機(jī)械設(shè)備故障發(fā)生原因

機(jī)械設(shè)備故障發(fā)生原因1.機(jī)械零件的失效

（1）機(jī)械零件失效的分類(lèi)

機(jī)械零件喪失規(guī)定的功能即稱(chēng)為失效。一個(gè)零件處于下列兩種狀態(tài)之一就認(rèn)為是失效：一是不能完成規(guī)定功能；二是不能可靠和安全地繼續(xù)使用。

零件的失效是導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備故障的主要原因。因此，研究零件的失效規(guī)律，找出其失效原因和采取改善措施，對(duì)減少機(jī)械故障的發(fā)生和延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命有著重要意義。

機(jī)械零件失效的主要表現(xiàn)形式是零件工作配合面的磨損，它占零件損壞的比例最大。材料的腐蝕、老化等是零件工作過(guò)程中不可避免的另一類(lèi)失效形式，但其比例一般要小得多。這兩種形式的失效，基本上概括了在正常使用條件下機(jī)械零件的主要失效形式。其他形式的失效，如零件疲勞斷裂、變形等雖然實(shí)際中也經(jīng)常發(fā)生，且屬于最危險(xiǎn)的失效形式，但多屬于制造、設(shè)計(jì)方面的缺陷，或者是對(duì)機(jī)器維護(hù)、使用不當(dāng)引起的。

失效分析是指分析研究機(jī)件磨損、斷裂、變形、腐蝕等現(xiàn)象的機(jī)理或過(guò)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)目刂品椒ā?/p>

失效分析的目的是為制定維修技術(shù)方案提供可靠依據(jù)，并對(duì)引起失效的某些因素進(jìn)行控制，以降低設(shè)備故障率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。此外，失效分析也能為設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造反饋信息，為設(shè)備事故的鑒定提供客觀(guān)依據(jù)。

（2）零件的磨損

1）零件的磨損規(guī)律

眾所周知，一臺(tái)機(jī)器如汽車(chē)、拖拉機(jī)，其構(gòu)成的基本單元是機(jī)件，許多零件構(gòu)成的摩擦副，如軸承、齒輪、活塞-缸筒等，它們?cè)谕饬ψ饔孟乱约盁崃Α⒒瘜W(xué)等環(huán)境因素的影響下，經(jīng)受著一定的摩擦、磨損直至最后失效，其中磨損這種故障模式，在各種機(jī)械故障中占有相當(dāng)?shù)谋戎?。因此，了解零件及其配合副的磨損規(guī)律是非常必要的。

①零件的典型磨損曲線(xiàn)磨損這種故障模式屬于漸進(jìn)性故障。例如氣缸由于磨損而產(chǎn)生的故障與風(fēng)扇皮帶的斷裂、電容器被擊穿等故障不同，后者屬于突發(fā)性故障，而磨損產(chǎn)生的故障是耗損故障。②允許磨損和極限磨損2）磨料磨損磨料磨損也稱(chēng)磨粒磨損，它是由于摩擦副的接觸表面之間存在著硬質(zhì)顆粒，或者當(dāng)摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多時(shí)，所產(chǎn)生的一種類(lèi)似金屬切削過(guò)程的磨損現(xiàn)象。它是機(jī)械磨損的一種，特征是在接觸面上有明顯的切削痕跡。在各類(lèi)磨損中，磨料磨損約占50%左右，是十分常見(jiàn)且危害性最嚴(yán)重的一種磨損，其磨損速率和磨損強(qiáng)度很大，致使機(jī)械設(shè)備的使用壽命大大降低，能源和材料大量消耗。

根據(jù)摩擦表面所受的應(yīng)力和沖擊的不同，磨料磨損的形式又分為鏨削式、高應(yīng)力碾碎式和低應(yīng)力擦傷式三類(lèi)。

①磨料磨損的機(jī)理屬于磨料顆粒的機(jī)械作用，一種是磨粒沿摩擦表面進(jìn)行微量切削的過(guò)程；另一種是磨粒使摩擦表面層受交變接觸應(yīng)力作用，使表面層產(chǎn)生不斷變化的密集壓痕，最后由于表面疲勞而剝蝕。磨粒的來(lái)源有外界沙塵、切屑侵入、流體帶入、表面磨損產(chǎn)物、材料組織的表面硬點(diǎn)及夾雜物等。

磨料磨損的顯著特點(diǎn)是：磨損表面具有與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向平行的細(xì)小溝槽，有螺旋狀、環(huán)狀或彎曲狀細(xì)小切屑及部分粉末。

②減輕磨料磨損的措施磨料磨損是由磨粒與摩擦副表面的機(jī)械作用引起的，因而減少或消除磨料磨損的對(duì)策可從如下兩方面著手。

a.減少磨料的進(jìn)入對(duì)機(jī)械設(shè)備中的摩擦副應(yīng)阻止外界磨料進(jìn)入并及時(shí)清除摩擦副磨合過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑。具體措施是配備空氣濾清器及燃油、機(jī)油過(guò)濾器；增加用于防塵的密封裝置等；在潤(rùn)滑系統(tǒng)中裝入吸鐵石、集屑房及油污染程度指示器；經(jīng)常清理更換空氣、燃油、機(jī)油濾清裝置。

b.增強(qiáng)零件摩擦表面的耐磨性一是可選用耐磨性能好的材料；二是對(duì)于要求耐磨又有沖擊載荷作用的零件，可采用熱處理和表面處理的方法改善零件材料表面的性質(zhì)，提高表面硬度，盡可能使表面硬度超過(guò)磨料的硬度；三是對(duì)于精度要求不太高的零件，可在工作面上堆焊耐磨合金以提高其耐磨性。

3）黏著磨損

構(gòu)成摩擦副的兩個(gè)摩擦表面，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面所引起的磨損稱(chēng)為黏著磨損。根據(jù)零件摩擦副表面破壞程度，黏著磨損可分為輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫以及咬死五類(lèi)。

①黏著磨損機(jī)理摩擦副在重載條件下工作，因潤(rùn)滑不良、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度高、摩擦等原因產(chǎn)生的熱量來(lái)不及散發(fā)，摩擦副表面產(chǎn)生極高的溫度，嚴(yán)重時(shí)表層金屬局部軟化或熔化，材料表面強(qiáng)度降低，使承受高壓的表面凸起部分相互黏著，繼而在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中被撕裂下來(lái)，使材料從強(qiáng)度低的表面上轉(zhuǎn)移到材料強(qiáng)度高的表面上，造成摩擦副的災(zāi)難性破壞，如咬死或劃傷。

②減少黏著磨損的措施

a.控制摩擦副的表面狀態(tài)摩擦表面愈潔凈、光滑，表面粗糙度過(guò)分小，愈易發(fā)生黏著磨損。金屬表面經(jīng)常存在吸附膜，當(dāng)有塑性變形后，金屬滑移，吸附膜被破壞，或者溫度升高達(dá)到100～200℃時(shí)吸附膜也會(huì)破壞，這些都容易導(dǎo)致黏著磨損的發(fā)生。為了減少黏著磨損，應(yīng)根據(jù)其載荷、溫度、速度等工作條件，選用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑，或在潤(rùn)滑劑中加入添加劑等，以建立必要的潤(rùn)滑條件。而大氣中的氧通常會(huì)在金屬表面形成一層保護(hù)性氧化膜，也能防止金屬直接接觸和發(fā)生黏著，有利于減少摩擦和磨損。b.控制摩擦副表面的材料成分與金相組織材料成分和金相組織相近的兩種金屬材料之間最容易發(fā)生黏著磨損，這是因?yàn)閮赡Σ粮北砻娴牟牧闲纬晒倘荏w或金屬間化合物的傾向強(qiáng)烈。因此，作為摩擦副的材料應(yīng)當(dāng)是形成固溶體傾向最小的兩種材料，即應(yīng)當(dāng)選用不同材料成分和晶體結(jié)構(gòu)的材料。在摩擦副的一個(gè)表面上覆蓋鉛、錫、銀、銅等金屬或者軟的合金可以提高抗黏著磨損的能力，如經(jīng)常用巴氏合金、鋁青銅等作為軸承襯瓦的表面材料，可提高其抗黏著磨損的能力，鋼與鑄鐵配對(duì)的抗黏著性能也不錯(cuò)。c.改善熱傳遞條件通過(guò)選用導(dǎo)熱性能好的材料，對(duì)摩擦副進(jìn)行冷卻降溫或采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，以降低摩擦副相?duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度，保持摩擦副的表面強(qiáng)度。4）疲勞磨損疲勞磨損是摩擦副材料表面上局部區(qū)域在循環(huán)接觸應(yīng)力周期性地作用下產(chǎn)生疲勞裂紋而發(fā)生材料微粒脫落的現(xiàn)象。根據(jù)摩擦副之間的接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，可將疲勞磨損分為滾動(dòng)接觸疲勞磨損和滑動(dòng)接觸疲勞磨損兩種形式。①疲勞磨損機(jī)理疲勞磨損的過(guò)程就是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展、微粒形成和脫落的破壞過(guò)程。磨料磨損和黏著磨損都與摩擦副表面直接接觸有關(guān)，有潤(rùn)滑劑將摩擦兩表面分隔開(kāi)，則這兩類(lèi)磨損機(jī)理就不起作用。對(duì)于疲勞磨損，即使摩擦表面間存在潤(rùn)滑劑，并不直接接觸，也可能發(fā)生，這是因?yàn)槟Σ帘砻嫱ㄟ^(guò)潤(rùn)滑油膜傳遞而承受很大的應(yīng)力。疲勞磨損與磨料磨損和黏著磨損不同，它不是一開(kāi)始就發(fā)生的，而是應(yīng)力經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后發(fā)生微粒脫落，以致摩擦副失去工作能力。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的位置，疲勞磨損的機(jī)理有如下兩種情況。a.滾動(dòng)接觸疲勞磨損滾動(dòng)軸承、傳動(dòng)齒輪等有相對(duì)滾動(dòng)摩擦副表面間出現(xiàn)深淺不同的針狀、痘斑狀凹坑（深度在0.1～0.2mm以下）或較大面積的微粒脫落，都是由滾動(dòng)接觸疲勞磨損造成的，又稱(chēng)為點(diǎn)蝕或痘斑磨損。b.滑動(dòng)接觸疲勞磨損兩滑動(dòng)接觸物體在距離表面下0.786b處（b為平面接觸區(qū)的半寬度）切應(yīng)力最大，該處塑性變形最劇烈，在周期性載荷作用下的反復(fù)變形會(huì)使材料表面出現(xiàn)局部強(qiáng)度弱化，并在該處首先出現(xiàn)裂紋。在滑動(dòng)摩擦力引起的切應(yīng)力和法向載荷引起的切應(yīng)力疊加作用下，使最大切應(yīng)力從0.786b處向表面深處移動(dòng)，形成滑動(dòng)疲勞磨損，剝落層深度一般為0.2～0.4mm。②減少或消除疲勞磨損的對(duì)策減少或消除疲勞磨損的對(duì)策就是控制影響裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的因素，主要有以下兩方面。a.合理選擇材質(zhì)和熱處理鋼中非金屬夾雜物的存在易引起應(yīng)力集中，這些夾雜物的邊緣最易形成裂紋，從而降低材料的接觸疲勞壽命。材料的組織狀態(tài)、內(nèi)部缺陷等對(duì)磨損也有重要的影響。通常，晶粒細(xì)小、均勻，碳化物成球狀且均勻分布，均有利于提高滾動(dòng)接觸疲勞壽命。在未溶解的碳化物狀態(tài)相同的條件下，馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～0.5%左右時(shí)，材料的強(qiáng)度和韌性配合較佳，接觸疲勞壽命高。對(duì)未溶解的碳化物，通過(guò)適當(dāng)熱處理，使其趨于量少、晶粒細(xì)小、均布，避免粗大的針狀碳化物出現(xiàn)，都有利于消除疲勞裂紋。硬度在一定范圍內(nèi)增加，其接觸疲勞抗力也將隨之增大。例如，軸承鋼表面硬度為62HRC左右時(shí)，其抗疲勞磨損能力最大；對(duì)傳動(dòng)齒輪的齒面，硬度在58～62HRC范圍內(nèi)最佳。此外，兩接觸滾動(dòng)體表面硬度匹配也很重要，例如滾動(dòng)軸承中，以滾道和滾動(dòng)元件的硬度相近，或者滾動(dòng)元件比滾道硬度高出10%為宜。b.合理選擇表面粗糙度實(shí)踐表明，適當(dāng)減小表面粗糙度值是提高抗疲勞磨損能力的有效途徑。例如，將滾動(dòng)軸承的表面粗糙度值從Ra0.40μm減小到Ra0.20μm時(shí)，壽命可提高2～3倍；從Ra0.20μm減小到Ra0.10μm時(shí)，壽命可提高1倍；而減小到Ra0.05μm以下則對(duì)壽命的提高影響甚小。表面粗糙度要求的高低與表面承受的接觸應(yīng)力有關(guān)，通常接觸應(yīng)力大或表面硬度高時(shí)，均要求表面粗糙度值要小。此外，表面應(yīng)力狀態(tài)、配合精度的高低、潤(rùn)滑油的性質(zhì)等都會(huì)對(duì)疲勞磨損的速度產(chǎn)生影響。通常，表面應(yīng)力過(guò)大、配合間隙過(guò)小或過(guò)大、潤(rùn)滑油在使用中產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)等都會(huì)加劇疲勞磨損。5）腐蝕磨損①腐蝕磨損的機(jī)理運(yùn)動(dòng)副在摩擦過(guò)程中，金屬同時(shí)與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，引起金屬表面產(chǎn)生腐蝕物并剝落，這種現(xiàn)象稱(chēng)為腐蝕磨損。它是腐蝕與機(jī)械磨損相結(jié)合而形成的一種磨損現(xiàn)象，因此腐蝕磨損的機(jī)理與磨料磨損、黏著磨損和疲勞磨損的機(jī)理不同，它是一種極為復(fù)雜的磨損過(guò)程，經(jīng)常發(fā)生在高溫或潮濕的環(huán)境中，更容易發(fā)生在有酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)的條件下。根據(jù)腐蝕介質(zhì)及材料性質(zhì)的不同，通常將腐蝕磨損分為氧化磨損和特殊介質(zhì)中的腐蝕磨損兩大類(lèi)。a.氧化磨損在摩擦過(guò)程中，摩擦表面在空氣中的氧或潤(rùn)滑劑中的氧的作用下所生成的氧化膜很快被機(jī)械摩擦去除的磨損形式稱(chēng)為氧化磨損。工業(yè)中應(yīng)用的金屬絕大多數(shù)都能被氧化而生成表面氧化膜，這些氧化膜的性質(zhì)對(duì)磨損有著重要的影響。若金屬表面生成致密完整、與基體結(jié)合牢固的氧化膜，且膜的耐磨性能很好，則磨損輕微；若膜的耐磨性不好則磨損嚴(yán)重。例如，鋁和不銹鋼都易形成氧化膜，但鋁表面氧化膜的耐磨性不好，不銹鋼表面氧化膜的耐磨性好，因此不銹鋼具有的抗氧化磨損能力比鋁更強(qiáng)。b.特殊介質(zhì)中的腐蝕磨損在摩擦過(guò)程中，環(huán)境中的酸、堿等電解質(zhì)作用于摩擦表面上所形成的腐蝕產(chǎn)物迅速被機(jī)械摩擦所除去的磨損形式稱(chēng)為特殊介質(zhì)中的腐蝕磨損。這種磨損的機(jī)理與氧化磨損相似，但磨損速率較氧化磨損高得多。介質(zhì)的性質(zhì)、環(huán)境溫度、腐蝕產(chǎn)物的強(qiáng)度、附著力等都對(duì)磨損速率有重要影響。這類(lèi)腐蝕磨損出現(xiàn)的概率很高，如流體輸送泵，當(dāng)其輸送帶腐蝕性的流體，尤其是含有固體顆粒的流體時(shí)，與流體有接觸的部位都會(huì)受到腐蝕磨損。②減少腐蝕磨損的對(duì)策a.合理選擇材質(zhì)和對(duì)表面進(jìn)行抗氧化處理。可以選擇含鉻、鎳、鉬、鎢等成分的鋼材，提高運(yùn)動(dòng)副表面的抗氧化磨損能力。或者對(duì)運(yùn)動(dòng)副表面進(jìn)行噴丸、滾壓等強(qiáng)化處理，或者對(duì)表面進(jìn)行陽(yáng)極化處理等，使金屬表面生成致密的組織或氧化膜，提高其抗氧化磨損能力。b.對(duì)于特定介質(zhì)作用下的腐蝕磨損，可以通過(guò)控制腐蝕性介質(zhì)的形成條件，選用合適的耐磨材料以及改變腐蝕性介質(zhì)的作用方式來(lái)減輕腐蝕磨損速率。6）微動(dòng)磨損兩個(gè)固定接觸表面由于受相對(duì)小振幅振動(dòng)而產(chǎn)生的磨損稱(chēng)為微動(dòng)磨損，主要發(fā)生在相對(duì)靜止的零件結(jié)合面上，例如鍵連接表面、過(guò)盈或過(guò)渡配合表面、機(jī)體上用螺栓連接和鉚釘連接的表面等，因而往往易被忽視。微動(dòng)磨損的主要危害是使配合精度下降，過(guò)盈配合部件的過(guò)盈量下降甚至松動(dòng)，連接件松動(dòng)乃至分離，嚴(yán)重者還會(huì)引起事故。微動(dòng)磨損還易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致連接件疲勞斷裂。①微動(dòng)磨損的機(jī)理微動(dòng)磨損是一種兼有磨料磨損、黏著磨損和氧化磨損的復(fù)合磨損形式。微動(dòng)磨損通常集中在局部范圍內(nèi)，接觸應(yīng)力使結(jié)合表面的微凸體產(chǎn)生塑性變形，并發(fā)生金屬的黏著；黏著點(diǎn)在外界的小振幅振動(dòng)反復(fù)作用下被剪切，黏附金屬脫落，剪切處表面被氧化；兩結(jié)合表面永遠(yuǎn)不脫離接觸，磨損產(chǎn)物不易往外排除，磨屑在結(jié)合表面因振動(dòng)而起著磨料的作用，所以微動(dòng)磨損兼有黏著磨損、氧化磨損和磨料磨損的作用。②減少或消除微動(dòng)磨損的對(duì)策實(shí)踐表明，材質(zhì)性能、載荷、振幅的大小以及溫度的高低是影響微動(dòng)磨損的主要因素。因而，減少或消除微動(dòng)磨損的對(duì)策主要有以下幾個(gè)方面。a.改善材料性能選擇適當(dāng)材料配對(duì)以及提高硬度都可以減小微動(dòng)磨損。一般來(lái)說(shuō)，抗黏著性能好的材料配對(duì)對(duì)抗微動(dòng)磨損能力也好，而鋁對(duì)鑄鐵、鋁對(duì)不銹鋼、工具鋼對(duì)不銹鋼等抗黏著能力差的材料配對(duì)，其抗微動(dòng)磨損能力也差。將碳鋼表面硬度從180HV提高到700HV時(shí)，微動(dòng)磨損可降低50%。采用表面硫化處理或磷化處理以及鍍上聚四氟乙烯表面鍍層也是降低微動(dòng)磨損的有效措施。b.控制載荷和增加預(yù)應(yīng)力在一定條件下，微動(dòng)磨損量隨載荷的增加而增加，但增大的速率會(huì)不斷減少，當(dāng)超過(guò)某臨界載荷之后，磨損量則減小。因而，可通過(guò)控制過(guò)盈配合的預(yù)應(yīng)力或過(guò)盈量來(lái)有效地減緩微動(dòng)磨損。c.控制振幅實(shí)驗(yàn)證明，振幅較小時(shí)，磨損率也比較小；當(dāng)振幅在50～150μm時(shí)，磨損率會(huì)顯著上升。因此，應(yīng)有效地將振幅控制在30μm以?xún)?nèi)。d.合理控制溫度低碳鋼在0℃以上，磨損量隨溫度上升而逐漸降低；在150～200℃時(shí)磨損量會(huì)突然降低；繼續(xù)升高溫度，則磨損量上升，溫度從135℃升高到400℃時(shí)，磨損量會(huì)增加15倍。中碳鋼在其他條件不變時(shí)，溫度為130℃的情況下微動(dòng)磨損發(fā)生轉(zhuǎn)折，超過(guò)此溫度，微動(dòng)磨損量大幅度降低。

e.選擇合適的潤(rùn)滑劑實(shí)驗(yàn)表明，普通的液體潤(rùn)滑劑對(duì)防止微動(dòng)磨損效果不佳；黏度大、滴點(diǎn)高、抗剪切能力強(qiáng)的潤(rùn)滑脂對(duì)防止微動(dòng)磨損有一定的效果；效果最佳的是固體潤(rùn)滑劑，如MoS2等。

7）磨損的控制

①控制因素影響磨損的因素是十分復(fù)雜的，但大體上有四個(gè)方面，即材料性能、運(yùn)轉(zhuǎn)條件、幾何因素及工作環(huán)境，每一個(gè)方面又都包含很多具體內(nèi)容。需要特別指出的是，并不是任何磨損過(guò)程的控制都必須全面考慮這些因素，對(duì)于一給定的磨損條件而言，有的因素很重要，必須考慮，但有的因素卻可能并不重要甚至無(wú)關(guān)。

②磨損件選材的一般考慮不論何種磨損條件，正確選材對(duì)控制零件的磨損，保證產(chǎn)品質(zhì)量是十分重要的。正確選材的第一步必須對(duì)零件的工作條件及環(huán)境有詳細(xì)的了解，在此基礎(chǔ)上，確定對(duì)該零件的總的性能要求。一般來(lái)說(shuō)，總的性能要求可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是屬于非摩擦學(xué)性能要求；另一類(lèi)是摩擦學(xué)性能要求。在非摩擦學(xué)性能要求中又可分成兩類(lèi)：一類(lèi)是一般性能要求，另一類(lèi)是特殊性能要求。

以滑動(dòng)軸承為例，作為機(jī)械零件，它必須具有一定的強(qiáng)度、一定的塑性、具有可加工性、成本低廉等，這些都屬于對(duì)機(jī)械零件的一般要求。然而，作為滑動(dòng)軸承，它還應(yīng)具有合適的硬度、較好的導(dǎo)熱性等，這是對(duì)滑動(dòng)軸承非摩擦學(xué)性能中的特殊要求。當(dāng)然，作為摩擦組件最重要的是摩擦學(xué)性能要求，因此把它單獨(dú)列為一類(lèi)。摩擦學(xué)性能要求一般包括表面損傷情況、摩擦因數(shù)、磨損率與運(yùn)轉(zhuǎn)限制。

表面損傷情況或損傷傾向，對(duì)滑動(dòng)磨損來(lái)說(shuō)主要取決于配對(duì)材料間的相容性。如前所述，兩個(gè)互溶度很高的金屬材料間的黏著或焊合能力很強(qiáng)，容易造成擦傷或咬合，這點(diǎn)對(duì)鐵基、鎳基合金及鈦合金、鋁合金都適用；不過(guò)高硬度材料，例如硬度在60HRC以上的淬火鋼則可以不受這種限制，也就是說(shuō)它們可以在自配對(duì)的條件下使用。

關(guān)于摩擦因數(shù)，在有些情況下是必須特別加以考慮的，如剎車(chē)裝置、夾緊裝置及一些傳動(dòng)裝置中。一般情況下，摩擦因數(shù)確定了系統(tǒng)的動(dòng)力性能、材料表面的應(yīng)力、表面溫度及系統(tǒng)所要求的功率。至于磨損率，它直接影響零件的使用壽命，在選材考慮中的重要地位是顯而易見(jiàn)的。要特別強(qiáng)調(diào)的是，不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的磨損機(jī)理可能很不相同，要使不同磨損機(jī)理或磨損類(lèi)型的磨損率減少，對(duì)材料性能的要求是不完全相同的，因此在選擇磨損件材料時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是，必須首先確定占主導(dǎo)地位的是何種磨損機(jī)制。（3）零件的腐蝕損傷零件的腐蝕損傷是指金屬材料與周?chē)橘|(zhì)產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)造成的表面材料損耗、表面質(zhì)量破壞、內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)損傷，最終導(dǎo)致零件失效的現(xiàn)象。金屬零件的腐蝕損傷具有以下特點(diǎn)：損傷總是由金屬表層開(kāi)始，表面常常有外形變化，如出現(xiàn)凹坑、斑點(diǎn)、潰破等；被破壞的金屬轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸锘驓溲趸锏然衔?，形成的腐蝕物部分附著在金屬表面上，如鋼板生銹表面附著一層氧化鐵。1）腐蝕損傷的類(lèi)型按金屬與介質(zhì)作用機(jī)理，機(jī)械零件的腐蝕損傷可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類(lèi)。①機(jī)械零件的化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕是指金屬和介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用而引起的腐蝕，在這一腐蝕過(guò)程中不產(chǎn)生電流，介質(zhì)是非導(dǎo)電的?；瘜W(xué)腐蝕的介質(zhì)一般有兩種形式，一種是氣體腐蝕，指在干燥空氣、高溫氣體等介質(zhì)中的腐蝕；另一種是非電解質(zhì)溶液中的腐蝕，指在有機(jī)液體、汽油和潤(rùn)滑油等介質(zhì)中的腐蝕，它們與金屬接觸時(shí)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成表面膜，在不斷脫落又不斷生成的過(guò)程中使零件腐蝕的。大多數(shù)金屬在室溫下的空氣中就能自發(fā)地氧化，但在表面形成氧化物層之后，如能有效地隔離金屬與介質(zhì)間的物質(zhì)傳遞，就成為保護(hù)膜；如果氧化物層不能有效阻止氧化反應(yīng)的進(jìn)行，那么金屬將不斷地被氧化而受到腐蝕損傷。②金屬零件的電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕是金屬與電解質(zhì)物質(zhì)接觸時(shí)產(chǎn)生的腐蝕，大多數(shù)金屬的腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕。金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是，引起腐蝕的介質(zhì)是具有導(dǎo)電性的電解質(zhì)，腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生，電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕普遍而且要強(qiáng)烈得多。2）減少或消除機(jī)械零件腐蝕損傷的對(duì)策①正確選材根據(jù)環(huán)境介質(zhì)和使用條件，選擇合適的耐腐蝕材料，如含有鎳、鉻、鋁、硅、鈦等元素的合金鋼；在條件許可的情況下，盡量選用尼龍、塑料、陶瓷等材料。②合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量使整個(gè)部位的所有條件均勻一致，做到結(jié)構(gòu)合理，外形簡(jiǎn)化，表面粗糙度合適，應(yīng)避免電位差很大的金屬材料相互接觸，還應(yīng)避免結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、熱應(yīng)力及流體停滯和聚集的結(jié)構(gòu)以及局部過(guò)熱等現(xiàn)象。

③覆蓋保護(hù)層在金屬表面上覆蓋耐腐蝕的金屬保護(hù)層，如鍍鋅、鍍鉻、鍍鉬等，把金屬與介質(zhì)隔離開(kāi)，以防止腐蝕。也可覆蓋非金屬保護(hù)層和化學(xué)保護(hù)層，如油基漆等涂料、聚氯乙烯、玻璃鋼等。還可用化學(xué)或電化學(xué)方法在金屬表面覆蓋一層化合物薄膜，如磷化、發(fā)藍(lán)、鈍化、氧化等。

④電化學(xué)保護(hù)電化學(xué)腐蝕是由于金屬在電解質(zhì)溶液中形成了陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，存在一定的電位差，組成了化學(xué)電池而引起的腐蝕。電化學(xué)保護(hù)法就是對(duì)被保護(hù)的機(jī)械零件接通以直流電流進(jìn)行極化，以消除電位差，使之達(dá)到某一電位時(shí)，被保護(hù)金屬的腐蝕可以很小，甚至呈無(wú)腐蝕狀態(tài)。這種方法要求介質(zhì)必須導(dǎo)電和連續(xù)。

⑤添加緩蝕劑在腐蝕性介質(zhì)中加入少量能減少腐蝕速度的緩蝕劑，可減輕腐蝕。按化學(xué)性質(zhì)的不同，緩蝕劑有無(wú)機(jī)緩蝕劑和有機(jī)緩蝕劑兩類(lèi)。無(wú)機(jī)類(lèi)能在金屬表面形成保護(hù)，使金屬與介質(zhì)隔開(kāi)，如重鉻酸鉀、硝酸鈉、亞硫酸鈉等。有機(jī)化合物能吸附在金屬表面上，使金屬溶解并抑制還原反應(yīng)，減輕金屬腐蝕，如胺鹽、瓊脂、動(dòng)物膠、生物堿等。在使用緩蝕劑防腐時(shí)，應(yīng)特別注意其類(lèi)型、濃度及有效時(shí)間。

⑥改變環(huán)境條件這種方法是將環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)去掉，如采用強(qiáng)制通風(fēng)、除濕、除二氧化硫等有害氣體，以減少腐蝕損傷。

（4）零件的斷裂

1）斷裂的類(lèi)型

斷裂是指零件在某些因素經(jīng)歷反復(fù)多次的應(yīng)力或能量負(fù)荷循環(huán)作用后才發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。零件斷裂后形成的表面稱(chēng)為斷口。斷裂的類(lèi)型很多，與斷裂的原因密切相關(guān)，工程中分為五種類(lèi)型。

①過(guò)載斷裂當(dāng)外力超過(guò)了零件危險(xiǎn)截面所能承受的極限應(yīng)力時(shí)發(fā)生的斷裂。其斷口特征與材料拉伸試驗(yàn)斷口形貌類(lèi)似。對(duì)鋼等韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口有頸縮現(xiàn)象，呈杯錐狀，稱(chēng)韌性斷裂；分析失效原因應(yīng)從設(shè)計(jì)、材質(zhì)、工藝、使用載荷、環(huán)境等角度考慮問(wèn)題。對(duì)鑄鐵等脆性材料，斷裂前幾乎無(wú)塑性變形，發(fā)展速度極快，斷口平齊光亮，且與正應(yīng)力垂直，稱(chēng)脆性斷裂；由于發(fā)生脆性斷裂之前無(wú)明顯的預(yù)兆，事故的發(fā)生具有突然性，因此是一種非常危險(xiǎn)的斷裂破壞形式。目前，關(guān)于斷裂的研究主要集中在脆性斷裂上。

②腐蝕斷裂零件在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中承受低于抗拉強(qiáng)度的交變應(yīng)力作用，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后產(chǎn)生的斷裂。斷口的宏觀(guān)形貌呈現(xiàn)脆性特征，即使是韌性材料也如此。裂紋源常常發(fā)生在表面而且呈多發(fā)源。在斷口上可看到腐蝕特征。

③低應(yīng)力脆性斷裂有兩種：一種是零件制造工藝不正確或使用環(huán)境溫度低，使材料變脆，在低應(yīng)力下發(fā)生脆斷，常見(jiàn)的有鋼材回火脆斷和低溫下脆斷；另一種是由于氫的作用，零件在低于材料屈服極限的應(yīng)力作用下導(dǎo)致的氫脆斷裂，氫脆斷裂的裂紋源在次表層，裂紋源不是一點(diǎn)而是一小片，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈氧化色顆粒狀，與斷裂區(qū)成鮮明對(duì)比，斷口宏觀(guān)上平齊。④蠕變斷裂金屬零件在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使受到小于材料屈服極限的應(yīng)力作用，也會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，而緩慢產(chǎn)生塑性變形，最后導(dǎo)致零件斷裂。在蠕變斷裂口附近有較大變形，并有許多裂紋，多為沿晶斷裂，斷口表面有氧化膜，有時(shí)還能見(jiàn)到蠕變孔洞。⑤疲勞斷裂金屬零件經(jīng)過(guò)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(chēng)為疲勞斷裂。在機(jī)械零件的斷裂失效中，疲勞斷裂占很大的比重，約為50%～80%。軸、齒輪、內(nèi)燃機(jī)連桿等都承受交變載荷，若發(fā)生斷裂多半為疲勞斷裂。疲勞斷裂斷口的宏觀(guān)特征明顯分為三個(gè)區(qū)域，即疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)。疲勞源區(qū)是疲勞裂紋最初形成的地方，它一般總是發(fā)生在零件的表面，但若材料表面進(jìn)行了強(qiáng)化或內(nèi)部有缺陷，也在皮下或內(nèi)部發(fā)生；疲勞源區(qū)往往是一表面光滑細(xì)潔、貝紋線(xiàn)不明顯的狹小區(qū)域。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)最明顯的特征是常常呈現(xiàn)宏觀(guān)的疲勞弧帶和微觀(guān)的疲勞紋，疲勞弧帶大致以疲勞源為核心，似水波形式向外擴(kuò)展，形成許多同心圓或同心弧帶，其方向與裂紋擴(kuò)展方向相垂直。瞬時(shí)破斷區(qū)是當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)發(fā)生的快速破斷區(qū)；其宏觀(guān)特征與靜載拉伸斷口中快速破斷的放射區(qū)及剪切唇相同。各類(lèi)斷口的宏觀(guān)形貌如圖1-4所示。通過(guò)對(duì)斷裂零件斷口形貌的研究，推斷出斷裂的性質(zhì)和類(lèi)型，找出破壞原因，以便采取預(yù)防措施。2）斷裂失效分析及其對(duì)策①斷裂失效分析其步驟大致如下。a.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查斷裂發(fā)生后，要迅速調(diào)查了解斷裂前后的各種情況并做好記錄，必要時(shí)還應(yīng)攝影、錄像。對(duì)零件破斷后的斷口碎片應(yīng)嚴(yán)加保護(hù)，防止氧化、腐蝕和污染，在未查清斷口特征和照相記錄之前，不允許移動(dòng)碎片和清洗斷口。另外，還應(yīng)對(duì)當(dāng)時(shí)的工作條件、運(yùn)轉(zhuǎn)情況及周?chē)h(huán)境等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查記錄。b.分析主導(dǎo)失效件一個(gè)關(guān)鍵零件發(fā)生斷裂失效后，往往會(huì)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(shí)，要理清次序，準(zhǔn)確找出起主導(dǎo)作用的斷裂件，否則會(huì)誤導(dǎo)分析結(jié)果。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(lái)，找出哪一條裂紋最先發(fā)生，這一條裂紋即為主導(dǎo)裂紋。c.斷口分析首先進(jìn)行斷口的宏觀(guān)分析，用肉眼或20倍以下的低倍放大鏡，對(duì)斷口進(jìn)行觀(guān)察和分析；分析前可對(duì)破損零件的油污進(jìn)行清洗，對(duì)銹蝕的斷口可采用化學(xué)法、電化學(xué)法除銹，去除氧化膜；要仔細(xì)觀(guān)察斷口的形貌，裂紋的位置，斷口與變形方向的關(guān)系，判斷出裂紋與受力之間的關(guān)系及裂紋源位置，斷裂的原因、性質(zhì)等，為微觀(guān)分析提供依據(jù)。然后進(jìn)行斷口的微觀(guān)分析，用金相顯微鏡或電子顯微鏡進(jìn)一步觀(guān)察分析斷口形貌與顯微組織的關(guān)系；斷裂過(guò)程中微觀(guān)區(qū)域的變化；斷口金相組織及夾雜物的性質(zhì)、形狀、分布以及顯微硬度、裂紋起因等。d.進(jìn)行檢驗(yàn)進(jìn)行金相組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能的檢驗(yàn)，以便研究材料是否有宏觀(guān)或微觀(guān)缺陷，裂紋分布與發(fā)展以及金相組織是否正常等。復(fù)驗(yàn)金屬化學(xué)成分是否符合要求，以及常規(guī)力學(xué)性能是否合格等。e.確定失效原因確定零件的失效原因時(shí)，應(yīng)對(duì)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)和溫度、同類(lèi)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(guān)特征、微觀(guān)特征作出準(zhǔn)確的判斷，確定斷裂失效的主要原因和次要原因。②確定失效對(duì)策斷裂失效的原因找出以后，可從以下幾個(gè)方面考慮對(duì)策。a.設(shè)計(jì)方面零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中，根據(jù)環(huán)境介質(zhì)、溫度、負(fù)載性質(zhì)合理選擇材料。b.工藝方面表面強(qiáng)化處理可大大提高零件疲勞壽命，適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉涌煞乐闺s質(zhì)造成的脆性斷裂。在對(duì)某些材料進(jìn)行熱處理時(shí)，在爐中通入保護(hù)氣體可大大改善其性能。c.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(dòng)，對(duì)重要零件應(yīng)防止碰傷拉傷；第二，應(yīng)注意正確使用，保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，防止腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，防止零件各部分溫差過(guò)大，如有些設(shè)備在冬季生產(chǎn)時(shí)需先低速空轉(zhuǎn)一段時(shí)間，待各部分預(yù)熱以后才能負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）零件的變形1）零件變形的基本概念機(jī)械設(shè)備在作業(yè)過(guò)程中，由于受力的作用，使零件的尺寸或形狀產(chǎn)生改變的現(xiàn)象稱(chēng)為變形。過(guò)量的變形是機(jī)械失效的重要類(lèi)型，也是判斷韌性斷裂的明顯征兆。有的機(jī)械零件因變形引起結(jié)合零件出現(xiàn)附加載荷、加速磨損或影響各零部件間的相互關(guān)系，甚至造成斷裂等災(zāi)難性后果。例如，各類(lèi)傳動(dòng)軸的彎曲變形、橋式起重機(jī)主梁下?lián)锨蚺で?、汽?chē)大梁的扭曲變形、缸體或變速箱殼等基礎(chǔ)零件發(fā)生變形等，相互間位置精度就會(huì)遭到破壞；當(dāng)變形量超過(guò)允許極限時(shí)，將喪失規(guī)定的功能。2）零件變形的類(lèi)型①金屬的彈性變形彈性變形是指金屬在外力去除后能完全恢復(fù)的那部分變形。彈性變形的機(jī)理，是晶體中的原子在外力作用下偏離了原來(lái)的平衡位置，使原子間距發(fā)生變化，從而造成晶格的伸縮或扭曲。因此，彈性變形量很小，一般不超過(guò)材料原來(lái)長(zhǎng)度的0.10%～1.0%。而且金屬在彈性變形范圍內(nèi)符合虎克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比。許多金屬材料在低于彈性極限應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生滯后彈性變形。在一定大小應(yīng)力的作用下，試樣將產(chǎn)生一定的平衡應(yīng)變。但該平衡應(yīng)變不是在應(yīng)力作用的一瞬間產(chǎn)生，而需要應(yīng)力持續(xù)充分的時(shí)間后才會(huì)完全產(chǎn)生。應(yīng)力去除后平衡變形也不是在一瞬間完全消失，而是需經(jīng)充分時(shí)間后才完全消失。材料發(fā)生彈滯性變形時(shí)，平衡應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱(chēng)為彈性滯后現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱(chēng)彈性后效。曲軸等經(jīng)過(guò)冷校直的零件，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后又發(fā)生彎陷，這種現(xiàn)象就是彈性后效所引起的。消除彈性后效的辦法是長(zhǎng)時(shí)間的回火，一般鋼件的回火溫度為300～450℃。在金屬零件使用過(guò)程中，若產(chǎn)生超過(guò)設(shè)計(jì)允許的超量彈性變形，則會(huì)影響零件正常工作。例如，傳動(dòng)軸工作時(shí)，超量彈性變形會(huì)引起軸上齒輪嚙合狀況惡化，影響齒輪和支承它的滾動(dòng)軸承的工作壽命；機(jī)床導(dǎo)軌或主軸超量彈性變形，會(huì)引起加工精度降低甚至不能滿(mǎn)足加工精度要求。因此，在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中防止超量彈性變形是十分必要的。②金屬的塑性變形塑性變形是指金屬在外力去除后，不能恢復(fù)的那部分永久變形。實(shí)際使用的金屬材料，大多數(shù)是多晶體，且大部分是合金。由于多晶體有晶界的存在，各晶粒位向的不同以及合金中溶質(zhì)原子和異相的存在，不但使各個(gè)晶粒的變形互相阻礙和制約，而且會(huì)嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)。因此，多晶體的變形抗力比單晶體高，而且使變形復(fù)雜化。由此可見(jiàn)，晶粒愈細(xì)，則單位體積內(nèi)的晶界愈多，因而塑性變形抗力也愈大，即強(qiáng)度愈高。金屬材料經(jīng)塑性變形后，會(huì)引起組織結(jié)構(gòu)和性能的變化。較大的塑性變形，會(huì)使多晶體的各向同性遭到破壞，而表現(xiàn)出各向異性；也會(huì)使金屬產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。同時(shí)，由于晶粒位向差別和晶界的封鎖作用，多晶體在塑性變形時(shí)，各個(gè)晶粒及同一晶粒內(nèi)部的變形是不均勻的。因此，外力去除后各晶粒的彈性恢復(fù)也不一樣，因而在金屬中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力。另外，塑性變形使原子活潑能力提高，造成金屬的耐腐蝕性下降。塑性變形導(dǎo)致機(jī)械零件各部分尺寸和外形的變化，將引起一系列不良后果。例如，機(jī)床主軸塑性彎曲，將不能保證加工精度，導(dǎo)致廢品率增大，甚至使主軸不能工作。零件的局部塑性變形雖然不像零件的整體塑性變形那樣明顯引起失效，但也是引起零件失效的重要形式。如鍵連接、花鍵連接、擋塊和銷(xiāo)釘?shù)?，由于靜壓力作用，通常會(huì)引起配合的一方或雙方的接觸表面擠壓而產(chǎn)生局部塑性變形，隨著擠壓變形的增大，特別是那些能夠反向運(yùn)動(dòng)的零件將引起沖擊，使原配合關(guān)系破壞的過(guò)程加劇，從而導(dǎo)致機(jī)械零件失效。3）引起零件變形的原因引起零件變形的主要原因有如下幾個(gè)。①工作應(yīng)力由外載荷產(chǎn)生的工作應(yīng)力超過(guò)零件材料的屈服極限時(shí)，就會(huì)使零件產(chǎn)生永久變形。②工作溫度溫度升高，金屬材料的原子熱振動(dòng)增大，臨界切變抗力下降，容易產(chǎn)生滑移變形，使材料的屈服極限下降；或零件受熱不均，各處溫差較大，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，引起變形。③殘余內(nèi)應(yīng)力零件在毛坯制造和切削加工過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，影響零件的靜強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。這不僅使零件的彈性極限降低，還會(huì)產(chǎn)生減小內(nèi)應(yīng)力的塑性變形。④材料內(nèi)部缺陷材料內(nèi)部夾渣、有硬質(zhì)點(diǎn)、應(yīng)力分布不均等，造成使用過(guò)程中零件變形。值得指出的是，引起零件的變形，不一定在單因素作用下一次產(chǎn)生，往往是幾種原因的共同作用，多次變形累積的結(jié)果。因此，要防止零件變形，必須從設(shè)計(jì)、制造工藝、使用、維護(hù)修理等幾個(gè)方面采取措施，避免和消除上述引起變形的因素，從而把零件的變形控制在允許的范圍之內(nèi)。使用中的零件，變形是不可避免的，因此在進(jìn)行設(shè)備大修時(shí)不能只檢查配合面的磨損情況，對(duì)于相互位置精度也必須認(rèn)真檢查和修復(fù)，尤其對(duì)第一次大修機(jī)械設(shè)備的變形情況更要注意檢查、修復(fù)