金屬材料失（shī）效的定義與分析

故障分（fèn）析定義

稱之（zhī）為故障（zhàng）分析，是對設備及其部件在使用中出現的各類故障的特點和規律進行分析研究，找出故障（zhàng）的主要原因和預防措施（shī）。

金屬的失效形（xíng）式與（yǔ）失效原因（yīn）密切相關，失效形式是材料失效過程的表觀特征，可以（yǐ）通過適當的方式（shì）觀察。失效原因（yīn）是導致（zhì）元器件失效的物理化學機理，需要通過對失效過程的（de）調查研究和對失效元器件（jiàn）的宏觀和微觀分析來進行（háng）診斷和論證。

失效分析與其（qí）他學科的關係

故障分類

材料在各（gè）種工程應（yīng）用中的失效模式主要有（yǒu）斷裂、腐蝕、磨損和變形，其（qí）中（zhōng）斷（duàn）裂失效（xiào）危害最大。

故障形式的分類

彈性變形失效:由應力或溫度（dù）引（yǐn）起的材料的可恢複彈（dàn）性變形大到足以影響設備的正常性能時，發（fā）生彈性變形失效。

塑性變（biàn）形（xíng）失（shī）效:當受載材料不可（kě）恢複的塑性變形大到（dào）足以影響設備的正常功能時，發生塑性變形失效。

韌性斷（duàn）裂失效:材料（liào）在斷裂前經（jīng）曆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:材料在斷裂前不發生或很少發生宏觀塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效（xiào）。

疲勞破壞:一種材料在（zài）交變載荷的作用下，經過一定時間後發生的斷裂稱為疲勞破壞。

腐蝕失效:腐蝕是指材料表麵與服役環境發（fā）生物理或化學反應，導致材料損（sǔn）壞或變質。使（shǐ）材料不能發揮其正常功能的腐蝕（shí）稱為腐（fǔ）蝕失效。腐蝕有多種形式，包括遍布材料表麵的均勻（yún）腐蝕和僅在某些地方的局部腐蝕。局部腐蝕可分為點蝕、晶間（jiān）腐蝕、縫隙腐蝕、應（yīng）力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

磨損:當（dāng）材料相（xiàng）互接觸或材料表麵與流（liú）體接觸並相對運動時，由於物理和化學作用，材料（liào）表麵的形狀、大小或質（zhì）量發生變化（huà），稱為磨損。由磨損引起的部（bù）件功能的（de）喪失稱為磨損失效。磨損有多種形（xíng）式，包括粘著磨損、磨粒磨損（sǔn）、衝擊磨（mó）損、微（wēi）動磨損、腐蝕磨（mó）損、疲勞磨損等。

失敗原因分析

不合（hé）理（lǐ）的設計

其中，結構或形狀不合（hé）理，材（cái）料存在缺口、小圓弧（hú）角、形（xíng）狀不一的過渡區等高應力區。設計不當（dāng）導致的故障（zhàng）很常見。總之，過載、應力集中、結構（gòu）選擇不當、安全係數太小(求輕求快（kuài）)、設計（jì）上配合不當，都會導致部件和（hé）設備失效。部件和設備的設計（jì）要有足夠的（de）強度、剛度和穩定性，結（jié）構（gòu）設計要合理。

分析設計原因引起（qǐ）的失效要特別注（zhù）意:對複雜構件沒有可靠的應力計算（suàn）；或（huò）者沒有考慮在役構件所承受（shòu）的非正常工作荷載的種類和大小；即使對於工作（zuò）載荷確定和應力分析準確的構件，如果隻考慮抗拉強度和屈服強度數（shù）據的靜力承載能（néng）力，而忽略脆性斷裂、低周疲勞、應力腐蝕和（hé）腐蝕疲勞可能（néng）引起的失效，將會在（zài）設計中犯下嚴重的錯誤。

材料選擇不當和材料缺陷

金屬及部件的選材應遵循可用性、加工工藝性（xìng）能和經濟（jì）性的原則，可用性原則應（yīng）優先考慮。對於特定環境中（zhōng）的（de）元件，對於可預（yù）見的失效形式，需要選擇足夠的抗失效能力。對於延性材（cái）料可能的屈服變形或斷裂，應選擇足夠的抗拉強（qiáng）度和屈服強度；然（rán）而（ér），高強度材料對於脆性斷裂、疲勞和應力腐蝕（shí）開裂的可能環境條件往（wǎng）往是適得其反的。按照使用性（xìng）能原則選擇（zé）的結（jié）構材料應具有良好（hǎo）的加（jiā）工性能，以用於部件的（de）成型。在保證零部件使（shǐ）用性能和加工性能要求的前提下（xià），還必須考慮經濟性。

不合理的（de）製造工藝

金屬及其部件經常要經過（guò）加工（gōng）(車削、銑削、刨削、磨削、鑽孔（kǒng）等)等（děng）製造過程。)、冷熱變形(衝壓、壓製、滾壓、彎曲等。)，焊接和組裝（zhuāng）。如果工藝規範不合理，金屬設備或部件在加工過程（chéng）中往往會留下各種缺陷。如加工中經常出現的過（guò）小圓角、尖倒角、裂紋、劃痕等（děng）；熱成型（xíng）和冷成型表麵不均（jun1）勻、不直、不圓度和裂紋；焊接過程中可能出現焊縫（féng）表麵缺陷（xiàn）(咬邊、焊縫凹陷、焊縫超（chāo）高)、焊接裂紋和內部缺（quē）陷(未焊透、氣孔、夾渣)，焊接熱影響區可能（néng）因焊接過程中溫度不同而發生不同的顯（xiǎn）微組織變化，從而導致顯微組織脆化和裂紋等缺陷（xiàn）；裝配（pèi）錯位、同心度不同、不對中和強製裝配會留下較大的內應（yīng）力等。所有這些缺（quē）陷如果超過極限，都會導致部件（jiàn）和設備的早期失效。

操作和維護不當

操作不當是金屬設備失效的（de）重要原因之（zhī）一，如違章操作、過載、超溫、超速等；經驗不足（zú），判斷（duàn）錯誤；無（wú）知和訓練不足；主觀臆測，缺乏責任心，粗心大意，都是（shì）不（bú）安全的行為。在一定時期內發生的260起壓力容器、鍋爐事故中，運行中發生的事故有194起，占74.5%。設備應該定期維修和保養。如果對設備的檢查、檢修和更換（huàn）不及時或沒有采取適當的維修和保護措施，也會導致設備過早失效。

故障原因分析（xī）

導致故障的常見缺陷

鑄態金屬結（jié）構缺（quē）陷

鑄態金屬常見的結構缺陷（xiàn）有縮孔、疏鬆、偏差、內部裂紋、氣泡和白點（diǎn）。

縮孔（kǒng）

在金屬凝結過（guò）程中，由於體積收縮，在鋼錠或鑄件中（zhōng）心形成管狀(或喇（lǎ）叭狀)或分散的孔洞，稱為縮孔。縮孔的相對體積（jī）與液態金屬的溫度、冷卻條件（jiàn）和鑄件的尺寸有關。液態金屬溫度越高，液固體積差（chà）越大，縮（suō）孔體積越大。將金屬（shǔ）倒入薄壁模具時，模具壁越薄，加熱越快，液態金屬越難冷卻。模具剛澆注時，液態金屬的體積越大，凝固後（hòu）金屬的縮（suō）孔（kǒng）越大。

放鬆

在快速冷卻（què）條件下澆注（zhù）金屬，可以避免在鑄錠上部形成集中縮孔，但此（cǐ）時液態金屬和固態金屬的（de）體積差（chà）仍保持一定值。雖然大的縮孔（kǒng）在表麵上看起來已經消除（chú）了，但是還有（yǒu）很多小的縮孔，也就是疏鬆，分（fèn）布在金屬的（de）整個體積中。

在鋼的鍛造（zào）和軋製過（guò）程中（zhōng），氣孔可以得到很大的改善（shàn），但如（rú）果原鋼錠比較疏鬆，壓縮比不足，熱加工後仍然會存在比較嚴重的（de）氣孔。另外，當原鋼（gāng）錠中有很多氣泡（pào），而熱軋過程中焊接不好，或者沸騰鋼中氣（qì）泡分布不好，使焊接受到（dào）影響，也可能（néng）形成疏鬆。

疏鬆的存在有很（hěn）大的危害，主要表（biǎo）現在以下幾個方（fāng）麵:(1)鑄件中，疏鬆的存在顯著降低了其力學（xué）性能（néng），可能（néng）導致其成為（wéi）疲勞源，在使用過程中發生斷裂。在用作液體容器或管道的鑄件（jiàn）中（zhōng），有時基本上存在相（xiàng）互連接的疏鬆，以至於不能通過水壓試驗，或（huò）者在使用過程中出現滲漏；(2)如果鋼中存在氣（qì）孔，也會降低其力學性能。然而，由於在熱加工過程中氣孔通常可以減少或消除，所（suǒ）以氣（qì）孔（kǒng）對鋼性能的影響小於鑄件。(3)金屬中存在嚴重（chóng）的氣孔，對加工後的表麵粗糙度有一定的影響。

分離

在金屬凝結過程中（zhōng），由某些因素引（yǐn）起的化學成分（fèn）不（bú）均勻（yún）的現象稱為偏析。偏析包括晶內偏析、晶間偏（piān）析、區域偏析和比重偏析。

由於（yú）擴散（sàn）不充分，凝固金屬中存在晶內成分（fèn）不均勻的現象，即晶內偏析。同理，在固溶（róng）體金屬中（zhōng），凝固後的晶體成分與凝固前（qián）的晶體成（chéng）分不同，即晶間偏析。碳（tàn）化物偏析是一種晶間偏析。

鑄造鑰匙(或鑄件)時，由於通過鑄型壁的強定（dìng）向散（sàn）熱，在凝固的合金中形成（chéng）大的（de）溫差。結果，外部區域必然富含高熔點（diǎn）組分，而芯部（bù）富含低熔點組分，以及非金屬雜質和（hé）凝固過程中沉澱的氣體。這種隔離被稱為（wéi）區域隔（gé）離。

在金（jīn）屬凝結過程中，如果析出晶體的（de）密度與溶液中其餘部分的密度不（bú）同，這些晶體就容易在溶（róng）液中下沉或上（shàng）浮，造成化學成分不均勻（yún），這（zhè）種現象稱為比重偏析。晶（jīng）體和其餘溶液之間的密度差越（yuè）大（dà），比重偏析越大。這個密度差取（qǔ）決於金屬成分的密度差和晶體與（yǔ）溶液的成分差。如果降溫較慢，隨著溫度的降低，初晶數量增加的速度會更慢，晶（jīng）體在溶液中可以自由漂浮的溫度範圍會更（gèng）大，所以比重偏析會更強（qiáng）。

氣泡

在熔化狀態下，金屬能溶（róng）解（jiě）大量（liàng）氣體。在冷凝過程中，隨著溫度的降低，溶解（jiě）度急劇下降（jiàng），導致氣體從液態金屬中釋放出來（lái）。此時，如（rú）果金屬已經（jīng）完全凝固，剩餘（yú）的（de）氣體不易逸出，一部（bù）分被包含在仍處於塑性狀態的金屬中（zhōng），從而形成氣孔，稱為（wéi）氣泡。

氣泡的有害（hài）影響有:(1)氣泡減小了金屬鑄件的有（yǒu）效截麵，由於其缺口效應，大大降低了材料的強度；(2)鑄錠（dìng）表麵有氣泡時，可能（néng）在（zài）熱鍛（duàn）過程中（zhōng）被氧化，在後續鍛造過（guò）程中無（wú）法焊接形成細紋或裂（liè）紋（wén）；(3)在沸騰的鋼和某些合金中，氣泡（pào）的存在也可能導致偏（piān）析（xī）和裂紋。

白點

在腐蝕（shí）後的（de）斷麵上，有許多短而不連續的細裂紋。在縱剖麵上，會發現表（biǎo）麵光滑、呈銀白色的圓形或橢圓形斑點，稱為白斑。

以鎳、鉻、錳為合（hé）金元（yuán）素的合金結構鋼和低合金工具鋼最容易出現白斑。奧氏體（tǐ）鋼（gāng）和萊氏體鋼從未發現過白點。鑄鋼中也可（kě）能發現白點，但極其罕見；偶爾，焊接工件的熔融金屬中會產生白點。白點的產生（shēng）也與鋼的大小有關。截麵直徑或厚度小（xiǎo）於30mm的鋼材不易產生白點。

通（tōng）常白點鋼（gāng）的縱向抗拉強度和彈性極限降低不多，但延伸率明顯降低，尤其是麵積收縮率（lǜ）和衝擊韌性降（jiàng）低更多，有時接近於零。並（bìng）且這種鋼的橫向力學性能遠低於縱向力學性能。所以有白（bái）點（diǎn）的鋼一般不能用。