机械零件失效形式与工作准则

（一）机械零件的主要失效形式

1.整体断裂

零件在载荷作用下，由于危险截面上的应力大于材料的极限应力而引起的断裂称为整体断裂，如螺栓破断、齿轮断齿、轴断裂等。整体断裂分为静强度断裂和疲劳强度断裂。静强度断裂是由于静应力过大产生的，疲劳强度断裂是由于变应力的反复作用产生的。机械零件整体断裂中有80％属于疲劳强度断裂。断裂是严重的失效，有时会导致严重的人身事故和设备事故。

2.过大的变形

机械零件受载时将产生弹性变形。当弹性变形量超过许用范围时，将使零件或机械不能正常工作。弹性变形量过大，将破坏零件之间的相互位置及配合关系，有时还会引发附加动载荷及振动，如机床主轴的过大弯曲变形不仅产生振动，还造成零件加工质量的降低。

塑性材料制作的零件，在过大载荷作用下会产生塑性变形，这不但使零件尺寸和形状发生改变，而且使零件丧失工作能力。

3.表面破坏

表面破坏是发生在机械零件工作表面上的一种失效。运动的工作表面一旦出现某种表面失效，将破坏表面精度，改变表面尺寸和形貌，使运动性能降低、摩擦加大、能耗增加，严重时导致零件完全不能工作。根据失效机理的不同，表面破坏可分为以下几种情况。

（1）点蚀。如滚动轴承、齿轮等点、线接触的零件，在高接触应力(接触部分受载后产生弹性变形，接触表面产生的压力)及一定工作循环次数下，可能在局部表面上形成小块的甚至是片状的麻点或凹坑，进而导致零件失效。这种失效称为点蚀。

（2）胶合。金属表面接触时，实际上只有少数凸起的峰顶在接触，因受压力大而产生弹塑性变形使摩擦表面的吸附油膜破裂。同时，因摩擦而产生高温，造成基体金属的“焊接”现象。当摩擦表面相对滑动时，切向力将黏着点切开呈撕脱状态。被撕脱的金属会在摩擦表面上形成表面凸起，严重时会造成运动副咬死。这种由于黏着作用使材料由一个表面转移到另一个表面的失效称为胶合。

（3）磨料磨损。不论是摩擦表面的硬凸峰，还是外界掺入的硬质颗粒，在摩擦过程中都会对摩擦表面起切削或辗破作用，引起表面材料的脱落。这种失效称为磨料磨损。

（4）腐蚀磨损。在摩擦过程中摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，即腐蚀与磨损同时起作用的磨损称为腐蚀磨损。

4.破坏正常工作条件引起的失效

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，若破坏了这些必备条件则将发生不同类型的失效。例如，V带传动的有效圆周力大于最大摩擦力时产生打滑失效，受横向工作载荷的普通螺栓连接的松动失效等。

（二）机械零件的工作能力准则

零件不发生失效时的安全工作限度称为零件的工作能力。对载荷而言的工作能力称为零件的承载能力。工作能力有时也相对变形、速度、温度、压力等物理或机械性能而言。同一种零件可能有好几种不同的失效形式，那么对应于各种失效形式就有其不同的工作能力。例如，轴的失效可能由于疲劳断裂，也可能由于过量的弹性变形。前者取决于轴的疲劳极限，而后者则取决于轴的刚度。显然，起决定作用的将是工作能力的较小者。为了保证机器在预定的使用期限内正常地工作，在设计机械零件时，应根据具体情况对其强度、刚度、寿命、振动、温升、可靠性等方面进行计算。

1.强度准则

强度准则是针对零件的整体断裂失效（包括静应力作用下产生的静强度断裂和变应力作用下产生的疲劳强度断裂）、塑性变形失效和点蚀失效。对于这几种失效，强度准则要求零件的应力分别不超过材料的强度极限、零件的疲劳极限、材料的屈服极限和材料的接触疲劳极限。强度准则的一般表达式（应力小于等于许用应力）为

式中：σ——零件的应力；

σlim——极限应力；

S——安全系数，用于补偿各种不确定因素和分析不准确对强度的影响。

2.刚度准则

刚度是零件抵抗弹性变形的能力。刚度准则是针对零件的过大弹性变形失效，它要求零件在载荷作用下产生的弹性变形量不超过机器工作性能允许的值。有些零件，如机床主轴、电动机轴等，其基本尺寸是由刚度条件确定的。对重要的零件要验算刚度是否足够。刚度准则的一般表达式(广义的弹性变形量小于等于许用变形量)为

y≤［y］

θ≤［θ］

ϕ≤［ϕ］(https://www.xing528.com)

式中：y、θ、ϕ——零件的挠度、偏转角、扭转角；

［y］、［θ］、［ϕ］——挠度、偏转角、扭转角的许用值。

3.寿命准则

影响零件寿命的主要因素是磨损、疲劳和腐蚀。

耐磨性是指零件在载荷作用下抵抗磨损的能力。为了保证零件具有良好的耐磨性，应运用摩擦学原理设计零件的结构，选择合适的材料、热处理方法、表面状态、油品等；同时，给予合理而充分的润滑，减小磨损，以延长零件的使用寿命。

腐蚀决定于零件所处的工作和自然环境，而这些环境因素差异巨大。迄今为止，还没有提出过关于腐蚀寿命的计算方法，因而也无法列出其计算准则。因此，在工程上对零件的耐磨性只能进行条件性计算。

一是验算压强使其不超过许用值，以防压强过大使零件工作表面油膜破坏而产生过快磨损，其验算式为

p≤［p］(MPa)

二是验算滑动速度v比较大的摩擦表面，还要防止摩擦表面温升过高使油膜破坏，导致磨损加剧，严重时产生胶合。因此，要限制单位接触面上单位时间产生的摩擦功。如果摩擦因数f为常数时，可验算值pv不超过许用值，即

pv≤［pv］(MPa·(m/s))

式中：p——表面上的压强；

［p］——材料的许用压强；

v——工作表面线速度；

［pv］——pv的许用值。

4.振动稳定性准则

机器在运转中一般都有振动，轻微的振动并不妨碍机器的正常工作。但剧烈的振动将影响机器的运转质量和工作精度，甚至会造成破坏事故。机器中存在着很多周期性变化因素时，机器或零件就会发生谐振——共振，此时零件的振幅急剧增大，会在短时间内导致零件甚至整个系统破坏。因此，对易于失稳的高速机械应进行振动频谱分析和计算，避免零件及系统发生谐振，以确保其工作的稳定性。

5.散热性准则

在两零件发生剧烈摩擦处，会产生大量的热。如散热不良，就会使零件温升过高，从而改变两零件的结合性质，破坏正常润滑条件，甚至导致金属局部熔融而产生胶合或引起燃烧。要满足散热性准则，即应对发热较大的零部件（如蜗杆传动、滑动轴承等）进行热平衡计算。

6.可靠性准则

可靠性表示系统、机器或零件等在规定时间内能正常工作的程度。可靠性通常用可靠度R来表示。系统、机器或零件等在规定的使用时间（寿命）内和预定的使用条件下，能正常实现其功能的概率称为可靠度。

设有NT个零件在预定的使用条件下进行试验，在规定的使用时间t内，有Nf个零件随机失效，剩下Ns个零件仍能继续工作，则可靠度

一个由多个零件组成的串联系统，任意一个零件失效都会使整个机器失效。若R1、R2、…、Rn为各零件的可靠度，则整个系统的可靠度为

由上式可知，串联系统的可靠度一定低于其最低可靠度零件的可靠度，串联的零件越多，则可靠度越低。

设计系统、机器或零件，当提出可靠度要求时，要考虑现实的技术水平，对系统、机器或零件的工作要求和经济性等，可靠度不是越高越好。例如，在一般手册中给出的对称循环变应力下材料的疲劳极限σ-1的值，是可靠度R=50％时的数值，如果可靠度要求高于50％，则σ-1的值将降低，零件的尺寸将增大，成本将增加，这对一般用途的零件来说是没有必要的。