金屬材料失效的定義與分析

故障分析定義

稱之為故障分析（xī），是對設備及其部件在使用中出現的各類故障的特點（diǎn）和規律進行（háng）分析研（yán）究，找出故障的主要原因和預防措施。

金屬的失效（xiào）形式與失效原因密切相（xiàng）關，失效形式是材料失（shī）效過（guò）程的表觀特征（zhēng），可以通過適當的方式觀察。失效原（yuán）因是導致元器件失效的物理化（huà）學機理，需要通過對失效過程（chéng）的調查研究和對失（shī）效元器件（jiàn）的宏觀和微觀分析來進行診斷和論證。

失效分析（xī）與其他學科的關係

故障分類

材料在各種工程應用中的失效模式主要有斷裂、腐蝕、磨損和變形，其中斷裂失效危害最大。

故障形式的分類

彈（dàn）性變形失效:由應力或溫度引起的材料的可恢複（fù）彈性變形（xíng）大到足以影響設備的正常性能時，發生彈性變形失效（xiào）。

塑性（xìng）變形失效:當受載材料不可恢複的塑性變形大到足以影響設備的正常功能時，發生塑性變形失效。

韌性（xìng）斷裂失效:材料在斷裂前經曆顯著的宏觀塑性（xìng）變形的斷裂稱為韌性斷（duàn）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（de）斷裂稱（chēng）為脆性斷裂失效。

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

腐蝕失效:腐蝕是指材料（liào）表麵（miàn）與服役環境發生（shēng）物理或化學反應，導致材料損壞或變質。使材料不能發揮其正常（cháng）功能的腐蝕稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，包括遍布材料表麵的均勻腐蝕和僅（jǐn）在某些地方的局部腐蝕（shí）。局部（bù）腐蝕可（kě）分為（wéi）點蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

磨損:當材料相互接觸或材（cái）料表麵與流體接（jiē）觸並相對運動（dòng）時，由於物理和化學作用，材料表麵的形狀、大小或質量發生變（biàn）化，稱（chēng）為磨損（sǔn）。由（yóu）磨損引起的部件功能的喪失稱為磨損失效（xiào）。磨（mó）損有多種形式，包括粘著（zhe）磨損、磨粒磨損、衝擊磨（mó）損、微動磨損、腐蝕（shí）磨損（sǔn）、疲（pí）勞磨損等。

失敗原（yuán）因分析

不（bú）合理（lǐ）的（de）設計（jì）

其中，結構或形（xíng）狀不合理，材料存在缺口、小圓（yuán）弧角（jiǎo）、形狀（zhuàng）不（bú）一的過渡區等高應（yīng）力區。設計不當（dāng）導致的故障很常見。總之，過載（zǎi）、應（yīng）力集中、結構選擇不當、安全係數太小（xiǎo）(求輕求快)、設計上配合不當，都會導致部件和設備失效。部件和設備的設計要有足夠的強度（dù）、剛度和穩定性，結構設計要合理。

分析設計原因引（yǐn）起的失效要特別注意:對複雜（zá）構件沒有可靠的應力計算；或者（zhě）沒有考慮在（zài）役構件所承受的（de）非正常工作荷載的種類和大小；即使對於（yú）工作載（zǎi）荷確定和應力（lì）分（fèn）析準（zhǔn）確的構件（jiàn），如果隻考慮抗拉強度和屈服強度數（shù）據的靜力承載能力，而忽略脆性斷裂、低周疲（pí）勞、應力腐蝕和腐蝕疲勞可能（néng）引（yǐn）起的失效，將會在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（kě）用性、加工工藝（yì）性能和經濟性的原則，可（kě）用（yòng）性原（yuán）則應優先考慮。對（duì）於特定環境中的元件，對於可預見的失效形式，需（xū）要選擇足夠的抗失效能力。對於延性材料可能（néng）的屈服（fú）變形或斷裂，應選擇足夠的抗拉強度和屈服強度；然而，高強（qiáng）度材料對於脆（cuì）性（xìng）斷裂、疲勞和應力腐（fǔ）蝕開裂的可能環境條件往往（wǎng）是適得其反的。按照使用性能原則選擇（zé）的結構材料應具有（yǒu）良好的加工性（xìng）能，以用於部件的成型。在保證零部件（jiàn）使用性能和（hé）加工性能（néng）要（yào）求的前提下，還必須考慮經濟性。

不合理的製造工藝

金屬（shǔ）及其部件（jiàn）經常要經過加工(車削、銑削、刨削、磨削、鑽孔等)等製造過程。)、冷（lěng）熱（rè）變形(衝壓、壓製、滾壓、彎曲（qǔ）等。)，焊接和組裝。如果工藝規範（fàn）不合理，金屬（shǔ）設備或部件在加（jiā）工過程中往往會留下各種缺陷。如加工中經常出現（xiàn）的過小圓角、尖倒角、裂紋、劃痕等；熱成型和冷成型表（biǎo）麵不均勻（yún）、不直、不圓度和裂紋；焊接過程中可能出現焊縫（féng）表（biǎo）麵缺陷(咬（yǎo）邊、焊縫凹（āo）陷、焊（hàn）縫超高)、焊接裂紋和內部缺陷(未（wèi）焊透、氣孔、夾渣)，焊接（jiē）熱影響區可能（néng）因焊接（jiē）過程（chéng）中溫度不同而發生不同的顯微組織變化，從而導致顯微組織脆化和裂紋等缺（quē）陷；裝配錯（cuò）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。所有這些缺陷如果超過極限，都會導致部件和設備的早期失效。

操作（zuò）和維護不當（dāng）

操作不當是（shì）金屬設備失效的重要原因之一，如違章（zhāng）操作、過載、超溫、超速等；經（jīng）驗不足，判斷錯誤；無知和訓練（liàn）不足；主觀臆測，缺乏責任心，粗心大意，都是不安全的行為。在一定時（shí）期（qī）內發生的260起壓力容器、鍋爐事故中（zhōng），運行中發生的事故有（yǒu）194起，占74.5%。設（shè）備應（yīng）該定期維修和保養。如果對設備的檢查、檢修和更換不及時或沒有（yǒu）采取適當的維修和保護（hù）措施，也會導（dǎo）致設備過早失效。

故障原因分析

導致故（gù）障的常見缺陷

鑄態金屬結（jié）構缺陷

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

縮孔

在金（jīn）屬凝結過程中，由於體積收縮，在（zài）鋼錠或（huò）鑄件中心形成管狀(或喇叭狀)或分散的孔洞（dòng），稱為縮孔。縮（suō）孔的相對體積與液態金屬的溫度、冷卻條件（jiàn）和（hé）鑄件的尺寸（cùn）有關。液態（tài）金屬（shǔ）溫度越高，液固體（tǐ）積差越大，縮孔體積越大。將金（jīn）屬倒入薄（báo）壁模具（jù）時，模具壁越薄，加（jiā）熱越快，液態（tài）金屬越難冷卻。模具剛澆注時，液（yè）態金屬的體（tǐ）積越大，凝固後金屬的縮孔（kǒng）越大。

放（fàng）鬆

在快速冷卻條件（jiàn）下澆注金屬，可以避免在鑄（zhù）錠上（shàng）部形成集中縮孔，但此時液態金屬和固態金屬的體積差仍保持一定值。雖（suī）然大（dà）的縮孔在表（biǎo）麵上看起（qǐ）來已經消除了，但（dàn）是（shì）還有很多小的（de）縮孔，也就（jiù）是疏鬆，分（fèn）布（bù）在金屬的整個體積中。

在鋼的鍛造（zào）和（hé）軋製（zhì）過程（chéng）中（zhōng），氣孔可以得到很大的改善，但如果（guǒ）原鋼錠比較疏鬆，壓縮比不足，熱加工後仍然（rán）會存在比較嚴重的氣孔。另外，當原鋼錠中有很多氣泡，而熱軋過程中焊接不好，或者沸騰鋼中氣泡分布不好（hǎo），使焊接受到影響，也可能形成疏鬆。

疏鬆的存在有（yǒu）很大的危害，主要表現在以下幾個方麵:(1)鑄件中，疏鬆的存（cún）在顯著降低（dī）了（le）其力學性（xìng）能，可能導致其成為疲勞源，在使用過程中發生（shēng）斷裂。在用作液（yè）體容器或管道的鑄件中，有時基（jī）本上存在相互連接的疏（shū）鬆，以至於不能通（tōng）過水壓試驗，或者在使用過程中出（chū）現滲漏；(2)如果鋼中存在氣孔，也會降低其力學性能。然而（ér），由於在熱加工（gōng）過程中（zhōng）氣孔通常可以減少或消（xiāo）除，所以氣（qì）孔對鋼性能的影（yǐng）響小於（yú）鑄件。(3)金屬中存在嚴重的氣孔，對加工後的表麵粗糙度有一定的影響。

分離（lí）

在金屬（shǔ）凝結過程中，由某些因素引起的（de）化學成分不均勻的現象（xiàng）稱為偏析。偏析包括晶內偏析、晶間偏析、區域偏析和比重偏析。

由於擴散不充分，凝固金屬中存（cún）在晶內成分不均勻的（de）現象，即晶內偏析。同理（lǐ），在固溶體金屬中，凝固（gù）後的晶體成分與凝固前的晶體成分不同，即晶（jīng）間偏析。碳化物（wù）偏析是一種晶間偏（piān）析。

鑄造鑰匙(或鑄件)時，由於通過鑄型壁的（de）強定向散熱，在凝固的合金中（zhōng）形成大的溫（wēn）差。結果，外部（bù）區（qū）域必然富含高熔點組分，而芯部富含低熔（róng）點組分，以及非金屬雜質和凝固過程（chéng）中沉澱的氣體。這種隔離被（bèi）稱為區域隔（gé）離。

在金屬凝結過程中，如果析出（chū）晶體的密度與溶液中其餘部分的密度不同（tóng），這些晶體就容易在溶液中下沉或（huò）上浮，造成化（huà）學成分不均勻，這種現（xiàn）象稱為比重（chóng）偏析。晶體和其（qí）餘溶（róng）液之間（jiān）的密度差越大，比重偏析越大。這（zhè）個密度差取決於金屬成分的密度差和晶體與溶液的成（chéng）分差。如果降溫（wēn）較慢，隨著溫度的降低，初晶數量增（zēng）加的速（sù）度會更慢，晶體在溶液中可以自由（yóu）漂浮的溫度範圍會更大，所以（yǐ）比重偏析會更強。

氣泡

在（zài）熔（róng）化狀態下，金屬能溶解大量氣體。在冷凝過程中，隨著溫度的降低，溶解度急劇下降（jiàng），導致氣體從液態金屬中釋放出來。此時，如果金屬已經完全凝固，剩餘的（de）氣體不易逸（yì）出，一部分被包含（hán）在仍處於塑性狀態的金屬中，從而形成氣孔，稱為氣泡。

氣泡的有害影響有:(1)氣泡減小了金屬（shǔ）鑄件的有效截麵，由於其缺口效應，大大降低（dī）了材料的強度；(2)鑄（zhù）錠表麵有氣泡時，可能在熱鍛過程中被氧化，在後續鍛造（zào）過程中無法（fǎ）焊接形成細紋或裂紋（wén）；(3)在沸騰的鋼和某些合金中，氣泡的存在也可（kě）能導致（zhì）偏析和裂紋。

白點

在腐蝕後（hòu）的斷麵上，有許多短而（ér）不連續的細（xì）裂紋。在縱剖麵（miàn）上，會發現表（biǎo）麵（miàn）光滑、呈銀白色的圓形或橢圓形斑（bān）點，稱為白斑。

以鎳、鉻、錳為合（hé）金元素的合金結構鋼和低合金工（gōng）具鋼最容易出現白斑。奧氏體鋼和萊氏體鋼從未發現過白點。鑄鋼中也可能發現白（bái）點，但（dàn）極其罕見；偶（ǒu）爾，焊接（jiē）工件的熔融金屬中（zhōng）會產生白點。白點的產生也與鋼的大小有關。截麵直徑（jìng）或厚度（dù）小於30mm的鋼材不易產生白點。

通常白點鋼的縱向抗拉強度（dù）和彈性極限降低（dī）不多，但延伸率明顯降低，尤其是麵積收縮率（lǜ）和衝擊韌性降低更多，有時接近於零。並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）點的鋼一般不能用。