淺談機械產品失效模式

李 靜

（遼寧省輕工科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 斷裂失效

1.1 韌性斷裂

韌性斷裂是零件經過大量變形后發(fā)生的斷裂，金屬零件韌性斷裂的機理主要是滑移分離和韌窩斷裂。

（1）滑移分離：在韌性斷裂之前金屬晶體在切應力的作用下一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分發(fā)生相對移動，當滑移運動過量時就會出現(xiàn)滑移分離現(xiàn)象，微觀可見滑移臺階、蛇形花樣和等。

（2）韌窩斷裂：金屬韌性斷裂的主要特征為韌窩，韌窩是金屬材料在微小的范圍內產生塑性變形表現(xiàn)為顯微孔洞，其經過形核、核長大、聚集、彼此連接后導致斷裂并在斷口的表面形成痕跡，因為受到應力狀態(tài)不同，韌窩花樣一般表現(xiàn)為正交韌窩、剪切韌窩和撕裂韌窩。韌性斷裂斷口宏觀形貌粗糙、顏色呈灰黑色、表面呈纖維狀，邊緣與零件表面呈45°斜角，且斷口處有明顯的塑性變形，其微觀特征為韌窩。影響材料斷裂韌性的因素有化學成分、基體相組織結構以及晶體結構、晶粒尺寸、夾雜物及第二相、顯微組織、特殊改性處理。

1.2 脆性斷裂

脆性斷裂是指零件未經明顯的變形而發(fā)生的斷裂，其主要特征有：

（1）零件斷成兩部分或碎成多塊，且斷裂后的殘片能很好地拼湊復原，斷口能很好的吻合，在斷口附近沒有宏觀是塑性變形跡象。

（2）脆斷的裂紋源總是從內部的宏觀缺陷處開始。

（3）脆斷斷口宏觀上平直，斷面與正應力垂直，斷口上往往能觀察到放射狀或人字條紋。

（4）脆斷時一旦發(fā)生開裂，裂紋便會迅速擴展，其擴展速度可達到聲速，帶來的后果常是災難性的。

脆性斷口宏觀形貌是斷口平齊且光亮，與正應力垂直，斷口微觀形貌呈人字或放射花樣。

防止脆性斷裂的措施：在零件的設計與制造過程中應控制好材料的斷裂韌性水平，鋼結構的工作溫度和應力狀態(tài)，以及載荷類型和環(huán)境因素等；在冶金過程中對鋼中的有益元素要保證在規(guī)定的范圍，而對提高鋼脆性轉變溫度，降低沖擊韌性的有害元素和夾雜含量必須控制在規(guī)定范圍內；細化晶粒能夠提高鋼材塑性、韌性，是避免脆斷的重要手段。

1.3 疲勞斷裂

疲勞斷裂是零件在循環(huán)載荷的作用下，局部應力集中先形成裂紋源，然后產生裂紋，隨后裂紋迅速的擴展導致斷裂。

典型的疲勞斷口宏觀形貌分為疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最終瞬斷區(qū)三部分，表現(xiàn)為脆性斷裂，斷口附近無塑性變形，起源位置顏色較深，一般為多源疲勞，可見人字紋狀走向，尖端指向源區(qū)，瞬斷區(qū)與應力方向呈45°斜角，其微觀形貌可見疲勞輝紋。在機械零件失效中有80%以上屬于疲勞斷裂，且疲勞斷裂無法提前檢查，所以采取預防措施極為重要，影響金屬零件疲勞斷裂的有內因、外因兩種因素，其中內因包括殘余應力、晶粒尺寸、化學成分、夾雜物和缺陷，外因包括材料的表面形態(tài)和載荷形式。

2 非斷裂失效

2.1 磨損失效

（1）粘著磨損。粘著磨損是在滑動摩擦的過程中，兩個摩擦的接觸面局部發(fā)生金屬粘著，粘著處在相對滑動過程中被破壞，破壞處會有金屬物從零件的表面拉扯下來。

粘著磨損的影響因素有潤滑條件和環(huán)境、摩擦副的硬度、晶體結構和晶體互溶性、溫度，合理的選擇配對材料，規(guī)定并控制摩擦接觸面的溫度，采取相應的表面處理，控制壓強、添加潤滑劑等可減輕粘著磨損。

（2）磨粒磨損。磨粒磨損一般有兩種形式，一種是切削或者磨削時磨粒進入基體表面，磨粒會在金屬表面磨出一條條溝槽；另一種是較高強度的顆粒進入摩擦面，使摩擦面磨出溝槽。

磨粒磨損的影響因素有磨粒的相對硬度、磨粒的幾何形狀和粒度、載荷、重復摩擦次數(shù)、滑動速度等。

（3）沖蝕磨損。沖蝕磨損是固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對運動其表面材料所發(fā)生的損耗，一種顆粒以一定的速度向材料表面撞擊，材料表面被磨去一些材料，在材料B表面留下一個凹坑。影響磨粒磨損的因素有沖蝕速度：對于延性材料來說，在沖蝕速度＜10m/s時，隨沖角增大，材料的沖蝕磨損率不斷增加；沖蝕角度。通常采用涂抹預保護涂層的辦法來防護。

（4）疲勞磨損。疲勞磨損是兩個產品接觸面發(fā)生相對運動時，接觸面會受到循環(huán)應力的作用，當其受到的循環(huán)應力超過產品接觸疲勞強度時，產品的接觸面會形成疲勞裂紋源，并產生裂紋迅速擴展使表面層局部脫落。

增加零件表面硬度可降低產品產生疲勞裂紋；產品表面越光滑越能增加產品的疲勞壽命；使用適宜的潤滑油可以提高產品的抗疲勞磨損能力。

（5）腐蝕磨損。兩個產品在摩擦過程中，摩擦表面會與環(huán)境介質發(fā)生反應并形成產物，形成的產物能夠影響滑動和滾動過程中的表面摩擦特性，摩擦表面形成的反應物通常和產品表面的結合性能較差，在后續(xù)的摩擦過程中，這些產物會被磨掉，這種現(xiàn)象就是腐蝕磨損。

腐蝕磨損的影響因素有環(huán)境介質的性質、產品表面膜層的性質以及環(huán)境的溫濕度等。

（6）微動磨損。當兩個相互接觸的表面產生相對振動時，受到振動的作用產生相對滑移而導致微動損傷，微動損傷的滑移只產生在相互接觸的部分，摩擦面保持相互緊密接觸，磨屑被夾在接觸面之間，在循環(huán)應力的作用下，接觸表面形成疲勞裂紋源，相接處的兩個產品表面造成損傷，這就是微動磨損。

影響微動磨損的因素主要與擺動角度和負荷有關，也和重復次數(shù)相關。

2.2 腐蝕失效

（1）點腐蝕。點腐蝕又稱孔蝕，點腐蝕的形成過程是介質中的陰離子被吸附在產品表層，并金屬表層產生破壞。被破壞的地方與未被破壞的地方就會構成反應。由于陽極面積比陰極面積小很多，而陽極電流的密度又非常大，雖然宏觀腐蝕量級小，但活性溶解繼續(xù)深入，再形成應力集中，從而加速了設備破壞。

（2）縫隙腐蝕?？p隙腐蝕是指在電解質中，在金屬與金屬或金屬與非金屬表面之間狹窄的縫隙內產生和一種局部腐蝕。在狹縫內溶液的運動受到阻滯，溶液中的氧會慢慢消耗，導致縫隙中氧的濃度低于周邊溶液的濃度，使縫隙內金屬成為小陽極，周邊的金屬成為大陰極。

（3）晶間腐蝕。金屬的晶粒間界是取向不同的晶粒間原子紊亂結合的界域。因而，晶界通常是金屬中的熔制元素偏析或化合物沉淀析出的有利地區(qū)。在某些腐蝕介質中，金屬基體的晶粒間會優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使晶粒之間的結合力降低而引起的局部破壞，稱為晶間腐蝕。在這種狀態(tài)下，金屬材料的晶界區(qū)域比晶粒本體溶解速度快，這種腐蝕就是晶間腐蝕。

（4）接觸腐蝕。由于腐蝕電池作用而產生的腐蝕稱為接觸腐蝕。接觸腐蝕是局部腐蝕的一種特殊形態(tài)，發(fā)生的條件是兩種或者兩種以上具有不同電位的物質在電解溶液中相接觸，從而導致電位更負的物質腐蝕加速。焊縫結構中的不同金屬部件的連接處等部位易于發(fā)生接觸腐蝕。在一些類似于導體、半導體的物質中，與之接觸的金屬也會發(fā)生腐蝕加速的形象。

（5）空氣腐蝕?？諝飧g失效是在液體材料與固體材料間相對很高的速度作用下，空氣會在材料表面的低壓區(qū)形成氣泡并迅速破滅，這種局部腐蝕就是空氣腐蝕，又稱氣蝕。

（6）磨耗腐蝕。在摩擦力和腐蝕介質的共同作用下會在材料表面加速腐蝕，這種破壞現(xiàn)象就是磨耗腐蝕，同上述所講的腐蝕磨損。磨耗腐蝕發(fā)生的基本條件是：工藝介質具有較強的腐蝕性、流動介質中含有固體顆粒、介質與金屬表面的相對運動速度較大且流向一定。

（7）應力腐蝕。應力腐蝕是指敏感的金屬材料在拉引力和腐蝕介質環(huán)境共同作用下所產生的一種特殊斷裂方式。