金属材料失效的定义与分析

故障分析定义

称之为故障分析，是对设备及其部件在使用中出现的各类故障的特点和规律进行分析研究，找出故障的主要原因和预防措施。

金属的失效形式与失效原因密切相关，失效形式是材料失效过程的表观特征，可以通过适当的方式观察。失效原因是导致元器件失效的物理化学机理，需要通过对失效过程的调查研究和对失效元器件的宏观和微观分析来进行诊断和论证。

失效分析与其他学科的关系

故障分类

材料在各种工程应用中的失效模式主要有断裂、腐蚀、磨损和变形，其中断裂失效危害最大。

故障形式的分类

弹性变形失效:由应力或温度引起的材料的可恢复弹性变形大到足以影响设备的正常性能时，发生弹性变形失效。

塑性变形失效:当受载材料不可恢复的塑性变形大到足以影响设备的正常功能时，发生塑性变形失效。

韧性断裂失效:材料在断裂前经历显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂失效。

脆性断裂失效:材料在断裂前不发生或很少发生宏观塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。

疲劳破坏:一种材料在交变载荷的作用下，经过一定时间后发生的断裂称为疲劳破坏。

腐蚀失效:腐蚀是指材料表面与服役环境发生物理或化学反应，导致材料损坏或变质。使材料不能发挥其正常功能的腐蚀称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式，包括遍布材料表面的均匀腐蚀和仅在某些地方的局部腐蚀。局部腐蚀可分为点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。

磨损:当材料相互接触或材料表面与流体接触并相对运动时，由于物理和化学作用，材料表面的形状、大小或质量发生变化，称为磨损。由磨损引起的部件功能的丧失称为磨损失效。磨损有多种形式，包括粘着磨损、磨粒磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。

失败原因分析

不合理的设计

其中，结构或形状不合理，材料存在缺口、小圆弧角、形状不一的过渡区等高应力区。设计不当导致的故障很常见。总之，过载、应力集中、结构选择不当、安全系数太小(求轻求快)、设计上配合不当，都会导致部件和设备失效。部件和设备的设计要有足够的强度、刚度和稳定性，结构设计要合理。

分析设计原因引起的失效要特别注意:对复杂构件没有可靠的应力计算；或者没有考虑在役构件所承受的非正常工作荷载的种类和大小；即使对于工作载荷确定和应力分析准确的构件，如果只考虑抗拉强度和屈服强度数据的静力承载能力，而忽略脆性断裂、低周疲劳、应力腐蚀和腐蚀疲劳可能引起的失效，将会在设计中犯下严重的错误。

材料选择不当和材料缺陷

金属及部件的选材应遵循可用性、加工工艺性能和经济性的原则，可用性原则应优先考虑。对于特定环境中的元件，对于可预见的失效形式，需要选择足够的抗失效能力。对于延性材料可能的屈服变形或断裂，应选择足够的抗拉强度和屈服强度；然而，高强度材料对于脆性断裂、疲劳和应力腐蚀开裂的可能环境条件往往是适得其反的。按照使用性能原则选择的结构材料应具有良好的加工性能，以用于部件的成型。在保证零部件使用性能和加工性能要求的前提下，还必须考虑经济性。

不合理的制造工艺

金属及其部件经常要经过加工(车削、铣削、刨削、磨削、钻孔等)等制造过程。)、冷热变形(冲压、压制、滚压、弯曲等。)，焊接和组装。如果工艺规范不合理，金属设备或部件在加工过程中往往会留下各种缺陷。如加工中经常出现的过小圆角、尖倒角、裂纹、划痕等；热成型和冷成型表面不均匀、不直、不圆度和裂纹；焊接过程中可能出现焊缝表面缺陷(咬边、焊缝凹陷、焊缝超高)、焊接裂纹和内部缺陷(未焊透、气孔、夹渣)，焊接热影响区可能因焊接过程中温度不同而发生不同的显微组织变化，从而导致显微组织脆化和裂纹等缺陷；装配错位、同心度不同、不对中和强制装配会留下较大的内应力等。所有这些缺陷如果超过极限，都会导致部件和设备的早期失效。

操作和维护不当

操作不当是金属设备失效的重要原因之一，如违章操作、过载、超温、超速等；经验不足，判断错误；无知和训练不足；主观臆测，缺乏责任心，粗心大意，都是不安全的行为。在一定时期内发生的260起压力容器、锅炉事故中，运行中发生的事故有194起，占74.5%。设备应该定期维修和保养。如果对设备的检查、检修和更换不及时或没有采取适当的维修和保护措施，也会导致设备过早失效。

故障原因分析

导致故障的常见缺陷

铸态金属结构缺陷

铸态金属常见的结构缺陷有缩孔、疏松、偏差、内部裂纹、气泡和白点。

缩孔

在金属凝结过程中，由于体积收缩，在钢锭或铸件中心形成管状(或喇叭状)或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔的相对体积与液态金属的温度、冷却条件和铸件的尺寸有关。液态金属温度越高，液固体积差越大，缩孔体积越大。将金属倒入薄壁模具时，模具壁越薄，加热越快，液态金属越难冷却。模具刚浇注时，液态金属的体积越大，凝固后金属的缩孔越大。

放松

在快速冷却条件下浇注金属，可以避免在铸锭上部形成集中缩孔，但此时液态金属和固态金属的体积差仍保持一定值。虽然大的缩孔在表面上看起来已经消除了，但是还有很多小的缩孔，也就是疏松，分布在金属的整个体积中。

在钢的锻造和轧制过程中，气孔可以得到很大的改善，但如果原钢锭比较疏松，压缩比不足，热加工后仍然会存在比较严重的气孔。另外，当原钢锭中有很多气泡，而热轧过程中焊接不好，或者沸腾钢中气泡分布不好，使焊接受到影响，也可能形成疏松。

疏松的存在有很大的危害，主要表现在以下几个方面:(1)铸件中，疏松的存在显著降低了其力学性能，可能导致其成为疲劳源，在使用过程中发生断裂。在用作液体容器或管道的铸件中，有时基本上存在相互连接的疏松，以至于不能通过水压试验，或者在使用过程中出现渗漏；(2)如果钢中存在气孔，也会降低其力学性能。然而，由于在热加工过程中气孔通常可以减少或消除，所以气孔对钢性能的影响小于铸件。(3)金属中存在严重的气孔，对加工后的表面粗糙度有一定的影响。

分离

在金属凝结过程中，由某些因素引起的化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析包括晶内偏析、晶间偏析、区域偏析和比重偏析。

由于扩散不充分，凝固金属中存在晶内成分不均匀的现象，即晶内偏析。同理，在固溶体金属中，凝固后的晶体成分与凝固前的晶体成分不同，即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析。

铸造钥匙(或铸件)时，由于通过铸型壁的强定向散热，在凝固的合金中形成大的温差。结果，外部区域必然富含高熔点组分，而芯部富含低熔点组分，以及非金属杂质和凝固过程中沉淀的气体。这种隔离被称为区域隔离。

在金属凝结过程中，如果析出晶体的密度与溶液中其余部分的密度不同，这些晶体就容易在溶液中下沉或上浮，造成化学成分不均匀，这种现象称为比重偏析。晶体和其余溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这个密度差取决于金属成分的密度差和晶体与溶液的成分差。如果降温较慢，随着温度的降低，初晶数量增加的速度会更慢，晶体在溶液中可以自由漂浮的温度范围会更大，所以比重偏析会更强。

气泡

在熔化状态下，金属能溶解大量气体。在冷凝过程中，随着温度的降低，溶解度急剧下降，导致气体从液态金属中释放出来。此时，如果金属已经完全凝固，剩余的气体不易逸出，一部分被包含在仍处于塑性状态的金属中，从而形成气孔，称为气泡。

气泡的有害影响有:(1)气泡减小了金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大降低了材料的强度；(2)铸锭表面有气泡时，可能在热锻过程中被氧化，在后续锻造过程中无法焊接形成细纹或裂纹；(3)在沸腾的钢和某些合金中，气泡的存在也可能导致偏析和裂纹。

白点

在腐蚀后的断面上，有许多短而不连续的细裂纹。在纵剖面上，会发现表面光滑、呈银白色的圆形或椭圆形斑点，称为白斑。

以镍、铬、锰为合金元素的合金结构钢和低合金工具钢最容易出现白斑。奥氏体钢和莱氏体钢从未发现过白点。铸钢中也可能发现白点，但极其罕见；偶尔，焊接工件的熔融金属中会产生白点。白点的产生也与钢的大小有关。截面直径或厚度小于30mm的钢材不易产生白点。

通常白点钢的纵向抗拉强度和弹性极限降低不多，但延伸率明显降低，尤其是面积收缩率和冲击韧性降低更多，有时接近于零。并且这种钢的横向力学性能远低于纵向力学性能。所以有白点的钢一般不能用。