散，斷面

上的晶粒大多保持完整的，那么稱為晶間斷裂。晶間斷裂時，塑性變形量很小，故稱為脆

性斷裂。

（三）按斷裂的原因分類

按零件斷裂的原因分類是機械設(shè)備工程學(xué)中常用的分類方法，它將斷裂分為過載斷裂、

疲勞斷裂、脆性斷裂等。在斷口分析時，如能正確判斷斷裂的主要原因，就有可能用過設(shè)

計、制造、環(huán)境保護等各個環(huán)節(jié)進行控制，從而減少或杜絕同類斷裂事故的發(fā)生。

二、過載斷裂

當(dāng)零件斷裂外加載荷超過其危險截面所能承受的極限應(yīng)力時，零件將發(fā)生斷裂，這種

斷裂稱為過載斷裂。零件強度設(shè)計不合理，結(jié)構(gòu)上應(yīng)力過度集中，操作失誤，機械設(shè)備超

負(fù)荷運行，使某些零件承受過大載荷，都可能導(dǎo)致過載斷裂。

［一)過載斷裂的主耍特征

過載斷裂的斷口宏觀特征與材料拉伸斷口形貌雷同。當(dāng)材料塑性較好時，宏觀斷口顯

示出較大的塑性變形，而材料較脆時，零件斷口顯示出脆性。

因為在常溫時，晶界強度大于晶內(nèi)強度，所以過載斷裂通常是穿晶斷裂。當(dāng)斷口顯微

顯示為晶界斷裂時，那么說明晶界強度受某些因素影響被削弱，如晶界被腐蝕，合金偏折,

有害氣體在晶體上聚集等。因而斷裂應(yīng)歸咎于脆性化斷裂與環(huán)境斷裂。

〔二)特殊情況下過載斷裂特征

(1)帶應(yīng)力集中槽的過載斷裂

當(dāng)裂口出現(xiàn)在應(yīng)力集中槽部位時，那么纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇區(qū)完全顛倒。纖維區(qū)

分布在周圍，即周圍首先破斷，然后裂紋向中央擴展，產(chǎn)生收斂形放射花紋區(qū)，最后在中

央部位出現(xiàn)終斷區(qū)。

(2)純塑性金屬斷裂

純塑性金屬斷裂時，也可能出現(xiàn)一種全纖維狀斷口，沒有放射區(qū)與剪切區(qū)，兩對偶的

斷面均為內(nèi)凹的杯狀，即雙杯狀斷口。

(3)在沖擊彎曲載荷作用下的過載斷裂

扭轉(zhuǎn)載荷過載斷口分兩種情況：當(dāng)斷口與扭轉(zhuǎn)成45°方向時，為拉斷；當(dāng)斷口與扭轉(zhuǎn)

軸線垂直時，為剪斷，軸向剪應(yīng)力較大，形成扭轉(zhuǎn)纖維區(qū)，中心部位為最后破斷區(qū)。

三、疲勞斷裂

金屬零件經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)載荷或交變應(yīng)力作用后引發(fā)的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂，

也稱為機械疲勞

(一)疲勞斷裂的機理與特征

1.疲勞斷裂過程與機理

(1)疲勞裂紋萌生階段

金屬零件在交變載荷作用下，表層材料局部發(fā)生微觀滑移。這種滑移積累以后，就會

在外表形成微觀擠入槽與擠出峰。在峰跟槽底，應(yīng)力高度集中，極易形成微裂紋一一疲勞

斷裂源。因最初的滑移是由最大剪應(yīng)力引起的。故擠入槽與擠出峰及原始裂紋源均與拉伸

應(yīng)力成45°角。

(2)疲勞裂紋的擴展階段

當(dāng)疲勞裂紋源在與拉應(yīng)力成45°角方向到達(dá)兒微米或兒十微米時裂紋改變方向，朝著

與拉應(yīng)力垂直方向擴展。在交變的拉仲、壓縮應(yīng)力作用下，裂紋不斷開啟-閉合，裂紋前端

出現(xiàn)復(fù)雜的變形，加工硬化與撕裂現(xiàn)象，使裂紋一環(huán)接一環(huán)往前推進。應(yīng)力集中裂紋前端

的反復(fù)變形，疲勞損傷，是裂紋得以正向擴展的重要條件。

(3)最終斷裂(瞬斷)階段

當(dāng)裂紋在零件斷面上擴展到達(dá)一定值時，零件剩余斷面不能承受其載荷。這時，裂紋

有穩(wěn)態(tài)擴展轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)態(tài)擴展，整個斷面的剩余面積便會瞬間斷裂。

2.疲勞斷口的主要特征

(1)疲勞核心區(qū)

用肉眼或放大鏡就能找出斷口上疲勞核心位置。它是疲勞斷裂的源區(qū)，一般緊唉外表,

但如內(nèi)部有缺陷，這個疲勞核心也可能在缺陷處產(chǎn)生。當(dāng)疲勞載荷較大時，斷口上也可能

出現(xiàn)兩個或兩個以上的疲勞核心區(qū)。

在疲勞核心周圍，存在一個以疲勞核心為焦點的手常光滑、細(xì)潔、貝紋線不明顯的狹

小區(qū)域。這是由載荷作用，裂紋源反復(fù)張開閉合，使斷口面磨光的緣故。

(2)疲勞裂紋擴展區(qū)

該區(qū)是斷口上最重要的特征區(qū)，常呈貝紋狀或類似于海灘波紋狀。每一條紋線標(biāo)志著

載荷變化時，裂紋擴展一次所留下的痕跡。這些紋線已疲勞核心為中心向四周推進，與裂

紋擴展方向垂直。

(3)瞬斷區(qū)

瞬斷區(qū)是疲勞裂紋擴展到臨界尺寸后，剩余斷面發(fā)生快速斷裂而形成的區(qū)域。該區(qū)域

具有過載斷裂的特征，即具有放射區(qū)與剪切唇，但有時僅出現(xiàn)剪切唇而無放射區(qū)。對極脆

的材料，瞬斷區(qū)為結(jié)晶狀脆性斷口。

(二)疲勞斷口分析

(1)疲勞核心的分析

疲勞核心區(qū)是疲勞裂紋的發(fā)源區(qū)。它總是在強度最低、應(yīng)力最高的部位出現(xiàn)。承受彎

扭載荷的零件，外表應(yīng)力最高，一般疲勞核心在外表。如果外表經(jīng)過了強化處理，那么疲

勞裂紋可移至表層以下。零件在加工、貯運、裝配過程中留下的傷痕，極有可能成為疲勞

核心，因為這些傷痕既有應(yīng)力集中，又容易被空氣及其他介質(zhì)腐蝕損傷。

(2)裂紋擴展區(qū)分析

疲勞斷口上的裂紋擴展區(qū)越光滑，說明零件在斷裂前，經(jīng)歷的載荷循環(huán)次數(shù)越多，接

近瞬斷區(qū)的貝紋線越密，說明載荷值越小。如果這一區(qū)域比擬粗糙，外表裂紋擴展速度快,

因而載荷也比擬大。

13）瞬斷區(qū)分析

如果瞬斷區(qū)面積很小，那么零件承受的載荷也很小。瞬斷區(qū)周邊如有毛刺，即有塑性

變形，說明材料韌性較好；瞬斷區(qū)如呈結(jié)晶狀，并有碎裂現(xiàn)象，那么說明材料極施。

四、脆性斷裂

金屬零件因制造工藝不太正確，或因使用過程中遭有害介質(zhì)的侵蝕，或因環(huán)境溫度不

適，都可能是材料變脆，從而是金屬零件發(fā)生突然斷裂。這種性質(zhì)的斷裂一般稱為脆性斷

裂，也有稱為環(huán)境斷裂的。

（一）脆性斷裂的主要特征

1）金屬材料發(fā)生脆性斷裂時，一般工作應(yīng)力并不高，通常不超過材料的屈服強度，甚

至不超過由某些標(biāo)準(zhǔn)確定的許用應(yīng)力，所以脆性斷裂又稱低應(yīng)力脆斷。

2）脆性斷裂的斷口平整光亮，呈粗瓷狀，斷口斷面大體垂直于主應(yīng)力方向。一般斷口

邊緣有剪切唇，斷口上有人字紋或放射狀花紋。

3）脆性斷裂也有裂紋源，裂紋源出現(xiàn)在外表的應(yīng)力集中部位，損傷部位，內(nèi)部的夾雜、

空穴，及由軋制、鍛壓而產(chǎn)生的微小裂紋部位。

（二）氫脆斷裂

由于氫作用而導(dǎo)致金屬材料在低應(yīng)力狀況下的脆性斷裂稱為氫脆斷裂，乂稱氫損傷。

1.氫脆的分類

根據(jù)氫的來源不同，氫脆分為兩大類：一類是內(nèi)部氫脆。它是由于金屬材料在冶煉、

鍛壓、焊接、熱處理、電鍍、酸洗過程中，溶解和吸收了過量的氫而造成的；另一類稱為

環(huán)境氫脆。它是由零件周圍環(huán)境中某些含氫或氫化物的介質(zhì)與零件自身的應(yīng)力造成的。

2.氫脆斷裂的機理

（1）氫壓致斷

金屬材料在冶煉、熱處理、鍛壓等高溫過程中，對氫的溶解度很大，溫度降低以后，

材料中析出氫原子和氫分子，在內(nèi)部擴散，并在材料中的微觀缺陷處或薄弱處聚集，形成

壓力巨大的氫氣氣泡，并使材料在氣泡處出現(xiàn)裂紋。隨著氫擴散一一聚集過程的繼續(xù)，氣

泡進一步生長，裂紋進一步擴張，并相互連結(jié)、貫穿，最后引起材料的過早斷裂。

（2）晶格脆化致斷

這種理論認(rèn)為材料中的固溶氫和外界滲入的氫，通過晶界擴散，在晶界的薄弱處滯留、

聚集，許多晶界的強度受到破壞。同時，氫原子的電子會擠入金屬原子的電子層中，使金

屬原子之間相互排斥，同樣降低了晶格之間的結(jié)合力。在較低的工作應(yīng)力作用下，甚至在

材料自身內(nèi)應(yīng)力作用下，材料就會發(fā)生脆斷。

(3)氫腐蝕致斷

當(dāng)材料在熱軋、鍛造或熱處理等高溫(200。C以上)時，固溶氫與環(huán)境氣體中滲入的

氫會與金屬材料中的夾雜物及合金添加劑起反響生成高壓氣體。例如與C起反響生成CH,

使鋼出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，而且這些氣體在材料內(nèi)部擴散轉(zhuǎn)移，不斷破壞晶界，最終導(dǎo)致脆性斷

裂。

3.氫脆斷口根本特征

氫脆斷口與一般性斷口一樣，平齊光亮。但如果仔細(xì)觀察，氫脆斷口上可發(fā)現(xiàn)白點。

白點是氫泡留下的痕跡，白點外圍有放射狀撕裂紋，這是裂紋擴展的痕跡。

五、斷裂失效分析的步驟

1.現(xiàn)場記載與拍照

重大的設(shè)備事故發(fā)生后，要迅速調(diào)查了解事故前后的各種情況，必要的需攝影、錄像。

陵非有人員傷亡需要及時處理外，應(yīng)盡可能保護好現(xiàn)場。待記錄完成后才開始清理。

2.分析主導(dǎo)失效件

一個關(guān)鍵零件發(fā)生斷裂失效后，往往會造成其他關(guān)聯(lián)零件及構(gòu)件的斷裂。出現(xiàn)這種情

況時，要理清次序，準(zhǔn)確找出起主導(dǎo)作用的斷裂件，否那么會誤導(dǎo)分析結(jié)果。

3.找出主導(dǎo)失效件上的主導(dǎo)裂紋

主導(dǎo)失效件可能已經(jīng)支離破碎，應(yīng)搜集殘塊，拼湊起來，找出哪一條裂紋最先發(fā)生，

這一裂紋即為主導(dǎo)裂紋。

4.尋找失效源區(qū)

主導(dǎo)裂紋找到以后，就可以在對應(yīng)的斷口上查找裂紋源區(qū)。

5.斷口處理

如果需要對斷口做進一步的微觀分析，或者有必要保存證據(jù)，就應(yīng)對斷口進行清洗，

一般用壓縮空氣或酒精清洗，洗完以后烘干。如果需要保存較長時間，可涂防銹油脂，存

放在有枯燥劑的密閉箱內(nèi)。

6.確定失效原因

確定零件的失效原因時，應(yīng)對零件的材質(zhì)，制造工藝，載荷狀況，裝配質(zhì)量，使用年

限，工作環(huán)境中的介質(zhì)、溫度，同類零件的使用情況等作詳細(xì)的了解和分析，再結(jié)合斷口

的宏觀特征、微觀特征，作出準(zhǔn)確的判斷，確定斷裂失效的主耍原因、次要原因。

7.確定失效對策

(1)設(shè)計方面

零件結(jié)構(gòu)時，應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中。在選擇材料時應(yīng)該有針對性，不能認(rèn)為高強度材

料就是好材料、應(yīng)根據(jù)環(huán)境介質(zhì)、溫度、負(fù)載性質(zhì)作適中選擇。

(2)工藝方面

外表強化處理可大大提高零件疲勞壽命。外表適當(dāng)?shù)耐繉涌煞乐褂泻橘|(zhì)造成的脆性

斷裂。某些材料熱處理時，在爐中沖入保護氣體可大大改善其性能。

(3)安裝使用方面

第一要正確安裝，防止產(chǎn)生附加應(yīng)力與振動。對重要零件，應(yīng)防止碰傷拉傷，因為每

一個傷痕都有可能成為一個斷裂源。第三應(yīng)防止設(shè)備過載，嚴(yán)格遵循設(shè)備的操作規(guī)程。有

些設(shè)備只能空載起動的就不要負(fù)載起動，以防止過大的沖擊載荷。

第四節(jié)零件的腐蝕失效

金屬零件在某些特定的環(huán)境中會發(fā)生化學(xué)反響與電化學(xué)反響，造成外表材料損耗，外

表質(zhì)量被破壞，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)損傷，最終導(dǎo)致零件失效。這一失效稱為零件的腐迎失效。

一、腐蝕與腐蝕失效危害的嚴(yán)重性

金屬腐蝕給人類帶來的損失是巨大的。其一是金屬材料的巨大損耗；其二是國民經(jīng)濟

的巨大損失；其三是對人類生命財產(chǎn)與工業(yè)生態(tài)環(huán)境的巨大威脅。

二、金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕

1.化學(xué)腐蝕

金屬零件外表材料與底圍的枯燥氣體或非電解質(zhì)液體中的有害成分直接發(fā)生化學(xué)反

響，形成腐蝕層，這種腐蝕稱為化學(xué)腐蝕。

2.電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是一種復(fù)雜的物理與化學(xué)腐蝕過程。金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕需要幾個根本條

件，一是有電解質(zhì)溶液存在；二是腐蝕區(qū)有電位差；三是腐蝕區(qū)電荷可以自由流動。

(1)電解質(zhì)溶液

電解質(zhì)溶液是存在丁金屬外表的電化學(xué)腐蝕介質(zhì)，包括水、酸堿鹽物質(zhì)的水溶液，熔

化狀態(tài)的鹽液等。一般來說，金屬零件外表如果沒有得到專門的保護，空氣中的水分就會

吸附在零件上形成電解質(zhì)溶液。

(2)金屬在電解液中的電位

金屬晶體是由金屬正離子和電子構(gòu)成的，在正常情況下，正負(fù)電荷平衡。影響金屬電

位上下的因素主要是金屬離子的活動性與電解質(zhì)的腐蝕性，因而：①在同一種電解液中，

不同金屬電位不同；②同一種金屬在不同電解液中電位不同：③同一種金屬，在同一種電

解液中，不同的組織，不同的含雜量，不同的應(yīng)變量，不同的應(yīng)力狀態(tài)，不同的外表溫度,

都會表現(xiàn)出不同的電位。

(3)腐蝕電池

當(dāng)具有電位差兩個金屬極和電解質(zhì)溶液相處一體時，就構(gòu)成了所謂腐蝕電池。由于低

電位的一極在電解液中釋放出來的是金屬陽離子，故將該極標(biāo)為陽極，而高電位的一極在

電解液中釋放電子，稱為陰極。

(4)宏電池與微電池

當(dāng)金屬零件外表上兩相鄰的微觀區(qū)域存在電位差，且外表存在電解質(zhì)溶液時，電化學(xué)

腐蝕同樣可以在這兩個微觀區(qū)域外表進行，這種電池稱為微電池或局部電池。

三、腐蝕失效主要表現(xiàn)形態(tài)

1.均勻腐蝕

當(dāng)金屬零件或構(gòu)件外表出現(xiàn)均與的腐蝕組織時，稱為均與腐蝕。均勻腐蝕可在液體、

大氣或土壤中產(chǎn)生?？諝庵械幕覊m含有酸、堿、鹽類微粒，當(dāng)這些微粒粘在冬件外表時，

也會吸收空氣的水分形成電解液造成零件外表腐蝕。

2.點腐蝕(穴點腐蝕)

當(dāng)零件外表的腐蝕集中在局部，呈鋒利小孔形態(tài)時，稱為點腐蝕。點腐蝕是最危險的

腐蝕形態(tài)之一。一方面，當(dāng)點腐蝕與均勻腐蝕共同發(fā)生的，點腐蝕穴易被均勻腐蝕產(chǎn)生的

疏松組織所覆蓋；另一方面，某些點腐蝕穴的直徑很小，但其深度甚至可以貫穿整個零件,

直到發(fā)生事故才發(fā)現(xiàn)點腐蝕被破壞。

3.縫隙腐蝕

縫隙腐蝕發(fā)生在金屬結(jié)構(gòu)外表的縫隙處，例如金屬板之間的縫隙，金屬板與非金屬板

之間的縫隙，或金屬宏觀裂紋縫隙。如果腐蝕介質(zhì)是水，那么水會溶解空氣中的氧，在縫

隙外的水，氧濃度高。而縫隙內(nèi)的水氧含量低。由丁縫隙內(nèi)外電解液濃度不樣，就使得

這兩個區(qū)域出現(xiàn)電位差，形成所謂“濃差電池二

4.晶間腐蝕

晶間腐蝕即是晶界及晶界附近組織與晶體之間通過微電池的形成發(fā)生的電化學(xué)腐蝕。

晶間腐蝕發(fā)生后，金屬的力學(xué)性能下降。腐蝕嚴(yán)重時，機件可能突然脆斷，釀成事故。而

且這種腐蝕具有隱蔽性，沒有明顯的宏觀形貌特征。容易發(fā)生晶間腐蝕的材料主要有不銹

鋼、鋁、鎂合金及鈦合金等。

5.氫損傷

大多數(shù)電化學(xué)腐蝕都會電離出氫離子，析出氫分子。氫的滲透與擴散能力極強，當(dāng)它

沿晶界進入金屬內(nèi)部以后，會產(chǎn)生氫脆效應(yīng)。

6.腐蝕疲勞

承受低交變應(yīng)力的金屬機件，在腐蝕環(huán)境下發(fā)生的斷裂破壞稱為腐蝕疲勞或腐蝕疲勞

斷裂。腐蝕疲勞的壽命比機械疲勞壽命小得多。不具有抗腐蝕性的材料都可以發(fā)生腐蝕疲

勞。

7.腐蝕磨損

腐蝕磨損是指在腐蝕性介質(zhì)中工作的摩擦副受到腐蝕與摩擦的綜合作用造成的外表破

燒。腐蝕磨損的根本過程是：腐蝕介質(zhì)侵蝕摩擦外表，形成腐蝕產(chǎn)物，在摩擦過程中腐蝕

物脫落，露出新的金屬外表，旋而又被迅速腐蝕，生成新的腐蝕層，如此反復(fù)，表層不斷

磨耗。在這一過程中，加速了磨損過程。

四、設(shè)備維修工程中的防腐技術(shù)

（一）外表覆蓋防腐

在需要保護的零件外表覆蓋金屬層、非金屬層、化學(xué)或電化學(xué)鈍化層等，使金屬外表

與周圍介質(zhì)隔離，這就是外表覆蓋防腐的原理。

1.外表覆蓋金屬層

通過電鍍、熱噴漆、熱鍍等方法，可以將抗腐蝕性較好的金屬結(jié)合在需要保護的零件

外表，形成抗腐的金屬膜或金屬層。

2.外表覆蓋非金屬層

常用的非金屬保護層材料有油漆、塑料、橡膠、瀝青、搪瓷、玻璃鋼等。工藝方法有

刷涂、噴涂、粘貼、壓貼、纏繞等。

3.外表氧化與磷化

表層氧化又稱為發(fā)藍(lán)處理。外表發(fā)藍(lán)處理與磷化是采用化學(xué)自理的方法使金屬外表形

成保護性氧化膜。

（二）緩蝕劑防腐

如果在腐蝕介質(zhì)中加少量某些物質(zhì)，就能消除或降低介質(zhì)對金屬的腐蝕作用，這些物

質(zhì)就叫做緩蝕劑。

1.無機緩蝕劑

無機緩蝕劑分為氧化型和非氧化型兩種。氧化型緩蝕劑在介質(zhì)中無氧存在時也能起緩

蝕作用，如硝酸鈉等；非氧化型緩蝕劑在介質(zhì)中無氧時，就不能起緩蝕作用，如硅酸鹽等。

2.有機緩蝕劑

有機緩蝕劑的保護機理是：使介質(zhì)中的金屬外表生成一層致密的鈍化膜，從而阻止了

介質(zhì)對金屬外表的腐蝕。

（三）電化學(xué)保護

在電化學(xué)腐蝕過程中，陽極金屬表層出現(xiàn)陽離子而受到腐蝕，陰極吸收了充裕的電子

而受到保護。

1.陰極保護

陰極保護是：使被保護對象成為陰極、外加一個陽極，從而到達(dá)保護的目的。這種方

法廣泛應(yīng)用與各種地下金屬管道、海水與淡水中的金屬設(shè)備、工業(yè)冷凝器與交換器等。常

用方法有兩種：一是犧牲一個陽極的陰極保護，二是利用外加電流的陰極保護。

2.陽極保護

陽極保護是將金屬設(shè)備或零件作為陽極，當(dāng)陽極電位足夠高時，需要保護的鋼鐵外表

即生成均勻的保護膜，因而隔開了腐蝕介質(zhì)。這一過程是鈍化過程。

〔四）防腐蝕結(jié)構(gòu)

1）應(yīng)防止電位差很大的金屬零件相互接觸，否那么容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。例如，鋁、

鎂合金不應(yīng)和銅、鋼等材料接觸。當(dāng)必須接觸時，必須用絕緣材料隔開，隔斷腐迎電流。

2）鋼結(jié)構(gòu)中不應(yīng)有積液、積塵結(jié)構(gòu)，對不可防止的溝槽應(yīng)有排泄孔，以隨時去除腐蝕

性介質(zhì)。

3）盡量不用鉀接結(jié)構(gòu)、單面焊接結(jié)構(gòu)和斷續(xù)焊接結(jié)構(gòu)，以防止縫隙腐蝕。

4）輸送腐蝕性介質(zhì)的管道應(yīng)盡量防止流速、壓力的突變，防止產(chǎn)生渦流，以防止產(chǎn)生

局部腐蝕和氣蝕。

5）某些防腐涂層如果容易破裂，不如不涂保護層，因為局部點腐蝕的危害甚于均勻而

緩慢的全面腐蝕。

第五節(jié)零件的畸變失效

機械零件在機械載荷或熱載荷作用下發(fā)生影響零件功能的變形稱為畸變。發(fā)生畸變的

零件表現(xiàn)為體積增大(或縮小)、彎曲、翹曲等。當(dāng)發(fā)生畸變的零件喪失了規(guī)定的功能時，

就稱為畸變失效。

一、彈性畸變失效

彈性畸變失效是在彈性范圍內(nèi)的失效，一般與零件的強度無關(guān)，是剛度問題。軸類零

件彈性畸變失效時，會使軸上零件工作失常及支承過載；對箱體類零件而言，就會造成系

統(tǒng)的振動。如果失效件的固有頻率與載荷頻率成整數(shù)倍數(shù)關(guān)系時，就會引起共振，是設(shè)備

根本無法工作。

影響彈性畸變的主要因素有：

(1)結(jié)構(gòu)因素

零件截面的結(jié)構(gòu)對其剛度影響最大。有時候，在一個焊接構(gòu)件上增加幾根加強肋，其

剛度就尤為改觀。對型鋼來說，在材料截面積相等的情況下，工字鋼剛度最大，槽鋼次之,

方形鋼最次。如果載荷使扭轉(zhuǎn)載荷，那么環(huán)形截面優(yōu)于實心截面。

(2)彈性模量的影響

材料的彈性模量越大，那么抗彈性畸變的能力最強。

(3)溫度的影響

在通常情況下，彈性變形量與溫度成正比，因為溫度升高時，彈性模量也隨著降低，

但溫度過高時，材料屈服強度降低，在載荷作用下，材料會發(fā)生顯著塑性變形。

二、塑性畸變失效

當(dāng)零件在宏觀上出現(xiàn)了明顯的塑性畸變，并超過了允許值時，即為塑性畸變失效。

金屬在發(fā)生彈性變形的過程中總是伴隨著微小的塑性變形，并會積累下來。金屬的另

一種塑性畸變是在恒定應(yīng)力的長期作用下連續(xù)不斷地發(fā)生的，這種塑性畸變亦稱為蠕變。

蠕變又分為三種：①在結(jié)晶溫度以下發(fā)生的蠕變一一對數(shù)蠕變；②在再結(jié)晶溫度區(qū)內(nèi)發(fā)生

的蠕變一一回復(fù)蠕變；③在接近熔點溫度時發(fā)生的蠕變一一擴散蠕變。

溫度、載荷、材質(zhì)性能是影響塑性畸變失效的主要因素，除此之外，以下因素也不可

無視:

(1)材質(zhì)缺陷

材質(zhì)缺陷主要是指因熱處理不良造成的組織缺陷。

(2)設(shè)計不當(dāng)

設(shè)計精度過低，對載荷估計缺乏，會造成接觸副的干預(yù)、偏載及過載現(xiàn)象。對溫度估

計過低，勢必影響合理選材。

(3)使用維護不當(dāng)

因使用維護不當(dāng)造成的塑性畸變失效時有發(fā)生。操作失誤會使主要零件嚴(yán)重過載。檢

修設(shè)備時，不合理的拆裝方法、零件位置的裝配錯誤、細(xì)長軸類零件不適當(dāng)?shù)拇娣欧椒ǘ?/p>

可能導(dǎo)致零件塑性畸變失效。

三、翹曲畸變失效

形狀比擬復(fù)雜的零件出現(xiàn)大小和方向都不均勻的變形、出現(xiàn)翹曲狀外形，使形位精度

喪失，這種情況稱為翹曲畸變失效。

影響翹曲變形的因素有：

(1)溫度變化的不均勻性

這包括兩個方面，一是零件或構(gòu)件在熱處理時，各部位不均的升溫過程與降溫過程，

會使內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的剩余應(yīng)力、熱應(yīng)力或相變應(yīng)力，導(dǎo)致原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，零

件翹曲：二是零件在工作過程中或局部焊修過程中，各部位的溫升出現(xiàn)差異時，局部應(yīng)力

發(fā)生改變，打破了零件內(nèi)部原有應(yīng)力系統(tǒng)的平衡而導(dǎo)致翹曲變形。

(2)零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

冬件斷面形狀越復(fù)雜，斷面尺寸變化越大，發(fā)生翹曲變形的趨勢就越強，在加工和熱

處理過程中越難以控制。

(3)設(shè)備安裝不良

機械設(shè)備在安裝時，如果根底不平，各支撐點的支撐力不合理、地腳螺栓緊固不均勻，

就相當(dāng)于機身增加了額外載荷，會使支撐件不均勻蠕變而翹曲。

四、畸變失效分析

下面以某液壓系統(tǒng)中柱塞閥發(fā)生卡死失效為例，工程技術(shù)人員的分析過程如F：

(1)分析的目標(biāo)

找出柱塞運動受阻的原因，并提出對策以保證系統(tǒng)正常工作。

(2)失效件失效狀態(tài)調(diào)查

正常件應(yīng)是中間閥柱與閥體孔為第一種間隙配合，但失效閥已喪失相對滑動的可能。

隹］開后測得閥體孔己為負(fù)公差，閥柱正常，但兩圓柱外表稍有擦痕，可見閥體柱孔已發(fā)生

塑性畸變。

(3)顯微組織比照分析

取失效閥體內(nèi)孔處組織與正常工作閥體內(nèi)孔處組織作金相試樣比照分析。正常閥體滲

碳層的顯微組織是清晰的馬氏體，其間有少量分散的奧氏體，而失效閥體的滲碳層組織含

有相當(dāng)多的剩余奧氏體，特別是在近外表處更多。

(4)結(jié)論

在失效件表層具有不穩(wěn)定的剩余奧氏體數(shù)量相當(dāng)多。在閥柱高壓接觸和卸壓過程中，

剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體過程，體積增大造成圓柱的孔尺寸

畸變乃至孔變小為負(fù)公差并引起柱塞被緊擠而不能正常工作。至于剩余奧氏體過多那么是

由于失效件滲碳時，碳勢調(diào)的太高所造成的。

(5)對策

改變滲碳?xì)怏w的成分，控制滲碳零件在熱處理時不要保存過量的奧氏體。反響試驗證

明對策是正確的

第二章設(shè)備的使用與維護

第一節(jié)設(shè)備的使用

設(shè)備在使用過程中，由于受到各種力的作用和環(huán)境條件、使用方法、工作標(biāo)準(zhǔn)、工作

持續(xù)時間等因素的影響，其技術(shù)狀態(tài)會發(fā)生變化而逐漸降低工作能力。想要控制這一時期

的技術(shù)狀態(tài)變化，延長設(shè)備工作能力下降的進程，最重要的措施就是要合理正確的使用設(shè)

備。

一、合理安排生產(chǎn)任務(wù)

企業(yè)在安排生產(chǎn)任務(wù)時，必須注意到設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能、精度、技術(shù)要求以及適用的

工作范圍，要使工件的工藝要求與設(shè)備的使用標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。切勿大機小用，否那么不僅浪

費能源，而且還難以到達(dá)工件的工藝精度要求。同時，還要防止“精機粗做”，影響精密機

床的壽命。嚴(yán)禁超載使用，否那么，不但會降低設(shè)備壽命，甚至還會造成設(shè)備和人身事故。

因此，要使設(shè)備充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，以保證平安生產(chǎn)、文明操作，就應(yīng)對設(shè)備合理地

安排生產(chǎn)任務(wù)。

二、配備合格的設(shè)備操作人員

機械設(shè)備是科學(xué)技術(shù)的運用和表達(dá)，隨著設(shè)備日益現(xiàn)代化，其結(jié)構(gòu)原理也日益復(fù)雜，

要求具有一定文化水平和技術(shù)熟練的工人來掌握使用。

企業(yè)應(yīng)對操作運行人員進行技術(shù)培訓(xùn)和崗位職務(wù)培訓(xùn)。技術(shù)培訓(xùn)的目的在于使操作運

行人員具有必要的文化技術(shù)素質(zhì)，是一種根底培訓(xùn)。崗位職務(wù)培訓(xùn)是針對一定的設(shè)備、產(chǎn)

品和生產(chǎn)條件進行專門訓(xùn)練，使操作人員熟知設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能、原理、使用維護方法。

三、設(shè)備操作的根本功培訓(xùn)

1.對設(shè)備使用者的“三好”要求

(1)管好設(shè)備

操作者應(yīng)負(fù)責(zé)保養(yǎng)和管理好自己使用的設(shè)備，未經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)同意，不準(zhǔn)其他人上機操作使

用。

(2)用好設(shè)備

嚴(yán)格貫徹操作維護規(guī)程和工藝規(guī)程，嚴(yán)禁超負(fù)荷使用設(shè)備，杜絕不文明操作。

(3)修好設(shè)備

設(shè)備操作工人要配合維修工人修理設(shè)備，及時排除設(shè)備故障，按方案交修設(shè)備。

2.對操作工人根本功的“四會”要求

U)會使用

操作者應(yīng)先學(xué)習(xí)設(shè)備操作維護規(guī)程，熟悉設(shè)備性能、結(jié)構(gòu)、傳動原理，弄懂加工工藝

和刀裝工具，正確使用設(shè)備。

(2)會維護

學(xué)習(xí)和執(zhí)行設(shè)備維護、潤滑規(guī)定，上班加油，下班清掃，經(jīng)常保持設(shè)備內(nèi)外清潔、完

好。

(3)會檢查

了解自己所用設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能及易損零件部位，熟悉日常點檢、掌握檢查的工程、

標(biāo)準(zhǔn)和方法，并能按規(guī)定的要求進行日常點檢。

(4)會排除故障

熟悉所用設(shè)備特點，懂得拆裝考前須知及鑒別設(shè)備正常與異?，F(xiàn)象。會作般的調(diào)整

和簡單故障的排除。

3.設(shè)備操作者的“五項紀(jì)律”

1）實行定人定機，憑操作證使用設(shè)備，遵守平安操作規(guī)程。

2）經(jīng)常保持設(shè)備整潔，按規(guī)定加油，保證合理潤滑。

3）遵守交接班制度，設(shè)備本班使用情況，應(yīng)記錄在案稟報下一班操作人員。

4）管好工具、附件，不得遺失。

5）發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停車檢查，自己不能解決的問題要及時通知有關(guān)人員檢查處理。

四、建立健全的設(shè)備使用管理規(guī)章制度

設(shè)備使用管理規(guī)章制度，主要包括設(shè)備使用規(guī)程、設(shè)備維護規(guī)程、操作人員崗位責(zé)任

制，交接班制度和操作工巡回檢查制度等。正確地、嚴(yán)格地執(zhí)行這些規(guī)章制度，是合理使

用設(shè)備的重要措施。設(shè)備管理人員應(yīng)該在規(guī)章制度的制訂、完善，以及執(zhí)行情況的落實方

面多下工夫。

第二節(jié)延長機械的使用壽命的方法

同一種型號的工程機械，由于設(shè)計水平，制造質(zhì)量，使用環(huán)境以及使用維修單位的技

術(shù)和管理水平各不相同，其使用壽命會有很大的差異。因此，工程機械的研究，設(shè)計，制

造，安裝直至運行，保養(yǎng)和維修全過程，都有責(zé)任為延長機械的壽命作出奉獻(xiàn)。

一、優(yōu)秀的設(shè)計是延長機械使用壽命的首要環(huán)節(jié)

優(yōu)秀的設(shè)計是延長機械使用壽命的首要環(huán)節(jié)。日本提出“設(shè)計立業(yè)”，遂使日本產(chǎn)品

經(jīng)久耐用，行銷全球。在我國的鐵路施工現(xiàn)場，主力設(shè)備許多是日本產(chǎn)品，根據(jù)人體工程

學(xué)設(shè)計的座椅、操縱臺、環(huán)保型的低噪聲發(fā)動機，我睹賞心悅目的流線型駕駛室等深受使

用都?xì)g送。

要日本日立建機，卡特彼勒-三菱，小松，神戶制鋼等廠商的設(shè)計資料介紹，延長機械

便用壽命的主要設(shè)計方法是推行可行性設(shè)計的維修設(shè)計。日本新卡特彼勒一三菱公司運用

負(fù)荷分析方法，準(zhǔn)確地分析了推土機等施工現(xiàn)場受力部件的應(yīng)力分析，提出了延長機件壽

命的設(shè)計（長壽設(shè)計），即：①降低面壓（機件外表的接觸應(yīng)力），如用螺旋齒代替漸開線齒

輪，使重迭系數(shù)增大。②分散負(fù)荷，如采用三角形必帶行走系代替常遠(yuǎn)見的履帶行走系，

將驅(qū)動輪從常規(guī)的觸地式移至三角形頂部，與地面脫離接觸，使驅(qū)動輪從承受的沖擊負(fù)荷,

作業(yè)負(fù)荷大同度減小。③減少熱量，如采用濕式離合器，濕式制動器等，以減少磨擦熱。

設(shè)計時努力改善機械的維修性是延長壽命的有力措施。維修性的定義為：“對系統(tǒng)、設(shè)備、

機件進行維修的難易程度或性質(zhì)”。部件或整機的使用壽命和其維修性的好壞有很大關(guān)系。

日本建機生產(chǎn)廠家認(rèn)為，如果機械維修性好，易于維修，能夠采用“低本錢的快速修

理”，可使機件經(jīng)常處于良好的技術(shù)狀態(tài)，一旦出了故障，由于可以低本錢快速修理，無

需更換新件或新機，這實際上就延長了機械的使用壽命。所以在設(shè)計新機時，必須設(shè)法提

高其維修性，其主要原那么有：①拆裝簡單化。如采用OPS管接頭（0形密封圈接頭），別

離式鏈軌節(jié)、翻轉(zhuǎn)式駕駛室或發(fā)動機罩，間隙可調(diào)的較接結(jié)構(gòu)等。②部件組合化。將零部

件設(shè)計成便于拆裝的組件，如CATD9L推土機，由于采用了部件組合化設(shè)計，比CATD9H

推土機的部件拆裝時間減少了60加75%。③加油集中化。如小松公司生產(chǎn)的大型推土機，

將變速器，變矩器等部件的加油口（含油過濾器）、測壓點集中布置在一處，駕駛員站在地

面就可以同時向上述部件加油和檢查油壓，免去了爬上爬下的勞累，有利于確保潤滑按期

進行和防止遺漏。④檢查監(jiān)控化。運用電子和微要技術(shù)，對油量，油溫，軸溫，水溫，振

動及負(fù)荷進行監(jiān)控，防故障于未然。⑤延長潤滑周期。如采用雙過濾器使油不易老化；對

輕負(fù)荷，活動不頻繁的桿系較接部采用含油軸承，實現(xiàn)無油潤滑；采用密封潤滑式履帶等

來減少油的老化，泄漏，即延長了潤滑周期，減少了維修作業(yè)量，又可確保機件處于良好

的潤滑狀態(tài)。⑥易損件通用化，對常用的易損件，盡量采用通用件，以減少備件儲藏，方

便備用件采購。⑦隨機工具完備。在設(shè)計隨機工具時應(yīng)考慮周全。便于駕駛員進行日常維

護修理。⑧盡可能從設(shè)計上減少維修工程，逐步實現(xiàn)無維修設(shè)計。采用新材料是延長機械

壽命的有效措施，近年來，材料科學(xué)開展迅速，大量高強度，耐磨，抗振和抗沖擊的新材

實不斷地出現(xiàn)，在設(shè)計新機時應(yīng)根據(jù)機械性能與工況選用相適應(yīng)的新材料，以延長其使用

壽命。

二、提高機械產(chǎn)品的質(zhì)量使之經(jīng)久耐用

為了提高機械的質(zhì)量，使之經(jīng)久耐用，各生產(chǎn)廠家都有自己的質(zhì)量保證體系，和檢測

手段。有些施工機械主機與總成件質(zhì)量較好。但外協(xié)廠家生產(chǎn)的機械附件質(zhì)量不好，致使

整機經(jīng)常出現(xiàn)故障，如有一種裝載機僅僅是由于主操縱閥平安密封圈質(zhì)量不過關(guān)，需經(jīng)常

更換，增加了維修工作量。所以，主機廠應(yīng)嚴(yán)格按驗收標(biāo)準(zhǔn)外協(xié)件，不合格的外協(xié)件不準(zhǔn)

裝機。

三、正確合理使用是延長施工機械的壽命的關(guān)鍵

為了延長施工機械的壽命，在使用方面必須堅持實行“二定三包”制度（定人、定機、

包使用、包保管、包保養(yǎng)），機械操作人員要做到“三懂”（懂構(gòu)造、懂原理、懂性能），“四

會”（會使用、會保養(yǎng)、會檢查、會排除故障），正確使用機械，嚴(yán)格執(zhí)行平安技術(shù)操作規(guī)

程，并對機械設(shè)備實行目標(biāo)本錢管理，將操作者經(jīng)濟效益與機械使用費（如燃料電力費，維

修費，保養(yǎng)費，工具費等）掛鉤，并加強對機管人員的班業(yè)道德教育與培訓(xùn)。這里需要特別

指出的一個常被無視的問題，即環(huán)境因柴素對使用機械的影響。施工機械大局部是露天作

業(yè)，作業(yè)地點經(jīng)常變動所以其性能受到作業(yè)場地的溫度，氯壓，污染，路況及天氣等因素

的影響很大。不少施工單位由于無視了環(huán)境因素對使月機械的影響，未采取相應(yīng)的保護性

或適應(yīng)性措施，致使機械使用性能降低，使用壽命縮短，甚至釀成事故。如果在施工現(xiàn)場

采取有效措施，如經(jīng)常使施工便道保持平整，及時養(yǎng)護；雨天將便道上的水坑及時填平，

晴天經(jīng)常灑水，減少灰塵；修施工便道時因地制宜地減少坡度等，都對延長機械壽命有

利。

四、實行定期保養(yǎng)

對機械實行定期保養(yǎng)是延長機械壽命的關(guān)鍵。鐵路施工單位對機械的保養(yǎng)有很多的明

確規(guī)定，但是不少施工單位對機械的保養(yǎng)有很多的明確規(guī)定，但是不少施工單位一到工期

緊，任務(wù)重時往往無視保養(yǎng)工作，認(rèn)為機械在政黨運行，沒有故障，無需停下來進行保養(yǎng)。

因為保養(yǎng)能消除機械隱患，假設(shè)不及時保養(yǎng)，往往會使機械設(shè)備出現(xiàn)大的故障，甚至發(fā)生

事故。這樣既增加維修費用，又耽誤工程工期。

五、掌握正確的機械維修的方法有效地延長使用壽命

維修工作是延長機械設(shè)備使用壽命的重要環(huán)節(jié)，采用合理的維修方法可以有效地延長

工程機械的使用壽命。據(jù)日本的統(tǒng)計資料，采用狀態(tài)監(jiān)測，按南非修理的維修方式，每年

的維修費可以減少25%—50%,故障發(fā)生率減少75%,并可延長機械使用壽命，鐵二局檢測

中心每年到工地對大型進口機械進行狀態(tài)檢測，取得了良好的效果，使維修費下降了

10%—30%,修理量減少了47%,機械完好率上升，使用壽命增長。日本建機廠提出的“低

本錢快速修理法”也是延長機械或零件使用壽命的有效方法。

實施此法，除了機械設(shè)計時采用維修性設(shè)計，提高機械的維修性外，在維修實踐上還

可采用以下方法：①零件換位，施工機械上的許多零件，如推土機，挖掘機的履帶銷，柴

泊朵缸套等，在運行中往往承受單向負(fù)荷，從而造成不均衡的磨損，如果適時地更換受到

有均衡負(fù)荷零件的位置，使它們的磨損均衡，那么可延長其使作壽命。一臺T-320推土機

采用康明斯NT-855發(fā)動機缸套，每半年太要因穴蝕而更換，后來在氣缸套運行一段時間后

轉(zhuǎn)動90。安裝，便有效地延長了使用壽命。②刷鍍與膠粘修賃，在施工現(xiàn)場運用刷鍍膠粘

修復(fù)工藝，也可以快速低本錢地修復(fù)失效零件。隨著維修技術(shù)的進步，可延長機械零件使

用壽命的先進修復(fù)工藝大量出現(xiàn)，如耐磨堆焊，噴涂金剛石一銀鍍層，磁性電鍍，激光電

鍍等。施工單位因條件所限，不能一一使用，但可與地方大型生產(chǎn)企業(yè)合作，合理利用先

時修復(fù)工藝，以延長機械使用壽命。

六、其它

上面討論的都是延長機械物理壽命的方法，實際上，機械的壽命還有經(jīng)濟壽命和技術(shù)

壽命之分。經(jīng)濟壽命是從經(jīng)濟的角度盾機械最合理的使用期限，具體的說就是指能使機械

的年平均使用本錢（由機械購置費的年分?jǐn)傤~和機械的年運行費用兩局部組成）最低的年

數(shù)。技術(shù)壽命是從技術(shù)析角度看機械最合理的使用期限，具體的說是指從機械開始使用到

因技術(shù)落后而被淘汰所持續(xù)的時間，它與技術(shù)進步的速度有關(guān)，而志機械的運轉(zhuǎn)時間無關(guān)。

機械的使用壽命并不是越長越好，不恰當(dāng)?shù)难娱L機械的使用壽命有時反而會造成經(jīng)濟損失,

甚至阻礙技術(shù)進步，只有適時地更換機械，才能促時技術(shù)進步，加速經(jīng)濟增長，節(jié)維能源,

提高經(jīng)濟效益。

第三節(jié)潤滑保養(yǎng)

潤滑油的變質(zhì)，是造成機器磨損的重要原因：

每一部機械設(shè)備，都須數(shù)拾萬元或數(shù)百萬元，漏油磨損是機械工業(yè)之普遍問題，主要是

工廠管理者不知潤滑'油，何時會變質(zhì)需要更換，變質(zhì)機油一直在使用才造成。一般發(fā)動機

泊可能使用200-300小時就變質(zhì)失效。

一般工業(yè)潤滑油，可能用了3-6個月就變質(zhì)，但工廠不知672個月后潤滑油已經(jīng)變質(zhì)

失效，尚在使用造成磨損金屬零件、腐化、硬化密封片造成漏油，操作不順、效率降低（因

泊沒有潤滑度，易起泡沫、乳化、黏度喪失…等）。

一、潤滑油檢測的傳統(tǒng)方法

（一）辨色法

取出少量機油盛在無色透明的容潛內(nèi)，觀察其顏色。正常的為棕色和藍(lán)黑色。假設(shè)呈

乳黃色，那么說明機油中摻入了柴油或水分，應(yīng)及時更換。假設(shè)呈深黑色，那么說明機油

已經(jīng)變質(zhì)，必須及時更換。

（二）油斑法

將待查機油攪勻后滴在白紙上（最好是濾紙），形成油斑，油斑從中心向外經(jīng)過大約2?

3個小時的逐漸擴散，形成三個同心圓環(huán)。根據(jù)這三個區(qū)域的顏色、寬窄和形態(tài)就可以區(qū)

分機油的狀態(tài)。

（三）、捻磨法

從油低殼中取出少許機油，涂在手指上，用手指和拇指捻磨。如果感到油中有雜質(zhì)或

像水一樣無粘稠感，甚至發(fā)澀或有酸味，機油已經(jīng)變質(zhì)。如果捻磨后在手指上能見到細(xì)小

閃亮的金屬磨削，那么說明發(fā)動機存在比擬嚴(yán)重的磨損部位，同時也說明機油必須立刻更

黑

級油斑形態(tài)鑒別判

別斷

I核心區(qū)與擴散區(qū)光亮無色或顏色很淺，無沉淀圈新機油或使用時間很短新

油

2核心區(qū)與擴散區(qū)界限清楚，擴散區(qū)很寬，氧化環(huán)油品使用時間不長，污染程度較重良

明亮好

3核心區(qū)暗黑，擴散區(qū)清楚，氧化環(huán)明亮油品使用較久，污染程度較重，沉積物

較多般

4核心區(qū)深黑，擴散區(qū)變窄，氧化環(huán)淺黃油品使用時間長，污染程度重，沉根物較

多差

油品在系統(tǒng)工作中所產(chǎn)生的不良雜質(zhì)數(shù)量是不允許無限度增加的，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度以

后，就不能滿足系統(tǒng)對油品的要求了，于是這種油就成為報廢油，需要加以更換。假設(shè)不

更換，繼續(xù)使用，便會加快運動零件的磨損，并使系統(tǒng)產(chǎn)生故障，而降低設(shè)備的使用壽命。

二、油品的報廢判斷

如何判定油品是否應(yīng)該報廢，這是個較為復(fù)雜的問題，因為使用條件的不同，各種機

械設(shè)備對油的要求的不同，需要結(jié)合實際使用情況而定。這里僅列出一般的指標(biāo)作為判定

成為報廢油的標(biāo)準(zhǔn)，以供參考。

（一）油品判定為廢油的指標(biāo)

1、機械雜質(zhì)含量超過2%以上

2、含水量超過2.5%以上

3、酸值(mgKOH/g)超過L5%以上

4、粘度增大超過規(guī)定25%時

5、炭渣值超過2%以上

6、灰分超過0.2%以上

7、含燃料油量超過10%以上

三、傳統(tǒng)潤滑油檢測方法的缺乏之處

雖然有國家標(biāo)準(zhǔn)來決定潤滑油是否更換，但大多數(shù)維修人員換油主要還是根據(jù)使用時

間(廠家規(guī)定)以及潤滑油顏色和粘度來判斷。實際上，上述幾種方法都有不合理之處。比

方根據(jù)顏色進行判斷，某些品牌新潤滑油就呈現(xiàn)黑色，有些潤滑油參加清凈分散劑過多也

可能變黑，而此時潤滑油卻沒失效，對經(jīng)驗缺乏的人可能引起誤判。長久以來，工業(yè)機械

操作師傅都是用手摸、目視或感覺來決定其機械、發(fā)動機使用的液壓油、齒輪油、機油、

空壓機油是否變質(zhì)，有沒有油膜潤滑度、保護成效和工作效率。事實上，用這些傳統(tǒng)方法,

完全是師傅個人經(jīng)驗，是否正確值得工廠管理者深思討論。

在長期訪問了數(shù)拾家國內(nèi)運輸公司，油壓沖壓機工廠、射出成型機工廠及沙石、礦山

破碎機工廠，我們覺察這些行業(yè)的管理者、工程師及操作師傅幾乎百分之80都不了解其機

械、發(fā)動機潤滑油使用標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)資料?，為何指定使用，某一API、SAE或DIN等級的潤

滑油而不用其它等級油的意義在那里？這些等級的差異在那里？當(dāng)機械、發(fā)動機使用了多

少小時或多少哩程后，這些潤滑油會變成什幺特性？是否還在API、SAE、DIN或機械、引

擎生產(chǎn)工廠建議標(biāo)準(zhǔn)的品質(zhì)認(rèn)可范圍內(nèi)？

在這長期的訪問里，我們發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)的機械都在漏油，大多數(shù)機械、發(fā)動機磨損嚴(yán)

重成效不佳、操作不良，我們抽驗了一些尚在機械引擎使用中的潤