第一章机械零件失效的模式及其机理

第一章机械零件失效的模式及其机理在设备使用过程中，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。机械零件失效的模式，即失效的外在表现形式，主要表现为磨损、变形、断裂等；而失效机理是指失效的物理、化学、机械等变化的过程和内在原因的实质。第一节机械零件的磨损通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式。一、粘着磨损当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，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磨损称为粘着磨损。粘着磨损又称粘附磨损。二、磨料磨损磨料磨损又称磨粒磨损。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一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。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，能源和材料大量损耗。三、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。四、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产物剥落，这种现象称为腐蚀磨损。它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。它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，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质条件下。按腐蚀介质的不同类型，腐蚀磨损可分为氧化磨损和特殊介质下腐蚀磨损两大类。五、微动磨损两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。它产生于相对静止的接合零件上，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（一般为2－20微米）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、铆钉连接接头处等结合上产生的磨损。微动磨损使配合精度下降，紧配合部件紧度下降甚至松动，联接件松动乃至分离，严重者引起事故。此外，也易引起应力集中，导致联接件疲劳断裂。第二节金属零件的断裂断裂是零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或者联合作用下，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象。零件断裂后不仅完全丧失工作能力，而且还可能造成重大的经济损失或伤亡事故。因此，尽管与磨损、变形相比，断裂所占的比例很小，但它仍是一种最危险的失效形式。尤其是现代机械设备日益向着大功率、高转速的趋势发展，断裂失效的几率有所提高。因此，研究断裂成为日益紧迫的课题。断裂的分类方法很多，本书介绍其中的延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂和环境断裂四种。一、延性断裂零件在外力作用下首先产生弹性变形，当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形。外力继续增加，应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂就称为延性断裂。延性断裂的宏观特点是断裂前有明显的塑性变形，常出现缩颈，而从断口形貌微观特征上看，断面有大量微坑（也称韧窝）覆盖。延性断裂实际上是显微空洞形成、长大、连接以致最终导致断裂的一种破坏方式。二、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。三、疲劳断裂机械设备中的轴、齿轮、凸轮等许多零件，都是在交变应力作用下工作的。它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应该是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，机件或零件仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂，它是一种普通而严重的失效形式。在实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重，约80％一90％。四、环境断裂实际上机械零部件的断裂，除了与材料的特性、应力状态和应变速率有关外，还与周围的环境密切相关。尤其是在腐蚀环境中，材料表面或裂纹边沿由于氧化、腐蚀或其它过程使材料强度下降，促使材料发生断裂。可以看出，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特征的断裂方式。环境断裂主要有应力腐蚀断裂、氢脆断裂、高温蠕变、腐蚀疲劳断裂和冷却断裂等。第三节金属零件的腐蚀损伤按金属与介质作用机理，腐蚀可分为两大类：化学腐蚀和电化学腐蚀。一、金属零件的化学腐蚀单纯由化学作用而引起的腐蚀叫化学腐蚀。在这一腐蚀过程中不产生电流，介质是非导电的，如十燥空气、高温气体、有机液体、汽油、润滑油等，其中前二类介质中的腐蚀称为气体腐蚀，其余的称为非电解质溶液中的腐蚀。它们与金属接触时进行化学反应形成表面膜，在不断脱落又不断生成的过程中使零件腐蚀。大多数金属在室温下的空气中就能自发地氧化，但在表面形成氧化物层之后，如能有效地隔离金属与介质间的物质传递，就成为保护膜。如果氧化物层不能有效阻止氧化反应的进行，那么金属将不断地被氧化。据研究，金属氧化膜要在含氧气的条件下起保护膜作用必须具有以下条件：①膜必须是紧密的，能完整地把金属表面全部覆盖住；②膜在气体介质中是稳定的；③膜和基体金属的结合力强，巨有一定的强度和塑性；④膜具有与基体金属相当的热膨胀系数。在高温空气中，铁和铝都能生成完整的氧化膜，但是铝的氧化膜同时具备了上述四种条件，具有良好保护性能，而铁的氧化膜与铁结合不良，则起不了保护作用。二、金属零件的电化学腐蚀电化学腐蚀是金属与电解质物质接触时产生的腐蚀。它与化学腐蚀的不同点在于其腐蚀过程有电流产生。常见的电化学腐蚀形式有：①大气腐蚀，即潮湿空气中的腐蚀；②土壤腐蚀，如地下金属管线的腐蚀；③在电解质溶液中的腐蚀，如酸、碱、盐溶液和水中的腐蚀；④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理的金属发生的腐蚀。大多数金属的腐蚀都属于电化学腐蚀，其涉及面广，造成的损失大，腐蚀过程比化学腐蚀强烈得多。电化学腐蚀的根本原因是腐蚀电池的形成。需要形成腐蚀电池的三个条件是：①有两个或两个以上的不同电极电位的物体，或在同一物体具有不同电极电位的区域，以形成正、负极；②电极之间需要有导体相连接或电极直接接触；③要有电解液。三、减轻腐蚀危害的措施1．正确选材根据环境介质和使用条件，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，尽量选用尼龙、塑料、陶瓷等材料。2．合理设计在制造机械设备时，即使应用了较优质的材料，但如果在结构的设计上不从金属防护角度加以全面考虑，则常会引起机械应力、热应力以及流体的停滞和聚集、局部过热等现象，从而加速腐蚀过程。因此设计结构时应尽量使整个部位的所有条件均匀一致，做到结构合理、外形简化、表面粗糙度合适。3．覆盖保护层覆盖保护层即在金属表面上覆盖一层不同的材料，改变表面结构，使金属与介质隔离开来，以防止腐蚀。常用的覆盖材料有金属或合金、非金属保护层和化学保护层等。4．电化学保护对被保护的机械设备通以直流电流进行极化，以消除电位差，使之达到某一电位时，被保护金属的腐蚀可以很小甚至呈无腐蚀状态。这种方法要求介质必须是导电的、连续的。根据被保护设备所接电源极性，可分为：（1）阴极保护法主要是在被保护金属表面通以阴极直流电流，消除或减少被保护金属表面的腐蚀电池作用。（2）阳极保护法主要是在被保护金属表面通以阳极直流电流，使其金属表面生成钝化膜，从而增大了腐蚀过程的阻力。此外，可用一个比零件材料的化学性能更活泼的金属铆接到零件上，形成一个腐蚀电池，零件作为阴性，不会发生腐蚀。这种运用电化学原理的方法常称为牺牲阳极法。如在海洋中，航行的船舶底部常铆接有锌块，以保护铁壳不受海水腐蚀。5．添加缓蚀剂在腐蚀性介质中加人少量能减少腐蚀速度的物质，即缓蚀剂，可减轻腐蚀。按化学性质，缓蚀剂有无机和有机二种。如重铬酸钾、硝酸钠、亚硫酸钠等无机类，能在金属表面形成保护，使金属与介质隔开；胺盐、琼脂、动物胶、生物碱等有机化合物，能吸附在金属表面上，使金属溶解和还原反应都受到抑制，从而减轻金属腐蚀。6．改变环境条件即将环境中的腐蚀介质去除，以减少其腐蚀作用。如采用通风、除湿、去除二氧化硫气体等。对常用的金属材料来说，把相对湿度控制在临界湿度（50％－70％）以下，可显著减缓大气腐蚀。在酸洗车间和电解车间里，合理设计地面坡度和排水沟，做好地面防腐蚀隔离层，来防止酸液渗透地面而使其凸起，以免损坏贮槽及机械基础。第四节机械零件的变形根据外力去除后变形能否恢复，机械零件或构件的变形可分弹性变形和塑性变形。一、弹性变形。金属零件在作用应力小于材料屈服强度时产生的变形称为弹性变形。二、塑性变形机械零件在外载荷去除后留下来的一部分不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。思考题一、选择题：1．两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损(D)A、粘着磨损B、磨料磨损C、疲劳磨损D、微动磨损。2．当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，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磨损称为(A)A、粘着磨损B、磨料磨损C、疲劳磨损D、微动磨损。3．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产物剥落，这种现象称为(D)A、粘着磨损B、磨料磨损C、疲劳磨损D、腐蚀磨损。二、简答题：1．机械零件变形的种类？答：根据外力去除后变形能否恢复，机械零件或构件的变形可分弹性变形和塑性变形。⑴．弹性变形金属零件在作用应力小于材料屈服强度时产生的变形称为弹性变形。⑵．塑性变形机械零件在外载荷去除后留下来的一部分不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。第二章机械设备状态监测与故障诊断技术第一节概述机械设备的状态监测与故障诊断是指利用现代科学技术和仪器，根据机械设备（系统、结构）外部信息参数的变化来判断机器内部的工作状态或机械结构的损伤状况，确定故障的性质。状态监测与故障诊断技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科，它所包含的内容比较广泛，诸如机械状态量（力、位移、振动、噪声、温度、压力和流量等）的监测，状态特征参数变化的辨识，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防，机械零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命估计等等。机械设备状态监测与故障诊断技术是保障设备安全运行的基本措施之。所谓机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。通常见到的发动机发动不起来、机床运转不平稳、汽车制动不灵等等现象都是机械故障的表现形式。故障的分类方法有多种，不同的分类方法反映了机械故障的不同侧面，对机械故障进行分类的目的是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的对策。对设备的诊断有不同的技术手段，较为常用的有振动监测与诊断、噪声监测、温度监测与诊断、油液诊断、无损探伤技术等。第二节振动监测与诊断技术3．机械振动的一般描述机械振动是指物体在平衡位置附近作往复的运动，它表示机械系统运动的位移、速度。加速度量值的大小随时间在其平均值上下交替重复变化的过程。简谐振动1.简谐振动是机械振动中最基本、最简单的振动形式。其振动位移与时间的关系可用正弦曲线表示，表达式为x（t）＝Dsin（2t／T＋Φ）2.实测的机械振动机械设备的振动通过传感器转换成电信号，在测试仪器的显示屏上可以见到的是一条时间轴上的波形曲线。实际的振动信号是随机信号，无法用确定的时间函数来表达，只能用概率统计的方法来描述。一般在时域振动波形上提取和考察以下几个特征值对被测机器的状态作初步评价。（1）振幅l）峰值。2）平均值。3）有效值。（2）频率（3）相位二、机械振动信号的分析方法为从信号中提取对诊断有用的信息，我们必须对信号进行分析处理，提取与状态有关的特征参数。如果没有信号的分析处理，就不可能得到正确的诊断结果。因此，信号处理是设备诊断中不可缺少的步骤。振动信号的分析方法，可按信号处理方式的不同分为幅域分析、时域分析以及频域分析。不同的分析方法是从不同的角度观察、分析信号，使信号处理的结果更加丰富。1．数字信号处理机械故障诊断与监测所需的各种机械状态量（振动、转速、温度、压