识别特征频谱模式的能力允许振动分析人员识别正在发生的事情以及对特定机器的影响。故障模式识别也是如此。这是一个将破损部件的表面特征与已知失效模式的特征表面特征进行比较的过程。这种比较分析能够识别物理失效模式。

无论是否进行全面的根本原因故障分析或基本部件分析，正确识别故障模式都是必不可少的。

骨折类型

断裂可以用三种方式之一来描述:韧性过载、脆性过载和疲劳。每种类型的骨折都有不同的特征，便于鉴别。

韧性过载断裂当力施加在零件上时发生，引起永久变形和随后的断裂。由于对零件施加过大的力，它就会弯曲或拉伸。随着施加更大的力，它最终会断裂。

由于部分变形，韧性断裂很容易识别。断口表面通常呈钝状纤维状表面。图1显示了拉伸韧性破坏的一个经典例子。缩小或“缩颈”表明金属有广泛的拉伸。该部件具有“杯锥”表面;两边大概是45度角。

图1:具有特征变形和剪切唇的韧性断裂

由于韧性过载裂缝在分子水平上与脆性裂缝不同，它们通常具有45°剪切唇。剪切唇的存在是另一个断裂具有延展性的线索。

在许多弯曲或变形吸收能量的情况下，韧性破坏是有用的。高速公路钢质护栏的设计初衷是在断裂前扭曲并吸收能量，从而逐渐减缓车辆行驶速度。弯曲的部件会给操作人员一个明确无误的警告，告诉他们哪里出了问题。

脆性过载断裂当零件在断裂前很少或没有变形时发生。图2中的文件片段可以以完美的对齐方式重新组合在一起。

图2:脆性断裂

脆性断裂是由于对在断裂前不具有塑性变形能力的部件施加过大的力而产生的。当脆性骨折发生时，几乎没有预警。高强度螺栓突然断裂，玻璃撞到地板时破碎，铸铁支架断裂而没有明显弯曲，这些都是脆性断裂的例子。

如图3所示，脆性裂缝通常有chevron标记指向裂缝的起源。左边的这个，顾名思义，是一系列的v形。刀尖指向骨折的源头。右边的v形标记是从原点放射出来的扇形山脊。

图3:脆性断裂类型

图4中的脆性断裂发生在传动轴突然停止时。万向节断裂，留下了脆性断裂的纹路。

图4:万向节脆性断裂，雪佛龙标记指向原点

疲劳骨折是最常见的骨折类型。大约一半的骨折是疲劳性骨折。它们通常是最严重的故障类型，因为它们可以在没有过载的情况下和正常运行条件下发生。疲劳性骨折经常在毫无征兆的情况下发生。

疲劳断裂发生在重复或波动应力下。零件的最大应力小于材料的屈服强度。疲劳断裂开始于微观裂纹或裂纹，随着力反复施加到零件上而增长。

疲劳骨折有几个明显的特征，使其易于识别。典型疲劳断裂的几个显著特征如图5所示:裂纹起始点、疲劳区和瞬时区。这种疲劳断裂开始于键槽，并在轴上(疲劳区)发展，直到剩余的材料不再强大到足以支撑负载，最终破裂(瞬时区)。疲劳区是疲劳断裂所特有的，因为它是裂纹从起始区扩展到瞬时区的区域。裂缝可能需要数百万或数十亿个周期才能穿过这个区域。当负载较高时，零件最终断裂所需的循环次数较低;但如果载荷较低，断裂所需的循环次数就会高得多。

图5:典型疲劳断裂的特征:起始区、疲劳区、发展线和瞬时区。

疲劳区出现进展线是识别疲劳骨折的有效方法。进程线也被称为停止标记，停止标记和海滩标记，所有这些都是为了描述它们的外观。级数线是可见的脊或线，是典型的裂纹在延性材料上的级数。每个标记或线都是在裂缝停止时创建的。它们可以由腐蚀、载荷大小的变化或加载频率形成。

有时候进程线是不可见的。如果负载没有变化，或者金属有非常细的颗粒，它们就看不见了。疲劳区将具有均匀的细粒纹理，如图6中筒杆的拉伸破坏。瞬时区具有粗粒或冰糖质地。

图6:无推进线的油缸杆疲劳断裂

当最终断裂发生时，韧性材料可能会发生一些变形。最终破裂区基本上是过载裂缝。如果材料是延展性的，可能会发生变形。脆性材料不应有任何大变形。通常情况下，断裂很少或没有变形，但表面相互摩擦，并在瞬时区发生最终断裂后被损坏。

疲劳断裂不需要很高的应力，因此通常变形很小。通常可以像图7中的轴颈一样将这些部件重新组装在一起。记住，将这些部件重新组装在一起会破坏骨折面的微观特征。

图7:轴颈疲劳断裂在断裂后可以重新组装在一起。

应力集中和棘轮标记

每一个疲劳裂纹在裂纹开始的地方至少有一个，经常有更多的起源。裂纹的萌生是因为有一个小区域的应力较高。较高的应力区域可能是由零件几何形状的变化引起的，例如键槽、直径的变化、孔、腐蚀坑或冶金缺陷。

应力集中有两个重要特征。首先是严重程度。形状的突然变化，如键槽、尖角或腐蚀坑，会在非常小的区域内引起很大的应力增加。相反，一个光滑的，更大的半径将导致一个小得多的应力增加，部分不会失败。

其次，应力集中的数量为疲劳裂纹的开始提供了多个位置(起源)。多重应力集中通常是由腐蚀、粗糙的表面处理或焊接引起的。

当多个疲劳源相邻时，就会形成棘轮痕。裂纹从每个原点开始。当裂缝相遇时，山脊或台阶形成，形成棘轮标记。最终，裂缝合并为一个裂缝，并在整个部分继续形成一条单一的发展线。棘轮标记不是起源，而是裂缝相遇的位置。

大量的棘轮标记表明表面有过多的应力集中和/或极高的应力。当这两种情况中的一种或两种发生时，棘轮标记的数量比应力集中较少或力/应力较低时要多。

图8中的轴是围绕圆周焊接的，产生了多个应力集中。多个疲劳裂纹开始于周边，并向中心扩展。瞬时区较小，表明轴上的载荷较小。

图8:带有多起点和棘轮标记的疲劳断裂

力和断裂类型

图9显示了可能应用于零件的五种力类型:

图9:可能作用于零件上的五种力

张力当零件在相反的两端被拉动时发生。螺栓就是一个很好的例子。

扭转是由扭曲零件的两端引起的。泵和电机轴发生扭转。

弯曲当握住零件的一端或两端，并在沿其长度的一点上施加一个力时发生。皮带张力或不对中导致弯曲。

剪切当两个紧密间隔的相反力施加在一个部件上时发生。它经常发生在螺栓和销钉中。

压缩当部件被推到两端时发生。

这些力可能以无数种方式组合在一起，但断裂的方向将告诉我们这些力的哪一种或组合存在，以及哪种力占主导地位。

拉力、弯曲和扭转是失效中最常遇到的力。如图9所示，纯剪切的频率较低，压缩破坏很少。

我们经常丢弃坏掉的部件，而不让它们告诉我们它们的历史。对破损部件的检查将提供有关其历史的大量信息。这些部件会告诉我们它们是否超载，是否暴露在腐蚀性材料中，是否设计不当，是否制造或组装不当，或是否安装不当。

Thomas Brown, P.E.是总部位于明尼苏达州德卢斯的可靠性解决方案的首席工程师。Tom利用他丰富的经验来分析机械和部件故障，提供振动分析和基本的可靠性技能培训。

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tom.brown@reliabilitysolutions.us

阅读下面的文章:失效模式:韧性和脆性过载断裂的进一步研究