1、在设备使用过程中,机械零件由于设计、材料、工艺及装配等各种原因,丧失规定的功能,无法继续工作的现象称为失效。当机械设备的关键零部件失效时,就意味着设备处于故障状态。机械发生故障后,其经济技术指标部分或全部下降而达不到预定要求,如功率下降、精度降低、加工表面粗糙度达不到预定等级或发生强烈震动、出现不正常的响声等。机电设备的故障分为自然故障和事故性故障两类。自然故障是指机器个部分零件的正常磨损或物理、化学变化造成零件的变形、断裂、蚀损等,使机器零件失效所引起的故障。事故性故障是指维护和调整不当,违反操作规程或使用了质量不合格的零件和材料等造成的故障,这种故障是认为造成的,可以避免。机器的故障和零件
2、的失效密不可分。机械设备类型很多,其运行工况和环境条件差异很大。机械零件失效形式也很多,主要有磨损、变形、断裂、蚀损等四种普通的、有代表性的失效模式。一、机械零件的磨损及其对策相接触的物体在互相移动时发生阻力现象称为摩擦。相对运动的零件表面发生尺寸、形状、和表面质量的变化称为磨损。摩擦是不可避免的自然现象;磨损是摩擦的必然结果,两者均发生于材料表面。当机械零件配合面产生的磨损超过一定限度时,会引起配合性质的改变,使间隙加大、润滑条件变坏。产生冲击,磨损就会变得越来越严重,在这种情况下极易发生事故,一般机械设备中约有80%的零件因磨损而失效报废。摩擦分为以下种类:粘着摩损粘着摩损又称为粘附摩损,
3、是指当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触发生相对运动时,由于粘着作用,接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的摩损。摩擦副表面即使是抛光得很好的光洁表面,但实际上也还是高低不平的。因此,两个金属零件表面的接触,实际上是微凸体之间的接触,实际接触面积很小,所以即使在载荷不大时,单位面积的接触应力也很大,如果当这一接触应力大到足以使微凸地发生塑性变形,并且接触处很干净,那么这两个零件的金属面将直接接触而产生粘着。当摩擦表面发生相对滑动时,粘着点在切应力作用下变形,甚至断裂,造成接触表面的损伤破坏。这时,如果粘着点的粘着力足够大,并超过摩擦接触点两种材料之一的强度,则材料便会从该表面上被扯下,
4、是材料冲一个表面转移到另一个表面。通常这种材料的转移是由较软的表面转移到较硬的表面上。在载荷和相对运动作用下,两接触点间重复产生“粘着剪切再粘着”的循环过程,使摩擦表面温度显著升高,油膜破坏,严重时表层金属局部软化或熔化,接触点产生进一步粘着。在金属零件的摩擦中,粘着磨损是剧烈的,常常会导致摩擦副灾难性破坏,应加以避免。但是在非金属零件或金属零件和聚合物件构成的摩擦副中,摩擦时聚合物转移到金属表面形成单分子层,凭借聚合物的润滑特性,可提高耐磨性,此时粘着磨损则起到有益的作用。减少或消除粘着磨损的对策摩擦表面产生粘着是粘着磨损的前提,因此,减少或消除粘着磨损的对策就有两方面:1控制摩擦表面的状态
5、,摩擦的状态主要是指表面自然洁净程度和微观粗糙度。摩擦表面越干净,越光滑,越可能发生表面粘着,因此,应当尽可能使摩擦表面有吸附物质、氧化物层和润滑剂。例如,润滑油中加入油性添加剂,能有效地防止金属表面产生磨损粘着。2控制摩擦表面材料的成分和金相组织材料成分和金相组织相近的两种金属材料之间最容易发生粘着磨损。此外,金属间化合物具有良好的抗粘着磨损性能,因此也可选用易于在摩擦表面形成金属化合物的材料。如果这两个要求不能满足,则通常在摩擦表面覆盖能有抵抗粘着磨损的材料,如铅、锡、银等软金属或合金。磨料磨损磨料磨损也称为磨粒磨损,它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒,或者当摩擦副材料一方的硬度比另
6、一方面的硬度大得多时,所产生的一种类似金属切削过程的磨损。在各类磨损中,磨料磨损约占50%,是十分常见且危害性最严重的一种磨损,其磨损速率和磨损强度都很大,致使机械设备的使用寿命大大降低,能源和材料大量消耗。减少或消除磨料磨损的对策磨料磨损是由磨料颗粒与摩擦表面的机械作用而引起的,因此,减少或消除磨料磨损的对策也有两个方面。1磨料方面,磨料磨损与磨料的相对硬度、形状、粒度有密切关系。磨料的应对相对于摩擦表面材料硬度越大,磨损越严重。实践与试验表面,在一定粒度范围内,摩擦表面的磨损量随磨粒尺寸的增大而按比例较快地增加,但当磨损粒度达到一定尺寸后,磨损量基本保持不变。这是因为磨料本身的缺陷和裂纹随
7、着磨料尺寸增大而增多,导致磨料的强度降低,易于断裂破损。2摩擦表面材料方面,摩擦表面材料的显微组织/力学性能与磨料磨损有很大关系,在一定范围内,硬度越高,材料越耐磨,因为硬度反映了被磨损表面抵抗磨料压力的能力。断裂韧度反映材料对裂纹的产生和扩散的敏感性,对材料的磨损特性也有重要的影响,应此必须综合考虑硬度和断裂韧度的取值,只有两者配合合理时,材料的耐磨性才最佳。疲劳磨损疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形,导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。减少或消除疲劳磨损的对策疲劳磨损是由于疲劳裂纹的萌生和扩展而产生的,因此,减少或消除疲劳磨损的对策就是控制影响裂纹萌生和扩展
8、的因素,主要有四个方面:1硬度,在一定范围内增加,其接触疲劳强度随之增大,例如,轴承钢表面硬度为62左右时,其抗疲劳磨损能力最大。两个接触滚动体表面硬度匹配也很重要,例如,滚动轴承中,滚道和滚动元件的硬度相近,或者滚动元件比滚道硬度高出10%为宜。2接触表面的粗糙度,适当降低表面粗糙度可有效提高抗疲劳磨损能力,例如,滚动轴承表面粗糙度由0.4m降低到0.2m,寿命可提高23倍;表面粗糙度要求的高低与表面承受的接触应力有关,通常接触应力大,或表面硬度高时,均要求表面粗糙度低。3表面残余内应力一般来说,表面在一定深度范围内存在有残余内应力,不仅可提高弯曲、扭转疲劳强度,还能提高疲劳强度,减少疲劳磨
9、损。但是残余内应力过大也有害。4、润滑油的选择,润滑油粘度越高越利于改善接触部分的压力分布,同时不易渗入表面裂纹中,这对抗疲劳磨损均十分有利,而润滑油中加入活性氯化物添加剂或是能产生化学反应形成酸类物质的添加剂,则会降低轴承的疲劳寿命。机械设备装配精度影响齿轮齿面的啮合接触面积的大小,自然也对接触疲劳寿命有影响。腐蚀磨损在摩擦过程中,金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应,引起金属表面的腐蚀剥落,这种现象称为腐蚀磨损。腐蚀磨损是一种极为复杂的磨损过程,经常发生在高温或潮湿的环境下,更容易发生在有酸碱盐等特殊介质条件下。减少或消除腐蚀磨损的对策:1在摩擦过程中控制氧化膜生产的速度与厚度;2使
10、摩擦表面受腐蚀时能生成一层结构紧密且与金属基体结合牢固、阻碍腐蚀继续发生或使腐蚀速度减缓的保护膜,可使腐蚀磨损速度减小。3控制机械零件或构件所处的应力状态,因为这对腐蚀影响很大,当机械零件受到重复应力作用时,所产生的腐蚀速度比不受应力时快得多。微动磨损两个接触表面由于受相对振幅振荡运动而产生的磨损成为微动磨损。他产生于相对静止的结合零件上,因而往往易被忽视。微动磨损的最大特点是:在外界变动载荷作用下,产生振幅很小的相对运动,由此发生摩擦磨损。例如在键联接处、过盈配合处、螺栓联接处、铆钉联接处等结合上产生的磨损。微动磨损使配合精度下降,过盈配合部件紧度下降甚至松动,联接件松动乃至分离,严重者会引
11、起事故。微动磨损还易引起应力集中,导致联接件疲劳断裂,微动磨损是一种兼有磨料磨损、粘着磨损和氧化磨损的复合磨损形式。减少或消除微动磨损的对策实践与试验表明,外界条件及材质对微动磨损影响相当大,因而,减少或消除微动磨损的对策主要有以下几个方面:（1载荷在一定条件下,随着载荷增大,微动磨损量将增加,但是当超过某临界载荷之后,微动磨损量将减小。采用超过临界载荷的紧固方式可有效减少微动磨损。（2振幅当振幅较小时,单位磨损率较小,当振幅超过50150m时,单位磨损率显著上升,因此,应有效地将振幅控制在30m以内;（3温度低碳钢,在0度以上时,微动磨损量随温度上升而逐渐降低;在150度200度时,微动磨损
12、量突然降低,继续升高温度,微动磨损量上升;温度冲135度升到400度时,微动磨损量增加15倍。中碳钢,在其他条件不变,温度为130度时,微动磨损量发生转折;超过此温度,微动磨损量大幅度降低。（4润滑用粘度大、抗剪切强度高的润滑油脂有一定效果,固体润滑剂效果更好。而普通的液体润滑剂对防止微动磨损效果不佳。（5材质性能提高硬度及选择适当材料配副都可以减少微动磨损。机械零件的变形及其对策机械零件或构件在外力的作用下,产生形状或尺寸变化的现象称为变形,过量的变形时机械零件失效的重要类型,也是判断韧性断裂的明显征兆;机械零件变形可分为弹性变形和塑性变形两大类。弹性变形:金属零件在作用应力小于材料屈服强度
13、时产生的变形称为弹性变形,其特点是:1当外力取出后,零件变形消除,恢复原状;2材料弹性变形时,应变与应力成正比,其比值称为弹性模量,他表示材料对弹性变形的阻力;3弹性变形量很小,一般不超过原材料长度的0.1%1%。塑性变形:塑性变形又称为永久变形,是指机械零件在外加载荷去除后留下来的一部分不可恢复的变形。塑性变形导致机械各部分零件尺寸和外形发生变化,将引起一系列不良后果。例如,机床主轴塑性弯曲,将不能保证加工精度,导致废品率增大,甚至主轴不能工作。防止和减少零件变形的对策变形是不可避免的,我们可以从下列四个方面采取相应的对策防止和减少机械零件变形。1设计:设计时不仅要考虑零件的强度,还要重视零
14、件的刚度和制造、装配、使用、拆卸、修理等问题;2、加工:在加工中采取一系列工艺措施来防止和减少变形,对毛坯要进行时效以消除其残余内应力;时效有自然时效和人工时效两种,自然时效,可以将生产出来的毛坯在露天存放12年,这是因为毛坯材料的内应力在1220个月逐渐消失的特点,其时效效果最佳;缺点是时效周期太差。人工时效可使毛坯通过高温退火、保温缓冷而消除内应力。也可以利用振动作用来进行人工时效。高精度零件在精加工过程中必须安排人工时效。3、修理:在修理中,既要满足恢复零件的尺寸、配合精度、表面质量等技术要求,还要检查和修复主要零件的形状、位置公差。为了尽量减少零件在修理过程中产生的应力和变形,应当制定
15、出与变形有关的标准和修理规范,设计简单可靠、好用的专用量具和工夹具,同时注意大力贵广“三新”技术,特别是新的修复技术,如刷镀、粘接等。4、使用:加强设备管理,制定并严格执行操作规程,加强机械设备的检查和维护,不超负荷运行,避免局部超载或过热等。机械零件断裂及其对策断裂时零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或联合作用下,其本身连续性遭到破坏,发生局部开裂或分裂成几部分的现场。机械零件断裂后不仅完全丧失工作能力,而且可能造成重大的经济损失或伤亡事故,尤其是现代机械设备日益向着大功率/高转速的趋势发展,机械零件失效的几率有所提高,尽管与磨损、变形相比,机械零件因断裂而失效的机会很少,但机械零件的断裂往
16、往会造成严重的机械事故,产生严重的后果,是一种最危险的失效形式。机械零件断裂一般可分为:延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、环境断裂四种形式。1延性断裂:当外力引起的应力超过抗拉强度是发生塑性变形后造成断裂就称为延性断裂。2脆性断裂:金属零件或构件在断裂之前无明显的塑性变形,发展速度极快的一类断裂叫脆性断裂,它通常在没有预示信号的情况下突然发生,是一种极危险的断裂方式。3疲劳断裂:机械设备中的许多零件,如轴、齿轮、凸轮等,都是在交变应力作用下工作,他们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度,按静强度设计的标准是安全的。但在实际生产中,在重复及交变载荷的长期作用下,机械零件或构件仍然会发
17、生断裂,这种现场称为疲劳断裂,它是一种普通而严重的失效形式,在机械零件的断裂失效中,疲劳断裂占很大比重,约为80%90%。4环境断裂:环境断裂是指材料与某种特殊环境相互作用而引起的具有一定环境能够特征的断裂方式。延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂均为涉及材料所处的环境,实际上机械零件的断裂,除了与材料的特性、应力状态和应变速度有关外,还与周围环境密切相关,尤其是在腐蚀环境中材料表面的裂纹边沿由于氧化、腐蚀或其他过程使材料强度下降,促使材料发生断裂。减少或消除机械零件断裂的对策1、设计在金属结构设计上要合理,尽可能减少或避免应力集中,合理选择材料;2、工艺采用合理的工艺结构,注意消除残余应力,严格控制
18、热处理工艺;3、使用按设备说明书操作、使用机电设备,严格杜绝超载使用机电设备。机械另零蚀损及其对策蚀损及腐蚀损伤,机械零件的蚀损,是指金属材料与周围介质产生化学反应或电化学反应而导致的破坏,金属腐蚀是普遍存在的自然现象,他所造成的经济损失十分惊人,据不完全统计,全世界因腐蚀而不能机械使用的金属零件,约占其产量的10%以上。按金属与介质作用机理,机械零件的蚀损可分为化学蚀损和点化学蚀损两大类。化学蚀损是指单纯由化学作用引起的腐蚀,在这一腐蚀过程中不产生电流,介质时非导电的。电化学腐蚀是金属在电解质物质接触时产生的腐蚀。大多数金属的腐蚀都属于电化学腐蚀,其涉及面广,造成的经济损失大。电化学腐蚀与化
19、学腐蚀的不同点在于其腐蚀过程有电流产生,电化学腐蚀过程比化学腐蚀强烈得多,这是由于电化学腐蚀的条件易形成和存在决定的。零件常见的电化学腐蚀形式主要有:大气腐蚀,即潮温空气中的腐蚀;土壤腐蚀,如地下金属管线的腐蚀;在电解质溶液的腐蚀,如酸碱盐等溶液中的腐蚀;在熔融盐中的腐蚀,如热处理车间,熔盐加热炉中的盐炉电极和所处的金属发生的腐蚀。减少或消除机械零件腐蚀的对策1根据环境介质和使用条件正确选材,选择合适的耐腐蚀材料,如含有镍、铬、铝、硅、钛等元素的合金钢;在条件许可的情况下,尽可能选用尼龙、塑料、陶瓷等材质;2覆盖保护层在金属表面上覆盖一层不同的材料,可改变表面结构,是金属与介质隔离开来,以防止腐蚀;3改变环境条件将环境中的腐蚀介质去除,可减少对其腐蚀的作用,如采用通风、除湿、去掉二氧化硫气体等。
