机械零件失效形式及简要分析.docx

I 断裂 脆性断裂是一种构件未经明显的变形而发生的断裂，当零件在外载荷作用 下，由于某一危险截面上的应力超过零件的抗拉强度时将会发生脆性断裂，发 生脆性断裂时，零件几乎没有发生过塑性变形如杆件脆断时没有明显的伸长 或弯曲，更无缩颈，容器破裂时没有直径的增大及壁厚的减薄图 1. 脆性断裂实例分析：传统力学把材料看成是没有缺陷的、没有裂纹的、均匀的和连续的理想 固体，但是，实际工程材料在制备、加工（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处 理、冷加工等）及使用中（疲劳、冲击、环境温度等）都会产生各种缺陷（白 点、气孔、 渣、未焊透、热裂、冷裂、缺口等）如上图所示的齿轮，由于其 内部的缺陷和裂纹会在零件使用过程中产生应力集中，该处所受拉应力为平均 应力的数倍过分集中的拉应力如果超过该齿轮材料的临界拉应力值时，将会 产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂图 2. 韧性断裂实例 分析：韧性断裂又称延性断裂断裂前发生过明显的塑性变形的断裂，是塑性 变形的终结消耗较高能量,以金属撕裂为特征的一种断裂，是与脆性断裂相对 应的一种断裂模式物体受力时其最危险截面或区域,从弹性变形逐渐转入塑性 变形状态,这时截面的某一邻域内力学参量的某一组合达到临界点,断裂口附近 出现明显的宏观塑性变形, 微观断口表面呈韧窝状。

图 3. 疲劳断裂实例分析：零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象就叫作疲劳断 裂一开始，疲劳微裂纹在零件应力最高强度最低的基体上产生，之后裂纹会 稳定扩展，但扩展速度较低，最后，当裂纹尺寸足够大结构有效受力截面小到 不足以承受所加载荷时，零件即发生断裂，如图所示II 磨损 磨擦副表面的材料微粒，由于机械力与化学腐蚀的作用而脱离母体，使零 件尺寸和表面状态改变，最终导致功能丧失，称为磨损失效磨损是机械的重 要失效形式，它包括复杂的化学过程和物理过程，其主要形式有：粘着磨损（材料从一个磨擦表面移到另一个表面）、磨料磨损（硬磨料在摩擦表面犁出沟 槽或道痕，使材料从零件表面脱落）、腐蚀磨损（化学腐蚀参与作用下的磨料磨 损）和疲劳磨损（接触应力作用使材料表面疲劳剥落）等图 4. 粘着磨损实例分析：粘着磨损又称咬合磨损，如图所示，零件在滑动摩擦条件下，摩擦副的 接触面发生金属粘着，在随后的滑动过程中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽 脱落或者金属表面被擦伤图 5. 磨粒磨损实例分析：磨粒磨损又称磨料磨损，如图所示，零件在滑动摩擦时零件表面存在硬 质磨粒，是磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入并切割金属表面导致零件表面逐 渐磨损、刮伤。

图 6. 疲劳磨损实例分析：疲劳磨损类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展的过程如图所示，零件 工作面在做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变压应力的长期作用下会引起表面 疲劳并剥落破坏的现象，这就是疲劳磨损III 腐蚀 金属与周围介质发生化学作用、或电化学作用或物理溶解而产生的破坏和 变质，称为腐蚀图 7. 化学腐蚀实例分析：金属与周围非电解质介质发生化学作用而引起的腐蚀称为化学腐蚀，如 图所示的发动机，在其工作时，燃气中某些低熔点成分熔化并附着在零件金属 表面，在高温下会发生化学作用引起发动机零件的化学腐蚀，形成疏松多孔或 瘤状的腐蚀产物图 8. 电化学腐蚀实例 分析;金属表面与离子导电的电解质溶液发生电化学作用而产生的破坏称为电化 学腐蚀，如图所示，零件表面可能形成由肉眼可见电极构成的宏观大电池或由 于金属表面电化学不均匀性而构成无数微小电极的电池发生电化学作用，进而 引起腐蚀图 9. 穴蚀实例分析：机件发生穴蚀的先决条件是机件浸于某种液态介质中，并且机件与液体 之间有某种形式的相对运动，或者机件在液体中受到某种能量的传递作用时， 会形成液体中的局部瞬时高压或瞬时高真空，在瞬时高真空区，该局部区域内 的液体就会汽化，形成气泡或溶于水中的空气以空泡形式从液体中分离出来； 而在瞬时高压状态时，气泡、空泡被压缩，泡内的气体迅速被液化而使气泡破 灭。

这时，气泡周围的液体迅速冲向溃灭处，产生极强的冲击波（最大压力可 达数百个兆帕），作用在机件金属表面上，使之受到损伤由于冲击波的频道作 用，结果使机件表面金属逐渐剥落与此同时，机件金属表面还会产生微观电 化学腐蚀，这样多重腐蚀交替进行，共同作用，致使机件腐蚀破坏，穴蚀实例 如图所示IV 过量变形图9. 过量变形实例分析：零件受载时会发生变形，如图所示，当零件的刚度不足时，会发生过量 的弹性变形，或者，当零件过载或本身抵挡塑性变形的能力不够时，塑形变形 量也会超过允许变形量，使零件发生过量变形，从而破坏零件之间的位置和配 合关系，导致零件或机器不能正常工作V蠕变失效蠕变失效是金属零件在应力和高温长期作用下，产生永久变形的失效现 象晶粒沿晶界滑动产生形变是蠕变的主要机理，这种形变需要一定的温度和 时间图11.蠕变失效实例 分析：如图所示，零件在保持应力不变的情况下，其应变会随时间缓慢增长， 零件内部随时间发展的蠕变一般可分成 3个阶段：首先是衰减蠕变，应变率 （应变的时间变化率）随时间增加而逐渐减小；接着是定常蠕变，应变率近似 为常值；最后是加速蠕变，应变率随时间逐渐增加，最后导致蠕变断裂。

同一材料在不同的应力水平或不同温度下，可处在不同的蠕变阶段通常 温度升高或应力增大会使蠕变加快不同材料的蠕变微观机制不同引起多晶 体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等；而聚合物 的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。