機械故障機理

1、一、機械故障機理1變形機理:磨損機理：斷裂機理:裂紋機理:.腐蝕機理1.1磨損機理1、磨損的概念兩個相對運動的機件相互摩擦，結果其表面分子逐漸脫落，原有的尺寸，表 面質量，幾何形狀發(fā)生變化稱為磨損。摩擦的主要形式有以下幾類：（1）干摩擦：兩個金屬物體在摩擦表面之間完全沒有潤滑油或其它潤滑介 質，其表面是直接接觸的相互摩擦運動，存在強烈磨損。例如離合器摩擦片與壓 板之間，摩擦片與飛輪，自行車制動片與制動鼓。（2）液體摩擦：摩擦表面之間被潤滑油或其它潤滑介質隔開，其表面不發(fā)生 直接接觸的摩擦。摩擦力很小，幾乎沒有磨損。例如，發(fā)動機穩(wěn)定運轉時曲軸軸 頸與軸承之間的摩擦。（3）邊界摩擦：因潤滑油粘度下

2、降、油膜變薄，潤滑油楔的動壓力不足以 保證液體摩擦，使油層厚度小于表面不平度的二分之一，其摩擦表面只由一層很 薄的油膜隔開的摩擦。摩擦力較小，磨損量較小。例如，發(fā)動機高負載、低轉速 和高溫條件下或是泄漏時曲軸軸頸與軸承之間。（4）半液摩擦：介于液體摩擦和邊界摩擦之間，但趨向于液體摩擦的摩擦。 施加在零件上的大部分載荷由液體層所承受，而小部分載荷由零件接觸表面所承 受。例如，發(fā)動機在良好工況時曲軸軸頸與軸承之間。（5）半干摩擦：介于干摩擦和邊界摩擦之間，但趨向于干摩擦的摩擦。施加 在零件上的小部分載荷由液體層所承受，而大部分載荷由零件接觸表面所承受。 例如，發(fā)動機在不良工況時曲軸軸頸與軸承之間。

3、2、磨損的過程磨損過程分跑和、穩(wěn)定、和劇烈磨損三個階段。如圖1-1,跑和開始時表面 具有一定的粗糙度，真實接觸面積小，磨損先快后慢。劇烈磨損時機械效率下降， 精度喪失，產(chǎn)生異常噪聲。圖1-13、磨損機理（1）粘著磨損粘著磨損又稱咬合磨損，在對于機械性能相差不大的兩種金屬之間時最常見 的。分冷粘著和熱粘著兩種形式。若粘著點結合強度小于兩邊金屬強度，則分離時從接觸面分開，分離面比較 光滑;若粘著點結合強度大于一邊金屬強度，則分離時從一邊金屬最薄弱處分開。 磨損量和接觸壓力、摩擦面積、距離成正比，和材料壓縮屈服極限成反比。下圖為粘著磨損的主要形式及其損壞原因：形式破壞現(xiàn)象損壞原因實例輕微磨損剪切破壞

4、發(fā)生在粘著 結合面上，表面轉移 材料極輕微粘著結合強度比摩擦 副的兩基體金屬都弱缸套一活塞環(huán)的正常 磨損涂抹剪切破壞發(fā)生在離粘 著結合面不遠的較軟 金屬淺層內，軟金屬 涂抹在硬金屬表面粘著結合強度大于較軟金屬的剪切強度重載渦輪副的蝸杠上 常見擦傷剪切破壞主要發(fā)生在 軟金屬亞表層內，有 時硬金屬亞表面層也 有劃痕粘著結合強度比兩基 體金屬都高，轉移到 硬面上的粘著物質又 拉削軟金屬表面內燃機的鋁活塞壁與缸體摩擦常見此現(xiàn)象撕脫剪切破壞發(fā)生在摩擦 副一方或兩方金屬較 深處粘著結合強度大于任 一基體金屬的剪切強 度，剪切應力高于粘 著結合強度主軸一軸瓦摩擦副的軸承表面常見咬死摩擦副之間咬死，不 能相對

5、運動粘著結合強度比任一 基體金屬的剪切強度 都高，而且粘著區(qū)域 大，剪切應力低于粘 著結合強度不銹鋼螺栓與螺母在 擰緊過程中常見圖1-2磨粒磨損條件:是接觸面間存在硬質粒子，或者當摩擦件的一方比另一方硬度大得多。在摩擦過程中，表面凸出部分漸漸剝落，這些微粒加上外部侵入的沙塵形成 磨粒，由于磨粒的棱面相對于摩擦表面的取向不同，作用在磨粒上的力分為垂直 于表面的分力和平行于表面的分力。因此，磨粒磨損的實質是微量切削、壓痕損 傷與疲勞破壞的綜合結果。垂直分力：楔入較軟材料表面，造成擦傷壓痕，對脆性材料導致表面疲勞剝 落。平行分力：留下細槽痕跡，對塑性材料則切下一個連續(xù)的切屑，對脆性材料 則切下一個斷

6、屑，使產(chǎn)生裂紋。下圖為磨粒磨損的主要形式及其損壞原因：形式破壞現(xiàn)象損壞原因實例鑿削式磨粒磨損磨粒對材料表面產(chǎn)生 高應力碰撞從材料表面上鑿削下 大顆粒的金屬，被磨 表面有較深的溝槽挖掘機斗尺、破碎機 錘頭等零件的表面損 傷高應力碾碎式磨粒磨 損磨粒與金屬表面接觸 處的最大壓應力大于 磨粒的壓碎強度一般金屬材料被拉 傷，韌性材料產(chǎn)生塑 性變形或疲勞，脆性 材料則發(fā)生碎裂或剝 落球磨機襯板與鋼球， 軋碎機滾筒等零件的 表面破壞低應力擦傷式磨粒磨 損磨粒作用于表面的應 力不超過磨粒的壓潰 強度材料表面產(chǎn)生擦傷（或微小的切削痕） 累計磨損犁鏵，運輸槽板及機 械零件被砂塵污染的 摩擦表面圖1-3（3）表面

7、疲勞磨損兩接觸面作滾動或滾動滑動復合摩擦時，在交變接觸應力作用下使材料表面 疲勞而產(chǎn)生的物理損傷現(xiàn)象。機理：疲勞磨損也是裂紋產(chǎn)生和破壞的過程，裂紋不斷擴展造成金屬表面的 剝落。下圖是表面疲勞磨損的主要形式：剝落類型麻點剝落淺層剝落硬化層剝落初始裂紋位置表面在0.786b處硬化層與心部交界處剝落發(fā)生表面逐漸發(fā)生表面逐漸發(fā)生剝落前無跡象，突然發(fā) 生剝落深度（毫米）0.1 0. 20.2 0.4約為硬化層深度表面裂紋方向與表面成銳角與表面成銳角和垂直與表面垂直圖1-4（4）腐蝕磨損機理:摩擦時金屬同周圍介質發(fā)生化學或者電化學反應，引起腐蝕產(chǎn)物剝落。下圖為腐蝕磨損的幾種主要形式：形式產(chǎn)生條件損壞特征實

8、例氧化磨損金屬表面與氧化性介 質的反應速度很快， 形成的氧化膜從表面 磨掉后，又很快形成 新的氧化膜，一般在 空氣中，其磨損速度 較小金屬的摩擦表面沿滑 動方向呈勻細磨痕， 磨損產(chǎn)物如紅褐色片 狀Fe2O3或灰黑色絲 狀 Fe3O4曲軸軸頸，鋁合金零 件等摩擦表面特殊介質腐蝕磨損摩擦副與酸、堿、鹽 等特殊介質作用，其 磨損機理與氧化磨損 相似，但磨損速度較 大摩擦表面遍布點狀或 絲狀磨蝕痕跡，一般 比氧化磨損痕跡深， 磨損產(chǎn)物為酸、堿、 鹽的化合物化工設備中的零件表 面微動腐蝕磨損機械零件配合較緊的 部位在載荷和一定頻 率振動條件下使零件 表面產(chǎn)生微小滑動， 其磨損產(chǎn)物為氧化物摩擦表面有較集中

9、的 小凹坑，使緊配合部 位松動、磨損產(chǎn)物為 紅褐色氧化鐵細顆粒緊配合的軸頸、螺栓螺母及鍵槽處圖1-51.2變形機理任何機件在外力作用下都會產(chǎn)生一定的變形，有彈性變形和塑性變形兩種類 型的變形，這里主要介紹一下塑性變形的機理。1、滑移載荷的剪應力分量造成塑性變形，剪應力超過受晶界面的滑移抗力，晶體的 一部分將沿晶面和晶向相對另一部分產(chǎn)生滑移。滑移主要發(fā)生在原子排列最精密的晶面，沿著原子排列最精密的方向。這是 因為原子排列最密的面上，原子結合力最強，相鄰面的間距就越大，面結合能力 就越弱。2、孿生孿生變形時晶體的一部分相對于一定的晶面沿一定方向相對移動，移動距離 和原子離開孿生晶面的距離成正比。臨

10、界孿生應力比臨界滑移應力要大很多，只有在滑移很困難時，才會出現(xiàn)孿 晶變形。兩者往往交替進行。3、機件變形的原因機件變形的原因有內應力包括熱應力和相變應力，外載荷，溫度，材料的結 晶缺陷。熱應力一零件上相連的部分厚薄不同，冷卻速度不同，收縮時間有先后，通 常厚壁受拉，薄壁受壓。相變應力一零件由于組織變化發(fā)生體積改變所引起。外載荷一機件結構不合理，如剛度不夠，在外載荷的作用下會產(chǎn)生變形。溫度一金屬的彈性極限隨溫度的升高而下降。材料的結晶缺陷一材料的內部缺陷，在應力的持續(xù)作用下也會產(chǎn)生變形。1.3斷裂機理斷裂時機械故障中一種最危險的破壞形式，因此避免機件的斷裂顯得十分重 要。斷裂主要由以下幾種形式：

11、”高周疲勞I疲勞斷裂、低周疲勞韌性斷裂靜載斷裂.脆性斷裂，應力腐蝕斷裂氫脆斷裂環(huán)境斷裂 高溫蠕變斷裂腐蝕疲勞斷裂I冷脆斷裂1、疲勞斷裂（一）高周疲勞機理低應力、高壽命的疲勞，例如曲軸、彈簧的失效。分為三個過程：裂紋產(chǎn)生、 裂紋擴展、瞬時斷裂。疲勞裂紋的產(chǎn)生裂紋總在應力最高、強度最弱的機體上產(chǎn)生。有三種形式：1。夾雜物和基體界面的開裂。在循環(huán)應力的作用下，夾雜物和基體界面分離， 逐漸形成裂紋源。2。滑移帶開裂。金屬在交變應力的作用下，駐留滑移帶的表面產(chǎn)生“擠出脊” 和“擠出溝”現(xiàn)象。這些凝聚形成裂紋源。3。晶界開裂?；茙Т┻^晶界時，方向改變，終止在晶界處，形成高應力區(qū)， 在交變應力的作用下，滑

12、移帶在晶界處引起變形不斷增加，在晶界上產(chǎn)生裂紋。疲勞裂紋的擴展在沒有應力集中的情況下，疲勞擴展分為二個階段。第一階段從金屬表面上 駐留滑移帶“擠出脊”和“擠出溝”或非金屬夾雜物處開始，沿最大切應力方向 的晶面向內擴展，由于晶粒位相不同、晶界阻礙，擴展方向逐漸轉向和主應力垂 直，速率較慢，若存在應力集中則直接進入第二階段，方向通主應力垂直。速率 較快。疲勞條紋主要在這階段產(chǎn)生。瞬時斷裂隨著裂紋不斷擴展，機件有效承載面逐漸減小，應力不斷增大，到達強度極 限時，發(fā)生瞬時斷裂。疲勞斷口特征是脆性的，無明顯塑性變形。(二)低周疲勞機理(塑性疲勞)塑性應變的循環(huán)作用所引起的疲勞斷裂。加載頻率很低，壽命短，

13、交變應力很 高，一般接近或超過材料的屈服強度。高周和低周區(qū)分決定于塑性變形和彈性變形的相對比例，高周中彈性變形起 支配作用，低周中塑性起支配作用。兩者都是循環(huán)塑性變形積累損傷的結果。2、靜載斷裂根據(jù)斷裂前產(chǎn)生的塑性變形量分為:，任性斷裂載斷裂脆性斷裂韌性斷裂韌性斷裂是顯微空洞形成，長大，連接以致最終導致斷裂。斷口微觀特征：大量的微坑覆蓋一韌窩。斷口宏觀特征：明顯的塑性變形。（2）脆性斷裂在靜載拉伸應力作用下，引起一種脆性穿晶斷裂，通常沿一定結晶面分離， 也稱為解理斷裂。3、環(huán)境斷裂機件與特殊環(huán)境相互作用，從而引起斷裂。具有一定的環(huán)境特征。（1）應力腐蝕斷裂每種材料只對某些介質敏感，如黃銅和氨氣

14、，不銹鋼和氯離子介質。過程：首先是金屬表面形成一層保護膜，阻止腐蝕，由于拉應力和膜增厚增 厚產(chǎn)生的附加應力，膜局部破裂，暴露在空氣中，形成微電池，金屬溶解，又形 成新的保護膜，反復破換形成孔洞，造成應力集中，加速了塑性變形和保護膜的 破裂。造成了裂紋形成，擴展。這是一種低應力的脆性斷裂，危害十分嚴重。（2）氫脆斷裂氫脆是指金屬材料在冶煉，加工，熱處理，酸洗和電鍍等過程中，或者在含 氫介質中長期使用時，材料由于吸氫和氫滲而造成機械性能嚴重退化，發(fā)生脆斷。氫脆機理：1。在金屬凝固的過程中，溶入其中的氫沒能及時釋放出來，向金屬中缺陷附 近擴散，到室溫時原子氫在缺陷處結合成分子氫并不斷聚集，從而產(chǎn)生巨

15、大的內 壓力，使金屬發(fā)生裂紋。2。在應力作用下，固溶在金屬中的氫也可能引起氫脆。金屬中的原子是按一 定的規(guī)則周期性地排列起來的，稱為晶格。氫原子一般處于金屬原子之間的空隙 中，晶格中發(fā)生原子錯排的局部地方稱為位錯，氫原子易于聚集在位錯附近.金 屬材料所外力作用時，材料內部的應力分布是不均勻的，在材料外形迅速過渡區(qū) 域或在材料內部缺陷和微裂紋處會發(fā)生應力集中。在應力梯度作用下氫原子在晶 格內擴散或跟隨位錯運動向應力集中區(qū)域。由于氫和金屬原子之間的交互作用使 金屬原子間的結合力變弱，這樣在高氫區(qū)會萌生出裂紋并擴展，導致了脆斷。另 外，由于氫在應力集中區(qū)富集促進了該區(qū)域塑性變形，從而產(chǎn)生裂紋并擴展。

16、還 有，在晶體中存在著很多的微裂紋，氫向裂紋聚集時有吸附在裂紋表面，使表面 能降低，因此裂紋容易擴展。3。某些金屬與氫有較大的親和力，過飽和氫與這種金屬原子易結合生成氫化 物，或在外力作用下應力集中區(qū)聚集的高濃度的氫與該種金屬原子結合生成氫化 物。氫化物是一種脆性相組織，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導致脆性斷 裂。（3）高溫蠕變斷裂蠕變就是在應力影響下，材料緩慢永久性移動或變形的趨勢。蠕變斷裂是由低于材料屈服強度的應力長時間作用的結果。同時蠕變隨溫度升高加劇。溫度升 高提高了蠕變斷裂的概率。機理：蠕變初期，由于晶界滑動在三晶粒會交處形成裂紋核心或在晶界臺階 處形成空洞核心已形成的核心達到一

17、定尺寸后，在應力和空洞流的同時作用下， 優(yōu)先在與拉應力垂直的晶界上長大形成楔形或洞形裂紋孤立分散的空洞優(yōu)先沿 橫向晶界互相連接，而形成終止在兩個相鄰的三晶粒交合點的“橫向裂紋段”， 此時，在其它與應力相垂直的晶界上這種“橫向裂紋段”也相繼產(chǎn)生相鄰的“橫 向裂紋段”通過向傾斜晶界的擴展或與其上的空洞相聯(lián)合而互相連接成“曲折裂 紋”，此時，裂紋尺寸迅速擴大蠕變速度迅速增加“曲折裂紋”進一步互相連接 起來，當裂紋擴展至臨界尺寸時便產(chǎn)生蠕變斷裂。（4）腐蝕疲勞斷裂在交變應力的作用下，腐蝕介質中的疲勞斷裂。機理一電化學反應。（5）冷脆斷裂當機件低于某一溫度是，材料轉變?yōu)榇嘈?，沖擊值下降，這種現(xiàn)象稱為冷脆

18、。合金鋼的低溫脆化的原因是：（1）形變時位錯源產(chǎn)生的位錯被障礙物（如晶界、 第二相等）阻塞時，局部應力超過鋼的理論強度而產(chǎn)生微裂紋。（2）幾個塞積的位 錯在晶界合成一個微裂紋。（3）兩個滑移帶相交處反應，引起不動位錯，呈楔形 微裂紋，它可沿解理面裂開。1.4裂紋機理I（鑄造裂紋鍛造裂紋 焊接裂紋 熱處理裂紋 磨削裂紋”疲勞裂紋使用裂紋 應力腐蝕裂紋.蠕變裂紋裂紋在發(fā)展過程中很大一部分是用目前的無損檢測方法都不能發(fā)現(xiàn)的，使用 裂紋的形成機理在前面的斷裂機理中已經(jīng)討論過。下面幾張表為幾種常見工藝裂 紋形成的原因和特征。1、鑄造熱裂紋裂紋名稱裂紋形成原因裂紋形態(tài)特征宏觀形態(tài)起源位置走向周圍情況尾端熱裂紋鑄造熱裂紋是在高溫下 (約 1250 1450 C) 形成的，其形成原因有： 金屬冷卻時，在形成熱 裂的溫度范圍內收縮應 力過大；鑄件在砂型中 收縮受阻；鑄件設計不 合理，厚薄相差懸殊； 冷卻嚴重不均勻；在金 屬凝固后，所含有害雜 質富集于晶界而降低金 屬的強度與塑性；鑄件 表面與涂料相互作用等有時呈網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀(龜裂)鑄件最后凝 固區(qū)；或鑄 件應力集中 處沿晶界擴展有嚴重的氧 化脫碳；有時 還有明顯的 偏折、疏松、 雜質