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机械零件的主要失效形式及失效分析,机械设计人员必读!

机械设计 1400

一:机械零件的失效形式主要有:

1、整体断裂

零件在受拉、压、弯、剪和扭等外载荷作用时,由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂,或者零件在受变应力作用时,危险截面上发生的疲劳断裂均属此类。例如螺栓的断裂、齿轮轮齿根部的折断等。

2、过大的残余变形

如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限,则零件将产生残余变形。机床上夹持定位零件的过大的残余变形,要降低加工精度;高速转子轴的残余挠曲变形,将增大不平衡度,并进一步引起零件的变形。

3、零件的表面破坏

零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀,从而使零件表面遭到破坏。与此同时,对于承受变应力的零件,还会引起腐蚀疲劳的现象。

磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。

腐蚀、磨损和接触疲劳都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。处于潮湿空气中或与水、汽及其他腐蚀性介质相接触的金属零件,均有可能发生腐蚀现象;所有做相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损;而在接触变应力条件下工作的零件表面也将有可能发生接触疲劳。

4、破坏正常工作条件引起的失效

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。例如,液体摩擦的滑动轴承,只有在存在完整的润滑油膜时才能正常地工作;带传动和摩擦轮传动,只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常地工作;高速转动的零件,只有其转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔时才能正常地工作等。如果破坏了这些必备的条件,则将发生不同类型的失效。例如,滑动轴承将发生过热、胶合、磨损等形式的失效;带传动将发生打滑的失效;高速转子将发生共振从而使振幅增大,以致引起断裂的失效等。

零件到底经常发生哪种形式的失效,这与很多因素有关,并且在不同行业和不同的机器上也不尽相同。根据参考文献中对1378项失效所进行的分类结果来看,由于腐蚀、磨损和各种疲劳破坏所引起的失效就占了73.88%,而由于断裂所引起的失效只占4.79%。所以可以说,腐蚀、磨损和疲劳是引起零件失效的主要原因。

二:机械零件的失效分析

失效分析的目的是找出产生失效的主导因素,为能准确确定零件的主要使用性能提供可靠依据。例如,各类发动机曲轴的选材,按传统的知识认为,曲轴工作中主要承受高的冲击性和耐磨性,基本是应用45钢制造。而进行失效分析结果证实,曲轴的主要失效形式是疲劳断裂,所以疲劳强度应是曲轴设计、制造的主要使用性能指标,选用球墨铸铁制造质优、耐用又价廉。可见,了解失效形式是正确选材的基本前提之一。

实际上,一个零件的失效往往是相当复杂的,常常不是单一原因造成的,而是多种因素共同作用的结果。所以,失效分析是一项涉及面很广的复杂的技术工作,必须要有一个科学的方法,合理的工作程序。

首先,对零件使用现场进行调查。了解零件的工作环境和失效经过,拍照记录相关零件的受损情况、零件的使用寿命,收集并保存失效零件残体供分析用。

其次,收集零件用材和制造工艺档案资料。复查零件材料的化学成分和原材料质量,详细了解零件的毛坯制造、机械加工、热处理等工艺和操作过程。

第三,失效零件本身的检测分析。对失效零件进行损伤处的外观分析(了解零件的损伤种类,寻找损伤的起源,观察损伤部位的表面粗糙度和几何形状等),并取样进行断口分析、金相分析、力学性能测试等。还要分析在失效零件上收集到的腐蚀产物的成分、磨屑的成分等,必要时还要进行无损探伤、断裂力学分析等。

综合上述各方面的调查和分析结果,判断影响零件失效的各种因素,排除不可能或非重要的因素,最终确定零件失效的真正原因,特别是起决定作用的主要原因。

失效分析的结果,既可对零件的失效形式加以预测,又是零件选材的依据,同时又可以对合理制订零件的制造工艺、优化零件的结构设计,以及新材料的研制和新工艺的开发等提供有指导意义的数据。

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