應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在彈性狀態(tài)下，固體材料吸收了加載的能量，依靠原子間距的變化而產(chǎn)生變形，但因未超過原子之間的結(jié)合力，當(dāng)卸裁時(shí)，全部能量釋放，變形完全消失，恢復(fù)材料的原樣。要有好的彈性，應(yīng)從提高材料的彈性極限及降低彈性模量入手。

金屬?gòu)椥孕巫兊奶攸c(diǎn)：（1）可逆性，金屬材料的彈性變形具有可逆的性質(zhì)，即加載時(shí)，卸載后恢復(fù)到原狀的性質(zhì)；（2）單值性，金屬材料在彈性變形過程中，不論是加載階段還是卸載階段，只要在緩慢的加載條件下，應(yīng)力與應(yīng)變都保持正比的單值對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，即符合胡克定律；（3）變形量很小，金屬的彈性變形主要發(fā)生在彈性階段，但在塑性階段也伴隨著發(fā)生定量的彈性交形。但兩個(gè)階段彈性變形的總量是很小的，加起來一般小于0.5%-1.0 %。

構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超過構(gòu)件匹配所允許的數(shù)值，稱為過量的彈性變形失效，判斷方法如下：（1）失效的構(gòu)件是否有嚴(yán)格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫的工作條件；（2）注意觀察在正常工作時(shí)，構(gòu)件互相不接觸，而又很靠近的表面上是否有劃傷、擦傷或磨損的痕跡。只要觀察到這種痕跡，而且構(gòu)件停工時(shí)，構(gòu)件相互間仍有間隙，便可作為判斷的依據(jù)；（3）在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了彈性變形的影響及采取了相應(yīng)的措施；（4）通過計(jì)算驗(yàn)證是否有過量彈性變形的可能；（5）由于彈性變形是晶格的變形，可用X射線法測(cè)量金屬在受載時(shí)的晶格常數(shù)的變化驗(yàn)證是否符合要求。

當(dāng)構(gòu)件的彈性變形已不遵循變形可逆性、單值對(duì)應(yīng)性及小變形量的特性時(shí)，則構(gòu)件失去了彈性功能而失效。

過載、超溫或材料變質(zhì)是構(gòu)件產(chǎn)生彈件變形失效的原因，預(yù)防措施如下：（1）選擇合適的材料或構(gòu)件結(jié)構(gòu)；（2）確定適當(dāng)?shù)臉?gòu)件匹配尺寸或變形的約束條件，對(duì)于拉壓變形的桿柱類零件、彎扭變形的軸類零件，其過量的彈性變形都會(huì)因構(gòu)件喪失配合精度導(dǎo)致動(dòng)作失誤，要求精確計(jì)算可能產(chǎn)生的彈性變形及變形約束而達(dá)到適當(dāng)?shù)呐浜铣叽纾唬?）采用減少變形影響的連接件，如皮帶傳動(dòng)、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等。

塑性表示材料中的應(yīng)力超過屈服極限后，能產(chǎn)生顯著的不可逆變形而未立即破壞的形態(tài)，這種顯著且不可逆的變形稱為塑性變形。通常反映材料塑性性能優(yōu)劣的指標(biāo)是伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率φ。伸長(zhǎng)率和斷而收縮率越高，則塑性越好。金屬的塑性變形一般可看作是晶體的缺陷運(yùn)動(dòng)。

金屬塑性變形的特點(diǎn)：（1）不可逆性，金屬材料的塑性變形不可恢復(fù)，當(dāng)材料應(yīng)力等于或高于屈服極限后產(chǎn)生的變形，在卸裁后，其變形仍然保留在材料內(nèi)。塑性變形的微觀機(jī)制表明，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖使晶體實(shí)現(xiàn)一個(gè)晶面在另一個(gè)晶面上的逐步滑移，宏觀表面是卸載后塑性變形保留至可觀察及測(cè)量；（2）變形量不恒定，金屬是多晶體，各個(gè)晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，各晶粒變形有不同時(shí)性及不均勻性。一個(gè)構(gòu)件在各個(gè)部位的塑性變形量不相同，因而個(gè)別塑性變形量大的部位將出現(xiàn)材料的不連續(xù)（斷裂失效的裂源）；（3）慢速變形，金屬的彈性變形以聲速傳播，但塑性變形的傳播很慢；（4）伴隨材料性能的變化，這主要因?yàn)樗苄宰冃螘r(shí)金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖實(shí)現(xiàn)了晶面的滑移，亞晶結(jié)構(gòu)形成；晶粒歪扭，微裂紋等缺陷產(chǎn)生；如在材料加工中，隨塑性交形量增加，即產(chǎn)生了加工硬化，原因是位錯(cuò)密度增加、位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相互作用及運(yùn)動(dòng)阻力增加，其宏觀表現(xiàn)就是應(yīng)變硬化。   

金屬構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形量超過允許的數(shù)值稱為塑性變形失效，其變形失效判斷以影響構(gòu)件執(zhí)行正常功能為依據(jù)。

材料塑性變形失效的主要原因是過載，使構(gòu)件的受力過大，出現(xiàn)影響構(gòu)件使用功能的過量的塑性變形。過載不僅是對(duì)構(gòu)件承受的外載荷估計(jì)不足，還應(yīng)該包括偏載引起局部應(yīng)力、復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算誤差及應(yīng)力集中、加工及熱處理產(chǎn)生殘余應(yīng)力、材料微觀不均勻的附加應(yīng)力等因素，使構(gòu)件受力不均，局部區(qū)域的總應(yīng)力超值。

塑性變形失效預(yù)防措施：（1）合理選材，提高金屬材料抵抗塑性變形的能力，除了選擇合適的屈服強(qiáng)度的材料，還要保證金屬材料質(zhì)量，控制組織狀態(tài)及冶金缺陷；（2）準(zhǔn)確地確定構(gòu)件的工作載荷，正確進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，合理選取安全系數(shù)及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集中水平；（3）嚴(yán)格按照加工工藝規(guī)程對(duì)構(gòu)件成形，減少殘余應(yīng)力；（4）嚴(yán)禁構(gòu)件運(yùn)行超載；（5）監(jiān)測(cè)腐蝕環(huán)境構(gòu)件強(qiáng)度尺寸的減小。

金屬構(gòu)件在高溫長(zhǎng)時(shí)間作用下，即使其應(yīng)力值小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)該變形量超過規(guī)定的要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的塑性變形失效。此時(shí)所稱的高溫為高于0.3Tm（Tm是以絕對(duì)溫度表示的金屬材料的熔點(diǎn)），一般情況下碳鋼構(gòu)件在300℃以上，低合金強(qiáng)度鋼構(gòu)件在400℃以上。

蠕變變形失效

金屬在長(zhǎng)時(shí)間恒溫、恒載荷（即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度）作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂，稱為蠕變斷裂。由蠕變變形和斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速率；提高持久強(qiáng)度，則必須控制晶界的滑動(dòng)和空位擴(kuò)散。

壓力容器的蠕變變形量一般規(guī)定在10⁵h為1%，即蠕變速率為10^-7 mm/(mm·h)。

典型的蠕變曲線

第一階段ab為減速蠕變階段又稱過渡蠕變階段，這一階段開始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間延長(zhǎng)蠕變速率逐漸減小，到b點(diǎn)蠕變速率達(dá)到最小值；

第二階段bc為恒速蠕變階段又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率幾乎保持不變。一般所指的金屬蠕變速率，就是以這一階段的蠕變速率ε表示的。

第三階段cd為加速蠕變階段隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸增大，到d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生蠕變斷裂。

斷口宏觀特征

斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋（斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象）；

高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。

斷口微觀特征

冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌

蠕變變形失效也是一種塑性變形失效，有塑性變形失效的特點(diǎn)，但蠕變失效也不一定是過載，只是載荷大時(shí)，蠕變變形失效的時(shí)間短，恒速蠕變階段蠕變速度大。高溫下不僅有蠕變變形引起的的構(gòu)件外部尺寸的變化，還有金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)特有的變化，導(dǎo)致高溫力學(xué)性能下降、構(gòu)件承載能力降、蠕變速度加快、失效加快。

材料的蠕變性能常采用蠕變極限、持久強(qiáng)度、松弛穩(wěn)定性等力學(xué)性能指標(biāo)。

蠕變極限是金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)，是高溫材料、設(shè)計(jì)高溫下服役機(jī)件的主要依據(jù)之一。蠕變極限（MPa）表示方法有兩種，一種是在規(guī)定溫度下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力；另一種是在規(guī)定溫度和時(shí)間下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定蠕變伸長(zhǎng)率的最大應(yīng)力。

持久強(qiáng)度是指材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能力，即材料在一定溫度和時(shí)間條件下，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力（蠕變極限指材料的變形抗力，持久強(qiáng)度表示材料的斷裂抗力）。某些材料與機(jī)件，蠕變變形很小，只要求在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂（如鍋爐的過熱蒸汽管）。這時(shí)，就要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料、機(jī)件使用的主要依據(jù)。

應(yīng)力松弛變形失效

材料在恒變形條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可以通過應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來評(píng)定。剩余應(yīng)力是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。剩余應(yīng)力越高，松弛溫度性越好。

金屬的蠕變是在應(yīng)力不變的條件下，構(gòu)件不斷產(chǎn)生塑性變形的過程；而金屬的松弛守則是在總變形不變的條件下，構(gòu)件彈性變形不斷轉(zhuǎn)為塑性變形從而使應(yīng)力不斷降低得過程。

第1階段：開始階段應(yīng)力下降很快；

第2階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段；

松弛極限：在一定的初應(yīng)力和溫度下，不再繼續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力。

預(yù)防高溫松弛失效的措施是選用松弛穩(wěn)定性好的材料。對(duì)緊固性構(gòu)件的實(shí)際使用也可以在構(gòu)件使用過程中對(duì)其進(jìn)行一次或多次再緊固，即在構(gòu)件應(yīng)力松弛到一定程度時(shí)重新緊固，這是經(jīng)濟(jì)而又有效的方法。但要注意到再緊固會(huì)對(duì)松弛性能有所影響，因?yàn)槊窟M(jìn)行一次再緊固，材料都產(chǎn)生應(yīng)變硬化，剩余應(yīng)力有所下降，隨著塑性應(yīng)變的總量增加，材料最終斷裂。

斷裂是金屬材料在應(yīng)力作用下材料分離為互不相連的兩個(gè)或多個(gè)部分的現(xiàn)象。

金屬材料的斷裂過程一般有三個(gè)階段， 即裂紋的萌生，裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展，最后是斷裂。金屬構(gòu)件可能在材料制造、構(gòu)件成形或使用階段的不同條件下啟裂、萌生裂紋;并受不同的環(huán)境因素及承載狀態(tài)的影響而使裂紋擴(kuò)展直至斷裂。

金屬構(gòu)件斷裂后，在斷裂部位都有匹配的兩個(gè)斷裂表面，稱為斷口。斷口及其周圍留下與斷裂過程有密切相關(guān)的信息。通過斷口分析可以判斷斷裂的類型、斷裂過程的機(jī)理，從而找出斷裂的原因和預(yù)防斷裂的措施。

按斷裂前變形程度分類，分為韌性斷裂和脆性斷裂。

韌性斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂過程中吸收了較多的能力，一般是在高于材料屈服應(yīng)力條件下的高能斷裂。

脆性斷裂前的變形量很小，不會(huì)出現(xiàn)明顯的宏觀變形量。斷裂過程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允許應(yīng)力條件下的低能斷裂。通常材料的塑性變形小于2%~5%的斷裂均可稱為脆性斷裂。

（a）完全韌性斷裂（b）部分韌性斷裂（c）脆性斷裂

按造成斷裂的應(yīng)力類型及斷面的宏觀取向與應(yīng)力的相對(duì)位置分類，可分為正斷、切斷及混合斷裂。正斷可能是脆性的，也可能是韌性的，而切斷一般總是韌性的。

正斷是指當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的正應(yīng)力分量超過材料的正斷抗力時(shí)發(fā)生的斷裂。斷裂面垂直于正應(yīng)力或最大的拉伸應(yīng)變方向。

切斷是指當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的切應(yīng)力分量超過材料在滑移面上的切斷抗力時(shí)發(fā)生的斷裂。斷裂面平行于最大切應(yīng)力或最大切應(yīng)變方向，與最大正應(yīng)力約呈45°交角。

按斷裂過程中裂紋擴(kuò)展所經(jīng)的途徑分為三類：沿晶斷裂、穿晶斷裂及混晶斷裂。

沿晶斷裂是指裂紋沿晶界擴(kuò)展至斷裂，沿晶斷裂多屬于脆性斷裂。

穿晶斷裂是指裂紋的萌生和擴(kuò)展穿過晶粒內(nèi)部的斷裂。穿晶斷裂可以是韌性的也可以是脆性的。混晶斷裂是指在多晶體金屬材料的斷裂過程中，多數(shù)是其裂紋的擴(kuò)展既有穿晶型、也有晶間型的混晶斷裂。如馬氏體或回火馬氏體材料的瞬間斷裂。

裂紋擴(kuò)展路徑示意圖

A-沿晶裂紋；B-穿晶裂紋；C-混晶裂紋

按負(fù)荷的性質(zhì)及應(yīng)力產(chǎn)生的原因分為疲勞斷裂和環(huán)境斷裂。

疲勞斷裂是指由于在局部應(yīng)力集中或強(qiáng)度較低部位首先產(chǎn)生裂紋，裂紋隨后擴(kuò)展導(dǎo)致的斷裂。

環(huán)境因素(氣相、液相腐蝕介質(zhì)或氫)的作用引起形變和斷裂的基元過程，從而導(dǎo)致應(yīng)力脆斷，因而以這種形式破壞失效的現(xiàn)象統(tǒng)稱為環(huán)境斷裂。環(huán)境斷裂具體可分為應(yīng)力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking)、氫脆或氫致開裂(Hydrogen Induced Cracking)和腐蝕疲勞斷裂(Corrosion Fatigue Cracking)三種。

按微觀斷裂機(jī)制可分為解理斷裂、韌窩斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂及結(jié)合力弱化斷裂。

解理斷裂是在正應(yīng)力作用產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，裂紋沿特定的結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展而導(dǎo)致的穿晶脆斷，但有時(shí)也可沿滑移面或?qū)\晶界分離。解理斷裂常見于體心立方和密排六方金屬及合金，低溫、沖擊載荷和應(yīng)力集中常促使解理斷裂的發(fā)生。面心立方金屬很少發(fā)生解理斷裂。

韌窩斷裂是指在外力作用下因微孔聚集相互連通而造成的斷裂。結(jié)合力弱化斷裂是指裂紋沿著出于各種原因而引起的結(jié)合力弱化所造成的脆弱區(qū)域擴(kuò)展而形成的斷裂。

韌窩

沿晶斷裂

韌性斷裂是指容器、管道在壓力作用下，器壁上產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂。

韌性斷裂是一個(gè)緩慢的斷裂過程，塑性變形與裂紋成長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行。裂紋萌生及亞穩(wěn)擴(kuò)展阻力大、速度慢，材料在斷裂過程中需要不斷消耗相當(dāng)多的能量。隨著塑性變形的不斷增加，承載截面積減小，至材料承受的載荷超過了強(qiáng)度極限σ_b 時(shí)，裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界長(zhǎng)度，發(fā)生韌性斷裂。

韌性斷裂有兩種類型: 一種是宏觀斷面取向與最大正應(yīng)力相垂直的正斷型斷裂，又稱平面斷裂，這種斷裂出現(xiàn)在形變約束較大的場(chǎng)合，如平面應(yīng)變條件下的斷裂；另一種是攻關(guān)斷面取向與最大切應(yīng)力方向相一致的切斷，即與最大正應(yīng)力約呈45°，又稱斜斷裂，這種斷裂出現(xiàn)在滑移形變不受約束或約束較小的情況，如平面應(yīng)力條件下的斷裂。

韌性斷裂斷口形貌

（1）宏觀形貌

韌性斷裂斷口宏觀形貌

在直徑大的圓棒鋼試樣新斷裂的金屬灰色斷口上能觀察三個(gè)區(qū)：凹凸不平暗灰色且無(wú)光澤的纖維區(qū)、放射線紋理的灰色有光放射區(qū)及平滑絲光的亮灰色剪切唇區(qū)。

纖維區(qū)是材料內(nèi)部處在平面應(yīng)變?nèi)驊?yīng)力作用下啟裂，在試樣中心形成很多小裂紋及裂紋緩慢擴(kuò)展而形成。

纖維區(qū)外顯示出平行于裂紋擴(kuò)展的放射線狀的紋理，這是中心裂紋向四周放射狀快速擴(kuò)展的結(jié)果，該區(qū)稱為放射區(qū)。

當(dāng)裂紋快速擴(kuò)展到試樣表面附近，由于試樣剩余厚度很小，故變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，從而剩余的外圍部分剪切斷裂，斷裂面沿最大切應(yīng)力面和拉伸軸成45°，稱為剪切唇區(qū)。

從韌性斷裂宏觀形貌三區(qū)的特征可分析斷口的類型、斷裂的方式及性質(zhì)，有助于判斷失效的機(jī)理及找出失效的原因。根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步評(píng)價(jià)材料的性能。如纖維區(qū)較大，材料的塑性和韌性比較好，如放射區(qū)比較大，則材料的塑性降低，而脆性增大。

斷口三要素

1-纖維區(qū) F；2-放射區(qū) R；3-剪切區(qū)S

（2）微觀形貌

滑斷或純剪切斷口微觀特征：（1）蛇形滑動(dòng)、漣波狀花紋；（2）大的塑性變形后滑移面分離造成；（3）漣波花樣是蛇形滑動(dòng)花樣一步變形而平滑化的結(jié)果；（4）在缺口、纖維裂紋、孔洞等附近區(qū)域在力的作用下可發(fā)生純剪切過程，其內(nèi)表面出現(xiàn)蛇行滑動(dòng)、漣波等特征。

在某些金屬材料中，尤其是雜質(zhì)、缺陷少的金屬材料，在較大的塑性變形后，沿滑移面剪切分離，因位向不同的晶粒之間的互相約束和牽制，不可能僅僅沿某一個(gè)滑移面滑移，而是沿著許多相互交叉的滑移面滑移，形成起伏彎曲的條紋形貌，一般稱為“蛇行花樣”。

微孔聚集型斷裂的微觀特征：斷口上有大量韌窩。材料在塑性變形時(shí)，在夾雜物、析出物等第二相粒子周圍或有缺陷地區(qū)先出現(xiàn)裂紋，形成微孔，進(jìn)一步塑性變形時(shí)，微孔長(zhǎng)大、聚集、斷裂。

韌窩是指韌性斷裂斷口的微觀形貌呈現(xiàn)出韌窩狀，在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)。根據(jù)受力狀態(tài)的不同，通?？梢猿霈F(xiàn)三種不同形態(tài)的韌窩：

（1）在正應(yīng)力(即垂直于斷面的最大主應(yīng)力)的均勻作用下，顯微孔洞沿空間三個(gè)方向上的長(zhǎng)大速度相同，因而形成等軸韌窩。拉伸試樣斷口的杯形底部和錐形頂部由等軸韌窩組成；

（2）在切應(yīng)力(平行于斷面的最大切應(yīng)力)的作用下，塑性變形使顯微孔洞沿切應(yīng)力方向的長(zhǎng)大速度達(dá)到最大，同時(shí)顯微孔被拉長(zhǎng)， 形成拋物線狀或半橢圓狀的韌窩，這時(shí)兩個(gè)的韌窩朝著相反方向，這種韌窩稱為剪切韌窩。剪切韌窩通常出現(xiàn)在拉伸斷口的剪切唇區(qū)。

（3）撕裂應(yīng)力作用下出現(xiàn)伸長(zhǎng)或呈拋物線狀的韌窩，兩個(gè)匹配面上的韌窩朝著相同的方向，稱為撕裂韌窩。撕裂韌窩的方向指向裂紋源，而其反方向則是裂紋的擴(kuò)展方向。剪切韌窩與撕裂韌窩的區(qū)別在于對(duì)應(yīng)的兩個(gè)斷面上，其拋物線韌窩的方向不同，對(duì)剪切韌窩凸向相反，對(duì)撕裂韌窩凸向相同。

韌窩的大小和深淺，決定于材料斷裂時(shí)微孔的核心數(shù)量和材料本身的相對(duì)塑性，如果微孔的核心數(shù)量很多或材料的相對(duì)塑性較低，則韌窩的尺寸較小或較淺；反之，韌窩的尺寸較大或較深。通常韌窩越大越深，材料的塑性越好。韌窩尺寸與夾雜物的大小直接相關(guān)，而正當(dāng)夾雜物呈圓顆粒時(shí)，韌窩呈等軸狀，當(dāng)夾雜物呈條狀時(shí)，韌窩也呈長(zhǎng)條形。

當(dāng)材料含有較多的第二相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物時(shí)，則在形成韌窩過程中，第二相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物往往存在于韌窩底部，形成的韌窩數(shù)量較多，而且較小。

產(chǎn)生韌性斷裂的影響因素：（1）零件形狀（圓形、板狀、光滑與缺口試樣）；（2）溫度（隨溫度的降低，纖維區(qū)和剪切唇區(qū)減小，放射區(qū)增大）；（3）加載速率（速率越大，放射區(qū)增大）。

脆性斷裂是指容器在破裂時(shí)沒有宏觀塑性變形，器壁平均應(yīng)力遠(yuǎn)沒有達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，有的甚至低于屈服極限。脆性斷裂的發(fā)生條件：設(shè)備、容器本身存在缺陷或幾何形狀發(fā)生突變；存在一定的應(yīng)力水平；材料的韌性很差。

脆性斷裂的特征

（1）脆性斷裂時(shí)，工作應(yīng)力不高，往往低于材料的屈服點(diǎn)，甚至低于設(shè)計(jì)時(shí)的許用應(yīng)力。

（2）中、低強(qiáng)度鋼的脆性斷裂一般在比較低的溫度下發(fā)生，因此脆性斷裂也稱為“低溫脆性斷裂”。與面心立方金屬比較，體心立方金屬隨溫度的下降，塑性將明顯下降，屈服力升高；

（3）脆性斷裂從金屬構(gòu)件內(nèi)部存在的裂紋作為裂紋源而開始。

（4）脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬材料中出現(xiàn)，而面心立方金屬材料在特定的條件下才會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂；

（5）脆性斷裂一般沿低指數(shù)晶面穿晶解理。解理通過破壞原子的結(jié)合力來實(shí)現(xiàn)，而密排面之間的原子間隙最大，結(jié)合力最弱，故絕大多數(shù)解理面是原子密排面。

（6）破裂時(shí)無(wú)明顯的塑性變形，破裂之前沒有或只有局部極小的塑性變形；

（7）斷口宏觀分析呈金屬晶粒狀并有光澤，斷口平直與主應(yīng)力垂直；

（8）在較低溫度發(fā)生，且材料韌性很差。

脆性斷裂的斷口形貌

（1）宏觀形貌

斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，斷口附近無(wú)頸縮；

斷裂表面垂直于最大正應(yīng)力方向；

斷口平齊，無(wú)剪切唇；

斷口上呈現(xiàn)小刻面；

斷裂源點(diǎn)形成“人字條紋”或“山形條紋”

小刻面是指脆性解理斷裂的斷口呈平滑明亮結(jié)晶狀。

根據(jù)斷口人字條紋或山行條紋的圖形可判斷脆性斷裂的裂紋擴(kuò)展方向和尋找斷裂起源點(diǎn)。人字條紋或山行條紋從細(xì)變粗的方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向，相反的方向指向裂紋起源點(diǎn)。

（2）微觀形貌

脆性斷裂的微觀形貌一般分為河流花樣、扇形花樣、舌狀斷口、魚骨狀花樣；

河流花樣實(shí)際上是斷裂面上的微小解理臺(tái)階在圖像上的表現(xiàn)，河流條紋就是相當(dāng)于各個(gè)解理平面的交割。河流條紋的流向也是裂紋擴(kuò)展的方向，河流的上游是裂紋源。

扇形花樣：以裂紋源為中心單方向徑向擴(kuò)展，在焊接區(qū)沖擊斷口常見。

舌狀花樣：當(dāng)材料的脆性大、溫度低，臨界變形困難，晶體變形以形變孿晶方式進(jìn)行。舌狀花樣在低溫沖擊斷口中易出現(xiàn)。

脆性斷裂的影響因素

（1）應(yīng)力狀態(tài)與缺口效應(yīng)

應(yīng)力狀態(tài)是指構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的類型、分布、大小和方向。不同的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)脆性斷裂有不同的影響，如最大拉伸應(yīng)力和最大切應(yīng)力對(duì)形變和斷裂起不同的作用。最大切應(yīng)力促進(jìn)塑性滑移的發(fā)展，是位錯(cuò)移動(dòng)的推動(dòng)力，它對(duì)形變和斷裂的發(fā)生及發(fā)展過程都產(chǎn)生影響；而最大拉伸應(yīng)力則只促進(jìn)脆性裂紋的擴(kuò)展。因此，最大拉應(yīng)力與最大切應(yīng)力的比值越大，構(gòu)件失效脆性斷裂的可能性越大，在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下比值越大，極易導(dǎo)致脆性斷裂。

在實(shí)際金屬構(gòu)件中，常見由于應(yīng)力分布不均勻而造成三向應(yīng)力狀態(tài)，如構(gòu)件的截面突然變化、小的圓角半徑、預(yù)存裂紋、刀痕、尖銳缺口尖端處往往由應(yīng)力集中而引起應(yīng)力不均勻分布，周圍區(qū)域?yàn)榱吮３肿冃螀f(xié)調(diào)，便對(duì)高應(yīng)力區(qū)以約束，即造成三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。這是造成金屬構(gòu)建在靜態(tài)低負(fù)荷下產(chǎn)生脆性斷裂的重要原因。

（2）溫度

低溫下造成構(gòu)件的脆性斷裂是由溫度的改變而引起材料本身的性能變化。隨著溫度的降低，金屬材料屈服應(yīng)力增加，韌性下降，解理應(yīng)力下降；當(dāng)溫度在材料脆性轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，材料的解理應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力，材料的斷裂由原來的正常韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。

（3）尺寸效應(yīng)

鋼板厚度增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，缺口脆性增加；關(guān)于板厚的脆化原因一般認(rèn)為與冶金質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

（4）焊接質(zhì)量

焊接缺陷一般有夾雜、氣孔、未焊透和焊接裂紋等，而切中焊接裂紋的存在對(duì)焊接構(gòu)件的斷裂起著重要作用。

（5）工作介質(zhì)

金屬構(gòu)件在腐蝕介質(zhì)中，受應(yīng)力（尤其是拉應(yīng)力）作用，同時(shí)又有電化學(xué)腐蝕時(shí)，極易導(dǎo)致早起脆性斷裂；

（6）材料和組織因素

脆性材料、冶金質(zhì)量差、氫脆傾向的材料以及缺口敏感性大的鋼種都能促使發(fā)生脆性斷裂；不良熱處理產(chǎn)生脆性組織狀態(tài)，如組織偏析、脆性相析出、晶間脆性析出物、淬火裂紋、淬火后消除應(yīng)力處理不及時(shí)或不充分等也能促進(jìn)脆性斷裂的發(fā)生。

預(yù)防脆性斷裂的途徑

（1）溫度是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之一， 設(shè)計(jì)者必須考慮構(gòu)件的最低工作溫度應(yīng)高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。若所設(shè)計(jì)的構(gòu)件工作溫度較低，甚至低于該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，則必須降低設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展的水平；若其設(shè)計(jì)應(yīng)力不能降低，則應(yīng)更換材料。選擇韌性更高、脆性轉(zhuǎn)變溫度更低的材料；

（2）設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)，除考慮材料的強(qiáng)度外，還應(yīng)保證材料有足夠的韌性。應(yīng)該從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)來選擇材料，若材料有較高的斷裂韌性時(shí)，則構(gòu)件中允許有較大的缺陷存在；

（3）為減少構(gòu)件脆性斷裂，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中減小到最低限度，如減少尖銳角，消除未焊透的焊縫，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)幾何尺寸的連續(xù)性(因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)不連續(xù)的過渡部位往往使構(gòu)件應(yīng)力集中而形成高應(yīng)力區(qū))；過渡段的連接應(yīng)采用正確的焊接方法；

（4）盡量減少焊接產(chǎn)生的缺陷。這種設(shè)計(jì)包括選擇適當(dāng)?shù)暮缚p金屬缺口韌性，焊接預(yù)熱和焊后的熱處理制度，適當(dāng)設(shè)計(jì)焊接條件以減少缺陷。

金屬構(gòu)件在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于金屬材料的抗拉強(qiáng)度，優(yōu)勢(shì)甚至低于屈服極限，但經(jīng)過一定的循環(huán)周期后，金屬構(gòu)件會(huì)發(fā)生突然的斷裂，這種斷裂稱為疲勞斷裂，疲勞斷裂是脆性斷裂的一種形式。

疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征

①疲勞負(fù)荷是交變負(fù)荷。

②金屬構(gòu)件在交變負(fù)荷作用下，一次應(yīng)力循環(huán)對(duì)構(gòu)件不產(chǎn)生明顯的破壞作用，不足以使構(gòu)件發(fā)生斷裂。構(gòu)件疲勞斷裂是在負(fù)荷經(jīng)多次循環(huán)以后發(fā)生，高周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)Nf>104，而低周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)較少，一般Nf=102~104。疲勞斷裂應(yīng)力還小于抗拉強(qiáng)度σb，其值也小于屈服點(diǎn)σs。

③疲勞斷裂只可能在有使材料分離扯開的反復(fù)拉伸應(yīng)力和反復(fù)切應(yīng)力的情況下出現(xiàn)。純壓縮負(fù)荷不會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂，疲勞起源點(diǎn)往往出現(xiàn)在最大拉應(yīng)力處。

④疲勞斷裂過程包括疲勞裂紋的萌生、裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。

疲勞裂紋的萌生：大量研究表明，疲勞裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起，主要方式有表面滑移帶形成，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂及各類冶金缺陷、工藝缺陷等。金屬構(gòu)件由于受到交變負(fù)荷的作用，金屬表面晶體在平行于最大切應(yīng)力平面上產(chǎn)生無(wú)拘束相對(duì)滑移，產(chǎn)生了一種復(fù)雜的表面狀態(tài)，常稱為表面的“擠出”和“擠入”現(xiàn)象，當(dāng)金屬表面的滑移帶形成尖銳而狹窄的缺口時(shí)，便產(chǎn)生疲勞裂紋的裂紋源。

疲勞裂紋的擴(kuò)展：疲勞裂紋擴(kuò)展的第一階段為切向擴(kuò)展階段，裂紋尖端將沿著與拉伸軸呈45°方向的滑移面擴(kuò)展。疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段為正向擴(kuò)展階段。在交變應(yīng)變作用下，疲勞裂紋從原來與拉伸軸呈45°的滑移面，發(fā)展到與拉伸軸呈90°。即由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)，這一階段中最突出的顯微特征是存在大量的、相互平行的條紋，稱為“疲勞輝紋”。

疲勞裂紋在第二階段擴(kuò)展到一定深度后，由于剩余工作截面減小，應(yīng)力逐漸增加，裂紋加速擴(kuò)展。當(dāng)剩余面積小到不足以承受負(fù)荷時(shí)，在交變應(yīng)力作用下，即發(fā)生突然的瞬時(shí)斷裂，其斷裂過程同單調(diào)加載的情形相似。疲勞斷裂與其他一次負(fù)荷斷裂有所區(qū)別，它是一種累進(jìn)式斷裂。

⑤即使是塑性良好的合金鋼或鋁合金，疲勞斷裂構(gòu)件斷口附近通常也觀察不到宏觀的塑性變形。

疲勞斷裂的斷裂形貌

（1）宏觀形貌

起源區(qū)：即為疲勞裂紋萌生區(qū)。這個(gè)區(qū)域在整個(gè)疲勞斷口中所占的比例很小。通常就是指斷面上疲勞花樣放射源的中心點(diǎn)或疲勞弧線的曲率中心點(diǎn)。疲勞裂紋源一般位于構(gòu)件表面應(yīng)力集中處或不同類型的缺陷部位。一般情況下，一個(gè)疲勞斷口有一個(gè)疲勞源。疲勞區(qū)中磨得最亮的地方即是疲勞源（疲勞核心），位于零件強(qiáng)度最低或應(yīng)力最高的地方。

擴(kuò)展區(qū)：在此區(qū)中?？煽吹接腥绮ɡ送期s海岸沙灘而形成的'沙灘花樣'，又稱'貝殼狀條紋'、'疲勞弧帶'等，這種沙灘花樣是疲勞裂紋前沿線間斷擴(kuò)展的痕跡，每一條條帶的邊界是疲勞裂紋在某一個(gè)時(shí)間的推進(jìn)位置，沙灘花樣是由于裂紋擴(kuò)展時(shí)受到障礙，時(shí)而擴(kuò)展、時(shí)而停止，或由于開車停車、加速減速、加載卸載導(dǎo)致負(fù)荷周期性突變而產(chǎn)生。

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，在交變負(fù)荷作用下裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。拉應(yīng)力使裂紋擴(kuò)張，壓應(yīng)力使裂紋閉合，裂紋兩側(cè)反復(fù)張合，使得疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)在客觀上是一個(gè)明亮的磨光區(qū)，越接近疲勞起源點(diǎn)越光滑。如果在宏觀上觀察到沙灘花樣時(shí)，就可判別這個(gè)斷口是疲勞斷裂。多源疲勞的裂紋擴(kuò)展區(qū)，各個(gè)裂源不一定在一個(gè)平面上，隨著裂紋擴(kuò)展被此相連時(shí)，同的平面間的連接處形成疲勞臺(tái)階或折紋。疲勞臺(tái)階越多，表示其應(yīng)力或應(yīng)力集中越大。

斷裂區(qū)：當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件承載截面減小至強(qiáng)度不足引起瞬時(shí)斷裂，該瞬時(shí)斷裂區(qū)域是最終斷裂區(qū)。最終斷裂區(qū)的斷口形貌較多呈現(xiàn)宏觀的脆性斷裂特征，即粗糙'晶粒'狀結(jié)構(gòu)，其斷口與主應(yīng)力基本垂直。只有當(dāng)材料的塑性很大時(shí)，最終斷裂區(qū)才具有纖維狀的結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)較大的45°剪切唇區(qū)。

（2）微觀形貌

微觀形貌主要分為疲勞輝紋、輪胎壓痕花樣。

①疲勞輝紋是一系列基本上相互平行的條紋，略帶彎曲，呈波浪狀。并與裂紋微觀擴(kuò)展方向相垂直。裂紋的擴(kuò)展方向均朝向波紋凸出的一側(cè)。輝紋的間距在很大程度上與外加交變負(fù)荷的大小有關(guān)，條紋的清洗度則取決于材料的韌性。因此，高應(yīng)力水平比接近疲勞極限應(yīng)力下更易觀察到疲勞輝紋。

②每一條疲勞輝紋表示該循環(huán)下疲勞裂紋擴(kuò)展前沿線在前進(jìn)過程中的瞬時(shí)微觀位置。裂紋三個(gè)階段有不同的微觀特征：疲勞起源部位由很多細(xì)滑線組成，以后形成致密的條紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，應(yīng)力逐漸增加，疲勞條紋的間距也隨之增加。

③疲勞輝紋可分為韌性輝紋和脆性輝紋兩類。脆性疲勞輝紋的形成與裂紋擴(kuò)展中沿某些解理面發(fā)生解理有關(guān)，在疲勞輝紋上可以看到把疲勞輝紋切割成一段段的解理臺(tái)階，因此脆性疲勞輝紋的間距呈不均勻，斷斷續(xù)續(xù)狀。韌性疲勞輝紋較為常見，它的形成與材料的結(jié)晶之間無(wú)明顯關(guān)系，有較大塑性變形，疲勞輝紋的間距均勻規(guī)則。

④疲勞斷口的微觀范圍內(nèi)，通常由許多大小不同、高低不同的小斷片組成。疲勞輝紋均勻分布在斷片上，每一小斷片上的疲勞輝紋連續(xù)且互相平行分布，但相鄰斷片上的疲勞輝紋不連續(xù)、不平行。

⑤疲勞輝紋中每一條輝紋一般代表依次載荷循環(huán)，輝紋的數(shù)目與載荷循環(huán)次數(shù)相等。

⑥輪胎壓痕花樣是由于疲勞斷口的兩個(gè)匹配斷面之間重復(fù)沖擊和相互運(yùn)動(dòng)所形成的機(jī)械損傷，也可能是由于松動(dòng)的自由粒子在匹配斷裂面上作用留下的微觀變形痕跡。輪胎壓痕花樣不是疲勞本身的形態(tài)，但卻是疲勞斷裂的一個(gè)表征方法。

影響疲勞斷裂的因素及其改善的途徑

①構(gòu)件表面狀態(tài)

大量疲勞失效分析表明，疲勞斷裂多數(shù)起源于構(gòu)件的表面或亞表面，這是由于承受交變載荷的構(gòu)件工作時(shí)其表面應(yīng)力往往較高，典型的是彎曲疲勞構(gòu)件表面拉應(yīng)力最大，加上各類工藝程序難以確保表面加工質(zhì)量而造成。因此，凡是制造工藝過程中產(chǎn)生預(yù)生裂紋(如浮火裂紋)、尖銳缺口(如表面祖糙度不符合要求，有加工刀痕等)和任何削弱表面強(qiáng)度的弊病(如表面氧化、脫碳等)都將嚴(yán)重地影響構(gòu)件的疲勞壽命。而且，材料的強(qiáng)度越高，則表面狀態(tài)對(duì)疲勞的影響也越大。

②缺口效應(yīng)與應(yīng)力集中

許多構(gòu)件包含有缺口、螺紋、孔洞、臺(tái)階以及與其相類似的表面幾何形狀，也可能有刀痕、機(jī)械劃傷等表面缺陷，這些部位使表面應(yīng)力提高和形成應(yīng)力集中區(qū)，且往往成為疲勞斷裂的起源。

③殘余應(yīng)力

如果構(gòu)件表面存在著殘余拉應(yīng)力，對(duì)疲勞極為不利。但是，如果使構(gòu)件表面誘發(fā)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，則對(duì)抗疲勞大有好處。因?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力起著削減表面拉應(yīng)力數(shù)值的作用。一些表面熱處理工序，如表面淬火、滲碳和氮化；一些機(jī)械加工工序，如噴丸、表面、冷拔、擠壓和拋光都產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力。因此，工程上經(jīng)常采用這些方法來提高構(gòu)件的疲勞抗力。

④材料的成分和組織

在各類工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高。在結(jié)構(gòu)鋼中，疲勞強(qiáng)度隨著含碳量增加而增高，鉻、鎳等也有類似的效應(yīng)。碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要元素，既可間隙固溶強(qiáng)化基體，又可形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)化，提高鋼材的形變抗力，阻止循環(huán)滑移帶的形成和開裂，從而阻止疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，以及提高疲勞強(qiáng)度。其他合金元素主要通過提高鋼的淬透性和改善鋼的強(qiáng)韌性來改善疲勞強(qiáng)度。質(zhì)量均勻、無(wú)表面或內(nèi)在連續(xù)性缺陷的材料組織抗疲勞性能好。

⑤工作條件

載荷頻率對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響是其在一定范圍內(nèi)可提高疲勞強(qiáng)度。

低于疲勞極限的應(yīng)力稱為次載。金屬在低于疲勞極限的應(yīng)力下先運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)之后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強(qiáng)化作用稱為次載鍛煉。這種現(xiàn)象可能是由于應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的硬化及局部應(yīng)力集中松弛的結(jié)果。次載應(yīng)力水平越接近疲勞極限，其鍛煉效果越明顯；次載鍛煉的循環(huán)周次越長(zhǎng)，其鍛煉效果越好，但達(dá)到一定循環(huán)周次之后效果就不再提高。

當(dāng)加載應(yīng)力低于并接近疲勞極限時(shí)，間歇加載提高疲勞效果比較明顯，而間歇過載加載對(duì)疲勞壽命不但無(wú)益，甚至還會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。這種間歇加載影響疲勞強(qiáng)度的規(guī)律，可以指導(dǎo)制訂機(jī)器運(yùn)行操作規(guī)程和檢驗(yàn)規(guī)程。

溫度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響一般是溫度降低，疲勞強(qiáng)度升高；溫度升高，疲勞強(qiáng)度降低。

腐蝕環(huán)境介質(zhì)使構(gòu)件表面產(chǎn)生蝕抗、微裂紋等缺陷，將會(huì)加速疲勞源萌生而促進(jìn)腐蝕疲勞。

磨損是由于機(jī)械作用、化學(xué)反應(yīng)(包括熱化學(xué)、電化學(xué)和力化學(xué)等反應(yīng))，材料表面物質(zhì)不斷損失或產(chǎn)生殘余變形和斷裂的現(xiàn)象。磨損是發(fā)生在物體上的一種表面現(xiàn)象，其接觸表面必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。磨損必然產(chǎn)生物質(zhì)損耗(包括材料轉(zhuǎn)移)，而且它是具有時(shí)變特征的漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過程。

磨損按磨損機(jī)理可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損，按環(huán)境介質(zhì)可分為干磨損、濕磨損、流體磨損。

外界硬顆?；蛘邔?duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象, 稱為磨粒磨損（又稱磨料磨損）。磨粒是摩擦表面互相摩擦產(chǎn)生或由介質(zhì)帶入摩擦表面。

磨粒磨損是最普遍的一種形式，主要出現(xiàn)在采礦、鉆探、建筑、運(yùn)輸與農(nóng)業(yè)等機(jī)械相關(guān)零部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)中磨粒磨損造成的損失約占總的50%左右。

磨料磨損示意圖

按力的作用特點(diǎn)劃分為劃傷式磨損、碾碎式磨損和鑿削式磨損。

劃傷式磨損屬于低應(yīng)力磨損。低應(yīng)力的含義是指磨料與構(gòu)件表面之間的作用力小于磨料本身壓潰強(qiáng)度。

碾碎式磨損屬于高應(yīng)力磨損。當(dāng)磨料與構(gòu)件表面之間接觸壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度時(shí)，磨粒被壓碎，一般金屬材料表面被劃傷，韌性材料產(chǎn)生塑性變形或疲勞，脆性材料則發(fā)生碎裂或剝落。

鑿削式磨損的產(chǎn)生主要是由于磨料中包含大塊磨粒，而且具有尖銳棱角，對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行沖擊式的高應(yīng)力作用，使構(gòu)件表面撕裂出很大的顆?；蛩閴K，表面形成較深的坑。這種磨損常在運(yùn)輸或破碎大塊磨料時(shí)發(fā)生，典型實(shí)例如顎式破碎機(jī)的齒板、輾輥等。

磨粒磨損的影響因素

磨礪磨損的改善措施：（1）對(duì)于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度；（2）根據(jù)機(jī)件的服役條件，合理選擇相應(yīng)的耐磨材料；（3）采用滲碳、滲氮共滲等化學(xué)熱處理提高表面硬度；（4）機(jī)件的防塵和清洗。

當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí), 由于粘著效應(yīng)所形成結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，此類磨損稱為粘著磨損。

粘著磨損的特征是磨損表面有細(xì)的劃痕，沿滑動(dòng)方向可能形成膠體的裂口。最突出的特征是表層金相組織和化學(xué)成分均有明顯變化。磨損產(chǎn)物多為片狀或小顆粒。

粘著磨損示意圖

根據(jù)粘合強(qiáng)度、金屬本體強(qiáng)度與切應(yīng)力三者之間的不同關(guān)系，可以把粘著磨損分為四類：

粘著磨損的影響因素

（1）摩擦副材料性質(zhì)的影響

• 脆性材料比塑料材料的抗粘著能力高；

• 相同金屬或互溶性大的材料摩擦副易發(fā)生粘著磨損，反之則不易發(fā)生粘著磨損；

• 多相金屬也不容易發(fā)生粘著磨損；

• 表面處理可以減小粘著磨損；

• 硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強(qiáng)。

（2）載荷與速度的影響

載荷增加——粘著磨損加劇，但有臨界載荷；

在壓力一定的情況下，粘著磨損隨滑動(dòng)速度的增加而增加，在達(dá)到某一極大值后，又隨著滑動(dòng)速度的增加而減少。

（3）表面溫度的影響

表面溫度升高可使?jié)櫥な?，使材料硬度下降，摩擦表面容易產(chǎn)生粘著磨損。

（4）潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂的影響

在潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤(rùn)滑油膜吸附能力及油膜強(qiáng)度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。

沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。

根據(jù)顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同，沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕和氣蝕等。

造成沖蝕的粒子通常都比被沖蝕的材料的硬度大。沖蝕磨損與腐蝕磨損的區(qū)別是前者對(duì)材料表面的破壞主要是機(jī)械力作用引起，腐蝕磨損只是第二位的因素；而腐蝕磨損則是在腐蝕介質(zhì)中摩擦副的磨損，是腐蝕和磨損綜合作用的結(jié)果。

沖蝕磨損的影響因素

（1）沖蝕粒子

粒度對(duì)沖蝕磨損有明顯有對(duì)沖蝕磨損有明顯的影響， 一般粒子只寸在20-200μm 范圍內(nèi)，材料磨損率隨粒子尺寸增大而上升。當(dāng)粒子尺寸增加到某一臨界值時(shí)，材料的磨損率幾乎不變或變化緩慢，這一現(xiàn)象稱為'尺寸效應(yīng)' 。粒子的形狀也有很大影響，尖角形粒子與圓形粒子比較，在相同條件下，都是45°沖擊角時(shí)，多角形粒子比圓形粒子的磨損大4倍，甚至低硬度的多角形粒子比較高硬度的圓形粒子產(chǎn)生的磨損還要大。粒子的硬度和可破碎性對(duì)沖蝕率有影響，因?yàn)榱Ｗ悠扑楹髸?huì)產(chǎn)生二次沖蝕。

（2）攻角

材料的沖蝕率和粒子的攻角有密切關(guān)系。當(dāng)粒子攻角為20°~30°時(shí)，典型的塑性材料沖蝕率達(dá)最大值，而脆性材料最大沖蝕率出現(xiàn)在攻角接近90°處。攻角與沖蝕率關(guān)系幾乎不隨入射粒子種類、形狀及速度而改變。

（3）速度

粒子的速度存在一個(gè)門檻值，低于門檻值，粒子與靶面之間只出現(xiàn)彈性碰撞而觀察不到破壞，即不發(fā)生沖蝕。速度門檻值與粒子尺寸和材料有關(guān)。

（4）沖蝕時(shí)間

沖蝕磨損存在一個(gè)較長(zhǎng)的潛伏期或孕育期，磨粒沖擊靶面后先使表面粗糙，產(chǎn)生加工硬化，此時(shí)未發(fā)生材料流失，經(jīng)過一段時(shí)間的損傷積累后才逐步產(chǎn)生沖蝕磨損。

（5）環(huán)境溫度

溫度對(duì)沖濁磨損的影響比較復(fù)雜，有些材料在沖蝕磨損中隨溫度升高磨損率上升；但也有些材料隨溫度升高磨損有所減少，這可能是高溫時(shí)形成的氧化膜提高了材料的抗沖蝕磨損能力，也有可能是溫度升高，材料塑性增加，抗沖蝕性能提高。

（6）靶材

靶材除本身的性質(zhì)以外，還與磨粒的幾何形狀、尺寸、硬度、攻角、速度和溫度等條件密切相關(guān)。

微動(dòng)磨損指受壓配合面在微小幅度的振動(dòng)下所引起的表面損傷，包括材料損失、表面形貌變化、表面或亞表層塑性變形或出現(xiàn)裂紋等，稱為微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損是一種復(fù)合磨損（粘著、磨粒、疲勞、腐蝕）。

金屬表面的微動(dòng)磨損原理示意圖

微動(dòng)磨損可以分為兩類。第一類是該構(gòu)件原設(shè)計(jì)的兩物體接觸面是靜止的，只是由于受到振動(dòng)或交變應(yīng)力作用，使兩個(gè)匹配面之間產(chǎn)生微小的相對(duì)滑動(dòng)，由此造成磨損。第二類是各種運(yùn)動(dòng)副在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于環(huán)境振動(dòng)而產(chǎn)生微振造成磨損。

工程中常見的微動(dòng)磨損

（1）軸承

滾動(dòng)軸承存三個(gè)部位可能發(fā)生微動(dòng)損傷，軸承和軸承座、軸的緊配合面及滾珠或滾柱和座圈之間。

（2）壓配合

機(jī)車主軸一般用壓配合裝入輪毅中，運(yùn)行過程中，在負(fù)荷的作用下，軸發(fā)生彎曲，和輪毅配合段的兩端出現(xiàn)微動(dòng)。

（3）榫槽配合

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片榫頭和輪盤配合，葉片相當(dāng)于一端固定的懸梁臂，由于受強(qiáng)烈氣流沖擊而處在彎曲復(fù)合振動(dòng)狀態(tài)，從而使榫槽受到微動(dòng)磨損，導(dǎo)致配合松動(dòng)并萌生疲勞裂紋。

（4）鉚接

飛機(jī)上廣泛使用鉚接。據(jù)估計(jì)，各種飛機(jī)上90%的疲勞裂紋起源于微動(dòng)部位，而其中又以鉚接和螺紋聯(lián)接占多數(shù)。

（5）鋼絲纜繩

由于其本身的柔性必然導(dǎo)致絲對(duì)絲或股對(duì)股之間的滑動(dòng)，纜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成一復(fù)雜的疲勞應(yīng)力。

（6）核工業(yè)中的熱交換器和壓力管燃料元件

反應(yīng)堆中的燃料，用耐輻射和耐磨性好的鋯合金和鎂合金包覆，在冷卻液流作用下，各包覆件之間發(fā)生微動(dòng)磨損，最終將包覆層磨穿。

微動(dòng)磨損過程

微動(dòng)磨損是一個(gè)復(fù)雜的過程，包含粘著、氧化、磨粒和疲勞等的綜合作用。

微動(dòng)磨損的過程一般是相互接觸的兩個(gè)物體表面，由于接觸壓力的作用使微凸體產(chǎn)生塑性變形和粘著，在小振幅振動(dòng)作用下，粘著點(diǎn)可能被剪切并脫落，剪切表面被氧化。由于表面緊密配合，脫落的磨屑不易排出，在兩表面間起著磨粒作用，加速微動(dòng)磨損過程。

微動(dòng)磨損初始階段材料的流失機(jī)制主要是粘著和轉(zhuǎn)移，其次是凸峰點(diǎn)的犁削作用。對(duì)于較軟材料可出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形，由擠壓直接撕裂材料，這個(gè)階段摩擦因素及磨損量均較高。

當(dāng)產(chǎn)生的磨屑足以覆蓋表面后，粘著減弱，逐步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。這時(shí)，摩擦因數(shù)及磨損率均明顯降低，磨損量和循環(huán)數(shù)成線性關(guān)系。由于微動(dòng)的反復(fù)切應(yīng)力作用，造成亞表面裂紋萌生， 形成脫層損傷，材料以薄片形式脫離母體。剛脫離母體的材料主要是金屬形態(tài)。它們?cè)诙挝?dòng)中變得越來越細(xì)并吸收足夠的機(jī)械能以致具有極大的化學(xué)活性，在接觸空氣瞬間即完成氧化過程，成為氧化物。氧化磨屑既可作為磨料加速表面損傷，又可分開兩表面，減少金屬間接觸，起緩沖墊作用，大部分情況下，后者作用更顯著，即磨屑的主要作用是減輕表面損傷。

微動(dòng)磨損的特征與判斷

（1）表面特征

鋼的微動(dòng)損傷表面粘附著一層紅棕色粉末，當(dāng)將其除去后，觀察到許多小麻坑。其形狀不同于點(diǎn)蝕，它有兩種類型，一種為深度不到5μm的不規(guī)則的長(zhǎng)方形淺平坑，另一種為較深(可達(dá)50μm左右)且形狀較規(guī)則的圓坑。

（2）磨屑特征

鋼鐵微動(dòng)磨屑的重要標(biāo)志是紅棕色磨屑。

對(duì)于其他金屬，大多數(shù)情況下， 磨屑為該種金屬的最終氧化態(tài)。不活潑的金屬如金和鉑的磨屑由純金屬組成。磨屑的大小和成分與振幅有關(guān)，振幅較大時(shí)，磨屑直徑較大，金屬的比例也較高。材料的硬度影響磨損量，也影響磨屑的大小和成分，材料越硬，磨屑越細(xì)，氧化物的比例也越大。

兩物體表面產(chǎn)生摩擦?xí)r，工作環(huán)境中的介質(zhì)如液體、氣體或潤(rùn)滑劑等，與材料表面起化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，形成腐蝕產(chǎn)物，這些產(chǎn)物往往粘附不牢，在摩擦過程中剝落下來，其后新的表面又繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這種腐蝕和磨損的反復(fù)過程稱為腐蝕磨損。

腐蝕磨損分類

腐蝕磨損可分為化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損。化學(xué)腐蝕磨損又可分為氧化磨損和特殊介質(zhì)腐蝕磨損。

腐蝕磨損是一種極為復(fù)雜的磨損形式，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的磨損過程，對(duì)環(huán)境、溫度、介質(zhì)、滑動(dòng)速度、載荷大小及潤(rùn)滑條件等極為敏感，稍有變化就可使腐蝕磨損發(fā)生很大變化。

（1）化學(xué)腐蝕磨損

化學(xué)腐蝕磨損最常見的是氧化磨損。氧化磨損的實(shí)質(zhì)是金屬表面與氣體介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化膜。

脆性氧化膜與金屬基體差別大，在達(dá)到一定厚度時(shí)，很容易被摩擦表面上的微凸體的機(jī)械作用去除，暴露出新的基體表面又開始新的氧化過程，膜的生長(zhǎng)與去除反復(fù)進(jìn)行。

當(dāng)氧化膜的韌性較好，而且比金屬基體還軟時(shí)，若受摩擦表面微凸體機(jī)械作用，可能有部分被去除，在繼續(xù)磨損過程中，氧化仍然在原有氧化膜的基礎(chǔ)上發(fā)生，這種磨損較脆性氧化膜的磨損輕。

（2）電化學(xué)腐蝕磨損

電化學(xué)腐蝕磨損按腐蝕磨損產(chǎn)物被機(jī)械或腐蝕去除的特點(diǎn)也可分為兩種磨損。一種是在均勻腐蝕條件的磨損過程中，局部腐蝕產(chǎn)物被磨料或硬質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械作用去除，使之裸露金屬基底，但隨后又在磨損處形成新的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)過反復(fù)作用，此處腐蝕速度比腐蝕產(chǎn)物始終覆蓋的其他部分快得多，嚴(yán)重得多。此類磨損稱均勻腐蝕條件下的腐蝕磨損。

多相材料，尤其是含有碳化物的耐磨材料，由于碳化物與基體之間存在較大的電位差，形成腐蝕電池，產(chǎn)生相間腐蝕，極大削弱了碳化物與基體結(jié)合力，在磨料或硬質(zhì)點(diǎn)的作用下，碳化物很容易從基體脫落或發(fā)生斷裂。

另一種情況是形成局部腐蝕電池。由于磨料的磨損作用，金屬材料表面產(chǎn)生不均勻的塑性變形，塑性變形強(qiáng)烈的部分成為陽(yáng)極，首先受到腐蝕破壞，或者溶解，或者形蝕產(chǎn)物，在磨料的繼續(xù)作用下，腐蝕產(chǎn)物很容易被去除形成二次磨損。這一塑性變形就是應(yīng)變差異腐蝕電池的作用，它可使腐蝕速度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

腐蝕磨損的特征

腐蝕磨損過程中，氧化膜斷裂和剝落，形成了新的磨料，使腐蝕磨損兼有腐蝕與磨損雙重作用。但腐蝕磨損又不同于一般的磨料磨損。腐蝕磨損不產(chǎn)生顯微切削和表面變形，其主要磨損表面有化學(xué)反應(yīng)膜或麻點(diǎn)。麻點(diǎn)比較光滑，磨屑多事顯微細(xì)粉末狀的氧化物，也有薄的碎片。鋼摩擦副相互滑動(dòng)的氧化磨損，沿滑動(dòng)方向呈現(xiàn)出勻細(xì)的磨痕。磨屑是暗色的片狀或絲狀物，片狀磨屑為紅褐色的Fe₂O₃，而絲狀的是灰黑色的Fe₃O₄。

影響腐蝕磨損的因素

（1）PH值  

一般來講，PH<7時(shí)，隨著酸性增加腐蝕磨損量增加。在7<PH<12在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不太高的情況下，隨堿性增加，腐蝕磨損量下降。

溫度  在其他條件相同的情況下，腐蝕磨損的速度一般隨溫度升高而增加。

（2）化學(xué)成分 

化學(xué)成分是主要影響因素。對(duì)不同介質(zhì)條件，在Fe-C合金中，加入適量的Cr、V、B等元素可提高耐磨性。不同介質(zhì)加入不同合金元素才能獲得良好的效果。

當(dāng)兩個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度的情況下，在表面層將引發(fā)裂紋并逐步擴(kuò)展，最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來的磨損過程稱疲勞磨損。

疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別

①裂紋源與裂紋擴(kuò)展不同。整體疲勞的裂紋源都是從表面開始，一般從表面沿與外加應(yīng)力成45°的方向擴(kuò)展，超過兩三個(gè)晶粒以后，即轉(zhuǎn)向與應(yīng)力垂直的方向。而疲勞磨損裂紋除來源于表面外，或與表面呈一定角度，一般為10°~30°，而且只限于在表面層內(nèi)擴(kuò)展。

②疲勞壽命不同。整體疲勞一般有明顯的疲勞極限，低于疲勞極限，疲勞理論壽命可以大大延長(zhǎng)。而疲勞磨損尚未發(fā)現(xiàn)疲勞極限，疲勞磨損的零件壽命波動(dòng)很大。

③疲勞磨損的工作條件更復(fù)雜更惡劣。疲勞磨損除循環(huán)應(yīng)力作用外，還經(jīng)受復(fù)雜的摩擦過程，可能引起表面層一些列物理化學(xué)變化以及各種力學(xué)性能與物理性能變化等。

疲勞磨損特征

疲勞磨損典型特征是零件表面出現(xiàn)深淺不同，大小不一的凹坑，或較大面積的表面剝落，簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕或剝落。

點(diǎn)蝕裂紋一般都是從表面開始，向內(nèi)傾斜擴(kuò)展，最后二次裂紋折向表面，裂紋以上的材料折斷脫落下來即成點(diǎn)蝕。單個(gè)點(diǎn)蝕坑的表面形貌常表面為扇形。剝落裂紋一般起源于亞表層內(nèi)部較深的層次。

純滾動(dòng)接觸時(shí)，裂紋發(fā)生在亞表層最大切應(yīng)力處，裂紋發(fā)展慢，經(jīng)歷時(shí)間比裂紋萌生長(zhǎng)，裂紋斷口顏色比較光亮。滾動(dòng)加滑動(dòng)的疲勞磨損，因切應(yīng)力和壓應(yīng)力，易在表面上產(chǎn)生微裂紋，它的萌生階段往往大于擴(kuò)展階段，斷口較暗。

疲勞磨損的基本原理

最大的正應(yīng)力發(fā)生在表面，最大的切應(yīng)力發(fā)生在離表面一定距離外。滾動(dòng)接觸時(shí)在交變應(yīng)力的影響下，裂紋就容易在這些部位形核，并擴(kuò)展到表面而產(chǎn)生剝落。若除滾動(dòng)接觸外還有滑動(dòng)接觸，破壞位置就逐漸移向表面。這是因?yàn)榧兓瑒?dòng)時(shí)，最大的切應(yīng)力發(fā)生在表面。

實(shí)際中，由于構(gòu)件表面粗糙度、材料不均、夾雜物、微裂紋及硬質(zhì)點(diǎn)，疲勞破壞的位置會(huì)改變，所以有些裂紋從表面開始，而有些從次表面開始。

影響疲勞磨損的因素

①材質(zhì)

材料純度越高壽命越長(zhǎng)，鋼中的非金屬夾雜物，特別是是脆性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽以及其他各種復(fù)雜成分的點(diǎn)狀、球狀?yuàn)A雜物破壞基體的連續(xù)性，對(duì)疲勞磨損有嚴(yán)重不良影響。此外要控制金屬的組織結(jié)構(gòu)。

增加材料的加工硬化硬度對(duì)疲勞磨損有重要影響，硬度越高裂紋越難形成，降低表面粗糙度可有效提高抗疲勞磨損的能力；表層內(nèi)一定深度的殘余壓應(yīng)力可提高對(duì)接觸疲勞磨損的抗力，表面滲碳、淬火、噴丸、滾壓等處理都可使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。

②載荷

載荷是影響疲勞磨損壽命的主要原因之一。

一般認(rèn)為球軸承的壽命與載荷的立方成反比。

③潤(rùn)滑油膜厚度

潤(rùn)滑油黏度高且足夠厚時(shí)，可使表面微凸體不發(fā)生接觸，從而不容易產(chǎn)生接觸疲勞磨損。由于接觸表面壓力很高，要選擇在超高壓下黏度高的潤(rùn)滑油。

④環(huán)境。周圍環(huán)境，如空氣中的水、海水中的鹽、潤(rùn)滑油中有腐蝕性的添加劑對(duì)材料的疲勞磨損有不利的影響。如潤(rùn)滑油中的水會(huì)加速軸承鋼的接觸疲勞失效，甚至很少量都危害重大。

金屬材料的磨損主要是發(fā)生在表面的變形和斷裂過程，提高承受摩擦作用的構(gòu)件表面的強(qiáng)度和韌性，可提高耐磨性。

對(duì)于粘著磨損而言，改善潤(rùn)滑條件，提高氧化膜與基體金屬的結(jié)合能力，以增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性，阻止金屬之間直接接觸，以及降低表面粗糙度等都可以減輕粘著磨損。如果是沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，只需降低摩擦副原子間的結(jié)合力，最好是采用表面處理，如滲碳、滲氮、滲磷等。

表面處理實(shí)際上是在金屬表面形成一層化合物層或非金屬層，避免摩擦副直接接觸，既降低原子間結(jié)合力，又減小摩擦因數(shù)，可防止粘著。滲硫并不提高硬度，但因降低了摩擦因數(shù)，故可防止粘著，特別對(duì)高溫下和不可能潤(rùn)滑的構(gòu)件更為有效。

如果粘著磨損發(fā)生在較軟材料內(nèi)部，則不但應(yīng)降低摩擦副的結(jié)合力，而且要提高材料本身表層硬度，采用滲碳、滲氮、碳氮共滲及碳氮硼三元共滲等熱處理工藝都有一定效果。

對(duì)磨粒磨損而言，如果是低應(yīng)力磨粒磨損，應(yīng)提高表面硬度。選用含碳較高的鋼，并經(jīng)熱處理后獲得馬氏體組織，是提高抗磨粒磨損的簡(jiǎn)單方法。但當(dāng)材料受重載荷，特別是在較大沖擊載荷下工作，則基體組織最好是下貝氏體。因?yàn)檫@種組織既有較高硬度又有良好韌性。對(duì)于合金鋼，控制和改變碳化物數(shù)量、分布、形態(tài)對(duì)提高抗磨粒磨損能力有決定性影響。消除基體中初生碳化物，并使次生碳化物均勻彌散分布，就可以顯著提高耐磨性。提高鋼中碳化物體積比，一般也能提高耐磨性。鋼中含有適量殘余奧氏體對(duì)提高抗磨粒磨損能力也是有益的。因?yàn)闅堄鄪W氏體能增加整體韌性，給碳化物以支承，并在受磨損時(shí)能部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體使硬度提高。采用滲碳、碳氮共滲等表面熱處理也能有效地提高抗磨粒磨損能力。

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，構(gòu)件發(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，有均勻遍及構(gòu)件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)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

全面腐蝕和局部腐蝕的主要區(qū)別

各類腐蝕失效在化工事故中所占比例

工程中常見的金屬腐蝕失效破壞類型的特征及產(chǎn)生的條件

電偶腐蝕

異種金屬相接觸，又都處于同一或相連通的電解質(zhì)溶液中，由于不同金屬之間存在實(shí)際（腐蝕）電位差而使電位較低（較負(fù)）的金屬加速腐蝕，稱為電偶腐蝕（或接觸腐蝕）。

組成電偶腐蝕的兩種金屬由于電偶效應(yīng)，使電位較正的金屬由于陰極鈍化使腐蝕速率減小得到保護(hù)，電位較負(fù)的金屬由于陽(yáng)極極化使腐蝕速率增加。

電偶腐蝕特征：腐蝕主要發(fā)生在兩個(gè)不同金屬或金屬與非金屬導(dǎo)體接觸邊線附近，遠(yuǎn)離邊緣區(qū)域，腐蝕程度較輕。

縫隙腐蝕

金屬表面上由于存在異物或結(jié)構(gòu)上的原因而形成縫隙，使縫內(nèi)溶液中的物質(zhì)遷移困難所引起的縫隙內(nèi)金屬的腐蝕，稱為縫隙腐蝕?？p隙腐蝕多數(shù)情況是宏觀電池腐蝕。

縫隙腐蝕的起因是氧濃度差電池的作用，而閉塞電池引起的酸化自催化作用是造成縫隙腐蝕加速腐蝕的根本原因。

工程上，造成縫隙腐蝕的條件很多：鉚接、法蘭盤連接面、螺栓連接、金屬表面沉積物、腐蝕產(chǎn)物等都會(huì)形成縫隙。

縫隙腐蝕的特征：

• 腐蝕發(fā)生在縫隙內(nèi)，縫外金屬受到保護(hù)；

• 構(gòu)成縫隙腐蝕的縫隙寬度在0.025~0.1mm之間；

• 構(gòu)成縫隙的材料無(wú)特殊性，金屬或非金屬縫隙都對(duì)金屬產(chǎn)生縫隙腐蝕；

• 幾乎所有腐蝕介質(zhì)都會(huì)引起金屬縫隙腐蝕，以充氣含氯化物活性陰離子溶液最容易；

• 幾乎所有金屬或合金都會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕，以鈍態(tài)金屬較為嚴(yán)重。

點(diǎn)蝕

金屬材料在某些環(huán)境介質(zhì)中，大部分表面不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微，但在個(gè)別的點(diǎn)或微小區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)蝕孔或麻點(diǎn)，且隨著時(shí)間的推移，蝕孔不斷向縱深方向發(fā)展，形成小孔狀腐蝕坑，稱為點(diǎn)腐蝕。

點(diǎn)蝕是一種隱蔽性較強(qiáng)、危險(xiǎn)性很大的局部腐蝕。點(diǎn)蝕主要集中在某些活性點(diǎn)上，不斷向金屬內(nèi)部深處發(fā)展，通常其腐蝕深度大于孔徑，嚴(yán)重時(shí)可使管道或設(shè)備穿孔。點(diǎn)蝕還可誘發(fā)其他形式的腐蝕，如應(yīng)力腐蝕破裂或腐蝕疲勞等。

點(diǎn)蝕的特征：

• 易發(fā)生在有自鈍化傾向的金屬表面；

• 蝕孔小且深，在表面有一定分布；

• 孔口有腐蝕產(chǎn)物覆蓋；

• 蝕孔的出現(xiàn)有時(shí)間不一的誘導(dǎo)期；

• 蝕孔常沿重力方向或橫向發(fā)展；

孔蝕的剖面特征形貌

晶間腐蝕

在某些腐蝕介質(zhì)中，晶界可能先行被腐蝕。這種沿著金屬晶界發(fā)生腐蝕的局部破壞現(xiàn)象，稱為晶間腐蝕。

晶界是金屬中各種溶質(zhì)元素偏析或金屬化合物(如碳化物和σ相等)沉淀容易析出的區(qū)域。

當(dāng)金屬材料發(fā)生晶間腐蝕時(shí)，其特點(diǎn)是在宏觀上金屬的外形尺寸幾乎不變，但其強(qiáng)度和延性下降。受強(qiáng)烈的機(jī)械碰撞后，表面出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重者稍加外力，晶粒即行脫落。在微觀上進(jìn)行斷面金相檢查時(shí)，可看到腐蝕沿晶界均勻發(fā)展。

選擇性腐蝕

合金中的某一組織或某一成分優(yōu)先腐蝕，另一組織或成分不腐蝕或很少腐蝕，這種現(xiàn)象叫做選擇性腐蝕。

選擇性腐蝕結(jié)果輕則使合金損失強(qiáng)度，重則造成穿孔、破損，釀成嚴(yán)重事故。就介質(zhì)條件而言，選擇性腐蝕多發(fā)生在水溶液中，但某些材料在熔融鹽、高溫氣體介質(zhì)中也有選擇性腐蝕出現(xiàn)。

選擇性腐蝕破壞的形式則可大致分為兩種，層狀和栓式。

選擇性腐蝕較均勻地波及整個(gè)材料表面（如黃銅的層式脫鋅) ，稱為層狀選擇性腐蝕;或選擇性腐蝕沿表面發(fā)展，但不均勻，呈條狀，稱為帶狀選擇性腐蝕。

選擇性腐蝕集中發(fā)生在材料表面的局部區(qū)域，并不斷向內(nèi)深入(如黃銅的栓式脫鋅) ，稱為栓狀選擇性腐蝕。例如，在酸性介質(zhì)中，黃銅含鋅量高時(shí)，有利于產(chǎn)生層狀脫鋅；若介質(zhì)是中性、弱酸性或堿性的，黃銅含鋅量相對(duì)低時(shí)，則栓狀脫鋅占優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)力腐蝕破裂

金屬設(shè)備和部件在應(yīng)力和特定的腐蝕性環(huán)境的聯(lián)合作用下，出現(xiàn)低于材料強(qiáng)度極限的脆性開裂現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕開裂，簡(jiǎn)稱SCC（Stress Corrosion Cracking）。

產(chǎn)生SCC的基本條件：敏感的材料、固定拉應(yīng)力、特定腐蝕介質(zhì)。

應(yīng)力腐蝕按機(jī)理可分為陽(yáng)極溶解型和氫致開裂型兩類。

如果應(yīng)力腐蝕體系中陽(yáng)極溶解所對(duì)應(yīng)的陰極過程是吸氧反應(yīng)，或者雖然陰極是析氫反應(yīng)，但進(jìn)入金屬的氫不足以引起氫致開裂，這時(shí)應(yīng)力腐蝕裂紋形核和擴(kuò)展就由金屬的陽(yáng)極溶解過程控制，稱為陽(yáng)極溶解型應(yīng)力腐蝕。

如果陽(yáng)極金屬溶解（腐蝕）所對(duì)應(yīng)的陰極過程是析氫反應(yīng)，而且原子氫能擴(kuò)散進(jìn)入金屬并控制了裂紋的形核和擴(kuò)展，這一類應(yīng)力腐蝕就稱為氫致開裂型應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕開裂的特征：

①裂紋出現(xiàn)在設(shè)備或構(gòu)件的局部區(qū)域，而不是發(fā)生在與腐蝕介質(zhì)相接觸的整個(gè)界面上。裂紋的數(shù)量不定，有時(shí)很多，有時(shí)較少，甚至只有一條裂紋。

②裂紋一般較深、較窄。裂紋的走向與設(shè)備及構(gòu)件所受應(yīng)力的方向有很大關(guān)系。一般說來， 裂紋基本上與所受主應(yīng)力的方向相垂直，但在某些情況下，也會(huì)呈現(xiàn)明顯的分叉裂紋。

③ 設(shè)備及部件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂時(shí)， 一般不產(chǎn)生明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂。

④應(yīng)力腐蝕開裂是在一定的介質(zhì)條件和拉應(yīng)力共同作用下引起的一種破壞形式。斷口宏觀形貌包括逐漸擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)兩部分。后者一般為延性破壞。應(yīng)力腐蝕開裂可能沿晶，也可能穿晶。其斷口上腐蝕產(chǎn)物呈泥狀花樣等。

易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的金屬材料與環(huán)境的組合

氫損傷

氫損傷指的是金屬材料在含有氫或與氫相互作用而導(dǎo)致力學(xué)性能變壞的現(xiàn)象，按照氫損傷發(fā)生的溫度條件可以分為氫脆與氫腐蝕；按照氫損傷是否可以通過消氫處理恢復(fù)材料原來的力學(xué)性能分為可逆與不可逆氫損傷。

（1）氫脆

氫脆可以包括氫壓裂紋(鋼中自點(diǎn)、H₂S誘發(fā)裂紋、焊接冷裂紋和充氫或酸洗裂紋）和氫致滯后斷裂等。

氫致相變導(dǎo)致的氫脆。很多金屬能形成穩(wěn)定的氫化物. 氫化物是一種脆性中間相， 一旦有氫化物析出，材料的塑性和韌性就會(huì)下降，即氫化物析出導(dǎo)致材料變脆。氫化物脆、氫致馬氏體相變是一種氫致相變引起的氫脆。

（2）氫致滯后斷裂

在恒載荷(或恒位移)條件下，原子氫通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散富集到臨界值后就引起氫致裂紋的形核、擴(kuò)展，從而導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的現(xiàn)象稱為氫致滯后斷裂。所謂滯后是指氫擴(kuò)散富集到臨界值需要經(jīng)過一段時(shí)間，故加載后要經(jīng)過一定時(shí)間后氫致裂紋才會(huì)形核和擴(kuò)展。如把原子氫除去后，就不會(huì)發(fā)生滯后斷裂，故它也是可逆的。

（3）氫腐蝕

氫腐蝕實(shí)質(zhì)是氫致化學(xué)變化導(dǎo)致的氫脆。在高溫高壓下氫進(jìn)入鋼中后與碳化物反應(yīng)生成甲燒， 形成的CH₄比分子不能從鋼中擴(kuò)散出來，就在晶界夾雜物處形成氣泡，井有很大壓力。隨著C比的不斷形成，氣泡不斷長(zhǎng)大，當(dāng)氣泡中CH₄的壓力大于材料在該溫度下的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)使氣泡轉(zhuǎn)化成裂紋. 環(huán)境H₂的壓力愈高，溫度愈高，則CH₄氣泡中的壓力就愈大，當(dāng)CH₄氣泡中的壓力等于材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致微裂紋形核。與此同時(shí)，生成CH₄的反應(yīng)使鋼形成脫碳，降低了鋼的強(qiáng)度。

腐蝕疲勞

在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)同時(shí)作用下，金屬的疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命比無(wú)腐蝕作用時(shí)有所降低，這種現(xiàn)象叫做腐蝕疲勞。這里所謂'無(wú)腐蝕作用'，一般是指在空氣中金屬的疲勞行為。

具有應(yīng)力腐蝕破裂敏感性的材料受交變應(yīng)力作用時(shí)，如果應(yīng)力半幅在能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的臨界值以下，則只能產(chǎn)生腐蝕疲勞。如果高于應(yīng)力腐蝕破裂的臨界應(yīng)力，隨著應(yīng)力交變速度的降低，可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂與腐蝕疲勞混合存在的情況。

沖刷腐蝕

沖刷腐蝕又稱磨損腐蝕和磨耗腐蝕，是指溶液與材料以較高速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，沖刷和腐蝕共同引起的材料表面損傷現(xiàn)象。這種損傷要比沖刷或腐蝕單獨(dú)存在時(shí)所造成的損傷的加和大得多。這是因?yàn)闆_刷與腐蝕互相促進(jìn)的緣故。廣義的沖刷腐蝕包括湍流腐蝕(又名沖擊腐蝕)、空蝕、摩振腐蝕(又稱微動(dòng)磨損和徽動(dòng)腐蝕)等。

在沖刷腐蝕中，特別把主要由于金屬構(gòu)件幾何形狀變化而使較高流速溶液產(chǎn)生湍流造成的金屬表面破壞叫做湍流腐蝕，又叫做沖擊腐蝕。例如溶液流經(jīng)管道彎頭或渦輪機(jī)渦殼和葉片時(shí)，都能產(chǎn)生湍流腐蝕。

空泡腐蝕即空蝕，空蝕破壞在金屬表面下產(chǎn)生了加工硬化層，空蝕點(diǎn)附近可產(chǎn)生裂紋。在空蝕破壞的性質(zhì)方面，機(jī)械沖擊作用比電化學(xué)作用為大?？张莞g屬于沖擊腐蝕的特殊形式。

在有氧氣存在的條件下，金屬構(gòu)件若沿著受載荷而緊密接觸的面有輕微的振動(dòng)或往返的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使在接觸面上出現(xiàn)黑斑、小坑或細(xì)槽現(xiàn)象，即稱之為微動(dòng)腐蝕。這種腐蝕現(xiàn)象涉及三個(gè)過程：冷焊、局部斷裂和氧化。

化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析包括對(duì)失效構(gòu)件金屬材料化學(xué)成分、環(huán)境介質(zhì)及反應(yīng)物、生成物、痕跡物等的化學(xué)成分的分析。

性能測(cè)試

力學(xué)性能包括包括構(gòu)件金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)和韌性指標(biāo)σ_b、σ_s、σ_n、σ_D、δ、ψ、A_kv、K_IC、δ_C及硬度等；

化學(xué)性能包括金屬材料在所處環(huán)境介質(zhì)中的電極電位、極化曲線及腐蝕速率等；

物理性能包括如環(huán)境介質(zhì)在所處工藝條件下的反應(yīng)熱、燃燒熱等；

無(wú)損檢測(cè)

采用物理的方法，在不改變材料或構(gòu)件的性能和形狀的條件，迅速而可靠地確定構(gòu)件表面或內(nèi)部裂紋和其他缺陷的大小、數(shù)量和位置。金屬構(gòu)件表面裂紋及缺陷常用滲透法及電磁法檢測(cè):內(nèi)部缺陷則多用放射性檢測(cè)，聲發(fā)射常用于動(dòng)態(tài)-無(wú)損檢測(cè)，如探測(cè)裂紋擴(kuò)展情況。

組織結(jié)構(gòu)分析

蜘蛛結(jié)構(gòu)分析包括金屬材料表面和心部的金相組織或缺陷。常用金相法分析金屬的顯微組織是否正常、是否存在晶粒粗大、脫碳、過熱、偏析等缺陷；夾雜物的類型、大小、數(shù)量及分布；晶界上有無(wú)析出物，裂紋的數(shù)量、分布及其附近組織有無(wú)異常，是否存在氧化或腐蝕產(chǎn)物等。

應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算

構(gòu)件殘余應(yīng)力的測(cè)定是在無(wú)外加載荷的作用下進(jìn)行測(cè)定，目前多用X射線應(yīng)力測(cè)定法。

失效件的保護(hù)

斷口保護(hù)主要是防止機(jī)械損傷或化學(xué)損傷。

對(duì)于機(jī)械損傷的防止，應(yīng)當(dāng)在斷裂事故發(fā)生后馬上把斷口保護(hù)起來。在搬運(yùn)時(shí)將斷口保護(hù)好，在有些情況下還用襯墊材料，盡量使斷口表面不要相互摩擦和碰撞。有時(shí)斷口上可能沾上一些油污或臟物，千萬(wàn)不可用硬刷干刷斷口，并避免用手指直接接觸斷口。

對(duì)于化學(xué)損傷的防止，主要是防止來自空氣和水或其他化學(xué)藥品對(duì)斷口的腐蝕。一般可采用涂層的方法，即在斷口上涂防腐物質(zhì)，原則是涂層物質(zhì)不使斷口受腐蝕及易于被完全清洗掉。

失效件的取樣

為了全面地進(jìn)行失效分析，需要各種試樣，如力學(xué)性能試樣、化學(xué)分析試樣、斷口分析試祥、電子探針試樣、金相試樣、表面分析試樣和模擬試驗(yàn)用的試樣等。這些試樣要從有代表性的部位上截取，要對(duì)截取全部試樣有計(jì)劃安排。在截取的部位，用草圖或照相記錄，標(biāo)明是哪種試樣，以免弄混而導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)果。

失效件的清洗

清洗的目的是為了除去保護(hù)用的涂層和斷口上的腐蝕產(chǎn)物及外來沾污物如灰塵等。常用以下幾種方法:

① 用干燥壓縮空氣吹斷口，這可以清除粘附在上面的灰塵以及其他外來贓物:用柔軟的毛刷輕輕擦斷口，有利于把灰塵清除干凈。

② 對(duì)斷口上的油污或有機(jī)涂層，可以用汽油、石油醚、苯、丙酮等有機(jī)溶劑進(jìn)行清除，清除干凈后用無(wú)水酒精清洗后吹干。

③超聲波清洗能相當(dāng)有效地清楚斷口表面的沉淀物，且不損壞斷口。

④應(yīng)用乙酸纖維膜復(fù)型剝離。通常對(duì)于粘在斷口上的灰塵和和疏松的氧化腐蝕產(chǎn)物可采用這種方法，就是用乙酸纖維脂反復(fù)覆在斷口上2~5次，可以剝離斷口上的臟物。該方法操作簡(jiǎn)單，既可去掉斷口上的油污，對(duì)斷口又無(wú)損傷，故對(duì)一般斷口建議用此法清洗。

⑤ 使用化學(xué)或電化學(xué)方法清洗。這種方法主要用于清洗斷口表面的腐蝕產(chǎn)物或氧化層，但可能破壞斷口上的一些細(xì)節(jié)，所以使用時(shí)必須十分小心。一般只有在其他方法不能清洗掉

的情況下經(jīng)備用試樣試用后才使用。

常見清洗腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)方法

斷口分析重要性

斷口上忠實(shí)地記錄了金屬斷裂的全過程，即裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展直至開裂:外部因素對(duì)裂紋萌生的影響及材料本身的缺陷對(duì)裂紋萌生的促進(jìn)作用;同時(shí)也記錄著裂紋擴(kuò)展的途徑、擴(kuò)展過程及內(nèi)外因素對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。

斷口分析的依據(jù)

（1）斷口的顏色與色澤

觀察斷口表面光澤與顏色時(shí)，主要觀察有無(wú)氧化色、有無(wú)腐蝕的痕跡、有無(wú)夾雜物的特殊色彩與其他顏色；紅銹、黃銹或是其他顏色的銹蝕:是否有深灰色的金屬光澤、發(fā)藍(lán)顏色(或呈深紫色、紫黑色金屬光澤)等。

根據(jù)疲勞斷口的光亮程度，可以判斷疲勞源的位置。如果不是腐蝕疲勞，則源區(qū)最光滑。

（2）斷口上的花紋

疲勞斷裂斷口宏觀上有時(shí)可見沙灘條紋，微觀上有疲勞輝紋。脆性斷裂有解理特征，斷口宏觀上有閃閃發(fā)光的小刻面或人字、山形條紋，而微觀上有河流條紋。舌狀花樣等。韌性斷裂宏觀有纖維狀斷口，微觀上則多有韌窩或行花樣等。

（3）斷口上的粗糙度

斷口的表面實(shí)際上由許多微小的小斷面構(gòu)成，其大小、高度差決定斷口的粗糙度。不同材料、不同斷裂方式，其斷口粗糙度也不同。

一般來說， 屬于剪切型的韌性斷裂的剪切唇比較光滑；而正斷型的纖維區(qū)則較粗糙。屬于脆性斷裂的解理斷裂形成的結(jié)晶狀斷口較粗糙，而準(zhǔn)解理斷裂形成的瓷狀斷口則較光滑。疲勞斷口的粗糙度與裂紋擴(kuò)展有關(guān)，擴(kuò)展速率越快，斷口越粗糙。

（4）斷口與最大正應(yīng)力的交角

韌性材料的拉伸斷口一般呈杯錐狀或呈45°切斷的外形，其塑性變形是以縮頸的方式表現(xiàn)。即斷口與拉伸軸向最大正應(yīng)力交角是45°。

脆性材料的拉伸斷口一般與最大拉伸正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣通常沒有剪切'唇口'。斷口附近沒有縮頸現(xiàn)象。韌性材料的扭轉(zhuǎn)斷口呈切斷型。斷口與扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力交角也是45°。

脆性材料的扭轉(zhuǎn)斷口呈麻花狀，在純扭矩的作用下，沿與最大主應(yīng)力垂直的方向分離。

（5）斷口上的冶金缺陷

夾雜、分層、晶粒粗大、自點(diǎn)、白斑、氧化膜、疏松、氣孔、撕裂等，?？稍谑Ъ嗫谏辖?jīng)宏觀或微觀觀察而發(fā)現(xiàn)。

斷口的觀察

宏觀觀察是指用肉眼、放大鏡、低倍率的光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡來觀察斷口的表面形貌。通過宏觀觀察收集斷口上的宏觀信息，則可初步確定斷裂的性質(zhì)，可以分析裂源的位置和裂紋擴(kuò)展方向，可以判斷冶金質(zhì)量和熱處理質(zhì)量等。

微觀觀察是用顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行高放大倍率的觀察，用金相顯微鏡及掃描電鏡的為多。斷口微觀觀察包括斷口表面的直接觀察及斷口剖面的觀察。通過微觀觀察進(jìn)一步核實(shí)宏觀觀察收集的信息，確定斷裂的性質(zhì)、裂源的位置及裂紋走向、擴(kuò)展速度，找出斷裂原因及機(jī)理等。

剖面觀察。裁取剖面要求有一定的方向，通常是用與斷口表面垂直的平面來截取，垂直于斷口表面有兩種切法：平行裂紋擴(kuò)展方向截取，則可研究斷裂過程；垂直于裂紋擴(kuò)展方向截取，在一定位置的斷口剖面上，可研究某一特定位置的區(qū)域。

裂紋分析的目的是確定裂紋的位置及裂紋產(chǎn)生的原因。裂紋形成的原因往往很復(fù)雜，如涉及上的不合理、選材不當(dāng)、材質(zhì)不良、制造工藝不當(dāng)以及維護(hù)和使用不當(dāng)?shù)染锌赡軐?dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

裂紋分析往往需要從原材料的冶金質(zhì)量、材料的力學(xué)性能、構(gòu)件成型的工藝流程和工序工藝參數(shù)、構(gòu)件的形狀及其工作條件以及裂紋宏觀和微觀的特征等方向做綜合的分析。其中牽涉到多種技術(shù)方法和專門知識(shí)，如無(wú)損探傷、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相分析、X射線微區(qū)分析等。

金屬裂紋的基本形貌特征

裂紋兩側(cè)凹凸不平，耦合自然。其耦合特征是與主應(yīng)力性質(zhì)相關(guān)；若主應(yīng)力屬于切應(yīng)力則裂紋一般呈平滑的大耦合；若主應(yīng)力屬拉應(yīng)力則裂紋一般呈鋸齒狀的小耦合。

除某些沿晶裂紋外，絕大多數(shù)裂紋的尾端是尖銳的。

裂紋具有一定的深度，深度與寬度不等，深度大于寬度，是連續(xù)性的缺陷。

裂紋有各種形狀，直線狀、分校狀、龜裂狀、輻射狀、環(huán)形狀、弧形狀，各種形狀往往與形成的原因密切相關(guān)。

金屬裂紋的檢查

裂紋的宏觀檢查的主要目的是確定檢查對(duì)象是否存在裂紋。裂紋的宏觀檢查，除通過肉眼進(jìn)行直接外觀檢查和采取建議的敲擊測(cè)音法外，通常采用無(wú)損探傷法，如X射線、磁力滲透著色、超聲波、熒光等物理探傷法檢測(cè)裂紋。

裂紋的微觀檢查是指檢查裂紋形態(tài)特征，確定裂紋的分布是穿晶的，還是沿晶的，主裂紋附近有無(wú)微裂紋和分支。裂紋處及附近的晶粒度有無(wú)顯著粗大或細(xì)化或大小極不均勻的現(xiàn)象，晶粒是否變形，裂紋與晶粒變形的方向相平行或相垂直。

裂紋附近是否存在碳化物或非金屬夾雜物，其形態(tài)、大小數(shù)量及分布情況，裂紋源是否產(chǎn)生于碳化物或非金屬夾雜物周圍，裂紋擴(kuò)展與夾雜物之間有無(wú)聯(lián)系。

裂紋兩側(cè)是否存在氧化和脫碳現(xiàn)象，有無(wú)氧化物或脫碳組織；

產(chǎn)生裂紋的表面是否存在加工硬化層或回火層；

裂紋萌生處及擴(kuò)展路徑周圍是否有過熱組織、魏氏組織、帶狀組織以及其他形式的組織缺陷。

裂紋產(chǎn)生部位分析

（1）構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀引起的裂紋

由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)上的需要或由于設(shè)計(jì)上的不合理，或加工制造過程中沒有按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，或在運(yùn)輸過程中碰撞而導(dǎo)致在構(gòu)件上往往有尖銳的凹角、凸邊或缺口，截面尺寸突變或臺(tái)階等'結(jié)構(gòu)上的缺陷' ，這些結(jié)構(gòu)上的缺陷在構(gòu)件制造和使用過程中將產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中并可能導(dǎo)致裂紋。所以，要注意裂紋所在部位與構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀之間關(guān)系的分析。

（2）材料缺陷引起的裂紋

金屬材料本身的缺陷， 特別是表面缺陷，如夾雜、斑疤、劃痕、折疊、氧化、脫碳、粗晶以及氣泡、疏松、偏析、白點(diǎn)、過熱、過燒、發(fā)紋等，不僅其本身直接破壞了材料的連續(xù)性，降低了材料的強(qiáng)度與塑性，而且往住在這些缺陷的尖銳的前沿，造成很大的應(yīng)力集中，使得材料在很低的平均應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋并得以擴(kuò)展，最后導(dǎo)致斷裂。

（3）受力狀況引起的裂紋

在金屬材料質(zhì)量合格，構(gòu)件形狀設(shè)計(jì)合理的情況下，裂紋將在應(yīng)力最大處形成，或有隨機(jī)分布的特點(diǎn)。在這種情況下，為判別裂紋起裂的真實(shí)原因， 要特別側(cè)重對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的分析。尤其是非正常操作工況下構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)， 如超載、超溫等。

主裂紋的判別方法

（1）T型法

將散落的碎片按相匹配的斷口合并在一起，其裂紋形成T形。在一般情況下橫貫裂紋首先開裂。主裂紋一般阻止二次裂紋擴(kuò)展。

（2）分枝法

將散落碎片按相匹配斷口合并，其裂紋形成樹枝形：在斷裂失效中，往往出現(xiàn)一個(gè)裂紋后，產(chǎn)生很多分叉或分枝裂紋。裂紋的分叉或分枝方向通常為裂紋的局部擴(kuò)展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂紋為二次裂紋，匯合裂紋為主裂紋。

（3）變形法

將散落碎片按相匹配斷口合并起來，構(gòu)成原來構(gòu)件的幾何外形，測(cè)量其幾何形狀的變化情況，變形量較大的部位為主裂紋，其他部位為二次裂紋。

（4）氧化法

在受環(huán)境因素影響較大的斷裂失效中，檢驗(yàn)斷口各個(gè)部位的氧化程度，其中氧化程度最嚴(yán)重為最先斷裂者即主裂紋所形成的斷口，因?yàn)檠趸瘒?yán)重者說明斷裂的時(shí)間較長(zhǎng)。

金屬的裂紋走向分析

（1）應(yīng)力原則

在金屬脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)，裂紋的擴(kuò)展方向一般都垂直于主應(yīng)力的方向，當(dāng)韌性金屬承受扭轉(zhuǎn)載荷或金屬在平面應(yīng)力的情況下，其裂紋的擴(kuò)展方向一般平行于切應(yīng)力的方向，如韌性材料切斷斷口。

（2）強(qiáng)度原則

強(qiáng)度原則即指裂紋總是傾向沿著最小阻力路線，即材料的薄弱環(huán)節(jié)或缺陷處擴(kuò)展的情況。有時(shí)按應(yīng)力原則擴(kuò)展的裂紋，途中突然發(fā)生轉(zhuǎn)折，顯然這種轉(zhuǎn)折的原因是由于材料內(nèi)部的缺陷。在這種情況下， 在轉(zhuǎn)折處常常能夠找到缺陷的痕跡或者證據(jù)。

一般情況下， 當(dāng)材質(zhì)比較均勻時(shí)，應(yīng)力原則起主導(dǎo)作用，裂紋按應(yīng)力原則進(jìn)行擴(kuò)展，而當(dāng)材質(zhì)存在著明顯不均勻時(shí)，強(qiáng)度原則將起主導(dǎo)作用，裂紋將按強(qiáng)度原則進(jìn)行擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展方向到底是沿晶的還是穿晶的， 取決于在某種具體條件下， 晶內(nèi)強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度的相對(duì)比值。

應(yīng)力腐蝕裂紋、氫脆裂紋、回火脆性、磨削裂紋、焊接熱裂紋、冷熱疲勞裂紋、過燒引起的鍛造裂紋、鑄造熱裂紋、蠕變裂紋、熱脆等晶界是薄弱環(huán)節(jié)，因此他們的裂紋是沿晶界擴(kuò)展的；而疲勞裂紋、解理斷裂裂紋、淳火裂紋，焊接裂紋及其他韌性斷裂的情況下，晶界強(qiáng)度一般大于晶內(nèi)強(qiáng)度，因此它們的裂紋為穿晶型，這時(shí)裂紋遇到亞晶界、晶界、硬質(zhì)點(diǎn)或其他組織和性能的不均勻區(qū)時(shí)，往往會(huì)改變擴(kuò)展方向。因此認(rèn)為晶界能夠阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展， 這就是常常用細(xì)化晶粒的方法來提高金屬材料的疲勞壽命的原因之一。

構(gòu)件失效時(shí)，由于力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等環(huán)境因素單獨(dú)或協(xié)同地作用，并在構(gòu)件表面或表面層留下了某種標(biāo)記，稱為痕跡。

痕跡分類

（1）機(jī)械接觸痕跡  

構(gòu)件之間接觸的痕跡，包括壓入、撞擊、滑動(dòng)、滾壓、微動(dòng)等單獨(dú)作用或聯(lián)合作用，這種痕跡稱為機(jī)械接觸痕跡，其特點(diǎn)是塑性變形或材料轉(zhuǎn)移、斷裂等，集中發(fā)生于接觸部位，并且塑性變形極不均勻。

（2）腐蝕痕跡

由于構(gòu)件材料與周圍的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而在構(gòu)件表面留下的腐蝕產(chǎn)物及構(gòu)件材料表面損傷的標(biāo)記，稱為腐蝕痕跡。

（3）電侵蝕痕跡

由于電能的作用，在與電接觸或放電的構(gòu)件部位留下的痕跡稱為電侵蝕痕跡。電侵蝕痕跡分為兩類。電接觸痕跡由于電接觸現(xiàn)象而在電接觸部位留下的電侵蝕痕跡。靜電放電痕跡由于靜電放電現(xiàn)象面在放電部位留下的電侵蝕痕跡。

（4）熱損傷痕跡

由于接觸部位在熱能作用下發(fā)生局部不均勻的溫度變化而留下的痕跡。金屬表面層局部過熱、過燒、熔化、直至燒穿、表面保護(hù)層的燒焦都會(huì)留下熱損傷痕跡。不同的溫度有不同的熱損傷顏色，且構(gòu)件材料表面層成分、結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，表面性能有所改變。

（5）加工痕跡

對(duì)失效分析有幫助的主要是非正常加工痕跡，即留在構(gòu)件表面的各種加工缺陷，如刀痕、劃痕、燒傷、變形約束等。

（6）污染痕跡

各種外來污染物附著在構(gòu)件表面而留下的痕跡是污染痕跡。

痕跡分析主要內(nèi)容

• 痕跡的形貌，特別是塑性變形、反應(yīng)產(chǎn)物、變色區(qū)、分離物和污染物的具體形狀、尺寸、數(shù)量及分布；

• 痕跡區(qū)以及污染物、反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)成分；

• 痕跡顏色的種類、色度和分布、反光性等；

• 痕跡區(qū)材料的組織和結(jié)構(gòu)；

• 痕跡區(qū)的表面性能(耐磨性、耐蝕性、顯微硬度、表面電阻、涂鍍層的結(jié)合力等)；

• 痕跡區(qū)的殘余應(yīng)力分布；

• 從痕跡區(qū)散發(fā)出來的各種氣味；

• 痕跡區(qū)的電荷分布和磁性等。