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

機(jī)械零件喪失規(guī)定的功能即稱為失效。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，對減少機(jī)械故障的

發(fā)生和延長機(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程中不可

避免的另一類失效形式，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，延長設(shè)備使用壽

命。止匕外，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依據(jù)。

(2)零件的磨損

1)零件的磨損規(guī)律

眾所周知，一臺機(jī)器如汽車、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，它們在

外力作用下以及熱力、化學(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)生的一種類似金屬切削過程的磨損現(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。在各類磨損中，

磨料磨損約占50%左右，是十分常見且危害性最嚴(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

簽削式、高應(yīng)力碾碎式和低應(yīng)力擦傷式三類。

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運(yùn)動方向平行的細(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策可從如下兩方面

著手。

a.減少磨料的進(jìn)入對機(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)油過濾器；增加用于防塵的密封裝置等；在

潤滑系統(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

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?/p>

擦副表面的材料形成固溶體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，鋼與鑄鐵配對的抗黏著性能也不錯(cuò)。

c.改善熱傳遞條件通過選用導(dǎo)熱性能好的材料，對摩擦副進(jìn)行

冷卻降溫或采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，以降低摩擦副相對運(yùn)動時(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

之間的接觸和相對運(yùn)動方式，可將疲勞磨損分為滾動接觸疲勞磨

損和滑動接觸疲勞磨損兩種形式。

①疲勞磨損機(jī)理疲勞磨損的過程就是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展、微粒形

成和脫落的破壞過程。磨料磨損和黏著磨損都與摩擦副表面直接

接觸有關(guān)，有潤滑劑將摩擦兩表面分隔開，則這兩類磨損機(jī)理就

不起作用。對于疲勞磨損，即使摩擦表面間存在潤滑劑，并不直

接接觸，也可能發(fā)生，這是因?yàn)槟Σ帘砻嫱ㄟ^潤滑油膜傳遞而承

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

開始就發(fā)生的，而是應(yīng)力經(jīng)過一定循環(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.滾動接觸疲勞磨損滾動軸承、傳動齒輪等有相對滾動摩擦副

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，都是由滾動接觸疲勞磨損造成的，

又稱為點(diǎn)蝕或痘斑磨損。

b.滑動接觸疲勞磨損兩滑動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，形成滑動疲勞磨損，剝落層深度一般為0.2?

0.4mmo

②減少或消除疲勞磨損的對策減少或消除疲勞磨損的對策就

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。對未溶解的碳化物，通過適當(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。例如觸承鋼表面硬度為62HRC左右時(shí)，

其抗疲勞磨損能力最大對傳動齒輪的齒面，硬度在58~62HRC

范圍內(nèi)最佳。此外，兩接觸滾動體表面硬度匹配也很重要，例如

滾動軸承中，以滾道和滾動元件的硬度相近，或者滾動元件比滾

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，將滾動軸承的表面粗糙度

值從Ra0.40pm減小到Ra0.20|jm時(shí)，壽命可提高2~3倍；

從Ra0.20pm減小到Ra0.10pm時(shí)，壽命可提高1倍;而減小

到Ra0.05Pm以下則對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、潤滑油的性質(zhì)等都會對

疲勞磨損的速度產(chǎn)生影響。通常，表面應(yīng)力過大、配合間隙過小

或過大、潤滑油在使用中產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)等都會加劇疲勞磨損。

5）腐蝕磨損

①腐蝕磨損的機(jī)理運(yùn)動副在摩擦過程中，金屬同時(shí)與周圍介質(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。

a.氧化磨損在摩擦過程中，摩擦表面在空氣中的氧或潤滑劑中

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、附著力等都對磨損速率有重要影響。這

類腐蝕磨損出現(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

會受到腐蝕磨損。

②減少腐蝕磨損的對策

a.合理選擇材質(zhì)和對表面進(jìn)行抗氧化處理?？梢赃x擇含鋁、鎮(zhèn)、

鋁、鑄等成分的鋼材，提高運(yùn)動副表面的抗氧化磨損能力?；蛘?/p>

對運(yùn)動副表面進(jìn)行噴丸、滾壓等強(qiáng)化處理，或者對表面進(jìn)行陽極

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.對于特定介質(zhì)作用下的腐蝕磨損，可以通過控制腐蝕性介質(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

來減輕腐蝕磨損速率。

6）微動磨損

兩個(gè)固定接觸表面由于受相對小振幅振動而產(chǎn)生的磨損稱為微

動磨損，主要發(fā)生在相對靜止的零件結(jié)合面上，例如鍵連接表面、

過盈或過渡配合表面、機(jī)體上用螺栓連接和聊釘連接的表面等，

因而往往易被忽視。

微動磨損的主要危害是使配合精度下降，過盈配合部件的過盈量

下降甚至松動，連接件松動乃至分離，嚴(yán)重者還會引起事故。微

動磨損還易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致連接件疲勞斷裂。

①微動磨損的機(jī)理微動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)合表面因振動而起著磨料的作用，所以微動

磨損兼有黏著磨損、氧化磨損和磨料磨損的作用。

②減少或消除微動磨損的對策實(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磨損的主要因素。因而，減

少或消除微動磨損的對策主要有以下幾個(gè)方面。

a.改善材料性能選擇適當(dāng)材料配對以及提高硬度都可以減小

微動磨損。一般來說，抗黏著性能好的材料配對對抗微動磨損能

力也好，而鋁對鑄鐵、鋁對不銹鋼、工具鋼對不銹鋼等抗黏著能

力差的材料配對，其抗微動磨損能力也差。將碳鋼表面硬度從

180HV提高到700HV時(shí)，微動磨損可降低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

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，微動磨損量隨載荷的

增加而增加，但增大的速率會不斷減少，當(dāng)超過某臨界載荷之后，

磨損量則減小。因而，可通過控制過盈配合的預(yù)應(yīng)力或過盈量來

有效地減緩微動磨損。

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?150pm時(shí)，磨損率會顯著上升。因此，應(yīng)有效地將振幅

控制在30pm以內(nèi)。

&合理控制溫度低碳鋼在以上，磨損量隨溫度上升而逐漸

降低;在150~20（TC時(shí)磨損量會突然降低；繼續(xù)升高溫度，則

磨損量上升，溫度從135℃升高到40CTC時(shí)，磨損量會增加15

倍。中碳鋼在其他條件不變時(shí)，溫度為13CTC的情況下微動磨損

發(fā)生轉(zhuǎn)折，超過此溫度，微動磨損量大幅度降低。

e.選擇合適的潤滑劑實(shí)驗(yàn)表明，普通的液體潤滑劑對防止微動

磨損效果不佳；黏度大、滴點(diǎn)高、抗剪切能力強(qiáng)的潤滑脂對防止

微動磨損有一定的效果；效果最佳的是固體潤滑劑，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

程的控制都必須全面考慮這些因素，對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

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

該零件的總的性能要求。一般來說，總的性能要求可以分為兩大

類：一類是屬于非摩擦學(xué)性能要求；另一類是摩擦學(xué)性能要求。

在非摩擦學(xué)性能要求中又可分成兩類：一類是一般性能要求，另

一類是特殊性能要求。

以滑動軸承為例，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，這些都屬于對機(jī)械零件的

一般要求。然而，作為滑動軸承，它還應(yīng)具有合適的硬度、較好

的導(dǎo)熱性等，這是對滑動軸承非摩擦學(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。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，對滑動磨損來說主要取決于配對材料

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)對鐵基、鎂基合金及

鈦合金、鋁合金都適用；不過高硬度材料，例如硬度在60HRC

以上的淬火鋼則可以不受這種限制，也就是說它們可以在自配對

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，如剎車裝

置、夾緊裝置及一些傳動裝置中。一般情況下，摩擦因數(shù)確定了

系統(tǒng)的動力性能、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)理或磨損類型的磨損率減少，

對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圍介質(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衔铮纬傻母g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。

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

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)腐怛是金屬與電解質(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，

如含有銀、絡(luò)、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、

鍍鋁、鍍鋁等，把金屬與介質(zhì)隔離開，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)申化學(xué)腐蝕是由于金屬在電解質(zhì)溶液中形成了

陽極區(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，緩蝕劑有無機(jī)緩蝕劑和

有機(jī)緩蝕劑兩類。無機(jī)類能在金屬表面形成保護(hù)，使金屬與介質(zhì)

隔開，如重銘酸鉀、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、動物膠、生物堿等。在使用緩蝕劑防腐時(shí)，應(yīng)特別注

意其類型、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為斷口。斷

裂的類型很多，與斷裂的原因密切相關(guān)，工程中分為五種類型。

①過載斷裂當(dāng)外力超過了零件危險(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)斷口形貌類似。對鋼

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)境等角度考慮問題。對鑄鐵等脆性材料，斷裂前幾乎無

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

脆性斷裂；由于發(fā)生脆性斷裂之前無明顯的預(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)過一定時(shí)間后產(chǎn)生的斷裂。斷口的宏觀形貌呈

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)成鮮明對比，斷口宏觀上平齊。

④蠕變斷裂金屬零件在長時(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，也會隨著時(shí)間的延長，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

能見到蠕變孔洞。

⑤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。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)宏觀的疲勞弧帶和微觀的疲勞紋，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。

各類斷口的宏觀形貌如圖1-4所示。通過對斷裂零件斷口形貌的

研究，推斷出斷裂的性質(zhì)和類型，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策

①斷裂失效分析其步驟大致如下。

a.現(xiàn)場調(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，不允許移動碎片和清洗斷口。另外，還應(yīng)對當(dāng)時(shí)的工

作條件、運(yùn)轉(zhuǎn)情況及周圍環(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，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)行斷口的宏觀分析，用肉眼或20倍以下的

低倍放大鏡，對斷口進(jìn)行觀察和分析；分析前可對破損零件的油

污進(jìn)行清洗，對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，為微觀分析提供依據(jù)。然后進(jìn)行斷口的微觀分析，

用金相顯微鏡或電子顯微鏡進(jìn)一步觀察分析斷口形貌與顯微組

織的關(guān)系；斷裂過程中微觀區(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或微觀缺陷，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，確定斷裂失效的主要原

因和次要原因。

②確定失效對策斷裂失效的原因找出以后，可從以下幾個(gè)方面

考慮對策。

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?/p>

面涂層可防止雜質(zhì)造成的脆性斷裂。在對某些材料進(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，

對重要零件應(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)象稱為變形。過量的變形是機(jī)械失效的重要類型，

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，各類傳動軸的彎曲變形、橋式起

重機(jī)主梁下?lián)锨蚺で?、汽車大梁的扭曲變形、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遭到破壞；當(dāng)變形

量超過允許極限時(shí)，將喪失規(guī)定的功能。

2）零件變形的類型

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，一般不超過材料原來長

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)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，簡稱彈性后效。

曲軸等經(jīng)過冷校直的零件，經(jīng)過一段時(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時(shí)間的回火，

一般鋼件的回火溫度為

300-450℃o

在金屬零件使用過程中，若產(chǎn)生超過設(shè)計(jì)允許的超量彈性變形，

則會影響零件正常工作。例如，傳動軸工作時(shí)，超量彈性變形會

引起軸上齒輪嚙合狀況惡化，影響齒輪和支承它的滾動軸承的工

作壽命；機(jī)床導(dǎo)軌或主軸超量彈性變形，會引起加工精度降低甚

至不能滿足加工精度要求。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，而且會嚴(yán)

重阻礙位錯(cuò)的移動。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，晶粒愈細(xì)廁單位體積內(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，會引起組織結(jié)構(gòu)和性能的變化。較大的

塑性變形，會使多晶體的各向同性遭到破壞，而表現(xiàn)出各向異性;

也會使金屬產(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J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、擋塊和銷釘?shù)?，由于靜壓

力作用，通常會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)動的

零件將引起沖擊，使原配合關(guān)系破壞的過程加劇，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)力超過零件材料的屈服極

限時(shí)，就會使零件產(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程中，都會產(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，對于相互位置精度也必須認(rèn)真檢查和

修復(fù)，尤其對第一次大修機(jī)械設(shè)備的變形情況更要注意檢查、修

復(fù)，因?yàn)榱慵趦?nèi)應(yīng)力作用下的變形，通常在12~20個(gè)月內(nèi)完