機械故障原因分析方法

一、故障部件的宏觀檢驗

     宏觀檢驗主要解決兩個問題，一是故障的屬性，二是故障的定性原因。它是進行各項故障分析的基礎，是整個故障診斷成功與否的關鍵之一。

宏觀檢驗斷裂部件時，通常采取以下操作順序：

（1）首先用肉眼觀察整套設備或整個部件，了解故障部件的功能，使分析人員對故障系統和故障部件之間的關系有一個全面的了解（即整體觀念），重要的細節必須照相。

（2）根據宏觀觀察來確定故障部件的失效屬性。如斷口截面附近有明顯的變形，斷口上有剪切唇邊，這是延性斷裂的特征；反之斷口截面無明顯變形，又無剪切唇邊的就屬脆性斷裂；故障部件受交變應力，斷口上又能找出（超高強鋼通常難以找出）貝殼或海灘花樣的屬疲勞斷裂。還有其它種種的外貌特征均可作為判斷相應故障的屬性。用肉眼觀察時，通常借助50倍以下放大鏡的幫助。

（3）通過追溯斷口的撕裂紋理，來確定斷裂源位置。例如，根據放射形的匯聚點、人字形（山脊）花樣的小尖頭（即限于兩側未開槽的鋼板）來確定斷裂源的位置。

（4）分析斷口特征與部件形狀的關系，從而確定加載方式（拉、壓、彎、扭、交變等）、相對應力大小、應力集中程度以及與主應力指向的關系。

（5）斷口是否出現非纖維狀斷口異常區，這種斷口形貌尤其是在裂紋源區或附近出現的這種形貌，可能就是鑄、鍛、焊等冶金缺陷引起的，它對故障的發生可能起直接作用。

二、故障件斷口的微觀檢驗

微觀檢驗也稱微觀斷譜或微觀斷口金相，可用光學顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡等裝置進行分析。根據斷口譜形特征，可確定材料或構件的失效機理。

三、金相檢驗

金相檢驗與電子金相觀察同樣是故障分析過程中一個不可缺少的手段，有時甚至比電鏡手段還重要，應視為一種常規的分析手段。造成故障的主要影響因素，加工工藝（熱處理、表面處理、鑄造、焊接等）、加工方法和加工步驟不當造成的材料缺陷，以及使用中操作條件和環境的變化導致的損壞，都能通過金相檢驗來識別。

金相組織對材料性能的影響很大，過早的斷裂可能和異常組織有關。有時，這種損壞與不希望有的成分有關，或者和使用情況有關。如低碳鋼的時效能引起氮化鐵沉淀，或鋼中氣體凝聚。裂紋的特征，尤其裂紋的擴展方式、萌生和擴展的相關因素等，金相檢驗都能對此提供可靠的信息。

四、無損檢測

在直觀檢查之后，根據需要可用無損檢驗技術對故障進行研究和分析。常用的無損檢驗技術有碰粉檢驗、液體滲透檢驗和渦流檢驗等。以上這些技術用來檢查表面裂紋和不連續面，簡便易行，效果良好。對內部缺陷可使用放射線照相或超聲檢驗。

五、實驗應力分析

利用實驗應力分析技術可用來確定零部件受力情況和引起損壞的應力值。以下幾種方法有較好的應用價值。

（1）脆性涂層法用于以下問題是有效的：

1）找出小面積的高應變區。

2）確定主應變方向。

3）測出拉應變和壓應變的近似值。

它已成為一般實驗室和野外使用的標準應變測量工具。

（2）電陰應變測量法可測單向應變、平面應變場的靜、動態應變，適用于金屬和非金屬結構。它是一種應用廣泛、使用經驗豐富的成熟方法。

（3）光彈性涂層也用作實驗室的應力測量。對于這種技術，是把一個控制厚度的雙折射涂層用反射涂層粘接劑貼在被測試的部件上，然后通過光彈性分析裝置來測量。這種方法需要特殊的設備，可用單幀彩色底片、彩色底片或彩色電影照相來記錄。

（4）X射線表面殘余應力測量是一種直接的非破壞測量應力的方法，它只適用于晶體材料。應力變化是通過受應力的晶體材料對X射線衍射線的角度變化來確定的。現在已有專門的X射線應力測定儀，可用來無損地測定零部件的表面應力。

六、化學成分分析

化學分析包括常規、局部、表面和微區四種。

由于冶金過程造成化學成分的局部差異，或殘留較高的有害元素，從而造成制造過程的廢品率增高。

氣體分析用來確定氧、氮、氫氣體元素（砷、銻、鉍、鉛、錫）是否超過含量。氣體分析用來確定氧、氮、氫氣體元素在金屬中的含量。氧、氮可以引起應變時效和淬火時效，而焊接、陰極清洗、電鍍、酸洗都能引起氫向金屬內部滲入而引起氫脆。

七、力學性能測試

當知道了施加于故障部件的載荷（無論是通過估算，還是根據設計資料），材料的力學性能都必須重新測量，以便作進一步的強度校核。對零部件的故障分析幾乎都應當測定材料的硬度和力學性能。因為硬度測量簡便易行，對故障原因分析常常是最有用的手段之一。所得數據可用來：

（1）估計熱處理是否滿足要求。

（2）估計金屬材料特別是鋼材的拉伸強度。

（3）檢驗由于過熱、膠碳、滲碳、滲氮和加工硬化等所引起的變化和硬化。

除了對所測試的拉伸、沖擊性能與說明書規定值進行比較以外，有時還需要進行一些比較使用溫度稍高或稍低的力學性能測量，以便對零部件在使用中是否有超溫情況作出判斷。

同時還需要確定與損壞機理有關的其他性能，如斷裂韌性、疲勞強度、蠕變強度和應力腐蝕開裂傾向等。一般來說，由于拉伸強度不足而引起損壞的例子并不多見。因此，力學性能測試主要起到復檢的作用和排除力學性能引起損壞的顧慮。

八、斷裂力學分析 

在進行故障分析時，應用斷裂力學分析的目的在于通過斷裂韌性的測試和分析，確定一個部件安全使用所能容許的裂紋尺寸，以及確定含有裂紋部件的剩余壽命。前者判斷部件成品材料的斷裂韌性是否合理，如不合理必須設法提高該部件的斷裂韌性，以免同樣的失效重復發生；后者在于判斷現有裂紋的部件還能使用多久，而不致于誤判它過早的退役。

總之，在進行某些大部件的故障分析時，應考慮這方面的問題。

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