机械零部件的失效分析技术_刘宝

兵工自动化自动测量与控制O.I.Automation2008年第27卷第10期AutomaticMeasurementandControl2008,Vol.27,No.10·86·文章编号：1006-1576（2008）10-0086-03机械零部件的失效分析技术刘宝，魏齐龙（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900）摘要：常见机械零部件的失效形式有磨损、腐蚀、变形和断裂。常用的机械零部件失效分析程序主要有Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。前者从原理分析角度进行归纳，后者则从技术和可操作性角度进行归纳，二者的实质其实是相同的。关键词：机械零部件；失效分析；诊断；程序中图分类号：TG113.2文献标识码：AAnalyticTechniquesonMechanicalParts’FailureLIUBao,WEIQi-long(InstituteofMechanicalManufacturingTechnology,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)Abstract:Thefailureformsofmechanicalpartsincludeabrasion,corrosion,distortionandfracture.Commonlyusedanalysisproceduresonmechanicalparts’failuremainlyincludetheBrooksfailureanalysisprocedureandtheASMfailureanalysisprocedure.Theformercarriesoninductionfromprincipleanalysis,andthelattercarriesoninductionfromtechnologyandfeasibility.Theiressenceisactuallysame.Keywords:Mechanicalparts;Failureanalysis;Diagnosis;Procedure0引言机械零部件在设计时都有一定的功能要求，而在使用过程中，由于形状或材料的性能、组织发生变化，使机械零部件丧失其既定功能的现象称为失效。在生产中，由于机械零部件失效而使机械设备停产待修，或者因机械零部件失效而造成产品质量不佳的现象屡见不鲜，某些重要设备上机械零部件的失效甚至会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，对机械零部件的失效分析是保持正常生产，提高产品质量的重要措施。故对其进行研究。1机械零部件的常见失效形式常见机械零部件的失效形式有4种：磨损、腐蚀、变形和断裂。各种失效形式均有其产生的条件、特征及判断依据，机械零部件的失效往往是几种类型并存的[1]。1.1磨损相互接触并相对运动的物体表面材料常会发生位移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程称为磨损。磨损又可分为磨料磨损、摩擦磨损、冲蚀磨损、微动磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。通常硬磨粒（石英砂、金属屑等）进入机械设备内部（如齿轮间隙）造成磨料磨损；机床导轨、蜗轮―蜗杆、刀具、模具、量具的失效常为摩擦磨损；机床冷却液管路、水泵叶轮等受流体或固体微小颗粒冲击处易产生冲蚀磨损；轴承―轴承座、压配合处、铆接处易产生微动磨损；气缸―活塞、设备外壳等易产生腐蚀磨损；滚动轴承、齿轮等易产生疲劳磨损。1.2腐蚀腐蚀是零件材质由于化学、电化作用或物理溶解而产生的损坏。腐蚀按分布的集中度可分为全面腐蚀和局部腐蚀，全面腐蚀较容易判断，失效分析只要针对局部腐蚀。局部腐蚀又包括点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、腐蚀磨损及氢损伤等。绝大部分机械零部件为金属材料，每种金属对点腐蚀都是敏感的，在有活性侵蚀离子、氧化剂等共存的条件下，金属易产生点腐蚀；法兰连接面、螺母压紧面、锈层等易产生缝隙腐蚀；奥氏体不锈钢焊缝易产生晶间腐蚀；合金在冷弯、冷拔、铸造、焊接及热处理等过程中产生的残余应力易造成应力腐蚀开裂；金属在交变载荷及腐蚀介质的作用下会产生腐蚀疲劳。1.3变形收稿日期：2008-04-23；修回日期：2008-06-12作者简介：刘宝（1979-），男，安徽人，硕士，中物院机械制造工艺所助理工程师，从事金属材料的金相组织与性能研究。兵工自动化自动测量与控制O.I.Automation2008年第27卷第10期AutomaticMeasurementandControl2008,Vol.27,No.10·87·物体在外力作用下产生形状和尺寸的变化称为变形，只要物体受力就会产生变形。随着受力的增加，机械零部件的变形量不断增加，经过弹性变形阶段和塑性变形阶段后，当变形量继续增加时，机械零部件上会出现裂纹、裂纹扩展直至最后断裂。常温下机械零部件的变形有弹性变形和塑性变形，在高温下还会发生蠕变失效和热松弛失效。1.4断裂断裂是机械零部件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象。断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效，其分类比较复杂，一般有如下几种：①按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂；②按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂；③按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂，在实际失效分析中大都采用此分类法。2机械零部件的失效原因失效原因是指酿成失效事故的直接关键因素，主要原因是设计不合理、选材不当及材料缺陷、制造工艺不合理、使用操作及维护不当。失效原因可分为外因和内因，常把应力、温度、气氛介质等作为影响失效的外因，而把材料的成分、组织、缺陷、性能和它们的表现当作影响失效的内因，机械零部件的失效往往是外因和内因共同作用的结果。失效原因也可分为一级失效原因、次级失效原因。一级失效原因一般指酿成该失效事故的首先失效件失效的直接关键因素处于投付使用过程中的阶段或工序，可以分为设计原因、制造原因、使用原因、环境原因等。次级失效原因是指一级失效原因中的直接关键环节，如设计原因中又可分为设计原则、设计思路和方案、结构形状和受力计算、选材和力学性能等次级原因。失效原因的诊断是失效分析和预防的核心和关键，也是失效预防的针对性和有效性的重要前提和基础。失效原因的诊断常采用理化诊断方法和系统工程诊断方法。理化诊断方法又可分为以失效件强度为主线的诊断方法、以失效件的生产工艺为主线的诊断方法、以失效件服役条件为主线的诊断方法和以失效件或设备类别为主线的诊断方法等。系统工程诊断方法一般有故障树分析法（FTA）、特征因素分析法、失效模式及影响分析法（FMEA或FMECA）、时序树分析法（ETA）等。由于失效原因及其影响因素很多，不确定性更加突出，特别是机械零部件使用的条件日益苛刻、安全储备系数越来越小、工作环境也越来越复杂，因此，单因素引起的机械零部件失效原因已基本不存在，大多是多因素的非线性耦合交互作用的结果。3机械零部件的失效机理失效机理指失效的物理、化学变化本质和微观过程。可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，与此相对的是它表现出宏观性能、性质的变化和联系。失效机理是对失效内在本质、必然性和规律性的研究，它是对失效内在本质认识的理论提高和升华。一个失效事件，在失效机理尚未揭示的情况下就得出失效形式和原因的诊断结论意见，是很不可靠的，有可能造成误判。因此，失效机理的诊断或研究十分重要。失效机理诊断的基础是对失效机理的研究。失效机理的研究可以分为宏观失效机理研究（即失效的热力学和动力学研究）和微观失效机理研究（即失效的微观机制理论和模型研究）。失效机理研究采用的方法可以分为定性的方法和定量的方法，定量的方法又可分为确定型方法和概率型方法。失效机理研究所采用的模型按所属学科分为理化模型和物理数学模型，并可细分为力学模型、物理模型、化学模型、材料学模型、数学模型以及它们联合作用的复合模型。4机械零部件失效分析的程序和测试方法4.1机械零部件失效分析程序机械零部件在使用过程中的失效情况虽然千差万别，但任何失效最终都可追溯到某一零部件或某些零部件的失效。失效分析的目的是判断机械设备失效的性质、分析失效的原因、研究失效事故的处理方法，提出预防的措施等。为此，制订正确的失效分析程序和切实可行的实施步骤十分重要。它可以使分析工作有条不紊进行，提高工作效率，从而使分析得到正确的结论。常用的机械零部件失效分析程序主要有Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序[3]。前者从原理分析角度进行归纳，后者则从技术和可操作性角兵工自动化自动测量与控制O.I.Automation2008年第27卷第10期AutomaticMeasurementandControl2008,Vol.27,No.10·88·度进行归纳，两者的实质相同。这2个程序已推行了多年，对失效分析工作具有指导性意义。Brooks失效分析程序：(1)以技术文件的形式记述失效的历史情况。如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境，特别是有关的照片资料和多媒体资料。(2)记录失效件总体形貌的裸眼观察情况，并对断口表面或其他重要失效特征进行保护。(3)机械设计分析。正确评估失效件的强度和其他力学性能，确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求。(4)化学成分设计分析。考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。(5)制造过程及其各工艺环节分析。加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种机械加工工艺和热处理工艺等。(6)宏观断口形貌检查。裸眼和低倍放大下检查断口表面往往可以发现明显的形貌特征，并按断裂特征和载荷性质间的关系来推断断裂模式。(7)微观断口分析。通常采用电子显微镜进行断口显微形貌和微区化学成分检验，以确定断裂机理。(8)金相检验。金相检验材料的显微组织有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供依据。(9)性能检验。性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件作破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。(10)失效模拟。制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是昂贵但却很可信的试验，只有在特殊需要下才做。ASM失效分析程序：(1)收集背景资料并选取试样。(2)对失效零件进行初步考察，主要是裸眼观察并作记录。(3)无损检测分析，用各种无损检测手段检查试样内部缺陷。(4)力学性能试验，检查试样硬度、强度、韧性等各项力学性能。(5)选择、标记编号、保存所有的试样。(6)宏观断口组织检查及分析，包括断口表面、二次裂纹及其他表面现象检查。(7)微观显微镜检查及分析，采用光学显微镜、电子显微镜及能谱议，获取断口表面微观形貌及有无成分异常现象。(8)选择与制备金相检验切片。(9)检查与分析金相检验切片，获取金相组织及晶粒度、夹杂物等信息。(10)确定失效机理。(11)化学分析，主要有试块分析、局部取样分析、表面腐蚀产物分析、镀层和涂料分析等。(12)断裂力学分析。(13)在模拟的服役条件下做试验，在特别情况才作试验。(14)分析全部证据，得出正式的结论及报告。可见，失效分析的过程类似于医生诊病，先了解患者的症状特征，结合患者的生活环境对其疾病类型作出初步判断，然后通过医学检查方法确定所患疾病，并分析患病原因，最后给出诊断结论。4.2常用测试方法分析过程中对失效零部件进行实验测试。常用的实验测试方法有力学性能测试（强度、塑性、韧性、硬度、耐磨性等）、无损检测（超声、射线、电磁等）、化学分析、光谱分析、微区化学成分分析、残余应力测试及金相检验等。由于失效分析技术涉及可靠性、材料学、机械学、工程力学、腐蚀与摩擦学以及生物学等学科，相关知识较多，通常分析过程也较复杂，采用单一的实验测试方法很难判别出失效原因，因此常需要对若干种实验测试方法的结果进行比较和综合才能得到正确结果。5结论失效分析和预防是十分重要的工作，它从失败入手着眼于成功和发展，从过去入手着眼于未来，提高了认识客观事物的水平。有意识地运用它来分析和解决机械零部件