3金属构件常见失效形式及其判断
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件的失效形式指的是金属在使用中发生的各种不良变化或灾难性的事故，导致金属件无法继续正常工作。
了解金属件的失效形式，可以帮助我们更好地预防和处理这些问题，确保金属件的安全可靠运行。
金属件的失效形式主要可分为三类：一是塑性变形失效，二是疲劳失效，三是腐蚀失效。
塑性变形失效主要是指金属件在受到较大的载荷作用下，发生了塑性变形，导致失效。
塑性变形失效的特点是金属件无法恢复原状，丧失了原有的强度和刚度。
常见的塑性变形失效形式有断裂、弯曲、扭曲等。
这种失效形式多发生在经常受到冲击、挤压、扭转等载荷作用的金属件上，比如车辆底盘、机械结构等。
疲劳失效是金属件在长期受到交变载荷作用下，逐渐发生裂纹并扩展，最终导致断裂。
疲劳失效的特点是在金属表面形成一系列的裂纹，这些裂纹的扩展会削弱金属件的强度和刚度，最终导致断裂。
疲劳失效多发生在机械零件、桥梁、船舶等长期受到振动和冲击载荷作用的金属件上。
腐蚀失效是金属在氧气、水蒸气、酸碱等外界介质作用下，发生了化学反应，导致金属表面腐蚀的失效形式。
腐蚀失效的特点是金属表面出现氧化、锈蚀等现象，严重时会导致金属的断裂。
腐蚀失效多发生在金属结构、化工容器、船舶等长期暴露在潮湿或腐蚀性介质中的金属件上。
除了上述三种主要的失效形式，金属件还可能发生断裂失效、热疲劳失效、蠕变失效等其他不同形式的失效。
断裂失效是指金属件在受到冲击、剧烈振动或高速运动等外力作用下突然断裂。
热疲劳失效是指金属件在高温环境下，由于长时间受热和冷却的循环作用，发生裂纹和破坏。
蠕变失效是指金属件在高温和持续受力的条件下，逐渐产生塑性变形和形变，最终导致失效。
为了预防金属件的失效，我们可以采取一系列的措施。
要对金属件进行定期检查和维护，及时发现和处理潜在问题。
要正确选择金属材料和制造工艺，确保金属件具备足够的强度和耐久性。
要合理设计和布置金属结构，避免局部应力集中和疲劳破坏。
要控制金属件的工作环境，减少腐蚀和热疲劳等因素的影响。
金属材料失效分析（五）：腐蚀失效
金属材料失效分析（五）：腐蚀失效金属材料常见失效形式及其判断金属材料在各种工程应用中的失效模式主要由断裂、腐蚀、磨损和变形等。
腐蚀失效腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应，使材料发生损坏或变质的现象，构件发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。
腐蚀有多种形式，有均匀遍及构件表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀，局部腐蚀又分为点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。
全面腐蚀和局部腐蚀的主要区别各类腐蚀失效在化工事故中所占比例工程中常见的金属腐蚀失效破坏类型的特征及产生的条件电偶腐蚀异种金属相接触，又都处于同一或相连通的电解质溶液中，由于不同金属之间存在实际（腐蚀）电位差而使电位较低（较负）的金属加速腐蚀，称为电偶腐蚀（或接触腐蚀）。
组成电偶腐蚀的两种金属由于电偶效应，使电位较正的金属由于阴极钝化使腐蚀速率减小得到保护，电位较负的金属由于阳极极化使腐蚀速率增加。
电偶腐蚀特征：腐蚀主要发生在两个不同金属或金属与非金属导体接触边线附近，远离边缘区域，腐蚀程度较轻。
缝隙腐蚀金属表面上由于存在异物或结构上的原因而形成缝隙，使缝内溶液中的物质迁移困难所引起的缝隙内金属的腐蚀，称为缝隙腐蚀。
缝隙腐蚀多数情况是宏观电池腐蚀。
缝隙腐蚀的起因是氧浓度差电池的作用，而闭塞电池引起的酸化自催化作用是造成缝隙腐蚀加速腐蚀的根本原因。
工程上，造成缝隙腐蚀的条件很多：铆接、法兰盘连接面、螺栓连接、金属表面沉积物、腐蚀产物等都会形成缝隙。
缝隙腐蚀的特征：•腐蚀发生在缝隙内，缝外金属受到保护；•构成缝隙腐蚀的缝隙宽度在0.025~0.1mm之间；•构成缝隙的材料无特殊性，金属或非金属缝隙都对金属产生缝隙腐蚀；•几乎所有腐蚀介质都会引起金属缝隙腐蚀，以充气含氯化物活性阴离子溶液最容易；•几乎所有金属或合金都会产生缝隙腐蚀，以钝态金属较为严重。
点蚀金属材料在某些环境介质中，大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微，但在个别的点或微小区域内，出现蚀孔或麻点，且随着时间的推移，蚀孔不断向纵深方向发展，形成小孔状腐蚀坑，称为点腐蚀。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件是工程中常见的材料，在工程领域有着广泛的应用。
由于金属件长期在恶劣环境下运行或受到外力作用，会导致金属件发生失效。
金属件的失效形式多种多样，探究金属件的失效形式对于预防失效具有重要的意义。
本文将从金属件的蠕变、疲劳、腐蚀和应力腐蚀等方面对金属件的失效形式进行探究。
一、金属件的蠕变失效1. 蠕变的定义和特点蠕变是指金属在高温和大应力的环境中发生的材料塑性形变，它是金属材料在工作温度下所受到的应力和时间的综合作用所导致的一种常见的失效形式。
2. 蠕变的形成原因金属在高温条件下会发生蠕变，主要是由于金属材料结晶点间的原子扩散，造成金属材料的形变。
高温下金属结构中的晶点容易滑移，使金属材料发生塑性变形，从而引起蠕变。
3. 蠕变的表现形式金属材料在蠕变作用下，表现出形变速度较慢、残余应变大、温度高和应力较低等特点。
蠕变失效常表现为金属件出现变形、裂纹和损坏现象。
疲劳失效是指金属材料在受到交变应力作用下，经历了反复的拉伸和压缩过程，导致金属材料出现裂纹和损伤的一种失效形式。
疲劳失效常常是由于金属材料在交变应力作用下，金属内部微观缺陷起始了裂纹，随着应力的变化，裂纹不断扩展最终导致金属材料的失效。
金属材料在疲劳失效下，往往表现出裂纹的扩展、塑性变形和最后的断裂现象。
这种失败形式常常发生在金属件反复受力的工作环境下。
腐蚀是指金属材料在化学和电化学环境中，受到电化学反应或针对金属钝化层的破坏，导致金属表面局部失去原有的金属性质的一种失效形式。
腐蚀失效的主要形成原因是金属材料受到了化学物质的侵蚀，造成金属表面的腐蚀和腐蚀产物的沉积，导致金属表面的腐蚀加速。
应力腐蚀是指金属材料在受到应力和腐蚀剂的共同作用下发生的一种失效形式，其破坏形式是应力腐蚀裂纹。
金属材料在应力腐蚀作用下，往往表现出局部腐蚀和腐蚀产物的沉积，导致金属表面的腐蚀加速，并最终导致金属材料的裂纹和破坏。
金属构件失效分析
03
金属构件失效案例分析
案例一：疲劳失效
总结词
疲劳失效是金属构件最常见的失效形式之一，由于在循环应力或交变应力的作用下，金属构件逐渐产生疲劳裂纹 并扩展，最终导致断裂。
详细描述
疲劳失效通常发生在承受循环应力或交变应力的金属构件中，如发动机曲轴、齿轮等。疲劳裂纹通常起源于构件 表面或亚表面，裂纹扩展过程中会受到应力集中的影响，如缺口、划痕等。疲劳失效的原因包括材料缺陷、应力 集中、温度变化等。
05
结论
金属构件失效分析的意义
保障工业安全
通过对金属构件失效进行分析，可以及时发现潜在的安全隐患， 避免因构件失效导致的工业事故。
提高产品质量
通过失效分析，可以找出产品设计、制造或使用过程中的问题，为 改进产品提供依据，提高产品质量。
促进科技进步
失效分析涉及多个学科领域，如材料科学、力学、化学等，对促进 相关学科的科技进步具有重要意义。
金属构件失效分析
目 录
• 引言 • 金属构件失效分析方法 • 金属构件失效案例分析 • 金属构件失效预防措施 • 结论
01
引言
主题简介
金属构件失效分析是一门研究金属构 件失效原因、失效模式和失效机理的 学科。
它涉及到材料科学、力学、腐蚀科学 等多个领域，对于保障金属构件的安 全可靠性和延长其使用寿命具有重要 意义。
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严格控制加工过程
确保金属构件在加工过程中不受损伤 ，如防止过度切割、弯曲或冲压，以 减少应力集中和微裂纹的形成。
定期进行维护和检查
制定维护计划
根据金属构件的使用环境和条件，制定合理的维护计划，包括定期清洁、涂层保护和紧 固件检查等。
定期检查与监测
第三章常见失效形式以及特征和诊断3--腐蚀疲劳断裂等
防治措施：
1、加强紧配合，使不出现微振。 2、载摩擦幅之间加绝缘层。
二、磨损失效判断和改善耐磨性的措施
1、失效机理和判据见表3、8 2、改善耐磨性的措施
从结构、加工工艺、改善运动条件着手
c、是防止或降低其他磨损的终极环节
2、咬合磨损（第一类粘者磨损）
对偶件金属表面某些摩擦点处氧化膜遭到 破坏，而形成金属结合点并逐渐被磨损的现 象。如 结合点强度比金属基体高，金属基 体遭到破坏，反之，结合点遭到破坏。
磨损量V与载荷F、滑动距离以及材料硬度 HB有关：
K为粘着概率
防止粘着磨损的措施
1、合理选择配合表面的材料。
2、在金属表面覆以特殊的薄膜，改 变表面的特性。 3、减小表面粗糙度。 4、提高材料的硬度。
3、热磨损（第二类粘着磨损）
定义：滑动摩擦时，当滑动速度大，比压也 很大时，将产生大量摩擦热蚀的润滑油变质， 并使得表层金属加热到熔化温度，在接触点 处发生局部金属粘着，出现金属质点的撕脱 甚至熔化，这种现象称为热磨损。是高速重 载机器发展中的重大阻碍。
e、涂层保护。
腐蚀疲劳失效案裂 [例] 蒸汽涡轮发电机上的保险阀弹簧在潮湿空气中 的腐蚀疲劳断裂 该弹簧由工具钢H21制成。当气压 达到2.45MPa时，保险阀开启，但在压力尚未达到 1.79MPa时，保险阀弹簧却破碎为12片。弹簧工作环 境为水蒸气，其温度在330～400 ℃ 范围变化。对碎 片目视检查发现，每一断口上均有拇指状断裂源，具 有典型的疲劳断口特征。弹簧断口表面特征及同时碎 成12片的事实说明，弹簧所受均匀载荷主要为扭矩， 而且疲劳裂纹在多处造成应力集中，由断口碎片穿过 断裂源垂直于断口平面制成剖面试样。观察发现断口 表面有腐蚀坑，并且有以腐蚀坑为核心的发散状裂纹。 在其中一块试样中，在直径约1.2mm的腐蚀坑边缘产 生了约0.7mm和1.5mm的两条裂纹，裂纹面上的腐蚀 产物为氧化铁。上述分析表明，弹簧断裂属腐蚀疲劳 失效，其原因是潮湿空气条件下的循环应力。
第三章金属构件常见失效形式及其
第三章金属构件常见失效形式及其金属构件在使用过程中常常会发生各种失效，导致工件不能正常工作或失去使用价值。
常见的金属构件失效形式包括疲劳失效、蠕变失效、腐蚀失效、磨损失效和断裂失效等。
下面将对这些失效形式进行详细介绍。
疲劳失效是金属构件在经过多次循环加载下，由于应力集中、存在缺陷或工作环境存在震动等因素造成的失效。
这种失效形式往往是逐渐积累的，表现为构件出现裂纹，并逐渐扩展至断裂。
疲劳失效可以发生在各种工件上，如弯曲构件、轴类构件等。
为了防止疲劳失效，可以通过增加构件的强度、改变工作环境或提高构件的表面光洁度来减少应力集中。
蠕变失效是金属在高温和持续加载下的失效，主要表现为构件的材料发生塑性变形，导致尺寸增大、变形失效或破坏。
蠕变失效常见于高温合金构件、锅炉管道等工作在高温环境下的设备。
为了防止蠕变失效，可以通过提高材料的抗蠕变能力、降低工作温度或减少加载应力等措施来防止。
腐蚀失效是金属在化学环境中和电化学作用的影响下逐渐腐蚀产生的失效。
腐蚀失效可以表现为构件的表面出现腐蚀坑、腐蚀皮膜等，导致金属的强度和刚度降低，最终导致构件失效。
腐蚀失效在大气中、水中、酸碱溶液中等多种环境下都会发生。
为了防止腐蚀失效，可以通过材料的表面处理、涂层保护、选择抗腐蚀材料等措施来减少腐蚀的发生。
磨损失效是金属构件在与其他构件摩擦和磨擦过程中逐渐损耗，最终导致表面的粗糙度增加、尺寸的减小和形状的改变。
磨损失效常见于轴承、齿轮、刀具等工作在高速、高负荷和高温环境下的设备。
为了防止磨损失效，可以通过润滑剂的使用、提高表面硬度、减少工作条件下的振动和冲击等措施来减少磨损。
断裂失效是金属构件在受到应力超限或存在明显缺陷的情况下，由于应力集中、承受能力不足等原因导致的突然破裂。
断裂失效常见于焊接接头、薄壁结构等，造成的后果往往是灾难性的。
为了防止断裂失效，可以通过增加构件的强度、改善焊接质量、增加材料的韧性等措施来提高构件的承载能力。
金属构件失效分析精简版
第一章1、失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。
2、失效形式：(1)变形失效a弹性变形失效b塑性变形失效（2）断裂失效a韧性断裂失效b 脆性断裂失效c疲劳断裂失效（3）腐蚀失效a局部（点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳）b全面（均匀、不均匀）（4）磨损失效3、引起失效的原因：（1）设计不合理：结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区（2）选材不当及材料缺陷（3）制造工艺不合理：工艺规范制定不合理（4）使用操作不当和维修不当4、失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。
5.自行车的失效形式：磨损；家用液化气瓶：变形；锅炉：断第二章1、铸态金属常见的组织缺陷：a缩孔：金属在冷凝过程中由于体积收缩而在铸锭或铸件心部形成管状或分散孔洞称为缩孔。
细小的缩孔称为疏松。
b偏析：金属在冷凝过程中由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象。
c内裂纹d气泡和白点2、金属锻造及轧制件缺陷：（1）内部组织缺陷a粗大的魏氏体组织b网络状碳化物及带状组织c钢材表层脱碳（2）钢材表面缺陷：折叠、划痕、结疤、表面裂纹、分层3、钢中金属夹杂物种类：a脆性夹杂物b塑性夹杂物c半塑性变形的夹杂物4、脆性夹杂物易成为疲劳断裂的裂纹源原因：对于变形率低的脆性夹杂物，在钢加工变形过程中，夹杂物与钢基体相比变形甚小，由于夹杂物与钢基体之间的变形性的显著差异，造成在夹杂物与钢基体的交界处产生应力集中，导致微裂纹产生或夹杂物本身开裂5、a比b的危害大的原因：夹杂物的变形率V可在V≈０～１这个范围变化，若变形率低，钢经加工变形后，由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本上不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。
金属失效分析
金属失效分析同科研究所主要测试项目有：机械性能测试，金相测试及失效失效分析，化学成分测试，镀层测试.尺寸测试，腐蚀测试，无损测试，汽车配件测试，焊缝测试等一系列物理化学测试。
主要的测试标准有：美标，ISO国际标准，国标，欧标，德标及日标等标准容大公司专业从事金属方面的测试，拥有优秀的工程师队伍及精密仪器。
金属材料元素分析系统、红外碳硫分析仪、碳硫联测分析仪、微机高速分析仪、电脑多元素分析仪、三元素分析仪、有色金属分析仪、金相图象分析仪、炉前快速碳硅分析仪等金属物理测试仪器。
可做各国标准的金属牌号判定及元素分析。
一、失效分析1、变形实效常温变形：弹性变形：外力去除后课恢复;塑性变形：外力去除后不可恢复高温变形：蠕变和应力松弛2、应力松弛变形失效在高温和压力作用下，随时间延长，若变形总保持不变，因Creep而逐渐上升的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内应力降低的现象。
松弛和蠕变是一个问题的两个方面。
二、主要分析项目：化学分析、涂料污染、腐蚀分析、断口分析、宏观分析、物理测试、表面污染、金属构件常见的失效形式有变形失效、断裂失效、磨损失效及腐蚀等。
在失效分析中，化学成分分析是必不可少的。
它能为失效分析提供有用的信息。
如由于选材错误所造成的失效，只需要用化学成分分析就能得到结果。
利用X射线和荧光分析、能谱分析、俄歇分析、电子探针、离子探针、激光探针等方法，对金属的表面或内部的成分进行分析和研究。
在进行化学我分分析时，宏观化学成分分析最常用，对于特殊情况，可采用微区化学成分分析。
X射线分析技术是失效分析的有效技术之一。
粉末照相法能识别基体金属腐蚀产物，耐火材料和矿物中的各种相。
用X射线衍射和荧光分析能对化学成分作定性和定量分析，能测定基体和析出的相以及它们间的取向、电化学萃取的第二相粒子、表面沉淀和腐蚀产物的成分和结构。
X射线衍射法还能对材料的晶格参数、晶体缺陷、残余内应力进行测量。
然而，由于它不是像显微镜那样直观可见的观察?也无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合起来，其分析样品的最小区域仅在毫米数量级?不能进行微米及纳米级的微区选择分析。
零件失效分析4-金属构件常见失效形式及其判断
判断方法
通过观察疲劳断口的形貌和特征、分析疲劳裂纹扩展的过程和 规律，以及进行疲劳性能测试等方法来判断疲劳失效的原因。
03
金属构件失效判断方法
外观检查
直接观察
通过目视或放大镜观察金属构件表面是否存在裂纹、变形、腐蚀 等异常现象。
触摸检查
通过触摸感受金属构件的表面粗糙度、温度等变化，判断是否存 在异常。
弯曲试验
通过弯曲金属构件，测定其弯曲强度 、韧性等力学性能指标，判断其是否 满足设计要求。
金相分析
微观组织观察
通过金相显微镜观察金属构件的微观组织结构，分析其晶粒大小、相组成等， 判断其力学性能和耐腐蚀性能。
夹杂物分析
通过金相法或化学分析法测定金属构件中夹杂物的成分、形态和分布，判断其 对金属性能的影响。
详细描述
通过定期检查，可以及时发现金属构件的 损伤和异常情况，采取相应的修复和更换 措施，避免因小问题积累导致的大规模失 效。同时，合理的维护和保养也可以延长 金属构件的使用寿命。
05
案例分析
断裂失效案例
总结词
断裂失效是指金属构件在应力作用下发生的突然断裂现象。
详细描述
断裂失效通常是由于金属材料内部存在缺陷，如裂纹、夹杂物等，在应力集中或交变应 力的作用下，裂纹扩展导致金属构件断裂。断裂失效案例包括桥梁断裂、压力容器爆炸
判断方法
通过观察磨损表面的形貌和特征、分析磨损产物的成分和结构，以及进行摩擦学性能测试等方法来判断 磨损失效的原因。
疲劳失效
总结词
疲劳失效是指金属构件在循环载荷作用下发生的疲劳断裂 现象。
详细描述
疲劳失效通常是由于金属材料内部的应力集中和循环载荷的共 同作用，导致材料内部的微裂纹扩展和断裂的产生。疲劳失效
金属构件失效分析
脆性断裂失效 构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观 可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。 可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。 构件在交变载荷作用下， 疲劳断裂失效 构件在交变载荷作用下，经过一定的周期 后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。 后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。 腐蚀失效 腐蚀是材料表面与服投环境发生物理或化学的 反应，使材料发生损坏或变质的现象， 反应，使材料发生损坏或变质的现象，构件发生的腐蚀使其不 能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式， 能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式，有均匀 均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀， 遍及构件表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀 遍及构件表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀，局 部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、 部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐 蚀疲劳等。 蚀疲劳等。
Hale Waihona Puke • 选材不当及材料缺陷金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、 金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、加工工艺 使用性原则 性能原则及经济性原则，遵循使用性原则是首先要考虑的。 性能原则及经济性原则，遵循使用性原则是首先要考虑的。使 用在特定环境中的构件， 用在特定环境中的构件，对可预见的失效形式要为其选择足够 的抵抗失效的能力。 对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂， 的抵抗失效的能力。如对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂， 应该选择足够的拉伸强度和屈服强度； 应该选择足够的拉伸强度和屈服强度；但对可能产生的脆性断 疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件， 裂、疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件，高强度的材料往往适得 其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料， 其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成 形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、 形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、加工工艺性 能要求的前题下，经济性也是必须考虑的。 能要求的前题下，经济性也是必须考虑的。
金属材料的失效分析及预防措施
金属材料的失效分析及预防措施金属材料广泛应用于各行各业的生产制造中，无论是建筑、汽车、航空、电子等领域，都有它的身影。
然而，在长期使用过程中，金属材料的失效问题也逐渐凸显出来。
本文将从失效分类、失效原因及预防措施等方面进行阐述。
一、失效分类金属材料的失效可分为三种类型，即塑性失效、疲劳失效、腐蚀失效。
塑性失效是指金属材料在受到极限载荷时失去了所需的强度和韧性。
塑性失效的表现形式是材料出现塑性变形和局部断裂，导致材料无法承载更大的荷载。
疲劳失效是由于材料长期受到重复载荷而引起的损坏现象，表现形式是材料出现微小的疲劳裂纹，逐渐扩展至材料疲劳断裂。
疲劳失效是金属材料使用寿命最主要的影响因素。
腐蚀失效是指金属材料在各种腐蚀介质中被破坏的现象，腐蚀失效不仅可以削弱材料的机械性能，还会严重影响材料的外观质量和安全性。
二、失效原因1. 缺陷金属材料中的缺陷主要包括气孔、夹杂、裂纹等，这些缺陷会极大地影响金属材料的机械性能，尤其是抗拉强度和韧性。
缺陷的产生一般由于生产过程中制造不当，产品加工时的人为因素或金属材料的裂纹扩展等情况导致。
2. 微观结构金属材料的微观结构是影响金属材料力学性能和疲劳性能的关键因素。
包括晶粒大小、晶界、孪晶、位错等等。
严重的晶界变异、加工硬化和冷处理等诸多因素都会引起失效。
3. 环境因素金属材料在各种环境介质中失效的机制不同。
一般来说，金属材料在高温、潮湿、腐蚀和氧化介质中失效更为明显。
高温介质下，金属材料的力学性能、结构和化学性质都发生了变化，包括晶体生长、晶粒长大、孪晶形成等。
潮湿介质下，金属材料很容易发生腐蚀失效。
三、预防措施1. 提高金属材料的强度和韧性针对塑性失效和疲劳失效，我们应该采取措施提高材料的强度和韧性。
具体包括选择高质量的原材料、严格掌握生产制造过程，领先的材料设计和成型技术，科学的表面处理和热处理等。
2. 减少金属材料中的缺陷针对金属材料中存在的缺陷，我们可以采取一系列措施，如选择有良好制造工艺和管理制度的优秀供应商，提高产品生产工艺，采用超声波探伤、磁粉探伤等无损检测技术。
3.3-4 金属构件常见失效形式
18
闭塞电池形成后，孔内外物质交换更困难, 只 有Cl－(半径很小)可穿过沉积物进入孔内； 金属氯化物不断增浓, 水解后使溶液的酸度进 一步提高, 有时甚至可使pH值接近于零； 高浓度的酸液急剧地加快孔的溶解速度； 这种孔内所谓闭塞电池的“ 自催化酸化作用” 使蚀孔沿重力方向迅速深化, 可把金属断面蚀穿。
27
碳钢在海水中缝隙腐蚀过程示意图
28 开始，缝内外发 生均匀耗氧腐蚀 缝内阳极反应 Fe→Fe2+＋2e 缝外阴极反应
O2＋2H2O＋4e→4OH－
缝内介质滞留，氧进 入困难, 耗氧腐蚀停止 形成宏观氧浓差电池 内为阳极, 外为阴极 小阳极大阴极, 缝 内金属, 腐蚀加剧 自催化酸化腐蚀 这些沉淀物沉积 于缝口,缝口缩小 缝洞→闭塞电池
8
在构件表面出现个别孔坑或密集斑点的腐蚀称为孔蚀(或点 蚀)。孔蚀是一种以小阳极大阴极腐蚀电池引起的阳极区高度集 中的局部腐蚀形式。 工程金属材料对孔蚀都是敏感的，易钝化的金属在有活性 离子与氧化剂共存的条件下，更易发生孔蚀。
1. 孔蚀的特征
1) 腐蚀的蚀孔小，蚀孔出现在朝上表面，很少出现在朝下 表面，蚀孔具有向深处自动加速的作用； 2) 孔蚀一般出现在构件表面局部区域，或分散或密集； 3) 孔蚀伴有轻或中度全面腐蚀时，腐蚀产物常遮盖住孔 蚀；
4. 孔蚀的影响因素
1) 构件的材料成分、组织、冶金质量、表面状态
① 钝化金属材料孔蚀敏感性较高，如铬镍奥氏体不锈钢；
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→钼、铬、镍、氮等合金元素能提高不锈钢抗点蚀的能力， 硫、碳等元素会降低不锈钢的抗点蚀能力。 ② 有害元素及各种偏析、夹杂物等缺陷容易引发孔蚀； →提高钢的冶金质量有利于提高抗点蚀能力。 ③ 在相当于碳化物析出的温度下热处理，点腐蚀数目增多； → 固溶处理可提高抗点蚀能力。 ④ 粗糙表面要比光滑的表面容易引发孔蚀。
常见失效形式及特征和诊断
失效分析
磨损外表形貌分析 宏观分析：放大镜观察，实物显微镜观察 微观分析：扫描电子显微镜 磨损亚表层分析 强烈的冷加工变形硬化 金属组织的回火、回复再结晶、相变、非晶态层等 观察裂纹的形成部位，裂纹的增殖、扩展情况及磨损碎 片的产生和剥落过程 磨屑分析 一类磨屑：从磨损失效件的服役系统中回收的和残留在
3.腐蚀程度的表示方法 〔1〕均匀腐蚀的腐蚀程度表征。 ①有重量的变化来评定。 ②有腐蚀深度来表示。 〔2〕局部腐蚀的腐蚀程度表征。裂纹扩展速率或材料性能降低程度来表 示。
1.金属的局部腐蚀 〔1〕点腐蚀。 首先介质的活性阴离子吸附在金属氧化膜的某些点上，对膜产生破坏。 有缺陷的区域和没有缺陷的区域形成局部电池，有缺陷的局部成为活化 的阳极，周围区为阴极区，因阳极面积非常小，电流密度很大，在金属 外表形成腐蚀小孔。随后溶解下来的金属离子水解，使小孔内溶液的酸 度增加，小孔被进一步腐蚀加深。
1.环境因素
设法切断氢进入金属内的途径，或设法延迟在这个环节上的反响速度， 使氢不进入或少进入金属中。如采用外表涂层。
2.力学因素
在机件设计和加工过程中应防止各种产生剩余拉应力的因素。采用外 表处理，使外表获得剩余压应力层，对防止氢脆有良好作用。尽可能 选用氢脆临界场强度因子门槛值高的材料。
3.材料因素
失效分析
磨损失效过程 磨损过程大致可分为以下三个阶段： 1.跑合〔磨合〕磨损阶段 2.稳定磨损阶段 3.剧烈磨损阶段
失效分析
1.腐蚀磨损
两物体外表产生摩擦时，工作环境中的 介质(如液体、气体或者润滑剂等)与材料 外表起化学反响或电化学反响，形成腐 蚀产物，产物粘附不牢，在摩擦过程中 剥落下来，新的外表又继续与介质发生 反响。这种腐蚀和磨损的反复过程称为 腐蚀磨损。
金属构件常见失效形式
要方式有表面滑移带形成,第二相、夹杂物或其界面开裂,晶界 或亚晶界开裂及各类冶金缺陷,工艺缺陷等.
图3-29 滑移带中产生的 “挤入”及“挤出”示意
42
★疲劳裂纹的扩展 是一个包括滑移塑性形变与不稳定断裂 交替作用的复杂过程,通常有切向扩展和正向扩展两个阶段.
预防应力松弛失效的措施：
选用松弛稳定性好的材料；
对使用过程中的构件进行 一 次或多次再紧固.
图 3-6 金属的应力松弛曲线
§3.2 断 裂 失 效
12
§3.2 断裂失效
断裂 是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连
的两个或两个以上部分的现象.
断裂的危害：甚大,特别是脆性断裂.
断裂过程：裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及失稳扩展、 断裂.
境
荷
应力 大小
高应力疲劳 低应力疲劳
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四 疲劳断裂
拉伸疲劳 拉压疲劳 弯曲疲劳 扭转疲劳 混合疲劳
1. 疲劳断裂的现象及特征
1) 载荷是交变负荷.
39
1 疲劳断裂特征
40
2) 疲劳断裂是在负荷多次循环后发生的<累进式>.
疲劳曲线
3) 疲劳断裂是劳裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段.
几乎所有的解理断口上均有二次裂纹.
★ 河流条纹 河流流向是裂纹的扩展方向,上游是裂纹源.
33
★ 舌状花样 材料脆性大、温度低,临界
变形困难时, 晶体变形以形变孪 晶方式进行, 易形成解理舌状花 样.
图3-23 解理舌状花样形成示意图
★ 其它花样
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图3-24 青鱼骨状花样 SEM 2000X
河流花样
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断 口 分 析
1.最初断裂件的判断 （1）整机残骸的失效分析 整机残骸的分析通常称为残骸的顺序分析。 即根据残骸上的碰伤、划痕及其破坏特征分析整
机破坏的先后顺序，由大部件到小部件，再到单
个零件，进而对最初断裂件的断口作具体分析。
最初件
3.3
断 口 分 析
1.最初断裂件的判断 （2）多个同类零件损坏的失效分析
断口分
断 口 分 析
2. 断口分析的任务
（4）确定断口的形成过程。
裂纹是从何处产生的，裂纹向何处扩展，扩展的速度如 何等；
（5）确定断裂的微观机制。
解理型/准解理型/微孔型，沿晶型/穿晶型等；
（6）确定断口表面产物的性质。
断口上有无腐蚀产物或其他产物，何种产物，该产物是 否参与了断裂过程等。
断口分
3 金属构件的常见失效形式及判断
3.1 3.2 3.3 3.4 变形失效 断裂失效 腐蚀失效 磨损失效
3 金属构件的常见失效形式及判断
3.1 3.2 3.3 3.4 变形失效 断裂失效 腐蚀失效 磨损失效
3.1 变形失效
• 3.1.1 金属构件的弹性变形失效 • 3.1.2 金属构件的塑性变形失效 • 3.1.3 高温作用下金属构件的变形失效
产品检
断 口 分 析
断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因 而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，
并有助于确定断裂过程和断裂应力（正应力及切应
力）间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断 裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并 可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。
断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础 查找断裂源区是宏观分析的最重要环节
3.1.1 金属构件的弹性变形失效
3.1.2 金属构件的塑性变形失效
3.1.3 高温作用下金属构件的变形 失效
蠕变断裂机理
• 粘弹性材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的粘性 应变（或粘塑性应变）分量随时间不断增长，使回弹应变 分量随时间逐渐降低，从而导致变形恢复力（回弹应力） 随时间逐渐降低的现象。 • 物理本质是结构在力的作用下发生塑性变形，这种变形导 致结构内部应力减小。就叫应力松弛。而实际材料受荷载 作用的时候，如果这个荷载远小于材料的弹性极限，则可 以忽略应力松弛的影响，但如果荷载接近于材料的比例极 限，或者荷载相当大，并且持续时间长，则就需要考虑应 力松弛的影响了，比如预应力混凝土结构中的预应力钢筋， 就会出现应力松弛。
。阳极为石墨或铅，阴极为断口试样，75C、3分钟，阴极
电流密度约20Adm-2。
断口处
断 口 分 析
1 断口的处理
②电解溶液为40%NaOH+60%Na2CO3（加热至
550C），断口样品为阴极，容器为阳极，电流密度
40Adm-2，时间5～10s，随后入冷水激冷。为加速清 洗，最后再转入到50～70C的10%柠檬酸铵水溶液中 浸泡1～2min，并同时用毛刷刷试。
3.2 断裂失效
3.2.0
断 口 分 析
断口分析
断口处理及断口分析的任务 断口的宏观分析 断口的微观分析
断口分
断 口 分 析
断口处理及断口分析的任务
断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电 子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器 设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特 征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。
一组同类零件的几个或全部发生损坏时，要判明事
断口处
断 口 分 析
1 断口的处理
干剥法是利用复型技术将表面产物去掉，因不影响断口形 貌，故较优越。特别是对于硫化气氛或氧化气氛中断裂的断 面分析时，因腐蚀产物通常是致密的FeS及FeO，效果更佳。 复型技术尚可用来长期保存断口。 干剥法通常采用醋酸纤维纸（又称 AC纸，是由7％的醋
酸纤维素丙酮溶液制成的均匀薄膜）复型技术进行清理。
宏观分
断口的宏观分析
目标：
1. 2. 3. 4. 确定首先破坏部件 判断宏观脆性或宏观韧性断裂 确定主裂纹（起始）断裂位置 判断裂纹源和裂纹走向
1.最初断裂件的判断
• （1）整机残骸的失效分析 • （2）多个同类零件损坏的失效分析 （3）同一个零件上相同部位的多处发生破断
2. 主断面（主裂纹）的宏观判断 3. 断裂（裂纹）源区的宏观判断
蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往非常重要。
腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。
断口处
断 口 分 析
1 断口的处理
化学法常用的溶液为： 20％NaOH水溶液加 200克／升锌粉。在此溶液中将断 口煮沸5分钟，清理吹干即可。 电化学法（阴极还原法）用于那些使用上述方法难以 清除的氧化物 。 ①电介质为50％硫酸水溶液加 2克／升缓蚀剂（若丁）
铝合金
宏观断口分析
生产中的产品检验：
利用断口来检查铸铁件的白口情况，用于确定铸 件的浇注工艺； 用断口法检查渗碳件渗层的厚度，以便确定渗碳 件的出炉时间； 用断口法检查高频淬火件的淬硬层厚度，以便确 定合理的感应器设计及淬火工艺； 用断口法确定高速钢的淬火质量； 用断口法检查铸锭及铸件的冶金质量（如有无疏 松、来杂、气孔、折迭、分层、白点及氧化膜等）。
断口处
宏观断口分析
2. 断口分析的任务 （l）确定断裂的宏观性质。
塑性断裂/脆住断裂/疲劳断裂等。
（2）确定断口的宏观形貌。
纤维状断口/结晶状断口；有无放射线花样及有无剪切唇等；
（3）查找裂纹源区的位置及数量。
裂纹源区的所在位置是在表面、次表面还是在内部，裂 纹源区的数目，在存在多个裂纹源区的情况下，它们产生的先 后顺序是怎样的等；
断口分析包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析主 要用于分析断口形貌。微观分析，既包括微观形貌分析又包括 断口产物分析（如产物的化学成分、相结构及其分布等）。
在对断口进行分析以前必须妥善地保护好断口并进行必要的处理。
断口处
断 口 分 析
1 断口的处理
（1）在干燥大气中断裂的新鲜断口 染断口及损伤断口表面； （2）对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。 （3）在潮湿大气中锈蚀的断口。 （4）在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐 防止锈蚀，防止手指污