淺談機(jī)械產(chǎn)品失效模式

李 靜

（遼寧省輕工科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 斷裂失效

1.1 韌性斷裂

韌性斷裂是零件經(jīng)過(guò)大量變形后發(fā)生的斷裂，金屬零件韌性斷裂的機(jī)理主要是滑移分離和韌窩斷裂。

（1）滑移分離：在韌性斷裂之前金屬晶體在切應(yīng)力的作用下一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)另一部分發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)滑移運(yùn)動(dòng)過(guò)量時(shí)就會(huì)出現(xiàn)滑移分離現(xiàn)象，微觀可見(jiàn)滑移臺(tái)階、蛇形花樣和等。

（2）韌窩斷裂：金屬韌性斷裂的主要特征為韌窩，韌窩是金屬材料在微小的范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形表現(xiàn)為顯微孔洞，其經(jīng)過(guò)形核、核長(zhǎng)大、聚集、彼此連接后導(dǎo)致斷裂并在斷口的表面形成痕跡，因?yàn)槭艿綉?yīng)力狀態(tài)不同，韌窩花樣一般表現(xiàn)為正交韌窩、剪切韌窩和撕裂韌窩。韌性斷裂斷口宏觀形貌粗糙、顏色呈灰黑色、表面呈纖維狀，邊緣與零件表面呈45°斜角，且斷口處有明顯的塑性變形，其微觀特征為韌窩。影響材料斷裂韌性的因素有化學(xué)成分、基體相組織結(jié)構(gòu)以及晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、夾雜物及第二相、顯微組織、特殊改性處理。

1.2 脆性斷裂

脆性斷裂是指零件未經(jīng)明顯的變形而發(fā)生的斷裂，其主要特征有：

（1）零件斷成兩部分或碎成多塊，且斷裂后的殘片能很好地拼湊復(fù)原，斷口能很好的吻合，在斷口附近沒(méi)有宏觀是塑性變形跡象。

（2）脆斷的裂紋源總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開(kāi)始。

（3）脆斷斷口宏觀上平直，斷面與正應(yīng)力垂直，斷口上往往能觀察到放射狀或人字條紋。

（4）脆斷時(shí)一旦發(fā)生開(kāi)裂，裂紋便會(huì)迅速擴(kuò)展，其擴(kuò)展速度可達(dá)到聲速，帶來(lái)的后果常是災(zāi)難性的。

脆性斷口宏觀形貌是斷口平齊且光亮，與正應(yīng)力垂直，斷口微觀形貌呈人字或放射花樣。

防止脆性斷裂的措施：在零件的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中應(yīng)控制好材料的斷裂韌性水平，鋼結(jié)構(gòu)的工作溫度和應(yīng)力狀態(tài)，以及載荷類(lèi)型和環(huán)境因素等；在冶金過(guò)程中對(duì)鋼中的有益元素要保證在規(guī)定的范圍，而對(duì)提高鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性的有害元素和夾雜含量必須控制在規(guī)定范圍內(nèi)；細(xì)化晶粒能夠提高鋼材塑性、韌性，是避免脆斷的重要手段。

1.3 疲勞斷裂

疲勞斷裂是零件在循環(huán)載荷的作用下，局部應(yīng)力集中先形成裂紋源，然后產(chǎn)生裂紋，隨后裂紋迅速的擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。

典型的疲勞斷口宏觀形貌分為疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終瞬斷區(qū)三部分，表現(xiàn)為脆性斷裂，斷口附近無(wú)塑性變形，起源位置顏色較深，一般為多源疲勞，可見(jiàn)人字紋狀走向，尖端指向源區(qū)，瞬斷區(qū)與應(yīng)力方向呈45°斜角，其微觀形貌可見(jiàn)疲勞輝紋。在機(jī)械零件失效中有80%以上屬于疲勞斷裂，且疲勞斷裂無(wú)法提前檢查，所以采取預(yù)防措施極為重要，影響金屬零件疲勞斷裂的有內(nèi)因、外因兩種因素，其中內(nèi)因包括殘余應(yīng)力、晶粒尺寸、化學(xué)成分、夾雜物和缺陷，外因包括材料的表面形態(tài)和載荷形式。

2 非斷裂失效

2.1 磨損失效

（1）粘著磨損。粘著磨損是在滑動(dòng)摩擦的過(guò)程中，兩個(gè)摩擦的接觸面局部發(fā)生金屬粘著，粘著處在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中被破壞，破壞處會(huì)有金屬物從零件的表面拉扯下來(lái)。

粘著磨損的影響因素有潤(rùn)滑條件和環(huán)境、摩擦副的硬度、晶體結(jié)構(gòu)和晶體互溶性、溫度，合理的選擇配對(duì)材料，規(guī)定并控制摩擦接觸面的溫度，采取相應(yīng)的表面處理，控制壓強(qiáng)、添加潤(rùn)滑劑等可減輕粘著磨損。

（2）磨粒磨損。磨粒磨損一般有兩種形式，一種是切削或者磨削時(shí)磨粒進(jìn)入基體表面，磨粒會(huì)在金屬表面磨出一條條溝槽；另一種是較高強(qiáng)度的顆粒進(jìn)入摩擦面，使摩擦面磨出溝槽。

磨粒磨損的影響因素有磨粒的相對(duì)硬度、磨粒的幾何形狀和粒度、載荷、重復(fù)摩擦次數(shù)、滑動(dòng)速度等。

（3）沖蝕磨損。沖蝕磨損是固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對(duì)運(yùn)動(dòng)其表面材料所發(fā)生的損耗，一種顆粒以一定的速度向材料表面撞擊，材料表面被磨去一些材料，在材料B表面留下一個(gè)凹坑。影響磨粒磨損的因素有沖蝕速度：對(duì)于延性材料來(lái)說(shuō)，在沖蝕速度＜10m/s時(shí)，隨沖角增大，材料的沖蝕磨損率不斷增加；沖蝕角度。通常采用涂抹預(yù)保護(hù)涂層的辦法來(lái)防護(hù)。

（4）疲勞磨損。疲勞磨損是兩個(gè)產(chǎn)品接觸面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸面會(huì)受到循環(huán)應(yīng)力的作用，當(dāng)其受到的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)產(chǎn)品接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)品的接觸面會(huì)形成疲勞裂紋源，并產(chǎn)生裂紋迅速擴(kuò)展使表面層局部脫落。

增加零件表面硬度可降低產(chǎn)品產(chǎn)生疲勞裂紋；產(chǎn)品表面越光滑越能增加產(chǎn)品的疲勞壽命；使用適宜的潤(rùn)滑油可以提高產(chǎn)品的抗疲勞磨損能力。

（5）腐蝕磨損。兩個(gè)產(chǎn)品在摩擦過(guò)程中，摩擦表面會(huì)與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并形成產(chǎn)物，形成的產(chǎn)物能夠影響滑動(dòng)和滾動(dòng)過(guò)程中的表面摩擦特性，摩擦表面形成的反應(yīng)物通常和產(chǎn)品表面的結(jié)合性能較差，在后續(xù)的摩擦過(guò)程中，這些產(chǎn)物會(huì)被磨掉，這種現(xiàn)象就是腐蝕磨損。

腐蝕磨損的影響因素有環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)、產(chǎn)品表面膜層的性質(zhì)以及環(huán)境的溫濕度等。

（6）微動(dòng)磨損。當(dāng)兩個(gè)相互接觸的表面產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng)時(shí)，受到振動(dòng)的作用產(chǎn)生相對(duì)滑移而導(dǎo)致微動(dòng)損傷，微動(dòng)損傷的滑移只產(chǎn)生在相互接觸的部分，摩擦面保持相互緊密接觸，磨屑被夾在接觸面之間，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，接觸表面形成疲勞裂紋源，相接處的兩個(gè)產(chǎn)品表面造成損傷，這就是微動(dòng)磨損。

影響微動(dòng)磨損的因素主要與擺動(dòng)角度和負(fù)荷有關(guān)，也和重復(fù)次數(shù)相關(guān)。

2.2 腐蝕失效

（1）點(diǎn)腐蝕。點(diǎn)腐蝕又稱孔蝕，點(diǎn)腐蝕的形成過(guò)程是介質(zhì)中的陰離子被吸附在產(chǎn)品表層，并金屬表層產(chǎn)生破壞。被破壞的地方與未被破壞的地方就會(huì)構(gòu)成反應(yīng)。由于陽(yáng)極面積比陰極面積小很多，而陽(yáng)極電流的密度又非常大，雖然宏觀腐蝕量級(jí)小，但活性溶解繼續(xù)深入，再形成應(yīng)力集中，從而加速了設(shè)備破壞。

（2）縫隙腐蝕?？p隙腐蝕是指在電解質(zhì)中，在金屬與金屬或金屬與非金屬表面之間狹窄的縫隙內(nèi)產(chǎn)生和一種局部腐蝕。在狹縫內(nèi)溶液的運(yùn)動(dòng)受到阻滯，溶液中的氧會(huì)慢慢消耗，導(dǎo)致縫隙中氧的濃度低于周邊溶液的濃度，使縫隙內(nèi)金屬成為小陽(yáng)極，周邊的金屬成為大陰極。

（3）晶間腐蝕。金屬的晶粒間界是取向不同的晶粒間原子紊亂結(jié)合的界域。因而，晶界通常是金屬中的熔制元素偏析或化合物沉淀析出的有利地區(qū)。在某些腐蝕介質(zhì)中，金屬基體的晶粒間會(huì)優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使晶粒之間的結(jié)合力降低而引起的局部破壞，稱為晶間腐蝕。在這種狀態(tài)下，金屬材料的晶界區(qū)域比晶粒本體溶解速度快，這種腐蝕就是晶間腐蝕。

（4）接觸腐蝕。由于腐蝕電池作用而產(chǎn)生的腐蝕稱為接觸腐蝕。接觸腐蝕是局部腐蝕的一種特殊形態(tài)，發(fā)生的條件是兩種或者兩種以上具有不同電位的物質(zhì)在電解溶液中相接觸，從而導(dǎo)致電位更負(fù)的物質(zhì)腐蝕加速。焊縫結(jié)構(gòu)中的不同金屬部件的連接處等部位易于發(fā)生接觸腐蝕。在一些類(lèi)似于導(dǎo)體、半導(dǎo)體的物質(zhì)中，與之接觸的金屬也會(huì)發(fā)生腐蝕加速的形象。

（5）空氣腐蝕?？諝飧g失效是在液體材料與固體材料間相對(duì)很高的速度作用下，空氣會(huì)在材料表面的低壓區(qū)形成氣泡并迅速破滅，這種局部腐蝕就是空氣腐蝕，又稱氣蝕。

（6）磨耗腐蝕。在摩擦力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下會(huì)在材料表面加速腐蝕，這種破壞現(xiàn)象就是磨耗腐蝕，同上述所講的腐蝕磨損。磨耗腐蝕發(fā)生的基本條件是：工藝介質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性、流動(dòng)介質(zhì)中含有固體顆粒、介質(zhì)與金屬表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大且流向一定。

（7）應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕是指敏感的金屬材料在拉引力和腐蝕介質(zhì)環(huán)境共同作用下所產(chǎn)生的一種特殊斷裂方式。