失效形式有哪些,如何识别不同失效形式？

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导读

机械零件在运行过程中不可避免地会受到各种力的作用和环境的影响，导致其性能逐渐下降或完全丧失，这就是我们所说的失效。失效形式是失效分析的基础，也是工程设计和维护中的关键关注点。常见的失效形式主要包括：

1. 过量变形：零件在载荷作用下发生的变形量超过了设计允许的范围。这包括弹性变形（如轴的弯曲超过允许值）和塑性变形（如螺栓的压痕过大、齿轮的齿面永久变形）。过量变形可能导致零件功能丧失、设备精度下降或引起后续断裂。

2. 断裂：零件在载荷作用下产生的分离现象。根据载荷性质和形成机理不同，断裂可以分为：

   • 疲劳断裂：在交变载荷反复作用下，经过一定次数循环后，在零件应力集中部位萌生裂纹并扩展直至断裂。这是旋转设备、交变载荷零件（如曲轴、连杆）最典型的失效形式。
   • 过载断裂：零件一次性承受超过其极限承载能力的载荷而导致的断裂。断口通常位于最大载荷作用点，可能呈现韧性、脆性或准脆性特征。
   • 腐蚀疲劳断裂：在腐蚀环境与交变载荷共同作用下发生的疲劳断裂。
   • 应力腐蚀开裂：在特定腐蚀介质和拉应力共同作用下，材料缓慢萌生裂纹并扩展直至断裂，断裂韧性要求很低。常见于奥氏体不锈钢、铝合金、高强度钢等在特定环境下的使用。
   • 氢脆断裂：在高压氢气或存在氢离子环境下，钢件吸收氢原子导致力学性能下降（特别是韧性显著降低），在拉应力作用下突然脆断。
   • 蠕变断裂：在高温和持续恒定载荷作用下，材料发生缓慢塑性变形，长期后可能导致断裂。

3. 损坏：零件发生点蚀、剥落、锈蚀、烧伤、软化等损伤，使其不能正常工作。具体包括：

   • 腐蚀失效：化学腐蚀（表面氧化、高温氧化）或电化学腐蚀（生锈、接触腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、氢脆）。
   • 接触疲劳：两零件接触面上，在循环接触应力作用下产生的表面或近表面材料逐渐剥落失效，常见于齿轮、轴承、滚珠丝杠等。
   • 疲劳磨损：疲劳引起的表面材料脱落。
   • 断裂：如前所述，断裂也是零件损坏的一种极端形式。
   • 过热失效：由于润滑不良、结构不合理、散热不良等原因导致零件温度过高，引起硬度下降、烧伤、积碳甚至熔化。

4. 磨损失效：零件工作表面由于干摩擦、边界摩擦或接触疲劳等原因，材料不断被磨掉而发生的尺寸、形状和质量变化，导致尺寸超差、配合间隙变化、表面质量和粗糙度劣化，最终直至发生粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损产生。磨损是滑动轴承、导轨、泵、阀门零件失效的最主要原因之一。

5. 功能失效：零件虽然没有发生断裂或显著变形，但其原有的功能（如密封性、导电性、绝缘性、定时性、调节性等）丧失，也属于失效范畴。例如：

   • 密封失效：垫片撕裂、O圈挤出、密封面损坏导致泄漏。
   • 堵塞：过滤器滤芯堵塞、喷嘴堵塞，导致流体通道阻断。
   • 零件松动：螺栓、螺母、铆钉等连接件松弛或脱落，导致结构不稳定。

识别不同失效形式

识别失效形式是进行失效分析的前提。主要依靠失效分析工作，包括：

• 观察分析：仔细检查零件的宏观和微观形貌。断口的特征（疲劳辉纹、疲劳条纹、解理面、脆性断裂的平齐断口）、腐蚀产物的形态和颜色、磨损表面的痕迹（划痕、凹坑、软化区域）、形变的区域和程度等。
• 性能测试：对失效部件进行力学性能（硬度、拉伸、冲击、金相组织）、理化性能（成分、微观结构、腐蚀速率）等测试，对比设计要求或标准。
• 载荷分析：恢复或估算零件失效时的载荷谱和应力状态。
• 环境分析：判断失效是否发生在设计预期的环境条件下（温度、湿度、腐蚀介质等）。
• 工艺审查：检查制造、热处理、装配过程是否存在问题。
• 模拟实验：通过加速试验或仿真模拟验证某些失效机理。

失效形式与材料性能的关系

材料选择是防控失效的核心环节。不同的失效形式与材料的特定性能密切相关：

• 强度：防止过载断裂、塑性变形、蠕变等。
• 韧：抵抗冲击载荷、防止脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀开裂等。
• 耐蚀：抵抗化学或电化学腐蚀（点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等）。
• 耐磨：在摩擦磨损条件下保持表面完整性，抵抗磨损。
• 抗疲劳：抵抗交变载荷下的裂纹萌生和扩展。

因此，根据零件的工作条件（载荷类型、温度、环境、转速、摩擦/接触情况），有针对性地选择具有适宜性能的材料，并进行恰当的热处理和表面处理，是预防和最小化失效风险的关键。失效分析的结果也能反馈指导新材料的选择和性能优化。