机械零件失效形式及简要分析

I断裂

脆性断裂是一种构件未经明显的变形而发生的断裂，当零件在外载荷作用下，由于某一危险截面上的应力超过零件的抗拉强度时将会发生脆性断裂，发生脆性断裂时，零件几乎没有发生过塑性变形。如杆件脆断时没有明显的伸长或弯曲，更无缩颈，容器破裂时没有直径的增大及壁厚的减薄。

图1. 脆性断裂实例

分析：传统力学把材料看成是没有缺陷的、没有裂纹的、均匀的和连续的理想固体，但是，实际工程材料在制备、加工（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、冷加工等）及使用中（疲劳、冲击、环境温度等）都会产生各种缺陷（白点、气孔、渣、未焊透、热裂、冷裂、缺口等）。如上图所示的齿轮，由于其内部的缺陷和裂纹会在零件使用过程中产生应力集中，该处所受拉应力为平均应力的数倍。过分集中的拉应力如果超过该齿轮材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。

图2. 韧性断裂实例

分析：韧性断裂又称延性断裂。断裂前发生过明显的塑性变形的断裂，是塑性变形的终结。消耗较高能量,以金属撕裂为特征的一种断裂，是与脆性断裂相对应的一种断裂模式。物体受力时其最危险截面或区域,从弹性变形逐渐转入塑性变形状态,这时截面的某一邻域内力学参量的某一组合达到临界点,断裂口附近出现明显的宏观塑性变形, 微观断口表面呈韧窝状。

图3. 疲劳断裂实例

分析：零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象就叫作疲劳断裂。一开始，疲劳微裂纹在零件应力最高强度最低的基体上产生，之后裂纹会稳定扩展，但扩展速度较低，最后，当裂纹尺寸足够大结构有效受力截面小到不足以承受所加载荷时，零件即发生断裂，如图所示。

II磨损

磨擦副表面的材料微粒，由于机械力与化学腐蚀的作用而脱离母体，使零件尺寸和表面状态改变，最终导致功能丧失，称为磨损失效。磨损是机械的重要失效形式，它包括复杂的化学过程和物理过程，其主要形式有：粘着磨损（材料从一个磨擦表面移到另一个表面）、磨料磨损（硬磨料在摩擦表面犁出沟槽或道痕，使材料从零件表面脱落）、腐蚀磨损（化学腐蚀参与作用下的磨料磨损）和疲劳磨损（接触应力作用使材料表面疲劳剥落）等。

图4. 粘着磨损实例

分析：粘着磨损又称咬合磨损，如图所示，零件在滑动摩擦条件下，摩擦副的接触面发生金属粘着，在随后的滑动过程中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽脱落或者金属表面被擦伤。

图5. 磨粒磨损实例

分析：磨粒磨损又称磨料磨损，如图所示，零件在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，是磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入并切割金属表面导致零件表面逐渐磨损、刮伤。

图6. 疲劳磨损实例

分析：疲劳磨损类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展的过程。如图所示，零件工作面在做滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变压应力的长期作用下会引起表面疲劳并剥落破坏的现象，这就是疲劳磨损。

III腐蚀

金属与周围介质发生化学作用、或电化学作用或物理溶解而产生的破坏和变质，称为腐蚀

图7. 化学腐蚀实例

分析：金属与周围非电解质介质发生化学作用而引起的腐蚀称为化学腐蚀，如图所示的发动机，在其工作时，燃气中某些低熔点成分熔化并附着在零件金属表面，在高温下会发生化学作用引起发动机零件的化学腐蚀，形成疏松多孔或瘤状的腐蚀产物。

图8. 电化学腐蚀实例

分析;金属表面与离子导电的电解质溶液发生电化学作用而产生的破坏称为电化学腐蚀，如图所示，零件表面可能形成由肉眼可见电极构成的宏观大电池或由于金属表面电化学不均匀性而构成无数微小电极的电池发生电化学作用，进而引起腐蚀。

图9. 穴蚀实例

分析：机件发生穴蚀的先决条件是机件浸于某种液态介质中，并且机件与液体之间有某种形式的相对运动，或者机件在液体中受到某种能量的传递作用时，会形成液体中的局部瞬时高压或瞬时高真空，在瞬时高真空区，该局部区域内的液体就会汽化，形成气泡或溶于水中的空气以空泡形式从液体中分离出来；而在瞬时高压状态时，气泡、空泡被压缩，泡内的气体迅速被液化而使气泡破灭。这时，气泡周围的液体迅速冲向溃灭处，产生极强的冲击波（最大压力可达数百个兆帕），作用在机件金属表面上，使之受到损伤。由于冲击波的频道作用，结果使机件表面金属逐渐剥落。与此同时，机件金属表面还会产生微观电化学腐蚀，这样多重腐蚀交替进行，共同作用，致使机件腐蚀破坏，穴蚀实例如图所示。

IV过量变形

图9. 过量变形实例

分析：零件受载时会发生变形，如图所示，当零件的刚度不足时，会发生过量的弹性变形，或者，当零件过载或本身抵挡塑性变形的能力不够时，塑形变形量也会超过允许变形量，使零件发生过量变形，从而破坏零件之间的位置和配合关系，导致零件或机器不能正常工作。

V蠕变失效

蠕变失效是金属零件在应力和高温长期作用下，产生永久变形的失效现象。晶粒沿晶界滑动产生形变是蠕变的主要机理，这种形变需要一定的温度和时间。

图11. 蠕变失效实例

分析：如图所示，零件在保持应力不变的情况下，其应变会随时间缓慢增长，零件内部随时间发展的蠕变一般可分成 3个阶段：首先是衰减蠕变，应变率（应变的时间变化率）随时间增加而逐渐减小；接着是定常蠕变，应变率近似为常值；最后是加速蠕变，应变率随时间逐渐增加，最后导致蠕变断裂。

同一材料在不同的应力水平或不同温度下，可处在不同的蠕变阶段。通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。不同材料的蠕变微观机制不同。引起多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等；而聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。