金属材料常见失效形式及判断，了解其弹性变形特点

金属材料常见失效形式及判断

金属材料在各类工程应用中的失效形式主要有断裂、腐蚀、磨损和变形。

变形破坏

室温或不太高温度下的变形失效主要有弹性变形失效和塑性变形失效。弹性变形失效主要是变形过大或失去原设计的弹性功能，塑性失效一般为变形过大。高温下的变形失效包括蠕变失效和热松弛失效。

应力-应变曲线

弹性变形破坏

在弹性状态下，固体材料吸收载荷的能量，由于原子间距离的变化而产生变形，但因为不超过原子间的结合力，当载荷卸载时，能量全部释放，变形完全消失，材料恢复到原始状态。要具有良好的弹性，应从提高材料的弹性极限，降低弹性模量入手。

金属弹性变形的特点：（1）可逆性。金属材料的弹性变形具有可逆性，即在施加载荷时，卸载后又恢复到原来状态；（2）单值性。金属材料在弹性变形过程中，无论是在加载阶段，还是在卸载阶段，只要加载速度较慢，应力与应变保持比例单值线性关系，即符合胡克定律；（3）变形量很小。金属的弹性变形主要发生在弹性阶段，但在塑性阶段也伴有定量的弹性变形，但两个阶段的弹性变形量总量很小，一般加在一起不超过0.5%-1.0%。

当部件的弹性变形超过部件配合所允许的值时，就称为过度弹性变形失效。 判断方法如下： （1）失效部件是否有严格的尺寸配合要求，是否有高温或低温工作条件； （2）注意在正常运行时相互不接触但靠得很近的部件表面是否有划痕、擦伤或磨损痕迹，只要观察到这种痕迹，而部件停止运转时，部件之间仍有间隙，就可以作为判断依据； （3）设计时是否考虑了弹性变形的影响，并采取了相应的措施； （4）通过计算验证是否有过度弹性变形的可能性； （5）由于弹性变形是晶格变形，可以用X射线的方法测量金属在载荷作用下晶格常数的变化，以验证是否符合要求。

当构件的弹性变形不再遵循变形可逆性、单值对应性、变形量小的特点时，构件就失去了弹性作用而发生失效。

超载、过热或材料劣化是造成零部件弹性变形失效的原因。预防措施如下：（1）选择合适的材料或零部件结构；（2）确定合适的零部件配合尺寸或变形约束。对受拉、受压变形的杆柱类零件，受弯曲、扭转变形的轴类零件，过大的弹性变形将使零部件失去配合精度，导致故障。需准确计算可能产生的弹性变形和变形约束，取得合适的配合尺寸；（3）采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、软管连接、柔性轴、椭圆管板等。

塑性变形失效

塑性是指材料内部应力超过屈服极限后，能产生显著的不可逆变形，且不会立即破坏的状态。这种显著的、不可逆的变形称为塑性变形。通常反映材料塑性性能好坏的指标是伸长率δ和截面收缩率φ。伸长率和截面收缩率越大，塑性越好。金属的塑性变形一般可看作晶体的缺陷运动。

金属塑性变形的特点：（1）不可逆性。金属材料的塑性变形是不可逆的，当材料应力等于或高于屈服极限时，卸载后变形仍然保留在材料中。塑性变形的微观机理表现为位错运动、增殖使晶体从一个晶面逐渐滑移到另一个晶面，宏观上是卸载后塑性变形仍然保留到可以观察和测量的程度；（2）变形量不是恒定的。金属是多晶体，各晶粒的取向不同，晶面滑移顺序不同，各晶粒的变形不是同步的、均匀的。一个构件的不同部位的塑性变形量是不一样的，因此有些塑性变形大的部位会出现材料的不连续（断裂失效的裂纹源）；（3）变形速度慢，金属的弹性变形以音速传播，而塑性变形的传播却很慢； （4）伴随材料性能的变化，这主要是因为塑性变形时金属内部结构发生变化，晶面的滑移是通过位错运动、增殖实现的，形成亚晶粒结构；产生晶粒畸变、微裂纹等缺陷；例如在材料加工中，随着塑性变形量的增加，出现加工硬化，其原因是位错密度增加、位错缠结、位错运动相互作用与运动阻力增加，其宏观表现为应变硬化。

当金属构件产生的塑性变形量超过允许值时，就称为塑性变形失效，变形失效的判断是以对构件正常功能的影响为依据的。

材料塑性变形失效的主要原因是超载，使构件受到过大的应力，产生过大的塑性变形而影响构件的使用功能。超载不仅仅是对构件所受外界载荷的低估，还包括偏心载荷引起的局部应力、复杂结构应力的计算误差及应力集中、加工、热处理引起的残余应力、材料微观不均匀引起的附加应力等因素，使构件受力不均匀，局部区域总应力超过值。

防止塑性变形失效的措施：（1）合理选择材料，提高金属材料抵抗塑性变形的能力。除选择适当屈服强度的材料外，还应保证金属材料的质量，控制组织状态和冶金缺陷；（2）准确确定构件的工作载荷，正确计算应力，合理选择安全系数并进行结构设计，以减小应力集中，降低应力集中程度；（3）严格按照加工工艺规定对构件进行成形，以减少残余应力；（4）严禁构件在运行过程中超载运行；（5）监测腐蚀环境中构件强度和尺寸的减小情况。

金属材料高温变形破坏

金属构件长期暴露在高温下，即使应力值小于屈服强度，也会缓慢产生塑性变形，当变形量超过规定要求时，就会导致构件塑性变形失效。这里的高温是指高于0.3Tm（Tm是以绝对温度表示的金属材料熔点）的温度。一般碳钢构件在300℃以上，低合金强度钢构件在400℃以上。

蠕变变形失效

金属在恒定温度和恒定载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）下，长期缓慢地发生塑性变形的现象称为蠕变。由蠕变变形引起的材料断裂称为蠕变断裂。从蠕变变形和断裂机理可以看出，要提高蠕变极限，必须控制位错爬升速率；要提高持久强度，必须控制晶界的滑移和空位的扩散。

压力容器的蠕变变形一般规定为105h内1%，即蠕变速率为10-7mm/(mm·h)。

断裂失效的分类

第一阶段ab为减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段，此阶段开始时蠕变速率很大，随着时间的推移蠕变速率逐渐减小，在b点处达到最小值。

第二阶段bc为恒定蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段，此阶段的特点是蠕变速率几乎不变，金属蠕变速率一般指此阶段的蠕变速率ε。

第三阶段cd为加速蠕变阶段，随着时间的推移，蠕变速率逐渐增大，在d点发生蠕变断裂。

断口宏观特征

断口附近发生塑性变形，变形区附近存在较多裂纹（断口表面出现裂纹）；

由于高温氧化，断口表面覆盖着一层氧化膜。

断口微观特征

冰糖状花纹的沿晶断口形貌

蠕变变形失效也是塑性变形失效的一种，具有塑性变形失效的特征，但蠕变失效不一定是由于超载引起的。只是在载荷较大时，蠕变变形失效时间较短，恒定蠕变阶段的蠕变速率较大。在高温下，蠕变变形不仅引起构件外部尺寸的变化，而且金属内部组织结构也发生独特的变化，导致高温力学性能下降，构件承载能力下降，蠕变速率加快，失效加速。

材料的蠕变性能常用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标来表征。

蠕变极限是金属材料在长期高温载荷作用下抵抗塑性变形能力的指标，是高温材料和高温服役部件设计的主要依据之一。蠕变极限（MPa）有两种表示方法：一是在规定温度下，在规定时间内使试样产生规定稳态蠕变速率的最大应力；二是在规定温度和时间下，在规定时间内使试样产生规定蠕变伸长率的最大应力。

持久强度指材料在高温和长期载荷作用下抵抗断裂的能力，即材料在一定的温度和时间条件下不发生蠕变断裂的最大应力（蠕变极限指材料抗变形能力，持久强度指材料抗断裂能力）。对于某些材料和零件，蠕变变形很小，只要求在使用寿命期间不发生断裂（如锅炉的过热蒸汽管），此时应以持久强度作为评定材料和零件使用性能的主要依据。

应力松弛变形失效

材料在不断变形的条件下，其弹性应力随时间逐渐减小的现象称为应力松弛。金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可通过应力松弛试验测得的应力松弛曲线来评价。残余应力是评价金属材料应力松弛稳定性的指标，残余应力越高，松弛温度越好。

金属的蠕变是构件在应力不变的情况下，不断产生塑性变形的过程；而金属的松弛规律则是构件在总变形不变的情况下，不断将弹性变形转化为塑性变形，使应力不断减小的过程。

第一阶段：开始时压力迅速减小；

第二阶段：压力减轻速度逐渐减慢的阶段；

松弛极限：在一定的初始应力和温度下，不再发生松弛的残余应力。

防止高温松弛失效的措施是选用松弛稳定性好的材料。对于实际使用的紧固构件，也可在构件使用过程中进行一次或多次重新紧固，即当构件应力松弛到一定程度时再重新紧固，这是一种经济有效的方法。但要注意的是，重新紧固会影响松弛性能，因为每次重新紧固，材料都会产生应变硬化，残余应力会减少，随着塑性应变总量的增加，材料最终会断裂。

骨折失败

断裂是金属材料在应力作用下分离成两个或多个不相连部分的现象。

金属材料的断裂过程一般有裂纹萌生、亚稳态裂纹扩展、失稳裂纹扩展、最终断裂三个阶段。金属构件在材料制造、构件成型或使用过程中，可能在不同条件下开始裂纹、萌生裂纹；并在不同环境因素和载荷条件的影响下，裂纹不断扩展直至断裂。

金属构件断裂后，在断裂处会出现两个吻合的断口表面，称为断口表面。断口表面及其周围留下了与断裂过程密切相关的信息。通过断口表面分析可以确定断裂类型、断裂过程的机理，从而找出断裂的原因及防止断裂的措施。

断裂失效的分类

根据断裂前变形程度不同，可分为延性断裂和脆性断裂。

延性断裂前有明显的塑性变形，断裂过程中吸收较多的能量，一般在高于材料屈服应力的条件下，为高能量断裂。

脆性断裂前的变形很小，不会产生明显的宏观变形。材料在断裂过程中所吸收的能量很小，在低于许用应力的条件下，一般为低能量断裂。通常将材料塑性变形量小于2%~5%的断裂可称为脆性断裂。

（a）完全延性断裂（b）部分延性断裂（c）脆性断裂

根据引起断裂的应力类型以及断口宏观取向与应力的相对位置，可分为正断裂、剪切断裂和混合断裂。正断裂可能是脆性的，也可能是延性的，而剪切断裂一般是延性的。

正断裂是指外力作用引起构件法向应力分量超过材料正常断裂抗力时发生的断裂，断裂面垂直于法向应力方向或最大拉应变方向。

剪切是指当施加力引起的构件剪应力分量超过滑移面上材料的抗剪强度时发生的断裂，断裂面与最大剪应力或最大剪应变方向平行，与最大法向应力约成45°角。

根据断裂过程中裂纹扩展的路径，可分为沿晶断裂、穿晶断裂和混晶断裂三类。

沿晶断裂是指裂纹沿晶界扩展直至断裂，沿晶断裂大多为脆性断裂。

穿晶断裂是指裂纹的萌生和扩展贯穿晶粒内部。穿晶断裂可以是延性的，也可以是脆性的。混晶断裂是指多晶金属材料的断裂过程，其中大部分是穿晶和沿晶两种类型的混晶断裂。例如，马氏体或回火马氏体材料的瞬时断裂。

裂纹扩展路径示意图

A-沿晶裂纹；B-穿晶裂纹；C-混晶裂纹

根据载荷的性质和应力产生的原因，可分为疲劳断裂和环境断裂。

疲劳断裂是指在局部应力集中或强度较低的部位，最初产生裂纹，随后裂纹扩展而引起的断裂。

环境因素（气相、液相腐蚀介质或氢气）引起材料变形和断裂的基本过程，从而导致应力脆性断裂。因此，这种形式的失效现象统称为环境断裂。环境断裂具体可分为三种类型：应力腐蚀开裂、氢脆或氢致开裂、腐蚀疲劳开裂。

根据微观断裂机制可分为解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、蠕变断裂和键弱化断裂。

解理断裂是在正应力作用下产生的穿晶断裂。裂纹沿特定晶面扩展，产生穿晶脆性断裂，但有时也可沿滑移面或孪晶界分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属和合金。低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。

韧窝断裂是指在外力作用下，微孔相互连通而产生的断裂；弱化粘结断裂是指由于各种原因造成粘结力减弱，裂纹沿脆性区扩展而产生的断裂。

坚韧的窝

沿晶断裂

延性断裂

延性断裂是指容器或管道在压力作用下，壁上产生的应力超过材料强度极限，并引起明显的宏观塑性变形而发生的断裂。

延性断裂是一种缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹扩展同时发生。裂纹萌生和亚稳态扩展阻力大而缓慢，材料在断裂过程中需要不断消耗相当大的能量。随着塑性变形的不断增加，承载截面积不断减小。当材料承受的载荷超过强度极限σb时，裂纹扩展达到临界长度，发生延性断裂。

韧性断裂有两种类型：一种是宏观断面取向与最大法应力方向垂直的正断面，又称平面断面。这种类型的断裂发生在变形约束较大的情况下，如平面应变条件下的断裂；另一种是断面取向与最大剪应力方向一致，即与最大法应力方向成45°左右的断面，又称斜断面。这种类型的断裂发生在滑移变形不受约束或约束较小的情况下，如平面应力条件下的断裂。

延性断裂断口形貌

（1）宏观形貌

延性断裂宏观形貌

在大直径圆棒钢试样新断裂的金属灰色断口表面上可以观察到三个区域：不均匀的深灰色无光泽的纤维区、具有放射状纹理的灰色光泽辐射区、光滑的、丝光亮的亮灰色剪切唇区。

当材料处于平面应变三轴应力状态时，形成纤维区，在试件中心处开始产生裂纹，裂纹有很多小裂纹，裂纹缓慢扩展。

在纤维区以外，存在与裂纹延伸方向平行的径向纹理，这是裂纹中心向周围区域迅速径向扩展的结果，此区域称为径向区域。

当裂纹迅速扩展到试件表面附近时，由于残余厚度较小，试件转为平面应力状态，剩余周边部分被剪切断裂，断裂面沿最大剪应力平面与拉伸轴线成45°角，该区域称为剪切唇区。

韧性断裂宏观形貌的三个区域特征可用来分析断裂的类型、模式和性质，有助于判断失效机理，找出失效原因。可根据断口上纤维区、径向区、剪切唇区所占比例，初步评价材料的性能。纤维区较大，说明材料的塑性和韧性较好。径向区较大，说明材料的塑性下降，脆性增大。

骨折的三要素

1-纤维区F；2-辐射区R；3-剪切区S

（2）微观形貌

滑动断口或纯剪切断口的微观特征：（1）蛇形滑动及波纹状花纹；（2）较大的塑性变形后，滑移面分离所致；（3）波纹花纹是经过一步变形后，蛇形滑动花纹被抚平的结果；（4）在缺口、纤维裂纹、孔洞等附近，在力的作用下可能发生纯剪切过程，在内表面出现蛇形滑动、波纹等特征。

某些金属材料，特别是杂质、缺陷较少的材料，在发生较大的塑性变形后，沿滑移面发生剪切分离，由于不同取向的晶粒之间相互制约和约束，它们不可能只沿一个滑移面滑移，而是沿许多相互交叉的滑移面滑移，形成起伏弯曲的条纹形貌，一般称之为“蛇纹”。

微孔聚集断口的微观特征：断口表面存在大量的韧窝。当材料发生塑性变形时，首先在夹杂物、析出物等第二相粒子周围或缺陷区域出现裂纹，形成微孔。当材料进一步发生塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂。

韧窝是韧性断裂表面的一种微观形貌，呈韧窝状，韧窝中心常有夹杂物或第二相粒子。根据应力状态的不同，通常会出现三种不同形式的韧窝：

（1）在正应力（即垂直于横截面的最大主应力）的均匀作用下，微观孔洞在空间三个方向上以相同的速率长大，从而形成等轴韧窝。拉伸试样断口的杯状底部和锥形顶部均由等轴韧窝组成；

（2）在剪应力（最大剪应力平行于截面）作用下，塑性变形使微观孔隙沿剪应力方向以最大速度长大，同时微观孔隙被拉长，形成抛物线形或半椭圆形韧窝，此时两韧窝朝向相反方向，这种韧窝称为剪切韧窝。剪切韧窝通常出现在拉伸断口的剪切唇区域。

（3）在撕裂应力作用下，出现拉长形或抛物线形韧窝。两配合面上的韧窝朝向同一方向，称为撕裂韧窝。撕裂韧窝的方向指向裂纹源，反之则为裂纹扩展方向。剪切韧窝与撕裂韧窝的区别在于，两对应断面上的抛物线韧窝方向不同。剪切韧窝凸出的方向相反，而撕裂韧窝凸出的方向相同。

韧窝的大小和深度由材料断裂时微孔核心的多少和材料本身的相对塑性决定。微孔核心多或材料相对塑性低，则韧窝尺寸小或较浅；反之，韧窝尺寸大或较深。一般韧窝越大、越深，材料塑性越好。韧窝大小与夹杂物的尺寸有直接关系，当夹杂物为圆颗粒时，韧窝为等轴状，当夹杂物为条状时，韧窝也为长条状。

当材料中含有较多的第二相粒子或夹杂物时，韧窝形成过程中第二相粒子或夹杂物往往存在于韧窝的底部，形成的韧窝数量较多，而形成的韧窝较小。

影响延性断裂的因素：（1）零件形状（圆形、板材、光滑和缺口试样）；（2）温度（随着温度降低，纤维面积和剪切唇面积减小，径向面积增大）；（3）加载速率（速率越大，径向面积越大）。

脆性断裂

脆性断裂是指容器断裂时没有宏观塑性变形，壁面平均应力远未达到材料的强度极限，有的甚至低于屈服极限。发生脆性断裂的条件：设备或容器本身存在缺陷或几何形状突然改变；一定的应力水平；材料的韧性较差。

脆性断裂的特征

（1）脆性断裂时工作应力不高，往往低于材料的屈服点，甚至低于设计时的许用应力。

（2）中低强度钢的脆性断裂一般发生在较低的温度下，所以脆性断裂又称“低温脆性断裂”。与面心立方金属相比，体心立方金属随温度的降低，塑性会明显下降，屈服强度会升高；

（3）脆性断裂是以金属构件内部存在的裂纹作为裂纹源而发生的。

（4）脆性断裂通常发生在体心立方和六方密排金属材料中，而面心立方金属材料只有在特定条件下才会发生脆性断裂；

（5）脆性断裂一般沿低指数晶面解理发生。解理是通过破坏原子的结合力实现的，而密排晶面间的原子间隙最大，结合力最弱，因此解理面大多为密排晶面。

（6）破裂时没有明显的塑性变形，破裂前没有或仅有很小的局部塑性变形；

（7）断口宏观分析：断口呈金属颗粒状，有光泽，断口平直，垂直于主应力方向；

（8）发生温度较低，材料韧性很差。

脆性断裂的断口形貌

（1）宏观形貌

断裂前无明显塑性变形，断口附近无颈缩现象；

断裂面垂直于最大法向应力方向；

断口平齐，无剪切唇；

断口表面呈现小刻面；

断裂源头形成“人字形条纹”或“山形条纹”

小刻面是指脆性解理断口的光滑、明亮、结晶的断口表面。

根据断口上人字形条纹或山形条纹的形态，可判断脆性断裂的裂纹扩展方向及断裂起源，人字形条纹或山形条纹由细变粗的方向为裂纹扩展方向，反之则为裂纹起源。

（2）微观形貌

脆性断口的微观形貌一般分为河流样貌、扇形样貌、舌状断口、鱼骨样貌等；

河流花样实际上是断口面上微小解理台阶的形象表征，河流条纹相当于各个解理面的交汇处。河流条纹的流向也就是裂纹扩展的方向，河流的上游即为裂纹源。

扇形花样：以裂纹源为中心，沿单一方向呈放射状扩展，常见于焊接区冲击断口。

舌状花纹：材料脆性大，温度较低，临界变形困难，晶体变形以变形孪生形式发生，低温冲击断口易出现舌状花纹。

影响脆性断裂的因素

（1）应力状态与缺口效应

应力状态是指构件中应力的类型、分布、大小和方向。不同的应力状态对脆性断裂的影响不同。例如最大拉应力和最大剪应力对变形和断裂的影响就不同。最大剪应力促进塑性滑移的发展，是位错运动的驱动力，影响变形和断裂的发生和发展；而最大拉应力只促进脆性裂纹的扩展。因此，最大拉应力与最大剪应力的比值越大，构件失效发生脆性断裂的可能性就越大。三轴拉应力状态下的比值越大，越容易引起脆性断裂。

在实际的金属构件中，因应力分布不均匀而形成的三轴应力状态十分常见。例如，构件横截面的突变、较小的圆角半径、预先存在的裂纹、刀痕、尖锐的缺口尖端等，往往因应力集中而造成应力分布不均匀。为了保持变形协调，周边区域对高应力区域进行约束，从而形成三轴拉应力状态。这是金属结构在静态低载荷下脆性断裂的重要原因。

（2）温度

构件低温脆性断裂是由于温度的变化，引起材料本身性能的变化而引起的。随着温度的降低，金属材料的屈服应力增大，韧性下降，解理应力减小；当温度低于材料的脆性转变温度时，材料的解理应力小于其屈服应力，材料的断裂由原来的正常的延性断裂转变为脆性断裂。

（3）尺寸效应

随着钢板厚度的增加，脆性转变温度上升，缺口脆性增大；造成板厚脆性的原因一般认为与冶金质量、应力状态有关。

（4）焊接质量

焊接缺陷一般有夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹等，其中贯穿性焊接裂纹的存在对焊接构件的断裂起着重要作用。

（5）工作介质

当金属构件在腐蚀介质中受到应力（特别是拉应力）和电化学腐蚀作用时，容易发生过早的脆性断裂。

（6）材料和组织因素

脆性材料、冶金质量差的材料、易产生氢脆的材料以及缺口敏感性大的钢等，均能促使脆性断裂的发生；热处理不良造成脆性组织状态，如组织偏析、脆性相的析出、晶间脆性析出相、淬火裂纹以及淬火后应力消除处理不及时或不充分，亦可促使脆性断裂的发生。

防止脆性断裂的方法

（1）温度是引起构件脆性断裂的重要因素之一。设计人员必须考虑构件的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度。如果设计的构件工作温度较低，甚至低于材料的脆性转变温度，则必须将设计应力水平降低到裂纹扩展不发生以下的水平；如果不能降低设计应力，则应更换材料。选择韧性较高、脆性转变温度较低的材料；

（2）设计人员在选择材料时，不仅要考虑材料的强度，还要保证材料具有足够的韧性。应从断裂力学的角度选择材料，如果材料的断裂韧性较高，则允许构件中存在较大的缺陷。

（3）为减少构件的脆性断裂，设计时应尽量减少缺陷引起的应力集中，如减少尖角、消除不完整焊缝等。结构设计时应尽可能保证结构几何尺寸的连续性（因为构件的应力往往集中在结构不连续的过渡部位，形成高应力区）；过渡段的连接应采用正确的焊接方法；

（4）尽量减少焊接引起的缺陷。这方面的设计包括选择合适的焊缝金属缺口韧性、焊接预热和焊后热处理制度，合理设计焊接工艺条件，以减少缺陷。

疲劳断裂

在交变载荷作用下，金属构件的应力水平虽然低于金属材料的抗拉强度，甚至低于屈服极限，但经过一定的循环后，金属构件还是会突然断裂，这种断裂称为疲劳断裂，属于脆性断裂的一种形式。

疲劳断裂现象及特点

① 疲劳载荷为交变载荷。

②金属构件承受交变载荷时，一个应力循环对构件不会产生明显的破坏作用，不足以使构件断裂。构件在载荷作用多个循环后才会发生疲劳断裂。高周疲劳断裂的循环次数Nf>104，而低周疲劳断裂的循环次数较少，一般为Nf=102~104。疲劳断裂应力也小于抗拉强度σb，其值也小于屈服点σs。

③疲劳断裂只有在反复的拉应力和反复的剪应力作用下，使材料分离、撕裂，才会发生。在纯压缩载荷作用下，不会发生疲劳断裂，疲劳的起点往往出现在最大拉应力处。

④疲劳断裂过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。

疲劳裂纹的萌生：大量研究表明，疲劳裂纹是由于局部不均匀滑移和微开裂引起的，主要表现形式为表面滑移带、第二相、夹杂物或其界面的开裂、晶界或亚晶界的开裂以及各种冶金缺陷、工艺缺陷等。由于交变载荷的作用，金属构件在平行于最大剪应力平面的表面晶体上产生不受约束的相对滑移，从而产生复杂的表面状态，常称为表面的“挤断”和“挤压”现象。当金属表面的滑移带形成尖而窄的缺口时，就产生了疲劳裂纹的裂纹源。

疲劳裂纹扩展：疲劳裂纹扩展的第一阶段为切向扩展阶段，裂纹尖端将沿与拉伸轴成45°角的滑移面扩展。疲劳裂纹扩展的第二阶段为正向扩展阶段，在交变应变作用下，疲劳裂纹由原来与拉伸轴成45°角的滑移面发展到与拉伸轴成90°角的滑移面。即由平面应力状态转变为平面应变状态。此阶段最突出的微观特征是出现大量平行的条纹，这些条纹被称为“疲劳条纹”。

第二阶段疲劳裂纹扩展到一定深度后，由于剩余工作截面的减少，应力逐渐增大，裂纹扩展速度加快。当剩余面积太小，不能承受载荷时，在交变应力作用下，发生突然的瞬时断裂，其断裂过程与单调载荷作用相似。疲劳断裂不同于其他单一载荷下的断裂，是一种渐进性断裂。

⑤即使是塑性较好的合金钢或铝合金，在疲劳断裂构件的断口附近通常也观察不到宏观塑性变形。

疲劳断口形貌

（1）宏观形貌

起源区：疲劳裂纹起始区。此区占整个疲劳断口的比例很小，通常指断面疲劳纹路辐射源的中心点或疲劳圆弧曲率的中心点。疲劳裂纹源一般位于构件表面的应力集中点或不同类型的缺陷位置。一般一个疲劳断口有一个疲劳源。疲劳区中最亮的部分为疲劳源（疲劳核），位于构件强度最低或应力最大的地方。

延伸区：在此区内，常可见到波浪推挤沿海滩涂而形成的“滩纹”，又称“贝壳状条纹”、“疲劳弧带”。这种滩纹是疲劳裂纹前沿线不连续扩展的痕迹，各条纹的边界即为疲劳裂纹在某一时刻的推进位置。滩纹是由于裂纹扩展时遇到阻碍，有时扩展，有时停止，或由于行车与停车、加减速、加卸载等引起的周期性载荷突变而形成的。

疲劳裂纹扩展区是裂纹在交变载荷作用下经过相当长时间延伸的结果。拉应力使裂纹扩展，压应力使裂纹闭合，裂纹两侧反复张合，使疲劳裂纹扩展区在客观上成为一个光亮的抛光区，越接近疲劳起源点，越光滑。如果在宏观上观察到海滩花样，则可以判定断口为疲劳断口。在多源疲劳的裂纹扩展区中，各个裂纹源不一定在同一平面上，随着裂纹的延伸和连通，在同一平面间的连接处形成疲劳台阶或褶皱。疲劳台阶越多，应力或应力集中越大。

断裂区：当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，构件的承载截面减小到强度不够，引起瞬时断裂。此瞬时断裂区域即为最终断裂区。最终断裂区的断口形貌多呈现宏观脆性断裂特征，即粗糙的“晶粒”组织，其断口基本垂直于主应力方向。只有当材料的塑性很大时，最终断裂区才呈现纤维组织，并出现较大的45°剪切唇区。

（2）微观形貌

微观形貌主要分为疲劳条纹和轮胎压痕纹。

①疲劳条纹是一系列基本平行、略带弯曲和波浪状的条纹。它们垂直于微观裂纹扩展方向。裂纹扩展方向朝向波纹突出的一侧。条纹的间距与施加的交变载荷的大小有很大关系，而条纹的整洁程度取决于材料的韧性。因此，在高应力水平下比在接近疲劳极限的应力下更容易观察到疲劳条纹。

②每条疲劳条纹代表循环中疲劳裂纹扩展前沿线的瞬时微观位置。裂纹的三个阶段具有不同的微观特征：疲劳起源由许多细线组成，后来形成密集的条纹。随着裂纹的扩展，应力逐渐增加，疲劳条纹的间距也增大。

③疲劳条纹可分为延性条纹和脆性条纹两大类。脆性疲劳条纹的形成与裂纹扩展时沿一定的解理面解理有关。在疲劳条纹上，可见疲劳条纹被切割成一段段解理台阶，因此脆性疲劳条纹的间距不均匀，呈断续状。延性疲劳条纹较常见，其形成与材料结晶无明显关系，存在较大的塑性变形，疲劳条纹间距均匀，有规律。

④疲劳断口面通常由许多大小、高度不等的小碎片组成，疲劳条纹均匀分布在碎片上，每个小碎片上的疲劳条纹连续、相互平行，但相邻碎片上的疲劳条纹不连续、不平行。

⑤疲劳条纹中的每一条条纹一般代表一系列载荷循环，条纹数等于载荷循环数。

⑥轮胎压痕花纹是疲劳断口两配合断面间因反复冲击、相互运动而产生的机械损伤，也可能是松散的自由颗粒在配合断口面上留下的微观变形痕迹。轮胎压痕花纹不是疲劳本身的表现形式，而是表征疲劳断口的一种方法。

影响疲劳断裂的因素及改善方法

① 元件表面状况

大量的疲劳失效分析表明，大多数疲劳断口起源于构件的表面或亚表面。这是因为承受交变载荷的构件在工作时表面应力往往很高。通常，弯曲疲劳构件表面的拉应力最大，而各种工艺工序又使表面加工质量难以保证。因此，制造过程中产生的任何预先存在的裂纹(如浮裂纹)、尖锐缺口(如表面粗糙度不符合要求、加工痕迹等)以及任何削弱表面强度的缺陷(如表面氧化、脱碳等)都会严重影响构件的疲劳寿命。而且，材料强度越高，表面状态对疲劳的影响就越大。

②缺口效应与应力集中

许多零部件表面都存在缺口、螺纹、孔洞、台阶等类似的几何形状，还可能存在刀痕、机械划痕等表面缺陷，这些区域增加了表面应力，形成应力集中区，往往成为疲劳断裂的起源。

③残余应力

如果构件表面存在残余拉应力，则对抗疲劳是极为不利的。但如果构件表面诱发残余压应力，则对抗疲劳十分有利。这是因为残余压应力起着降低表面拉应力值的作用。一些表面热处理工艺，如表面淬火、渗碳、渗氮；一些机械加工工艺，如喷丸、表面、冷拔、挤压、抛光等，都会产生有利的残余压应力。因此，工程上经常采用这些方法来提高构件的抗疲劳性能。

④材料成分与组织

在各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，疲劳强度随碳含量的增加而提高，铬、镍等也有类似作用。碳是影响疲劳强度的重要元素，它既能间隙固溶强化基体，又能形成弥散碳化物进行弥散强化，提高钢的变形抗力，阻止循环滑移带的形成和破裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，提高疲劳强度。其他合金元素主要通过提高钢的淬透性和提高钢的韧性来提高疲劳强度。质量均匀、无表面或内部连续性缺陷的材料组织，抗疲劳性能好。

⑤工作条件

载荷频率对疲劳强度的影响是在一定范围内可以提高疲劳强度。

低于疲劳极限的应力称为二次负荷。金属在低于疲劳极限的应力作用下运行一定次数后，疲劳极限可得到提高，这种二次负荷强化效应称为二次负荷训练。这种现象可能是应力-应变循环引起组织硬化，局部应力集中缓和的结果。二次负荷应力水平越接近疲劳极限，训练效果越明显；二次负荷训练的循环次数越长，训练效果越好，但经过一定循环次数后，效果不再提高。

当加载应力低于和接近疲劳极限时，间歇加载对改善疲劳有更明显的效果，而间歇过载加载不仅对疲劳寿命无益，甚至可能降低疲劳强度。这种间歇加载影响疲劳强度的规律可以指导机床操作规程和检查规程的制定。

温度对疲劳强度的影响一般是：温度降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。

腐蚀环境介质会造成构件表面产生腐蚀阻抗、微裂纹等缺陷，加速疲劳源的萌生，促使腐蚀疲劳发生。

磨损失效

磨损是材料表面由于机械作用和化学反应（包括热化学、电化学和机械化学反应）而不断损失材料或产生残余变形和断裂的现象。磨损是物体上发生的表面现象，其接触表面必须有相对运动。磨损必然会引起材料的损失（包括材料转移），是一个具有时变特性的渐进动态过程。

磨损按磨损机理可分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损和微动磨损；按环境介质可分为干磨损、湿磨损和流体磨损。

磨粒磨损

磨粒在摩擦过程中由于外部硬质颗粒或磨削表面上的硬质突起或粗糙峰而引起表面材料脱落的现象称为磨粒磨损（又称磨粒磨损）。磨粒是由摩擦表面间的摩擦产生的或由介质带入摩擦表面的。

磨粒磨损是最常见的磨损形式，主要发生在采矿、钻井、建筑、运输、农业等机械相关部件上。据统计，工业中由磨粒磨损造成的损失约占总损失的50%。

磨料磨损示意图

根据力的作用特点，可分为划伤磨损、压碎磨损和凿削磨损。

划痕磨损属于低应力磨损的一种，低应力是指磨料与零件表面之间的作用力小于磨料本身的抗压强度。

磨削磨损属于高应力磨损的一种，当磨料与零件表面之间的接触压应力大于磨料的压碎强度时，磨粒被压碎，使一般金属材料表面产生划伤，延性材料产生塑性变形或疲劳，脆性材料发生断裂或剥落。

凿形磨损主要是由于磨料中存在较大的磨粒，这些磨粒具有锋利的棱角，对部件表面施加较高的应力，将部件表面的大颗粒或碎片撕下，并在表面形成深坑。这种磨损常发生在输送或破碎较大的磨粒时，如颚式破碎机的齿板和辊子。

影响磨料磨损的因素

改善磨料磨损的措施：（1）对于以切削为主要机理的磨料磨损，应提高材料硬度；（2）根据机件的使用条件，合理选择相应的耐磨材料；（3）采用渗碳、氮化等化学热处理，提高表面硬度；（4）机件的防尘、清洁。

粘着磨损

摩擦副相对滑动时，由于黏附作用而形成的节点处发生剪切破坏，被剪切的材料或者作为磨屑脱落，或者从一个表面迁移到另一个表面，这种磨损称为黏附磨损。

粘着磨损的特点是磨损表面出现细小的划痕，并可能沿滑动方向形成胶体裂纹，最突出的特征是表面金相组织和化学成分发生明显变化，磨损产物多为片状或小颗粒状。

粘着磨损示意图

根据结合强度、金属体强度、剪应力三者之间关系的不同，粘着磨损可分为四类：

影响粘着磨损的因素

（1）摩擦副材料性能的影响

（2）载荷和速度的影响

载荷增加——粘着磨损加剧，但存在临界载荷；

在压力恒定的条件下，粘着磨损随滑动速度的增加而增大，达到一定的最大值后，又随滑动速度的增加而减小。

（3）表面温度的影响

表面温度升高会造成润滑膜失效，材料硬度降低，摩擦表面易产生粘着磨损。

（4）润滑油、油脂的影响

在润滑油、脂中加入油性或极压添加剂，可提高润滑油膜的吸附能力和强度，可成倍提高抗粘着磨损的能力。

侵蚀磨损

冲蚀磨损是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度冲击材料表面而产生的磨损。

根据颗粒及其携带介质的不同，冲蚀磨损可分为气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀和空蚀。

引起冲蚀的颗粒通常比被冲蚀的材料更坚硬。冲蚀磨损与腐蚀磨损的区别在于：前者材料表面的损伤主要是由机械力引起的，腐蚀磨损只是次要因素；而腐蚀磨损则是摩擦副在腐蚀介质中发生的磨损，是腐蚀和磨损综合作用的结果。

影响冲蚀磨损的因素

（1）侵蚀颗粒

颗粒尺寸对冲蚀磨损有显著影响，一般颗粒尺寸在20-200μm范围内，材料磨损率随颗粒尺寸增大而增大，当颗粒尺寸增大到某一临界值时，材料磨损率几乎不变或变化不大，这种现象称为“尺寸效应”。颗粒形状也有很大影响，与圆形颗粒相比，在同样条件下，冲击角为45°时，多边形颗粒的磨损是圆形颗粒的4倍，即使是低硬度的多边形颗粒也比高硬度的圆形颗粒产生更多的磨损。颗粒的硬度和可破碎性对冲蚀速率有影响，因为颗粒破碎后会发生二次冲蚀。

（2）攻角

材料的冲蚀速率与粒子的攻角密切相关，当粒子的攻角为20°~30°时，典型塑性材料的冲蚀速率达最大值，而脆性材料的最大冲蚀速率出现在攻角接近90°时。攻角与冲蚀速率之间的关系几乎不随入射粒子的种类、形状和速度而改变。

（3）速度

粒子速度存在一个阈值，低于该阈值时，粒子与靶材表面只发生弹性碰撞，不会发生损伤，即不发生冲蚀。速度阈值与粒子尺寸、材质等有关。

（4）侵蚀时间

冲蚀磨损具有较长的潜伏期或酝酿期，磨粒冲击目标表面后，表面首先被粗化并产生加工硬化，此时不发生材料损失，经过一段时间的损伤积累后，逐渐发生冲蚀磨损。

（5）环境温度

温度对冲蚀磨损的影响比较复杂，有些材料在冲蚀磨损过程中，磨损率随温度升高而增大；但有些材料随温度升高，磨损量反而减小。这可能是因为高温下形成的氧化膜提高了材料的抗冲蚀磨损性能，也可能是因为随着温度升高，材料的塑性提高，抗冲蚀性能提高。

（6）目标材料

目标材料除了其自身性质外，还与磨料的几何形状、尺寸、硬度、攻角、速度、温度等条件密切相关。

微动磨损

微动磨损是指受压配合表面在小振幅振动作用下引起的表面损伤，包括材料损失、表面形貌改变、表面或亚表面塑性变形或裂纹等。微动磨损是一种复合磨损（黏着、磨料、疲劳、腐蚀）。

金属表面微动磨损原理示意图

微动磨损可分为两类，第一类是部件原设计时两物体的接触面是静止的，但由于振动或交变应力的作用，使两配合面间产生微小的相对滑动，从而产生磨损；第二类是各类运动副在停止运转时，由于环境振动而产生微振动，从而引起磨损。

工程中常见的微动磨损

（1）轴承

滚动轴承有三个部件可能遭受微动损坏：轴承与轴承座之间的紧配合表面、轴之间的紧配合表面以及球或滚子与滚道之间的紧配合表面。

（2）压配合

机车主轴一般采用压配合方式安装于轮毂内，运行过程中，在载荷作用下，轴产生弯曲，轮毂配合段两端产生微量移动。

（3）榫卯配合

航空发动机涡轮叶片的榫头与轮盘配合在一起，叶片相当于一根一端固定的悬臂，由于强气流的冲击，处于弯曲和复合振动状态，使榫槽产生微磨损，造成配合过松，并萌生疲劳裂纹。

（4）铆接

铆接在飞机上应用十分广泛，据估计各类飞机90%的疲劳裂纹都起源于微运动部件，其中又以铆接和螺纹连接占绝大多数。

（5）钢丝绳

由于其固有的柔韧性不可避免地会导致电线或链之间的滑动，因此电缆的往复运动会导致复杂的疲劳应力。

（6）核工业中的热交换器和压力管燃料元素

在冷却液流动的作用下，反应堆中的燃料涂有锆合金和镁合金，并具有耐耐磨性。

插图磨损过程

插图磨损是一个复杂的过程，涉及粘附，氧化，磨料颗粒和疲劳的综合作用。

通常，彼此接触的两个物体的表面会导致塑性变形和粘附，这是由于幅度振动的作用，粘附点可能会剪切并脱落，并且剪切表面氧化了，由于表面近距离磨损，因此脱落了磨损的磨损。 。

在刚毛磨损的初始阶段的材料损失机制主要是粘附和转移，然后是较柔和的材料的峰值效应。

当生成的芯片足以覆盖表面，粘附逐渐变弱，并逐渐进入稳态阶段刚刚与基质分开的材料在次级微动物中变得越来越细，并吸收足够的机械能量，可以在与空气接触时完成氧化。即更重要的是，研磨芯片的主要功能是减少表面损伤。

特性和刷子磨损的判断

（1）表面特征

一层红棕色的粉末粘附在钢制的损坏的表面上，观察到许多小坑。

（2）穿碎屑特性

钢制碎屑的重要迹象是红棕色碎片。

对于大多数情况，对于金属的最终氧化状态，金属的磨损是纯净的金属。是。

腐蚀和磨损

当两个表面之间发生摩擦，例如液体，气体或润滑剂等培养基与材料表面进行化学或电化学反应，以形成这些产物，通常不会牢固地粘附在摩擦过程中。

腐蚀和磨损分类

腐蚀性磨损可以分为化学腐蚀性，并将电化学腐蚀性磨损分为氧化磨损和特殊的中等腐蚀性磨损。

腐蚀是一种非常复杂的磨损形式。

（1）化学腐蚀和磨损

最常见的化学腐蚀磨损类型是氧化磨损，其本质是金属表面和气体介质之间形成氧化物膜之间的氧化反应。

脆性氧化物与金属底物非常不同。

当氧化物膜具有良好的韧性，并且比金属基质更柔软，在持续的磨损过程中，微核心在摩擦表面的机械作用可以部分地去除。

（2）电化学腐蚀和磨损

电化学腐蚀磨损也可以根据机械或腐蚀性的腐蚀磨损产物的特征分为两种磨损，这是一个在均匀的腐蚀条件下的磨损过程中。腐蚀产品覆盖。

多相材料，尤其是含碳化物的耐磨物材料，由于碳化物和基质之间的电势差而形成腐蚀细胞，导致相互腐蚀，这极大地削弱了碳化物和基质之间的粘结力。

另一个情况是由于磨料的磨损而形成的，金属材料的表面会产生不平衡的塑料变形，这是阳极的，首先腐蚀，溶解或腐蚀的腐蚀量会造成腐蚀。两个数量级。

腐蚀性特征

在腐蚀性的过程中，氧化物膜破裂并剥落，形成新的磨损，既有腐蚀性，又有腐蚀性钢摩擦对彼此滑动的氧化磨损沿滑动方向均匀的磨损。

影响腐蚀和磨损的因素

（1）pH值

一般而言，当其他条件相同时，腐蚀和磨损的速度通常随温度升高而增加。

（2）化学成分

化学成分是不同媒体条件的主要影响因素，在Fe-C合金中添加适当的CR，V，B和其他元素可以提高耐磨性。

疲劳磨损

当两个接触物相对于彼此滚动或滑动，如果在接触区域中形成的环状应超过材料的疲劳强度，则裂纹将在表面层中启动并逐渐扩展，最后，裂缝上方的材料将破裂并剥落。

疲劳磨损和整体疲劳之间的区别

①裂纹源与裂纹延伸。总体疲劳的裂纹源是从表面延伸的，在45°的方向上从表面延伸到外部应力。

②疲劳效率不同。

③疲劳磨损的工作条件更加复杂，除了循环压力之外，疲劳磨损还会发生复杂的摩擦过程，这可能会导致表面层的一系列物理和化学变化以及各种机械和物理特性的变化。

疲劳磨损特征

疲劳磨损的典型特征是在零件表面或大规模表面剥离的凹坑外观，被称为斑点或剥落。

裂纹通常从表面膨胀，最后裂纹向表面弯曲。

在纯净的接触中，裂缝在地下层的最大剪切应力上发生，裂缝在一定时间内的裂缝缓慢增长。

疲劳服的基本原理

最大的压力在表面上发生，最大的剪切应力在与表面的一定距离处发生。

实际上，由于组件的表面粗糙度，材料不平衡，夹杂物，微裂纹和硬斑，疲劳故障的位置将发生变化，因此某些裂缝从表面开始，有些则从地下表面开始。

影响疲劳磨损的因素

①物质

材料的纯度越高，使用的寿命越长。

增加材料硬度的硬度对疲劳的影响越高，裂纹的裂​​缝越困难。

②负载

负载是影响疲劳磨损寿命的主要因素之一。

通常认为，滚珠轴承的寿命与负载立方体成反比。

③润滑油膜厚度

当润滑油具有较高的粘度并且足够厚，地表上的微型凸体不会接触，因此由于接触表面压力很高，因此不容易产生接触疲劳，因此必须选择具有高粘度在超高压力下的润滑油。

④环境。

改善耐磨性的方法

金属材料的磨损主要发生在表面的变形和断裂过程中。

对于粘合剂磨损，改善润滑条件，提高氧化物膜和碱金属之间的键合能力，以增强氧化物膜的稳定性，防止金属之间的直接接触，并降低表面粗糙度，如果沿着接线表面进行粘合，则只需降低粘合剂的粘合剂，就可以减少粘合剂。

表面处理实际上在金属表面上形成复合层或非金属层，以避免在摩擦对之间直接接触，减少原子之间的粘结力，并减少摩擦因子以防止粘合度，因为它可以减少摩擦因子，但它可以减少粘合因子，尤其是在高温下粘贴的粘附因素。

如果在较软的材料内部发生粘合剂，则不仅应该减少摩擦对的键作力，而且还应增加材料本身的表面硬度。

对于磨蚀性的磨损，如果要增加碳含量的钢，并且在热处理后获得了钢的硬度。对磨蚀性耐磨性的决定性影响，使碳纤维中的主要碳纤维均匀地分散，可以显着提高钢铁的耐磨性。磨损时变成马氏体以增加硬度。使用表面热处理（例如渗透性和碳化）也可以有效提高耐磨性耐磨性。

腐蚀失败

腐蚀是材料表面和服务环境之间的物理或化学反应，导致材料受损或恶化。

有多种形式的腐蚀，包括均匀的腐蚀，在整个部件的表面均匀散布，只有在某些地方发生的局部腐蚀。

一般腐蚀和局部腐蚀之间的主要区别

化学事故中各种类型的腐蚀故障的比例

工程中常见金属腐蚀失败类型的特性和条件

电偶腐蚀

当接触量相差并处于相同或连接的电解质溶液中时，由于实际（腐蚀）的电势差，具有较低（负）的金属将更快地腐蚀。

由于电力效应，构成电流腐蚀的两种金属的金属具有更积极的电位，该金属受阴极钝化保护，从而降低了腐蚀速率，而具有负电势的金属则因阳极极化而具有更高的腐蚀速率。

电腐蚀的特性：腐蚀主要发生在两种不同金属之间的接触边缘附近，或者是金属和非金属导体之间的腐蚀。

缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是由异物或结构原因引起的缝隙中金属的腐蚀，这使得在缝隙中的溶液中很难在大多数情况下迁移。

缝隙腐蚀的原因是氧气浓度差电池的作用，而被遮挡的电池引起的酸化自催化是加速缝隙腐蚀加速腐蚀的基本原因。

在工程学中，有许多导致缝隙腐蚀的条件：铆接，法兰连接表面，螺栓连接，金属表面沉积物，腐蚀产物等都会形成缝隙腐蚀。

缝隙腐蚀的特征：

点蚀

在某些环境介质中，大多数金属材料的表面不会非常轻微腐蚀，但是随着时间的流逝，在各个点或微小的区域出现斑点或斑点，蚀刻继续深入发展，以形成小孔形腐蚀坑，称为蚀腐蚀。

斑点是一种高度隐藏的局部腐蚀。

点腐蚀的特征：

点蚀腐蚀的横截面特征形态

晶间腐蚀

在某些腐蚀性培养基中，沿金属晶界的这种局部损伤现象可能首先被腐蚀。

晶界是金属中各种溶质元素隔离或金属化合物（例如碳化物和σ相）容易沉淀的区域。

当金属材料中发生晶间腐蚀时，其特征是金属的外部尺寸在宏观水平上几乎保持不变，但是在强烈的机械碰撞之后，其强度和延展性会降低。

选择性腐蚀

合金中的某个结构或成分优先腐蚀而另一个结构或组件没有腐蚀或腐蚀的现象很少被称为选择性腐蚀。

选择性腐蚀的结果至少会导致合金降低强度，或者在最坏情况下引起穿孔，破裂和严重的事故，而选择性腐蚀大多发生在水溶液中，但某些材料也具有选择性腐蚀性的熔融盐和高敏感的燃气媒体。

选择性腐蚀损伤的形式可以大致分为两种类型：分层和插头。

选择性腐蚀在整个材料表面上均匀扩散（例如黄铜的层状脱落），该表面称为分层选择性腐蚀或选择性腐蚀沿表面形成，但在条上不均匀，这称为条纹选择性腐蚀。

选择性腐蚀发生在材料表面的局部区域，并继续更深地进行（例如，螺栓型的黄铜脱齐化），称为螺栓型选择性腐蚀，例如，当酸性介质中的酸性介质是较高的，如果较高的培养基，则是层次的含量。 - 型脱落是主导的。

应力腐蚀开裂

在应力和特定腐蚀环境的综合作用下，金属设备和组件在材料强度极限以下经历脆性裂纹，这称为应力腐蚀开裂或SCC（应力腐蚀破裂）。

SCC形成的基本条件：敏感材料，固定的拉伸应力和特定的腐蚀介质。

应力腐蚀可以根据其机制分为两种类型：阳极溶解类型和氢诱导的开裂类型。

如果在应力腐蚀系统中与阳极溶解相对应的阴极过程是氧的吸收反应，或者尽管阴极是一种氢进化反应，但进入金属的氢不足以引起氢诱导的裂纹，而核定和应力腐蚀裂纹的膨胀被称为金属溶解液的压力裂解，这是一种类型的腐蚀过程。

如果与阳极金属的溶解（腐蚀）相对应的钢管过程是氢进化反应，并且原子氢可以扩散到金属中并控制裂纹的成核和膨胀，则这种应力腐蚀称为氢诱导的裂纹应力腐蚀。

应力腐蚀破裂的特征：

①裂缝发生在设备或组件的局部区域，而不是与腐蚀介质接触的整个接口。

②裂缝通常更深，狭窄。

③当设备和组件因应力腐蚀而破裂时，通常没有明显的塑性变形，这是一个脆皮的断裂。

④应力腐蚀是由特定培养基和拉伸应力引起的破坏性形式。

容易应力腐蚀和破裂的金属材料和环境的组合

氢损伤

氢损伤是指金属材料含有氢气或与氢损害的温度条件相互作用。

（1）氢

氢浓料可以包括氢压裂纹（钢中的自我斑点，H2S诱发的裂纹，焊接裂纹，充电或腌制的裂纹）和氢延迟裂缝。

氢是由氢引起的。

（2）氢会导致滞后断裂

在恒定载荷（或恒定位移）的条件下，原子氢会导致氢裂纹和通过应力诱导诱导扩散和丰富度的膨胀，从而导致氢分解。

（3）氢腐蚀

氢的本质是在高温下氢引起的氢，并且高压与碳化物反应反应，产生指甲的燃烧，无法从钢中散布。当CH4气泡中的压力等于材料的断裂强度时，将引起微裂缝芯。

腐蚀疲劳

在交叉变形应力和腐蚀性培养基的同时效应下，金属的疲劳强度或疲劳寿命比非腐蚀作用降低。

当应激破裂敏感性受到转化和应力的影响时，如果应力低于应力腐蚀和破裂的临界值的一半，则只能产生腐蚀性疲劳。

冲洗

腐蚀（也称为磨损和腐蚀）是指由溶液引起的材料表面和材料以更高速度引起的表面损伤。

在洗涤腐蚀时，金属表面主要是由金属成分的几何形状变化引起的，导致由湍流引起的金属表面，该金属表面称为湍流腐蚀，也称为撞击腐蚀。

空腐蚀是空的侵蚀，并且在金属表面下损坏了空气侵蚀，并且可以在空气侵蚀点附近产生裂缝。

在氧气的条件下，如果金属成分有轻微的振动或与负载紧密接触的相对运动，则在接触表面上出现深色斑点，小坑或细凹槽，称为微动物。

基本故障分析方式

检测故障材料

化学成分分析

化学成分的分析包括化学成分，环境介质和反应，仿制药，痕迹等的分析。

性能测试

机械性能包括金属材料的强度指标，塑料指示器和韧性指标，σb，σs，σn，δ，ψ，ψ，AKV，KIC，KIC，ΔC和硬度等。

化学特性包括电势，极化曲线和金属材料所在的环境介质中的金属材料的腐蚀速率；

物理特性包括反应热，燃烧加热等。

无损检测

物理方法用于快速可靠，以确定组件的表面或组件表面的大小，数量和位置，而内部裂缝以及其他缺陷，而不改变组件的性能和形状。

组织结构分析

蜘蛛结构分析包括金属材料表面和心脏或腐蚀产物的金相组织或缺陷。

压力测试和计算

当前使用X射线应力测量方法，确定了组件的残余应力。

故障零件的采样和处理

保护故障零件

损坏的保护主要是为了防止机械损伤或化学损伤。

为了防止机械损伤，应在损坏事故发生后立即保护断裂。

预防化学损伤主要是为了防止空气和水或其他化学物质的裂缝腐蚀。

故障零件采样

为了全面执行故障分析，需要各种样品，例如机械性能样本，化学分析样品，断裂分析测试，电子探针样品，金相样品，表面分析样本和样品以避免混淆和造成误差。

清洗故障零件

清洁的目的是去除裂缝上的涂层和腐蚀产物，以及以下方法的以下方法：

①使用干燥空气吹出嘴，这可以清除粘附在灰尘和其他外国偷来的商品上的灰尘：用软刷轻轻擦拭嘴，这有助于清洁灰尘。

②对于骨折上的油污染或有机涂料，可以用汽油，石油，苯，丙酮和其他有机溶剂去除。

③超声清洁可以清楚地清除裂缝表面上的沉积物，而不会损坏裂缝。

④乙酸纤维膜的应用通常是可剥离的，该方法可用于粉尘，氧化和腐蚀产物粘在裂缝上。

⑤使用化学或电化学方法清洁。

通过备用样品测试后使用。

通用的化学方法清洁和腐蚀性产品

失败分析的基本技能

断开分析

破裂的分析重要性

The whole process of metal fracture is faithfully recorded, that is, the production of cracks, expansion until cracking: the impact of external factors on cracks and the defects of the material itself can promote the cracks; at the same time, the effects of crack expansion, expansion process, and internal and external factors on crack expansion.

Blind analysis basis

(1) The color and color of the fracture

When observing the surface luster and color of the fracture, it mainly observes the special colors and other colors with oxytide -oxidation, signs of corrosion, special colors and other colors with miscellaneous objects; red rust, yellow rust, or other colors of rust: whether there are dark gray metal luster, blue color (or dark purple, purple -black metal luster), etc.

According to the degree of light of fatigue, you can judge the position of fatigue sources.

(2) The pattern on the fracture

The fatigue breaks are sometimes visible to the beach stripes, with fatigue and graphics. Crispy fractures have the characteristics of the phrase. The fracture is macro.

(3) The roughness on the fracture

The surface of the fracture is actually composed of many tiny small broken surfaces. The size and height difference determine the roughness of the fracture.

Generally speaking, the shear -cutting lips that are shear -type tough fractures are relatively smooth; the fibrous fibrous area is rough.

(4) The corner of the fracture and the maximum positive stress

The stretching of the tough material is generally a cup cone -shaped or 45 ° cut -off shape. The plastic deformation is expressed in the way of retracting the neck.

The stretching of the brittle material is generally vertical with the maximum stretch of stress, and the surface of the fracture is flat. There is usually no "lip mouth" at the edge of the fracture.

The twisting of the crispy material is twisted. Under the action of pure torque, it is separated in the direction of the maximum stress vertical.

(5) Metallurgical defects on the break

Miscellaneous, layered, grains thick, self -dots, white spots, white spots, oxide films, loose, pores, tears, etc., can often be discovered by macro or micro -observation on the failure part of the failure part.

观察

A macro observation refers to the use of the naked eye, magnifying glass, a low -power optical microscope or scanning electron microscope to observe the surface shape of the fracture.

Micro -observation is to use a microscope to observe a high -end high rate of fracture, and use gold to show microscope and scan the electron microscope. The micro -observation of the fracture includes direct observation of the fracture surface and observation of the fracture section.

Observation of the section requires a certain direction on the section. It is usually intercept with the plane vertical planes on the surface of the fracture. There are two types of cutting on the surface of the fracture: parallel crack expansion direction can be studied;

Crack analysis

The purpose of crack analysis is to determine the position of the cracks and the cause of the cracks.

Crack analysis often requires comprehensive analysis from the metallurgical quality of raw materials, the mechanical performance of the material, the process process and process parameters of the processing process, the shape of the component and its working conditions, and the characteristics of the cracks and micro. , Analysis of X -ray micro -zone.

Basic appearance features of metal cracks

The bumps on both sides of the crack are uneven, and the coupling characteristics are related to the main stress properties; if the main stress belongs to the incision stress, the cracks are generally smooth; if the primary stress is stress, the cracks are generally aliasing small coupling.

Except for some cracks along the crystal, most cracks are sharp.

The crack has a certain depth, deepening and width, and the depth is greater than width, which is a continuous defect.

The cracks have various shapes, straight -line, branch -like, cracking, radiation, ring shape, and curved shape. Various shapes are often closely related to the cause of formation.

Examination of metal cracks

The main purpose of the macro inspection of the crack is to determine whether the inspection object has a crack. In addition to the direct appearance inspection and adopting the recommended percussion measurement method by the naked eye, non -destructive detection methods are usually used, such as X -ray, magnetic penetration coloring, ultrasonic waves, fluorescence and other physical detection.

The micro -examination of the crack refers to checking the cracking morphological characteristics. It is determined that the distribution of the crack is wearing crystal or a crystal. There is a slight crack and branch near the main crack.

Whether there are carbides or non -metallic mixed with the cracks, whether the shape, size, and distribution conditions are produced, whether the crack source is produced around the carbide or non -metallic miscellaneous objects, and there is no connection between the crack expansion and the miscellaneous objects.

Whether there is oxidation and decarburization on both sides of the crack, there are oxygen or decarburized tissue;

Whether the surface of the crack is processed or the arsenal is available;

Whether there are overheated tissues, Wei's organizations, band -shaped tissues, and other forms of tissue defects around the splitting path.

Analysis of the Lottery of Cracks

(1) Cracks caused by the shape of the component structure

Due to the needs of the component structure or due to the unreasonable design, or the failure of the design requirements during the processing and manufacturing process, or the collision during transportation, there are often sharp concave corners, convex or gaps in the "structural defects" of "structural defects" in the section size. Crack.

(2) Cracks caused by material defects

The defects of the metal material itself, especially the surface defects, such as mixed, spots, scratches, folding, oxidation, decarcar, and air bubbles, loose, biased, white dots, overheating, over -burning, hair patterns, etc., which not only directly destroys the continuity of the material, reduces the strength and plasticity of the material, but also causes the sharp cutting edge of these defects. A large stress concentration causes the material to crack and expand under a very low average stress, and finally lead to a break.

(3) Cracks caused by the situation

In the case of the quality of the metal material and the shape design of the component, the crack will be formed at the largest stress or the characteristics of random distribution.

How to judge the main crack

(1) T -type method

The scattered fragments are merged together according to the fracture of the phase, and the cracks form a T shape.

(2) Branches

The scattered fragments are merged according to the matching port, and the cracks form a branch shape: in the fracture failure, there is often a split or branch crack after a crack.

(3) Deformation method

The scattered fragments are merged according to the matching port to form the geometric shape of the original component, and the changes in the geometric shape are measured. The larger part with a large deformation is the main crack, and the other parts are secondary cracks.

(4) Oxidation method

In the faulty failure affected by environmental factors, the oxidation level of each part of the fracture is tested. Among them, the most severe oxidation level is the fracture formed by the first fracture, because the severe oxidation indicates that the break has been broken for a long time.

Metal crack direction analysis

(1) The principle of stress

When metal crispy breaks, fatigue breaks, and stress corrosion breaks, the expansion direction of the cracks is generally vertically in the direction of the main stress. When the tough metal is affected by the torsion load or metal, the extension of its cracks is generally parallel in the direction of the stress, such as the tough material cutting outlet.

(2) The principle of strength

The principle of strength means that the crack always tends to be along the minimum resistance route, that is, the weak links or defects of the material are expanded.

Under normal circumstances, when the material is relatively uniform, the stress principle plays a dominant role, and the cracks are expanded according to the principle of stress. When the material is obviously uneven, the strength principle will play a dominant role, and the crack will be expanded according to the strength of the intensity. Comparison value.

Stress corrosion cracks, hydrogen crisp cracks, ignition brittleness, grinding cracks, welding thermal cracks, hot and cold fatigue cracks, forging cracks caused by over -burning, casting hot cracks, creep cracks, and hot crispness are weak links, so their cracks are expanded along the crystal world; In the case of cracks, welded cracks and other tough fractures, the strength of the crystal world is generally greater than that in the crystal. Therefore, their cracks are wearing crystal types. At this time, when the cracks encounter the uneven areas of Yakyan, crystal, hard points, or other tissues and performance, they often change the expansion direction. The method of granules to improve the fatigue life of metal materials.

痕迹分析

When the component fails, due to the separate or synergistic effects of environmental factors such as mechanics, chemistry, thermalism, and electrical science, a certain mark is left on the surface or surface layer of the component, which is called a trace.

Trace classification

(1) Mechanical Conduct Traces

Traces of contact between components include separate or combined effects such as crushing, impact, sliding, rolling, micro -motion, etc. This trace is called mechanical contact trace, which is characterized by plastic deformation or material transfer, break, etc., concentrated in contact parts, and plastic deformation is extremely uneven.

(2) Corrosion marks

Due to the chemical or electrochemical effects of the component material and the surrounding environmental medium, the marking of corrosion products and component materials on the surface of the component surface is called corrosion traces.

(3) Electric erosion traces

Due to the effect of electrical energy, traces left in the part of the component of the electricity or discharge are called electrical erosion marks.

(4) Rebellion of heat damage

Traces left due to the changes in local uneven temperatures under the action of the contact site under the action of thermal energy.

(5) Processing traces

It is mainly for non -normal processing marks to failure analysis, that is, various processing defects left on the surface of the component, such as knife marks, scratches, burns, deformation constraints, etc.

(6) Pollution marks

The traces left by various foreign pollutants are attached to the surface of the component.

Motor analysis of the main content

Metal material failure major accident case case database design

Lise case classification

The sources of databases are widely sources. Generally, the types of equipment are the main types of equipment, the types of materials and the form of failure are supplemented.

The failure of metal materials caused a major security accident case library classification table

(According to the form of failure)

The failure of metal materials caused a major security accident case library classification table

(According to the type of equipment)

The failure of metal materials caused a major security accident case library classification table

(According to the type of material)

Database case structure and content

The content of the case in the database is basically based on the technical process of the accident analysis. The focus is on the test process, results, and conclusions.

Metal material failure major security accident case resource information information containment content standard