机械零部件常见的FMEA失效和应对措施

摩擦与磨损是自然界的一种普遍现象。当零件之间或零件与其他物质之间相互接触，并产生相对运动时，就称为摩擦。零件的摩擦表面上出现材料耗损的现象称为零件的磨损。材料磨损包括两个方面：一是材料组织结构的损坏；二是尺寸、形状及表面质量（粗糙度）的变化。

1、磨料（粒）磨损

零件表面与磨料相互摩擦，而引起表层材料损失的现象称为磨料磨损或磨粒磨损。磨料也包括对零件表面上硬的微凸体。在磨损失效中，磨料磨损失效是最常见、危害最为严重的一种。

磨料磨损分为三种情况：第一种是直接与磨料接触的机件所发生的磨损，称为两体磨损；第二种是硬颗料进入摩擦副两对摩表面之间所造成的磨损，称为三体磨损；第三种是坚硬、粗糙的表面微凸体在较软的零件表面上滑动所造成的损伤，称为微凸体磨损。

对工程机械、农业机械、矿山机械中的许多遭受二体磨损机件，主要是选择合适的耐磨材料，优化结构与参数设计。对所有机械设备中可能遭受三体磨损的摩擦副，如轴颈与轴瓦，滚动轴承，缸套与活塞，机械传动装置等，应设法阻止外界磨料进入摩擦副，并及时清除摩擦副磨合过程中产生的磨屑及硬微凸体磨损产生的磨屑。具体措施是对空气、油料过滤；注意关键部分的密封；经常维护、清洗换油；提高摩擦副表面的制造精度；进行适当的表面处理等。

2、粘着磨损

粘着磨损是指两个作相对滑动的表面，在局部发生相互焊合，使一个表面的材料转移到另一个表面所引起的磨损。

由于摩擦表面粗糙不平，两摩擦表面实际上只是在一些微观点上接触。在法向载荷作用下，接触点的压力很大，使金属表面膜破裂，两表面的裸露金属直接接触，在接触点上发生焊合，即粘着。当两表面进一步相对滑动时，粘着点便发生剪切及材料转移现象。在邻近区域，凸出的材料又可能发生新的粘着，直至最后在表面上脱落下来，形成磨屑。

（1）合理润滑

建立可靠的润滑保护膜，隔离相互摩擦的金属表面，是最有效、最经济的措施。

（2）选择互溶性小的材料配对

铅、锡、银等在铁的溶解度小，用这些金属的合金做轴瓦材料，抗粘着性能极好（如巴氏合金、铝青铜、高锡铝合金等），钢与铸铁配对抗粘着性能也不错。

（3）金属与非金属配对

钢与石墨、塑料等非金属摩擦时，粘着倾向小，用优质塑料作耐磨层是很有效的。

（4）适当的表面处理

表面淬失、表面化学处理、磷化处理、硫化处理、渗氮处理、四氧化三铁处理以及适当的喷涂处理，都能提高金属抗粘着磨损的能力。

3、疲劳磨损

当摩擦副两接触表面做相对滚动或滑动时，周期性的载荷使接触区受到很大的交变接触应力，使金属表层产生疲劳裂纹并不断扩展、引起表层材料脱落，造成点蚀和剥落，这一现象称为表面疲劳磨损。

（1）减少材料中的脆性夹杂物

（2）适当的硬度

（3）提高表面加工质量

   降低摩擦表面粗糙度和形状误差，可以减少微凸体，均衡接触应力，提高抗疲劳磨损的能力。接触应力越大，对加工质量的要求也越高。

（4）表面处理

    减少疲劳磨损。当进行表面渗碳、淬火、表面喷丸、滚压处理时，都可使表层产生残余压应力。

（5）润滑

润滑油的衬垫作用，可使接触区的集中载荷分散。

4、微动磨损

微动磨损是两固定接触面上出现相对小幅振动而造成的表面损伤，主要发生在宏观相对静止的零件结合面上。其主要危害是使配合精度下降，紧配合的机体变松，更严重的是引起应力集中，导致零件疲劳断裂。

（1）材料性能

提高材料硬度，选择适当的材料配副都可以减少微动磨损。

（2）载荷影响

在一定条件下，微动磨损随载荷的增加而增加，但当载荷超过某一临界值时，微动磨损现象反而减少。

（3）表面处理

经过适当的表面处理，可降低或消除微动磨损。如喷丸、滚压、磷化、镀铜等。

5、冲蚀磨损

冲蚀磨损是指材料受到固定粒子、液滴或液体气泡冲击时，表面出现的损失现象。

减少气蚀危害的措施有：

1）减少液体内的压力波动，也就组织了气泡的萌生与溃灭。具体方法可以采用减振措施，与液体接触的机件表面设计成流线型，防止液体产生涡流等。

2）选用强度高、抗腐蚀性能好的材料，如不锈钢，陶瓷、尼龙等。

3）零件表面覆盖高强度耐腐蚀层。

4）对封闭或循环系统内的液体可采取降温措施或添加缓蚀剂及防乳化油。

机械零件在某些因素作用下分裂成两块或两块以上的现象称为断裂失效。

按零件断裂的原因分类是机械设备工程学中常用的分类方法，它将断裂分为过载断裂、疲劳断裂、脆性断裂等

1、 过载断裂

当零件断裂外加载荷超过其危险截面所能承受的极限应力时，零件将发生断裂，这种断裂称为过载断裂。零件强度设计不合理，结构上应力过度集中，操作失误，机械设备超负荷运行，使某些零件承受过大载荷，都可能导致过载断裂。

2、疲劳断裂

金属零件经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的断裂现象称为疲劳断裂，也称为机械疲劳

3、 脆性断裂

金属零件因制造工艺不太正确，或因使用过程中遭有害介质的侵蚀，或因环境温度不适，都可能是材料变脆，从而是金属零件发生突然断裂。这种性质的断裂一般称为脆性断裂，也有称为环境断裂的。

1）金属材料发生脆性断裂时，一般工作应力并不高，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过由某些规范确定的许用应力，所以脆性断裂又称低应力脆断。

2）脆性断裂的断口平整光亮，呈粗瓷状，断口断面大体垂直于主应力方向。一般断口边缘有剪切唇，断口上有人字纹或放射状花纹。

3）脆性断裂也有裂纹源，裂纹源出现在表面的应力集中部位，损伤部位，内部的夹杂、空穴，及由轧制、锻压而产生的微小裂纹部位。

氢脆断裂

由于氢作用而导致金属材料在低应力状况下的脆性断裂称为氢脆断裂，又称氢损伤。

氢脆断口与一般性断口一样，平齐光亮。但如果仔细观察，氢脆断口上可发现白点。白点是氢泡留下的痕迹，白点外围有放射状撕裂纹，这是裂纹扩展的痕迹。

断裂失效原因：

确定零件的失效原因时，应对零件的材质，制造工艺，载荷状况，装配质量，使用年限，工作环境中的介质、温度，同类零件的使用情况等作详细的了解和分析，再结合断口的宏观特征、微观特征，作出准确的判断，确定断裂失效的主要原因、次要原因。

（1）设计方面

零件结构时，应尽量减少应力集中。在选择材料时应该有针对性，不能认为高强度材料就是好材料，应根据环境介质、温度、负载性质作适当选择。

（2）工艺方面

表面强化处理可大大提高零件疲劳寿命。表面适当的涂层可防止有害介质造成的脆性断裂。某些材料热处理时，在炉中冲入保护气体可大大改善其性能。

（3）安装使用方面

第一要正确安装，防止产生附加应力与振动。对重要零件，应防止碰伤拉伤，因为每一个伤痕都有可能成为一个断裂源。第三应防止设备过载，严格遵循设备的操作规程。有些设备只能空载起动的就不要负载起动，以防止过大的冲击载荷。

金属零件在某些特定的环境中会发生化学反应与电化学反应，造成表面材料损耗，表面质量被破坏，内部晶体结构损伤，最终导致零件失效。这一失效称为零件的腐蚀失效。

金属的化学腐蚀：

金属零件表面材料与周围的干燥气体或非电解质液体中的有害成分直接发生化学反应，形成腐蚀层，这种腐蚀称为化学腐蚀。

金属的电化学腐蚀：

电化学腐蚀是一种复杂的物理与化学腐蚀过程。金属发生电化学腐蚀需要几个基本条件，一是有电解质溶液存在；二是腐蚀区有电位差；三是腐蚀区电荷可以自由流动。

1. 表面覆盖防腐

（1） 表面覆盖金属层

    通过电镀、热喷漆、热镀等方法，可以将抗腐蚀性较好的金属结合在需要保护的零件表面，形成抗腐的金属膜或金属层。

（2） 表面覆盖非金属层

    常用的非金属保护层材料有油漆、塑料、橡胶、沥青、搪瓷、玻璃钢等。工艺方法有刷涂、喷涂、粘贴、压贴、缠绕等。

（3） 表面氧化与磷化

   表层氧化又称为发蓝处理。表面发蓝处理与磷化是采用化学自理的方法使金属表面形成保护性氧化膜。

2. 缓蚀剂防腐

如果在腐蚀介质中加少量某些物质，就能消除或降低介质对金属的腐蚀作用，这些物质就叫做缓蚀剂。氧化型缓蚀剂在介质中无氧存在时也能起缓蚀作用，如硝酸钠等；非氧化型缓蚀剂在介质中无氧时，就不能起缓蚀作用，如硅酸盐等；有机缓蚀剂的保护机理是：使介质中的金属表面生成一层致密的钝化膜，从而阻止了介质对金属表面的腐蚀。

3. 电化学保护

在电化学腐蚀过程中，阳极金属表层出现阳离子而受到腐蚀，阴极吸收了充裕的电子而受到保护。

4. 防腐蚀结构

1）应防止电位差很大的金属零件相互接触，否则容易产生电化学腐蚀。例如，铝、镁合金不应和铜、钢等材料接触。当必须接触时，必须用绝缘材料隔开，隔断腐蚀电流。

2）钢结构中不应有积液、积尘结构，对不可避免的沟槽应有排泄孔，以随时清除腐蚀性介质。

3）尽量不用铆接结构、单面焊接结构和断续焊接结构，以防止缝隙腐蚀。

4）输送腐蚀性介质的管道应尽量防止流速、压力的突变，防止产生涡流，以防止产生局部腐蚀和气蚀。

5）某些防腐涂层如果容易破裂，不如不涂保护层，因为局部点腐蚀的危害甚于均匀而缓慢的全面腐蚀。

机械零件在机械载荷或热载荷作用下发生影响零件功能的变形称为畸变。发生畸变的零件表现为体积增大（或缩小）、弯曲、翘曲等。当发生畸变的零件丧失了规定的功能时，就称为畸变失效。

1、弹性畸变

弹性畸变的原因：

（1）结构因素

零件截面的结构对其刚度影响最大。有时候，在一个焊接构件上增加几根加强肋，其刚度就尤为改观。

（2）弹性模量的影响

材料的弹性模量越大，则抗弹性畸变的能力最强。

（3）温度的影响

在通常情况下，弹性变形量与温度成正比，因为温度升高时，弹性模量也随着降低，但温度过高时，材料屈服强度降低，在载荷作用下，材料会发生显著塑性变形。

2、塑性畸变

当零件在宏观上出现了明显的塑性畸变，并超过了允许值时，即为塑性畸变失效

（1）材质缺陷

材质缺陷主要是指因热处理不良造成的组织缺陷。

（2）设计不当

设计精度过低，对载荷估计不足，会造成接触副的干涉、偏载及过载现象。对温度估计过低，势必影响合理选材。

（3）使用维护不当

因使用维护不当造成的塑性畸变失效时有发生。操作失误会使主要零件严重过载。检修设备时，不合理的拆装方法、零件位置的装配错误、细长轴类零件不适当的存放方法都可能导致零件塑性畸变失效。

3、翘曲畸变失效

形状比较复杂的零件出现大小和方向都不均匀的变形、出现翘曲状外形，使形位精度丧失，这种情况称为翘曲畸变失效。

（1）温度变化的不均匀性

这包括两个方面，一是零件或构件在热处理时，各部位不均的升温过程与降温过程，会使内部产生不均匀的残余应力、热应力或相变应力，导致原有的应力平衡状态破坏，零件翘曲；二是零件在工作过程中或局部焊修过程中，各部位的温升出现差异时，局部应力发生改变，打破了零件内部原有应力系统的平衡而导致翘曲变形。

（2）零件结构的复杂性

零件断面形状越复杂，断面尺寸变化越大，发生翘曲变形的趋势就越强，在加工和热处理过程中越难以控制。

（3）安装不良

在安装时，如果基础不平，各支撑点的支撑力不合理、地脚螺栓紧固不均匀，就相当于机身增加了额外载荷，会使支撑件不均匀蠕变而翘曲。