机械零部件的失效分析技术探索

来源：核心期刊咨询网时间：2019-08-13 15:1112

摘要：【摘 要】机械零部件在使用过程中，因为各种原因发生故障导致无法工作或无法正常工作的状态被称为机械零部件失效。当然，不是所有的机械零部件失效都是设计范围之外的，超出机械零部件的设计使用工况或使用时间也可能造成机械零部件失效。但是在很多情况下，

　　【摘 要】机械零部件在使用过程中，因为各种原因发生故障导致无法工作或无法正常工作的状态被称为机械零部件失效。当然，不是所有的机械零部件失效都是设计范围之外的，超出机械零部件的设计使用工况或使用时间也可能造成机械零部件失效。但是在很多情况下，机械零部件发生意料之外的失效状况，这时往往需要进行失效分析找出问题的根源，从而对设计或使用方法做出改进，因此，失效分析是一类具有重要意义的技术。文章介绍了常见的失效分析技术，并浅谈了机械零部件失效分析技术的发展。

　　【关键词】机械零部件;失效分析;技术探索

　　机械零部件失效分析技术经过多年发展，已经成为一种自成体系的机械细分学科，其主要对机械失效的规律、性质、原因进行理论分析，作为实践工作中机械失效分析的理论依据，同时为机械可靠性设计提供必要支撑。一般来说，机械零部件失效常见状况是零部件断裂，机械零部件失效的分类复杂，本文主要对最具有普遍性的断裂进行讨论。机械零部件断裂也分为很多种，有超过最大应力断裂、瞬时冲击断裂、疲劳断裂、高温蠕变断裂、高温持久断裂、应力腐蚀断裂、氢脆断裂等，上述这些不同的断裂情况会在机械零部件上留下细微的差别，通过检查分析这些差别对断裂原因进行分析是机械零部件失效分析的重要方法。

　　1 失效的分类

　　如图1所示，机械零部件的失效主要分为变形、断裂、磨损和腐蚀，其中断裂又根据不同的细分理论，分为超过最大应力断裂、瞬时冲击断裂、疲劳断裂、高温蠕变断裂、高温持久断裂、应力腐蚀断裂、氢脆断裂等。腐蚀更是有化学腐蚀、电化学腐蚀等区别，电化学腐蚀又有各种不同类型，甚至有些腐蚀与断裂失效联系紧密，因此，机械零部件的失效类型错综复杂，已经发展成为一种专门的学科。本文仅针对断裂失效进行初步分析，从而对机械零部件的失效分析技术进行介绍和探讨。

　　2 机械零部件失效分析的主要方法

　　2.1 逐个因素排查

　　在发生机械零部件失效事故时，首先应该确定事故的原因，机械零部件失效分析人员应当具备严谨求实、耐心细致的心态。在面对机械零部件失效案例时，可从“人、机、料、法、环、管”6个方面进行逐一排查。第一是人，排查有无违章粗暴操作，导致机械系统损伤;第二是机械设备系统，检查机械设备系统有无故障，具体哪个位置发生故障导致机械失效;第三是材料，检查失效零部件的材料是否与设计要求一致，是否有材料用错的情况;第四是加工工艺方法，审查机械加工工艺，看加工工艺是否对最终机械零部件的尺寸精度、粗糙度、表面完整性进行了合理安排，冷热处理制度能否满足设计性能的要求，表面处理是否合理，有无造成腐蚀或裂纹的可能;第五是环境，排查机械零部件的使用环境是否与设计相匹配，主要是温度、湿度、盐雾环境等是否对零部件的失效起到关键性的影响;第六是管理，排查管理问题，是否按期对机械系统进行全面检查和保养。

　　逐个因素排查的方法复杂，适合在其他方法都无法准确确定失效原因时使用，该方法相当于对机械零部件的所有信息进行一次全面排查，找出其中的不合理之处，然后与失效事件进行匹配。这种方法耗时耗力，一般不作为机械零部件失效分析的主要方法。

　　2.2 痕迹分析法

　　痕迹分析法是机械失效分析最基本的方法，有时也是最有效的方法。痕迹分析法主要是对失效后的零部件进行各种检查，通过发现细微的痕迹，进而判断机械零部件失效的原因。因此，痕迹分析的一般顺序是“检查零部件，寻找发现痕迹特征”—“综合分析，找出痕迹的根源”—“得出结论”。痕迹分析法常用于机械零部件失效分析中，主要是其能够直观地找到机械零部件失效原因的关键证据，同时能满足很多情况下对机械零部件失效分析工作周期的要求。

　　对于痕迹分析法，本文以某发动机涡轮转子叶片断裂分析为例进行阐述。首先观察叶片断裂裂纹的走向，观察裂纹指向哪个位置，然后对该位置进行显微观察，并对相邻叶片的同一位置进行观察分析。若看到此处有明显的电解加工痕迹，可以说明该处断裂主要原因是电解加工的腐蚀沟槽未有效去除，从而导致叶片在工作过程中由于交变应力产生了裂纹，最后裂纹迅速扩展导致叶片断裂。

　　2.3 失效树分析法

　　失效树分析法是一种逻辑分析方法，在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素(包括软件、硬件、环境、人为因素等)进行分析，画出逻辑框图(即失效樹)，从而确定系统失效原因的各种可能的组合方式或发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。

　　如图2所示，失效树分析方法是一种图形分析法，首先将失效分类确定下来，是变形还是断裂，是腐蚀还是磨损，然后将其作为顶事件，罗列出能够造成该种情况的所有因素作为第二级事件，若第二级事件还能够继续向下挖掘，就以此类推，一直到无法继续挖掘或没有必要继续挖掘为止。在制作过程中，技术人员应该对每个影响因素(或者说事件)对上一级事件影响程度的大小有明确的判断，由此可以得出一个金字塔类型的图形，这就是失效树。因此，制作失效树需要技术人员具有非常丰富的经验，能够在每一级准确完整地抓住级与级之间的逻辑联系，这对人员的专业水平要求非常高，但是失效树方法既有逐个因素分析法的严谨全面，又有严密的逻辑结构，简洁性有非常大的提升。因此在国外，失效树方法是机械零部件失效分析的重要方法之一。

　　3 机械失效分析技术的发展

　　机械零部件分析技术发展至今，内容不断扩充，各种理论层出不穷，可以说是一个具有非常强生命力的新兴学科。本文主要提到了机械零部件失效分析的分类和机械零部件失效分析的主要方法，但机械零部件失效分析的作用远不止对机械零部件失效原因的确定，它最终的价值绝不是发现处理问题，而是将问题消灭在设计阶段。因此，随着现代科学技术的发展，机械零部件失效分析一定会往更深入、更系统的方向发展，最终成为机械领域重要的基础学科。

　　4 总结

　　机械零部件的失效分析技术经过多年的发展，已经成为一种专门的技术门类，是一个综合了失效理论、分析技术、控制技术和管理技术的系统工程学，其在机械系统发生故障又无法快速得出故障原因时具有非常重要的作用。同时，机械零部件失效分析技术不断发展的最终目的是在机械零部件设计过程中最大限度地从根源上避免不应出现的失效状况。

　　参 考 文 献

　　[1]张峥.失效分析思路[J].理化检验(物理分册)，2005(3)：158-161.

　　[2]张海军.机械零部件的失效原因与预防对策[J].产业与科技论坛，2014(1)：55-56.

　　[3]冯宝伟.金属件失效分析的主要程序[J].机械工人，2016(8)：95-96.

　　[责任编辑：陈泽琦]

　　推荐阅读：《建设机械技术与管理》(月刊)创刊于1988年，由建设部长沙建设机械研究院主办。是我国工程建设机械行业的综合性技术刊物和建设部优秀期刊。

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