金屬材料的失效分析

失效分析的定義

對裝備及其構件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的特征及規(guī)律進行分析研究，從中找出產生失效的主要原因及防止失效的措施，稱為失效分析。

失效分類
材料在各種工程應用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等，其中斷裂失效的危害性最大。

1彈性變形失效

當應力或溫度引起材料可恢復的彈性變形大到足以影響裝備正常發(fā)揮預定的功能時，就出現(xiàn)彈性變形失效。

2塑性變形失效

當受載荷的材料產生不可恢復的塑性變形大到足以影響裝備正常發(fā)揮預定的功能時，就出現(xiàn)塑性變形失效。

3韌性斷裂失效

材料在斷裂之前產生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。

4脆性斷裂失效

材料在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。

5疲勞斷裂失效
材料在交變載荷作用下，經過一定的周期后所發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。

6腐蝕失效

腐蝕是材料表面與服役環(huán)境發(fā)生物理或化學的反應，使材料發(fā)生損壞或變質的現(xiàn)象，材料發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，有均勻遍及材料表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現(xiàn)的局部腐蝕，局部腐蝕又分為點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

7磨損失效

當材料表現(xiàn)相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運動時，由于物理和化學的作用，材料表面的形狀、尺寸或質量發(fā)生變化的過程，稱為磨損。由磨損而導致構件功能喪失，稱為磨損失效。磨損有多種形式，其中常見粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微動磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。

失效原因分析

設計不合理

其中結構或形狀不合理，材料存在缺口、小圓弧轉角、不同形狀過渡區(qū)等高應力區(qū)，未能恰當設計引起的失效比較常見?？傊O計中的過載荷、應力集中、結構選擇不當、安全系數(shù)過小(追求輕巧和高速度)及配合不合適等都會導致構件及裝備失效。構件及裝備的設計要有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性，結構設計要合理。

分析設計原因引起的失效尤其要注意：對復雜構件未作可靠的應力計算；或對構件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小未作考慮；甚至于對工作載荷確定和應力分析準確的構件來說，如果只考慮拉伸強度和屈服強度數(shù)據(jù)的靜載荷能力，而忽視了脆性斷裂、低循環(huán)疲勞、應力腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效，都會在設計上造成嚴重的錯誤。

選材不當及材料缺陷

金屬裝備及構件的材料選擇要遵循使用性原則、加工工藝性能原則及經濟性原則，首先要考慮遵循使用性原則。使在特定環(huán)境中的構件，對可預見的失效形式要為其選擇足夠的抵抗失效的能力。如對韌性材料可能產生的屈服變形或斷裂，應該選擇足夠的拉伸強度和屈服強度；但對可能產生的脆性斷裂、疲勞及應力腐蝕開裂的環(huán)境條件，高強度的材料往往適得其反。在符合使用性能的原則下選取的結構材料，對構件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構件使用性能、加工工藝性能要求的前題下，經濟性也是必須考慮。

制造工藝不合理

金屬裝備及其構件往往要經過機加工（車、銑、刨、磨、鉆等）、熱冷變形（沖、壓、卷、彎等）、焊接、裝配等制造工藝過程。若工藝規(guī)范制訂不合理，則金屬設備或構件在這些加工成形過程中，往往會留下各種各樣的缺陷。如機加工常出現(xiàn)的圓角過小、倒角尖銳、裂紋、劃痕；冷熱成形的表面凹凸不平、不直度、不圓度和裂紋；在焊接時可能產生的焊縫表面缺陷(咬邊、焊縫凹陷、焊縫過高)、焊接裂紋、焊縫內部缺陷(未焊透、氣孔、夾渣)，焊接的熱影響區(qū)更因在焊接過程經受的溫度不同，使其發(fā)生組織轉變不同，有可能產生組織脆化和裂紋等缺陷；組裝的錯位、不同心度、不對中及強行組裝留下較大的內應力等。所有這些缺陷如超過限度則會導致構件以及裝備早期失效。

使用操作不當和維修不當

使用操作不當時金屬裝備失效的重要原因之一，如違章操作，超載、超溫、超速；缺乏經驗、判斷錯誤；無知和訓練不夠；主觀臆測、責任心不強、粗心大意等都是不安全的行為。某時期統(tǒng)計260 次壓力容器和鍋爐事故中，操作事故194 次，占74.5% 。裝備是要進行定期維修和保養(yǎng)的，如對裝備的檢查、檢修和更換不及時或沒有采取適當?shù)男蘩?、防護措施，也會引起裝備早期失效。

引起失效的常見缺陷

鑄態(tài)金屬常見的組織缺陷有縮孔、疏松、偏析、內裂紋、氣泡和白點等。

縮孔

金屬在冷凝過程中由于體積的收縮而在鑄錠或鑄件心部形成管狀（或喇叭狀）或分散的孔洞，稱為縮孔?？s孔的相對體積與與液態(tài)金屬的溫度、冷卻條件以及鑄件的大小等有關。液態(tài)金屬的溫度越高，則液體與固體之間的體積差越大，而縮孔的體積也越大。向薄壁鑄型中澆注金屬時，型壁越薄、則受熱越快，液態(tài)金屬越不易冷卻，在剛澆完鑄型時，液態(tài)金屬的體積也越大，金屬冷凝后的縮孔也就越大。

疏松

在急速冷卻的條件下澆注金屬，可避免在鑄錠上部形成集中縮孔，但此時液體金屬與固態(tài)金屬之間的體積差仍保持一定的數(shù)值，雖然在表面上似乎已經消除了大的縮孔，可是有許多細小縮孔即疏松，分布在金屬的整個體積中。

鋼材在鍛造和軋制過程中，疏松情況可得到很大程度的改善，但若由于原鋼錠的疏松較為嚴重、壓縮比不足等原因，則在熱加工后較嚴重的疏松仍會存在。此外，當原鋼錠中存在著較多的氣泡，而在熱軋過程中焊合不良，或沸騰鋼中的氣泡分布不良，以致影響焊合，亦可能形成疏松。

疏松的存在具有較大的危害性，主要有以下幾種：

（1）在鑄件中，由于疏松的存在，顯著降低其力學性能，可能使其在使用過程中成為疲勞源而發(fā)生斷裂。在用作液體容器或管道的鑄件中，有時會存在基本上相互連接的疏松，以致不能通過水壓試驗，或在使用過程中發(fā)生滲漏現(xiàn)象；

（2）鋼材中如存在疏松，亦會降低其力學性能，但因在熱加工過程中一般能減少或消除疏松，故疏松對鋼材性能的影響比鑄件的??；

（3）金屬中存在較嚴重的疏松，對機械加工后的表面粗糙度有一定的影響。

偏析

金屬在冷凝過程中，由于某些因素的影響而形成的化學成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析。偏析分為晶內偏析、晶間偏析、區(qū)域偏析、比重偏析。

由于擴散不足，在凝固后的金屬中，便存在晶體范圍內的成分不均勻現(xiàn)象，即晶內偏析。基于同一原因，在固溶體金屬中，后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會不同，即晶間偏析。碳化物偏析是一種晶間偏析。

在澆注鑄鍵(或鑄件)時，由于通過鑄型壁強烈的定向散熱，在進行著凝固的合金內便形成一個較大的溫差。結果就必然導致外層區(qū)域富集高熔點組元，而心部則富集低熔點組元，同時也富集著凝固時析出的非金屬雜質和氣體等。這種偏析稱為區(qū)域偏析。

在金屬冷凝過程中，如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時，這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮，所形成的化學成分不均勻現(xiàn)象，稱為比重偏析。晶體與余下的溶液之間的密度差越大，比重偏析越大。這種密度差取決于金屬組元的密度差，以及晶體與溶液之間的成分差。如果冷卻越緩慢，隨著溫度降低初生晶體數(shù)量的增加越緩慢，則晶體在溶液中能自由浮沉的溫度范圍越大，因而比重偏析也越強烈。

氣泡

金屬在熔融狀態(tài)時能溶解大量的氣體，在冷凝過程中因溶解度隨溫度的降低而急劇減小，致使氣體從液態(tài)金屬中釋放出來。若此時金屬已完全凝固，則剩下的氣體不易逸出，有一部分就包容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中，于是形成氣孔，則稱其為氣泡。

氣泡的有害影響表現(xiàn)如下：

（1）氣泡減少金屬鑄件的有效截面，由于其缺口效應，大大降低了材料的強度；

（2）當鑄錠表面存在著氣泡時，在熱鍛加熱時可能被氧化，在隨后的鍛壓過程中不能焊合而形成細紋或裂縫；

（3）在沸騰鋼及某些合金中，由于氣泡的存在還可能產生偏析導致裂縫。

白點

在經侵蝕后的橫向截面上，呈現(xiàn)較多短小的不連續(xù)的發(fā)絲狀裂縫；而在縱向斷面上會發(fā)現(xiàn)表面光滑、銀白色的圓形或橢圓形的斑點，這種缺陷稱為白點。

白點最容易產生在鎳、鉻、錳作為合金元素的合金結構鋼及低合金工具鋼中。

奧氏體鋼及萊氏體鋼中，從未發(fā)現(xiàn)過白點；鑄鋼中也可能發(fā)現(xiàn)白點，但極為罕見；焊接工件的熔焊金屬中偶爾也會產生白點。白點的產生與鋼材的尺寸也有一定的關系，橫截面的直徑或厚度小于30mm的鋼材不易產生白點。

通常具有白點的鋼材縱向抗拉強度與彈性極限降低并不多，但伸長率則顯著降低，尤其是斷面收縮率與沖擊韌性降低得更多，有時可能接近于零。且這種鋼材的橫向力學性能比縱向力學性能降低得多。因此具有白點的鋼材一般不能使用。

引起失效的常見缺陷

金屬鍛造及軋制件缺陷：

粗大的魏氏體組織

在熱軋或停鍛溫度較高時，由于奧氏體晶粒粗大，，在隨后冷卻時的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒內部生長，或平行排列，或成一定角度。這種形貌稱為魏氏體組織。先析出物與鋼的成分有關，亞共析鋼為鐵素體，過共析鋼為滲碳體。魏氏體組織因其組織粗大而使材料脆性增加，強度下降。比較重要的工件不允許魏氏體組織存在。

網(wǎng)狀碳化物及帶狀組織

對于工具鋼，鍛造和軋制的目的不但是使毛坯成型，更重要的是使其內部的碳化物碎化和分布均勻。

鋼材表層脫碳

鋼加熱時，金屬表層的碳原子燒損，使金屬表層碳成分低于內層，這種現(xiàn)場稱為脫碳，降低碳量后的表面層叫做脫碳層。脫碳層的硬度、強度較低，受力時易開裂而成為裂源。大多數(shù)零件，特別是要求強度高、受彎曲力作用的零件，要避免脫碳層。因此鍛、軋的鋼件隨后應安排去除脫碳層的切削加工。

折疊

折疊通常是由于材料表面在前一道鍛、軋中所產生的尖角或耳子，在隨后的鍛、軋時壓入金屬本身而形成。鋼材表面的折疊，可采用機械加工的方法進行去除。

劃痕

在生產、運輸?shù)冗^程中，鋼材表面受到機械刮傷形成的溝痕，稱為劃痕，也叫刮傷或擦傷。劃痕缺陷的存在，能降低金屬的強度；對薄鋼板，除降低強度外，還會像切口一樣地造成應力集中而導致斷裂；尤其在壓制時，它會成為裂紋或裂紋擴展的中心。對于壓力容器來說，表面是不允許有嚴重的劃痕存在的，否則會成為使用過程中發(fā)生事故的起點。

斑疤

金屬錠及型材的表面由于處理不當，往往會造成粗糙不平的凹坑。這些凹坑是不深的， 一般只有2~3mm。因其形狀不規(guī)則，且大小不一，故稱這種粗糙不平的凹坑為結疤，也稱為斑疤。

若結疤存在于板材上，尤其是主薄板上，則不僅能成為板材腐蝕的中心，在沖制時還會因此產生裂紋。此外，在制造彈簧等零件用的鋼材上，是不允許存在結疤缺陷的。因為結疤容易造成應力集中，導致疲勞裂紋的產生，大大地影響彈簧的壽命和安全性。

表面裂紋

鋼材表面出現(xiàn)的網(wǎng)狀龜裂或缺口，是由于鋼中硫高錳低引起熱脆，或因銅含量過高、鋼中非金屬夾雜物過多所致。

分層

由于非金屬夾雜、未焊合的內裂紋、殘余縮孔、氣孔等原因，使剪切后的鋼材斷面呈黑線或黑帶，將鋼材分離成兩層或多層的現(xiàn)象，稱為分層。

引起失效的常見缺陷

夾雜物及其對鋼性能的影響：

夾雜物的分類

鋼在加工變形中，各類夾雜物變形性不同，按其變形能力分為三類：


脆性夾雜物

一般指那些不具有塑性變形能力的簡單氧化物（Al2O3、Cr2O3、ZrO等）、雙氧化物（如FeO·Al2O3、MgO·Al2O3、CaO·6Al2O3）、碳化（TiC）、氮化物(TiN、Ti(CN)AlN、VN等)和不變形的球狀或點狀夾雜物（如球狀鋁酸鈣和含SiO2較高的硅酸鹽等）。

鋼中鋁硅鈣夾雜物具有較高的熔點和硬度，當壓力加工變形量增大時，鋁硅鈣被壓碎并沿著加工方向而呈串鏈狀分布，嚴重破壞了鋼基體均勻的連續(xù)性。

塑性夾雜物

這類夾雜物在鋼經受加工變形時具有良好的塑性，沿著鋼的流變方向延伸成條帶狀，屬于這類的夾雜物含SiO2量較低的鐵錳硅酸鹽、硫化錳（MnS）、（Fe, Mn）S等。夾雜物與鋼基體之間的交界面處結合很好，產生裂紋的傾向性較小。

半塑性變形的夾雜物

一般指各種復合的鋁硅酸鹽夾雜物，復合夾雜物中的基體，在熱加工變形過程中產生塑性變形，但分布在基體中的夾雜物（如CaO·Al2O3、尖晶石型的雙氧化物等）不變形，基體夾雜物隨著鋼基體的變形而延伸，而脆性夾雜物不變形，仍保持原來的幾何形狀，因此將阻礙鄰近的塑性夾雜物自由延伸，而遠離脆性夾雜物的部分沿著鋼基體的變形方向自由延伸。

夾雜物對鋼性能的影響

大量試驗事實說明夾雜物對鋼的強度影響較小，對鋼的韌性危害較大，其危害程度又隨鋼的強度的增高而增加。

夾雜物變形性對鋼性能的影響

鋼中非金屬夾雜物的變形行為與鋼基休之間的關系，可用夾雜物與鋼基體之間的相對變形量來表示，即夾雜物的變形率v ，夾雜物的變形率可在v=0~1這個范圍受化，若變形率低，鋼經加工變形后.由于鋼產生塑性變形，而夾雜物基本不變形，便在夾雜物和鋼基體的交界處產生應力集中，導致在鋼與夾雜物的交界處產生微裂紋，這些微裂紋便成為零件在使用過程中引起疲勞破壞的隱患。

夾雜物引起應力集中

夾雜物的熱膨脹系數(shù)越小，形成的拉應力越大，對鋼的危害越大。在高溫下加工變形時，夾雜物與鋼基體熱收縮的差別，使裂紋在交界面處產生。它很可能成為留住基體中潛在的疲勞破壞源。危害性最大的夾雜物是來源于爐渣和耐火材料的外來氧化物。

夾雜物與鋼的韌性

超高強度鋼和碳鋼中MnS夾雜物的含量對強度無明顯影響，但可使韌性降低。其中斷裂韌性隨硫含量增加而降低，具有明顯的規(guī)律性。

從夾雜物類型比較，硫化物對韌性的影響大于氮化物，在氮化物中ZrN 對韌性的危害較小，夾雜物類型不同而含量相近的情況下，變形成長條狀的MnS對斷裂韌性影響大于不變形的硫化物(Ti-S，Zr-S) 。

串狀或球狀硫化物對ψ和AkV均不利，就對短橫試樣的危害而言，串狀比球狀危害更嚴重。

引起失效的常見缺陷

金屬焊接缺陷

焊接缺陷的種類很多，按其在焊縫中所處的位置可分為外部缺陷和內部缺陷兩大類。外部缺陷也叫外觀缺陷。外部缺陷位于焊縫表面，借用肉眼或低倍放大鏡就能觀察到。內部缺陷位于焊縫的內部，必須應用破壞性檢驗或專門無損檢驗方法才能發(fā)現(xiàn)。