金屬材料的失效分析

失效分析定義

對(duì)裝備及其構(gòu)件在使用過(guò)程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的特征及規(guī)律進(jìn)行分析研究,從中找出產(chǎn)生失效的主要原因及防止失效的措施，稱為失效分析。金屬材料的失效形式及失效原因密切相關(guān)，失效形式是材料失效過(guò)程的表觀特征,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行觀察。而失效原因是導(dǎo)致構(gòu)件失效的物理化學(xué)機(jī)制，需要通過(guò)失效過(guò)程調(diào)研研究及對(duì)失效件的宏觀、微觀分析來(lái)診斷和論證。

失效分類

彈性變形失效:當(dāng)應(yīng)力或溫度弓|起材料可恢復(fù)的彈性變形大到足以影響裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)彈性變形失效。塑性變形失效:當(dāng)受載荷的材料產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形大到足以影響裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)塑性變形失效。

韌性斷裂失效:材料在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。

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

疲勞斷裂失效:材料在交變載荷作用下，經(jīng)過(guò)一定的周期后所發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。

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(xué)的反應(yīng),使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)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(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、腐蝕疲勞等。

磨損失效:當(dāng)材料表現(xiàn)相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于物理和化學(xué)的作用，材料表面的形狀、尺寸或質(zhì)量發(fā)生變化的過(guò)程，稱為磨損。由磨損而導(dǎo)致構(gòu)件功能喪失，稱為磨損失效。磨損有多種形式，其中常見(jiàn)粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微動(dòng)磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。

失效原因分析

設(shè)計(jì)不合理

其中結(jié)構(gòu)或形狀不合理，，材料存在缺口、小圓弧轉(zhuǎn)角、不同形狀過(guò)渡區(qū)等高應(yīng)力區(qū),未能恰當(dāng)設(shè)計(jì)引起的失效比較常見(jiàn)。總之,設(shè)計(jì)中的過(guò)載荷、應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)安全系數(shù)過(guò)小追求輕巧和高速度)及配合不合適等都會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件及裝備失效。構(gòu)件及裝備的設(shè)計(jì)要有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理。

分析設(shè)計(jì)原因引起的失效尤其要注意:對(duì)復(fù)雜構(gòu)件未作可靠的應(yīng)力計(jì)算;或?qū)?gòu)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(duì)工作載荷確定和應(yīng)分析準(zhǔn)確的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，如果只考慮拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞等機(jī)理可能弓|起的失效，都會(huì)在設(shè)計(jì)上造成嚴(yán)重的錯(cuò)誤。

選材不當(dāng)及材料缺陷

金屬裝備及構(gòu)件的材料選擇要遵循使用性原則、加工工藝性能原則及經(jīng)濟(jì)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(gòu)件，對(duì)可預(yù)見(jiàn)的失效形式要為其選擇足夠的抵抗失效的能力。如對(duì)韌性材料可能產(chǎn)生的屈服變形或斷裂，應(yīng)該選擇足夠的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度;但對(duì)可能產(chǎn)生的脆性斷裂、疲勞及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的環(huán)境條件,高強(qiáng)度的材料往往適得反。在符合使用性能的原則下選取的結(jié)構(gòu)材料,對(duì)構(gòu)件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構(gòu)件使用性能、加工工藝性能要求的前題下，經(jīng)濟(jì)性也是必須考慮。

制造工藝不合理

金屬裝備及其構(gòu)件往往要經(jīng)過(guò)機(jī)加工(車(chē)、銑、刨、磨、鉆等)、熱冷變形(沖、壓、卷、等)、焊接、裝配等制造工藝過(guò)程。若工藝規(guī)范制訂不合理，則金屬設(shè)備或構(gòu)件在這些加工成形過(guò)程中，往往會(huì)留下各種各樣的缺陷。如機(jī)加工常出現(xiàn)的圓角過(guò)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(shí)可能產(chǎn)生的焊縫表面缺陷(咬邊、焊縫凹陷、焊縫過(guò)高)、焊接裂紋、焊縫內(nèi)部缺陷(未焊透、氣孔、夾渣), 焊接的熱影響區(qū)更因在焊接過(guò)程經(jīng)受的溫度不同，使其發(fā)生組織轉(zhuǎn)變不同，有可能產(chǎn)生組織脆化和裂紋等缺陷;組裝的錯(cuò)位、不同心度、不對(duì)中及強(qiáng)行組裝留下較大的內(nèi)應(yīng)力等。所有這些缺陷如超過(guò)限度則會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件以及裝備早期失效。

使用操作不當(dāng)和維修不當(dāng)

使用操作不當(dāng)時(shí)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(jīng)驗(yàn)、判斷錯(cuò)誤;無(wú)知和訓(xùn)練不夠;主觀臆測(cè)、責(zé)任心不強(qiáng)、粗心大意等都是不安全的行為。某時(shí)期統(tǒng)計(jì)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(jìn)行定期維修和保養(yǎng)的,如對(duì)裝備的檢查、檢修和更換不及時(shí)或沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)男蘩?、防護(hù)措施，也會(huì)弓|起裝備早期失效。

引起失效的常見(jiàn)缺陷

鑄態(tài)金屬組織缺陷

鑄態(tài)金屬常見(jiàn)的組織缺陷有縮孔、疏松、偏忻、內(nèi)裂紋、氣泡和白點(diǎn)等。

縮孔

金屬在冷凝過(guò)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(duì)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(guān)。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(shí)，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(shí)，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(shí)液體金屬與固態(tài)金屬之間的體積差仍保持-定的數(shù)值， 雖然在表面上似乎已經(jīng)消除了大的縮孔，可是有許多細(xì)小縮孔即疏松，分布在金屬的整個(gè)體積中。鋼材在鍛造和軋制過(guò)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(yán)重、壓縮比不足等原因,則在熱加工后較嚴(yán)重的疏松仍會(huì)存在。此外，當(dāng)原鋼錠中存在著較多的氣泡，而在熱軋過(guò)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,顯著降低其期學(xué)性能，可能使其在使用過(guò)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(shí)會(huì)存在基本.上相互連接的疏松，以致不能通過(guò)水壓試驗(yàn)，或在使用過(guò)程中發(fā)生滲漏現(xiàn)象; (2) 鋼材中如存在疏松，亦會(huì)降低期學(xué)性能，但因在熱加工過(guò)程中一般能減少或消除疏松，故疏松對(duì)鋼材性能的影響比鑄件的小; (3) 金屬中存在較嚴(yán)重的疏松，對(duì)機(jī)械加I后的表面粗糙度有一定的影響。

偏析

金屬在冷凝過(guò)程中，由于某些因素的影響而形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析。偏析分為晶內(nèi)偏析、晶間偏析、區(qū)域偏析、比重偏析。由于擴(kuò)散不足，在凝固后的金屬中，便存在晶體范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象,即晶內(nèi)偏析?；谕?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(huì)不同,即晶間偏析。碳化物偏析是-種晶間偏析。

在澆注鑄鍵(或鑄件)時(shí)，于通過(guò)鑄型壁強(qiáng)烈的定向散熱，在進(jìn)行著凝固的合金內(nèi)便形成一個(gè)較大的溫差。結(jié)果就必然導(dǎo)致外層區(qū)域富集高熔點(diǎn)組元，而心部則富集低熔點(diǎn)組元，同時(shí)也富集著凝固時(shí)析出的非金屬雜質(zhì)和氣體等。這種偏析稱為區(qū)域偏析。在金屬冷凝過(guò)程中，如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時(shí)，這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮，所形成的化學(xué)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(qiáng)烈。

氣泡

金屬在熔融狀態(tài)時(shí)能溶解大量的氣體，在冷凝過(guò)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(lái)。若此時(shí)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，于其缺口效應(yīng)，大大降低了材料的強(qiáng)度; (2) 當(dāng)鑄錠表面存在著氣泡時(shí)，在熱鍛加熱:時(shí)可能被氧化，在隨后的鍛壓過(guò)程中不能焊合而形成細(xì)紋或裂縫; (3) 在沸騰鋼及某些合金中,于氣泡的存在還可能產(chǎn)生偏析導(dǎo)致裂縫。

白點(diǎn)

在經(jīng)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(huì)發(fā)現(xiàn)表面光滑、銀白色的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)，這種缺陷稱為白點(diǎn)。白點(diǎn)最容易產(chǎn)生在鎳、鉻、錳作為合金元素的合金結(jié)構(gòu)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(guò)白點(diǎn);鑄鋼中也可能發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，但極為罕見(jiàn);焊接工件的熔焊金屬中偶爾也會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)。白點(diǎn)的產(chǎn)生與鋼材的尺寸也有-定的關(guān)系,橫截面的直徑或厚度小于30mm的鋼材不易產(chǎn)生白點(diǎn)。通常具有白點(diǎn)的鋼材縱向抗拉強(qiáng)度與彈性極限降低并不多，但伸長(zhǎng)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(shí)可能接近于零。且這種鋼材的橫向力學(xué)性能比縱向力學(xué)性能降低得多。因此具有白點(diǎn)的鋼材一般不能使用。