浅谈机械产品失效模式

李 静

（辽宁省轻工科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000）

1 断裂失效

1.1 韧性断裂

韧性断裂是零件经过大量变形后发生的断裂，金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。

（1）滑移分离：在韧性断裂之前金属晶体在切应力的作用下一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分发生相对移动，当滑移运动过量时就会出现滑移分离现象，微观可见滑移台阶、蛇形花样和等。

（2）韧窝断裂：金属韧性断裂的主要特征为韧窝，韧窝是金属材料在微小的范围内产生塑性变形表现为显微孔洞，其经过形核、核长大、聚集、彼此连接后导致断裂并在断口的表面形成痕迹，因为受到应力状态不同，韧窝花样一般表现为正交韧窝、剪切韧窝和撕裂韧窝。韧性断裂断口宏观形貌粗糙、颜色呈灰黑色、表面呈纤维状，边缘与零件表面呈45°斜角，且断口处有明显的塑性变形，其微观特征为韧窝。影响材料断裂韧性的因素有化学成分、基体相组织结构以及晶体结构、晶粒尺寸、夹杂物及第二相、显微组织、特殊改性处理。

1.2 脆性断裂

脆性断裂是指零件未经明显的变形而发生的断裂，其主要特征有：

（1）零件断成两部分或碎成多块，且断裂后的残片能很好地拼凑复原，断口能很好的吻合，在断口附近没有宏观是塑性变形迹象。

（2）脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始。

（3）脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能观察到放射状或人字条纹。

（4）脆断时一旦发生开裂，裂纹便会迅速扩展，其扩展速度可达到声速，带来的后果常是灾难性的。

脆性断口宏观形貌是断口平齐且光亮，与正应力垂直，断口微观形貌呈人字或放射花样。

防止脆性断裂的措施：在零件的设计与制造过程中应控制好材料的断裂韧性水平，钢结构的工作温度和应力状态，以及载荷类型和环境因素等；在冶金过程中对钢中的有益元素要保证在规定的范围，而对提高钢脆性转变温度，降低冲击韧性的有害元素和夹杂含量必须控制在规定范围内；细化晶粒能够提高钢材塑性、韧性，是避免脆断的重要手段。

1.3 疲劳断裂

疲劳断裂是零件在循环载荷的作用下，局部应力集中先形成裂纹源，然后产生裂纹，随后裂纹迅速的扩展导致断裂。

典型的疲劳断口宏观形貌分为疲劳源、疲劳裂纹扩展区和最终瞬断区三部分，表现为脆性断裂，断口附近无塑性变形，起源位置颜色较深，一般为多源疲劳，可见人字纹状走向，尖端指向源区，瞬断区与应力方向呈45°斜角，其微观形貌可见疲劳辉纹。在机械零件失效中有80%以上属于疲劳断裂，且疲劳断裂无法提前检查，所以采取预防措施极为重要，影响金属零件疲劳断裂的有内因、外因两种因素，其中内因包括残余应力、晶粒尺寸、化学成分、夹杂物和缺陷，外因包括材料的表面形态和载荷形式。

2 非断裂失效

2.1 磨损失效

（1）粘着磨损。粘着磨损是在滑动摩擦的过程中，两个摩擦的接触面局部发生金属粘着，粘着处在相对滑动过程中被破坏，破坏处会有金属物从零件的表面拉扯下来。

粘着磨损的影响因素有润滑条件和环境、摩擦副的硬度、晶体结构和晶体互溶性、温度，合理的选择配对材料，规定并控制摩擦接触面的温度，采取相应的表面处理，控制压强、添加润滑剂等可减轻粘着磨损。

（2）磨粒磨损。磨粒磨损一般有两种形式，一种是切削或者磨削时磨粒进入基体表面，磨粒会在金属表面磨出一条条沟槽；另一种是较高强度的颗粒进入摩擦面，使摩擦面磨出沟槽。

磨粒磨损的影响因素有磨粒的相对硬度、磨粒的几何形状和粒度、载荷、重复摩擦次数、滑动速度等。

（3）冲蚀磨损。冲蚀磨损是固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动其表面材料所发生的损耗，一种颗粒以一定的速度向材料表面撞击，材料表面被磨去一些材料，在材料B表面留下一个凹坑。影响磨粒磨损的因素有冲蚀速度：对于延性材料来说，在冲蚀速度＜10m/s时，随冲角增大，材料的冲蚀磨损率不断增加；冲蚀角度。通常采用涂抹预保护涂层的办法来防护。

（4）疲劳磨损。疲劳磨损是两个产品接触面发生相对运动时，接触面会受到循环应力的作用，当其受到的循环应力超过产品接触疲劳强度时，产品的接触面会形成疲劳裂纹源，并产生裂纹迅速扩展使表面层局部脱落。

增加零件表面硬度可降低产品产生疲劳裂纹；产品表面越光滑越能增加产品的疲劳寿命；使用适宜的润滑油可以提高产品的抗疲劳磨损能力。

（5）腐蚀磨损。两个产品在摩擦过程中，摩擦表面会与环境介质发生反应并形成产物，形成的产物能够影响滑动和滚动过程中的表面摩擦特性，摩擦表面形成的反应物通常和产品表面的结合性能较差，在后续的摩擦过程中，这些产物会被磨掉，这种现象就是腐蚀磨损。

腐蚀磨损的影响因素有环境介质的性质、产品表面膜层的性质以及环境的温湿度等。

（6）微动磨损。当两个相互接触的表面产生相对振动时，受到振动的作用产生相对滑移而导致微动损伤，微动损伤的滑移只产生在相互接触的部分，摩擦面保持相互紧密接触，磨屑被夹在接触面之间，在循环应力的作用下，接触表面形成疲劳裂纹源，相接处的两个产品表面造成损伤，这就是微动磨损。

影响微动磨损的因素主要与摆动角度和负荷有关，也和重复次数相关。

2.2 腐蚀失效

（1）点腐蚀。点腐蚀又称孔蚀，点腐蚀的形成过程是介质中的阴离子被吸附在产品表层，并金属表层产生破坏。被破坏的地方与未被破坏的地方就会构成反应。由于阳极面积比阴极面积小很多，而阳极电流的密度又非常大，虽然宏观腐蚀量级小，但活性溶解继续深入，再形成应力集中，从而加速了设备破坏。

（2）缝隙腐蚀。缝隙腐蚀是指在电解质中，在金属与金属或金属与非金属表面之间狭窄的缝隙内产生和一种局部腐蚀。在狭缝内溶液的运动受到阻滞，溶液中的氧会慢慢消耗，导致缝隙中氧的浓度低于周边溶液的浓度，使缝隙内金属成为小阳极，周边的金属成为大阴极。

（3）晶间腐蚀。金属的晶粒间界是取向不同的晶粒间原子紊乱结合的界域。因而，晶界通常是金属中的熔制元素偏析或化合物沉淀析出的有利地区。在某些腐蚀介质中，金属基体的晶粒间会优先发生腐蚀，使晶粒之间的结合力降低而引起的局部破坏，称为晶间腐蚀。在这种状态下，金属材料的晶界区域比晶粒本体溶解速度快，这种腐蚀就是晶间腐蚀。

（4）接触腐蚀。由于腐蚀电池作用而产生的腐蚀称为接触腐蚀。接触腐蚀是局部腐蚀的一种特殊形态，发生的条件是两种或者两种以上具有不同电位的物质在电解溶液中相接触，从而导致电位更负的物质腐蚀加速。焊缝结构中的不同金属部件的连接处等部位易于发生接触腐蚀。在一些类似于导体、半导体的物质中，与之接触的金属也会发生腐蚀加速的形象。

（5）空气腐蚀。空气腐蚀失效是在液体材料与固体材料间相对很高的速度作用下，空气会在材料表面的低压区形成气泡并迅速破灭，这种局部腐蚀就是空气腐蚀，又称气蚀。

（6）磨耗腐蚀。在摩擦力和腐蚀介质的共同作用下会在材料表面加速腐蚀，这种破坏现象就是磨耗腐蚀，同上述所讲的腐蚀磨损。磨耗腐蚀发生的基本条件是：工艺介质具有较强的腐蚀性、流动介质中含有固体颗粒、介质与金属表面的相对运动速度较大且流向一定。

（7）应力腐蚀。应力腐蚀是指敏感的金属材料在拉引力和腐蚀介质环境共同作用下所产生的一种特殊断裂方式。