【设计基础】机械故障原因分析方法

机械故障原因分析方法

一、故障部件的宏观检验

     宏观检验主要解决两个问题，一是故障的属性，二是故障的定性原因。它是进行各项故障分析的基础，是整个故障诊断成功与否的关键之一。

宏观检验断裂部件时，通常采取以下操作顺序：

（1）首先用肉眼观察整套设备或整个部件，了解故障部件的功能，使分析人员对故障系统和故障部件之间的关系有一个全面的了解（即整体观念），重要的细节必须照相。

（2）根据宏观观察来确定故障部件的失效属性。如断口截面附近有明显的变形，断口上有剪切唇边，这是延性断裂的特征；反之断口截面无明显变形，又无剪切唇边的就属脆性断裂；故障部件受交变应力，断口上又能找出（超高强钢通常难以找出）贝壳或海滩花样的属疲劳断裂。还有其它种种的外貌特征均可作为判断相应故障的属性。用肉眼观察时，通常借助50倍以下放大镜的帮助。

（3）通过追溯断口的撕裂纹理，来确定断裂源位置。例如，根据放射形的汇聚点、人字形（山脊）花样的小尖头（即限于两侧未开槽的钢板）来确定断裂源的位置。

（4）分析断口特征与部件形状的关系，从而确定加载方式（拉、压、弯、扭、交变等）、相对应力大小、应力集中程度以及与主应力指向的关系。

（5）断口是否出现非纤维状断口异常区，这种断口形貌尤其是在裂纹源区或附近出现的这种形貌，可能就是铸、锻、焊等冶金缺陷引起的，它对故障的发生可能起直接作用。

二、故障件断口的微观检验

微观检验也称微观断谱或微观断口金相，可用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等装置进行分析。根据断口谱形特征，可确定材料或构件的失效机理。

三、金相检验

金相检验与电子金相观察同样是故障分析过程中一个不可缺少的手段，有时甚至比电镜手段还重要，应视为一种常规的分析手段。造成故障的主要影响因素，加工工艺（热处理、表面处理、铸造、焊接等）、加工方法和加工步骤不当造成的材料缺陷，以及使用中操作条件和环境的变化导致的损坏，都能通过金相检验来识别。

金相组织对材料性能的影响很大，过早的断裂可能和异常组织有关。有时，这种损坏与不希望有的成分有关，或者和使用情况有关。如低碳钢的时效能引起氮化铁沉淀，或钢中气体凝聚。裂纹的特征，尤其裂纹的扩展方式、萌生和扩展的相关因素等，金相检验都能对此提供可靠的信息。

四、无损检测

在直观检查之后，根据需要可用无损检验技术对故障进行研究和分析。常用的无损检验技术有碰粉检验、液体渗透检验和涡流检验等。以上这些技术用来检查表面裂纹和不连续面，简便易行，效果良好。对内部缺陷可使用放射线照相或超声检验。

五、实验应力分析

利用实验应力分析技术可用来确定零部件受力情况和引起损坏的应力值。以下几种方法有较好的应用价值。

（1）脆性涂层法用于以下问题是有效的：

1）找出小面积的高应变区。

2）确定主应变方向。

3）测出拉应变和压应变的近似值。

它已成为一般实验室和野外使用的标准应变测量工具。

（2）电阴应变测量法可测单向应变、平面应变场的静、动态应变，适用于金属和非金属结构。它是一种应用广泛、使用经验丰富的成熟方法。

（3）光弹性涂层也用作实验室的应力测量。对于这种技术，是把一个控制厚度的双折射涂层用反射涂层粘接剂贴在被测试的部件上，然后通过光弹性分析装置来测量。这种方法需要特殊的设备，可用单帧彩色底片、彩色底片或彩色电影照相来记录。

（4）X射线表面残余应力测量是一种直接的非破坏测量应力的方法，它只适用于晶体材料。应力变化是通过受应力的晶体材料对X射线衍射线的角度变化来确定的。现在已有专门的X射线应力测定仪，可用来无损地测定零部件的表面应力。

六、化学成分分析

化学分析包括常规、局部、表面和微区四种。

由于冶金过程造成化学成分的局部差异，或残留较高的有害元素，从而造成制造过程的废品率增高。

气体分析用来确定氧、氮、氢气体元素（砷、锑、铋、铅、锡）是否超过含量。气体分析用来确定氧、氮、氢气体元素在金属中的含量。氧、氮可以引起应变时效和淬火时效，而焊接、阴极清洗、电镀、酸洗都能引起氢向金属内部渗入而引起氢脆。

七、力学性能测试

当知道了施加于故障部件的载荷（无论是通过估算，还是根据设计资料），材料的力学性能都必须重新测量，以便作进一步的强度校核。对零部件的故障分析几乎都应当测定材料的硬度和力学性能。因为硬度测量简便易行，对故障原因分析常常是最有用的手段之一。所得数据可用来：

（1）估计热处理是否满足要求。

（2）估计金属材料特别是钢材的拉伸强度。

（3）检验由于过热、胶碳、渗碳、渗氮和加工硬化等所引起的变化和硬化。

除了对所测试的拉伸、冲击性能与说明书规定值进行比较以外，有时还需要进行一些比较使用温度稍高或稍低的力学性能测量，以便对零部件在使用中是否有超温情况作出判断。

同时还需要确定与损坏机理有关的其他性能，如断裂韧性、疲劳强度、蠕变强度和应力腐蚀开裂倾向等。一般来说，由于拉伸强度不足而引起损坏的例子并不多见。因此，力学性能测试主要起到复检的作用和排除力学性能引起损坏的顾虑。

八、断裂力学分析 

在进行故障分析时，应用断裂力学分析的目的在于通过断裂韧性的测试和分析，确定一个部件安全使用所能容许的裂纹尺寸，以及确定含有裂纹部件的剩余寿命。前者判断部件成品材料的断裂韧性是否合理，如不合理必须设法提高该部件的断裂韧性，以免同样的失效重复发生；后者在于判断现有裂纹的部件还能使用多久，而不致于误判它过早的退役。

总之，在进行某些大部件的故障分析时，应考虑这方面的问题。

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