金属材料也会失效？

金属材料的失效形式及失效原因密切相关，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进行观察。而失效原因是导致构件失效的物理化学机制，需要通过失效过程调研研究及对失效件的宏观、微观分析来诊断和论证。

失效分析与其他生产环节之间的关系      

     

失效分析与其他学科的关系 

     

失效形式的分类

弹性变形失效：当应力或温度引起材料可恢复的弹性变形大到足以影响装备正常发挥预定的功能时，就出现弹性变形失效。

塑性变形失效：当受载荷的材料产生不可恢复的塑性变形大到足以影响装备正常发挥预定的功能时，就出现塑性变形失效。

韧性断裂失效：材料在断裂之前产生显著地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。

疲劳断裂失效：材料在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。

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，材料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，有均匀遍及材料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。

磨损失效：当材料表现相互接触或材料表面与流体接触并作相对运动时，由于物理和化学的作用，材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程，称为磨损。由磨损而导致构件功能丧失，称为磨损失效。磨损有多种形式，其中常见粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。

     

金属材料失效具体形式

铸态金属组织缺陷

铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏忻、内裂纹、气泡和白点等。

缩孔

金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状（或喇叭状）或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔的相对体积与与液态金属的温度、冷却条件以及铸件的大小等有关。液态金属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体积也越大。向薄壁铸型中浇注金属时，型壁越薄、则受热越快，液态金属越不易冷却，在刚浇完铸型时，液态金属的体积也越大，金属冷凝后的缩孔也就越大。

疏松

在急速冷却的条件下浇注金属，可避免在铸锭上部形成集中缩孔，但此时液体金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经消除了大的缩孔，可是有许多细小缩孔即疏松，分布在金属的整个体积中。

钢材在锻造和轧制过程中，疏松情况可得到很大程度的改善，但若由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因，则在热加工后较严重的疏松仍会存在。此外，当原钢锭中存在着较多的气泡，而在热轧过程中焊合不良，或沸腾钢中的气泡分布不良，以致影响焊合，亦可能形成疏松。

疏松的存在具有较大的危害性，主要有以下几种：

（1）在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使其在使用过程中成为疲劳源而发生断裂。在用作液体容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象；

（2）钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件的小；

（3）金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表面粗糙度有一定的影响。

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称为偏析。偏析分为晶内偏析、晶间偏析、区域偏析、比重偏析。

由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同，即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析。

在浇注铸键（或铸件）时，由于通过铸型壁强烈的定向散热，在进行着凝固的合金内便形成一个较大的温差。结果就必然导致外层区域富集高熔点组元，而心部则富集低熔点组元，同时也富集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。

在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮，所形成的化学成分不均匀现象，称为比重偏析。晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。如果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重偏析也越强烈。

气泡

金属在熔融状态时能溶解大量的气体，在冷凝过程中因溶解度随温度的降低而急剧减小，致使气体从液态金属中释放出来。若此时金属已完全凝固，则剩下的气体不易逸出，有一部分就包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成气孔，则称其为气泡。

气泡的有害影响表现如下：（1）气泡减少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）当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时可能被氧化，在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝；（3）在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏析导致裂缝。

白点

在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝；而在纵向断面上会发现表面光滑、银白色的圆形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为白点。

白点最容易产生在镍、铬、锰作为合金元素的合金结构钢及低合金工具钢中。奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白点；铸钢中也可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊金属中偶尔也会产生白点。白点的产生与钢材的尺寸也有一定的关系，横截面的直径或厚度小于30mm的钢材不易产生白点。

通常具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低并不多，但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能比纵向力学性能降低得多。因此具有白点的钢材一般不能使用。

粗大的魏氏体组织

在热轧或停锻温度较高时，由于奥氏体晶粒粗大，在随后冷却时的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角度。这种形貌称为魏氏体组织。先析出物与钢的成分有关，亚共析钢为铁素体，过共析钢为渗碳体。魏氏体组织因其组织粗大而使材料脆性增加，强度下降。比较重要的工件不允许魏氏体组织存在。

网状碳化物及带状组织

对于工具钢，锻造和轧制的目的不但是使毛坯成型，更重要的是使其内部的碳化物碎化和分布均匀。

钢材表层脱碳

钢加热时，金属表层的碳原子烧损，使金属表层碳成分低于内层，这种现场称为脱碳，降低碳量后的表面层叫做脱碳层。脱碳层的硬度、强度较低，受力时易开裂而成为裂源。大多数零件，特别是要求强度高、受弯曲力作用的零件，要避免脱碳层。因此锻、轧的钢件随后应安排去除脱碳层的切削加工。

折叠

折叠通常是由于材料表面在前一道锻、轧中所产生的尖角或耳子，在随后的锻、轧时压入金属本身而形成。钢材表面的折叠，可采用机械加工的方法进行去除。

划痕

在生产、运输等过程中，钢材表面受到机械刮伤形成的沟痕，称为划痕，也叫刮伤或擦伤。划痕缺陷的存在，能降低金属的强度；对薄钢板，除降低强度外，还会像切口一样地造成应力集中而导致断裂；尤其在压制时，它会成为裂纹或裂纹扩展的中心。对于压力容器来说，表面是不允许有严重的划痕存在的，否则会成为使用过程中发生事故的起点。

斑疤

金属锭及型材的表面由于处理不当，往往会造成粗糙不平的凹坑。这些凹坑是不深的， 一般只有2~3mm。因其形状不规则，且大小不一，故称这种粗糙不平的凹坑为结疤，也称为斑疤。

若结疤存在于板材上，尤其是主薄板上，则不仅能成为板材腐蚀的中心，在冲制时还会因此产生裂纹。此外，在制造弹簧等零件用的钢材上，是不允许存在结疤缺陷的。因为结疤容易造成应力集中，导致疲劳裂纹的产生，大大地影响弹簧的寿命和安全性。

表面裂纹

钢材表面出现的网状龟裂或缺口，是由于钢中硫高锰低引起热脆，或因铜含量过高、钢中非金属夹杂物过多所致。

分层

由于非金属夹杂、未焊合的内裂纹、残余缩孔、气孔等原因，使剪切后的钢材断面呈黑线或黑带，将钢材分离成两层或多层的现象，称为分层。

（1）夹杂物的分类

钢在加工变形中，各类夹杂物变形性不同，按其变形能力分为三类：

脆性夹杂物

一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物（Al₂O₃、Cr₂O₃、ZrO₂等）、双氧化物（如FeO·Al₂O₃、MgO·Al₂O₃、CaO·6 Al₂O₃）、碳化物（TiC）、氮化物（TiN、Ti（CN）AlN、VN等）和不变形的球状或点状夹杂物（如球状铝酸钙和含SiO₂较高的硅酸盐等）。

钢中铝硅钙夹杂物具有较高的熔点和硬度，当压力加工变形量增大时，铝硅钙被压碎并沿着加工方向而呈串链状分布，严重破坏了钢基体均匀的连续性。

塑性夹杂物

这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的流变方向延伸成条带状，属于这类的夹杂物含SiO₂量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰（MnS）、（Fe, Mn）S等。夹杂物与钢基体之间的交界面处结合很好，产生裂纹的倾向性较小。

半塑性变形的夹杂物

一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物，复合夹杂物中的基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物（如CaO·Al₂O₃、尖晶石型的双氧化物等）不变形，基体夹杂物随着钢基体的变形而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状，因此将阻碍邻近的塑性夹杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由延伸。

（2）夹杂物对钢性能的影响

大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧性危害较大，其危害程度又随钢的强度的增高而增加。

夹杂物变形性对钢性能的影响

钢中非金属夹杂物的变形行为与钢基休之间的关系，可用夹杂物与钢基体之间的相对变形量来表示，即夹杂物的变形率v，夹杂物的变形率可在v=0~1这个范围受化，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。

夹杂物引起应力集中

夹杂物的热膨胀系数越小，形成的拉应力越大，对钢的危害越大。在高温下加工变形时，夹杂物与钢基体热收缩的差别，使裂纹在交界面处产生。它很可能成为留住基体中潜在的疲劳破坏源。危害性最大的夹杂物是来源于炉渣和耐火材料的外来氧化物。

夹杂物与钢的韧性

超高强度钢和碳钢中MnS夹杂物的含量对强度无明显影响，但可使韧性降低。其中断裂韧性随硫含量增加而降低，具有明显的规律性。

从夹杂物类型比较，硫化物对韧性的影响大于氮化物，在氮化物中ZrN 对韧性的危害较小，夹杂物类型不同而含量相近的情况下，变形成长条状的MnS对断裂韧性影响大于不变形的硫化物（Ti-S， Zr-S）。

串状或球状硫化物对φ和kV均不利，就对短横试样的危害而言，串状比球状危害更严重。

焊接缺陷的种类很多，按其在焊缝中所处的位置可分为外部缺陷和内部缺陷两大类。外部缺陷也叫外观缺陷。外部缺陷位于焊缝表面，借用肉眼或低倍放大镜就能观察到。内部缺陷位于焊缝的内部，必须应用破坏性检验或专门无损检验方法才能发现。

     

焊接缺陷分类

焊接区域示意图      

焊缝尺寸不符合要求

焊缝尺寸不符合要求包括：焊缝外形高低不平、焊道宽窄不齐、焊缝余高过大或过小、焊缝宽度太宽或太窄、焊缝和母材之间的过渡不平滑等。

     

原因分析：（1）焊缝坡口角度、宽度及组装间隙不统一。（2）焊条直径选择不当，造成填充层过高，失去坡口轮廓线，使盖面宽窄不一，焊缝过高，波纹粗劣。（3）背面清根刨缝质量差，焊道宽度不一。（4）焊接电流过大或过小，运条手法和角度不当以及焊速不均匀。

危害性：尺寸过小的焊缝，会降低焊接接头的强度；尺寸过大的焊缝，不仅浪费焊接材料，也会增大焊接结构的变形。焊缝金属向母材的过渡处若不平滑，出现尖角，会造成应力集中，降低焊接结构的承载能力。

预防措施：（1）采用自动和半自动切割机或刨边机加工坡口。（2）焊缝组对间隙应控制在标准规范要求值以内，背面用碳弧气刨清根后，采用砂轮修整刨槽及碳化层，使刨槽宽窄一致。（3）选用适当的焊接电流和焊条直径，遵守焊接工艺，熟练掌握操作技术，保持焊速均匀；手工焊操作人员要熟练地掌握运条速度和焊条角度，以获得成形美观的焊缝。

咬边

咬边也称“咬肉”，是电弧或火焰将焊缝边缘的母材熔化后，没有得到填充金属的补充，而留下的凹陷或凹槽。咬边是一种危险的缺陷，它不但减小了基本金属的有效工作截面，而且在咬边处还会造成应力集中。咬边又是一种常见的缺陷，应该特别引起注意。

     

     

焊瘤

熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上形成金属瘤。该处常伴有局部未熔合，有时也称满溢。习惯上，还常将焊缝金属的多余疙瘩部分称为焊瘤。焊瘤处应力集中，还易伴生裂缝等缺陷；焊瘤也破坏了焊缝平整光滑的外形，管子内部的焊瘸，除降低强度外，还减小管道的有效截面，造成堵塞观象。

原因分析：（1）坡口边缘污物未清理干净；电流过大，熔池温度过高，使液体金属凝固较慢，在自重的作用下下坠而成；焊接速度太慢以及组对间隙太大等。（2）运条角度不当，操作不熟练。焊速过慢也极易产生焊瘤。

预防措施：（1）焊接前应彻底清理坡口及其附近的脏物；组对间隙要合适；选择适当的焊接电流和运条角度，熟练掌握操作技术，保持焊速均匀。（2）碱性焊条采用短弧焊接，极性反接。

弧坑

弧坑是焊接时，由于断弧和收弧不当，在焊道末端形成的低洼部分，表面低凹深度大于0.5mm以上。弧坑低于基本金属表面，降低了焊接接头的承载能力，而且弧坑内常伴有气孔、夹渣、微裂纹等缺陷。

弧坑是由焊缝熔池金属未填足，熄弧过快或电流过大（薄板时）而造成。预防措施：收弧过程中，焊条要在收弧处作短暂的停留或作回焊运条，使电弧不要突然熄灭、使焊条金属填满熔池。

飞溅

手工焊接时，在焊缝及其两侧母材上产生一般性飞溅和严重性熔合飞溅。一般性飞溅是手工焊接常见的焊接质量通病；但产生严重性熔合性飞溅，其危害甚大，它会增加母材局部表面淬硬组织，易产生硬化发生脆裂及加速局部腐蚀性等缺陷。

     

弧疤

电弧擦伤也叫弧疤或弧斑，多是由于偶然不慎使焊条或焊把与焊接工件接触，或地线与工件接触不良短暂地引起电孤，而在焊接工件表面留下的伤痕，形成许多小圆孔和凹坑。

电弧擦伤处由于电弧的短暂引燃与急速熄灭，冷却速度快，在易淬火钢及低温钢的工件上，会形成脆性淬硬组织，可能成为脆性破坏的起源点。在不锈钢等有耐腐蚀性能要求的工件上，电弧擦伤会成腐蚀的起始点，降低材料的性能。

原因分析：操作不慎，使焊条或焊把裸 露部分与非焊接部位接触，短暂地引起电弧，将母材表面擦伤，形成许多小圆孔和凹坑。

预防措施：（1）精心操作，避免带电的焊条或焊把裸 露部分与非焊接区域母材相碰引起电弧。（2）不得在非焊接部位随意引弧或试电流，引弧应在引弧板上或在焊道破口内进行。（3）地线与母材应紧固良好。

气孔

气孔是焊接熔池中气体在凝固时未能逸出，而残留在焊缝中所形成的空穴。根据孔穴产生的部位，可分为外部气孔和内部气孔；根据分布情况，气孔又可分为单个气孔、连续气孔和密集气孔等。存在于焊缝内的气孔，减小了金属的有效截面，从而使焊接接头的强度降低；气孔的边缘可能发生应力集中，密集气孔使焊缝组织疏松，使接头的塑性降低；贯通性气孔破坏了焊缝的致密性，造成渗漏。焊缝中的氢气孔还有可能导致裂缝的产生和扩展。

     

     

夹渣

夹渣是焊后残留在焊缝中的熔渣，有的夹在焊缝内部，有的夹在表面沟槽内。

焊缝中的夹渣，降低了接头的承载能力，容易引起应力集中；影响了焊缝金属的致密性，还可能造成焊缝的渗漏，由于夹杂物与焊缝金属的线膨胀系数相差悬殊，温度剧烈变化时，有可能产生较大应力而导致裂缝。

未焊透

未焊透是焊接时接头根部未完全熔化而留下的间隙的现象。

未焊透降低了接头的机械性能，同时由于未焊透部位的缺口及末端会产生严重的应力集中，导致产生裂缝。

     

冷裂纹

冷裂纹是指在焊接接头冷却到较低温度时（对于钢来说在MS温度，即奥氏体开始转变为马氏体的温度以下）所产生的焊接裂纹。焊接冷裂纹包括淬硬脆化裂纹、延迟裂纹、低塑性脆化裂纹。

最主要的冷裂纹为延迟裂纹（即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹，因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间）。

淬硬倾向大的钢在焊接热循环作用下产生淬硬组织，在应力作用下产生裂纹。产生裂纹的敏感温度在M_s附近，焊接接头冷却到一定温度以下即出现裂纹，没有延迟开裂特征。一些超高强度钢、马氏体不锈钢、工具钢具有较高的淬硬脆化裂纹敏感性。一些超高强度钢、马氏体不锈钢、工具钢具有较高的淬硬脆化裂纹敏感性。

低塑性催化裂纹是指在被焊母材或焊缝金属本身塑性过低，在焊接热应力和拘束应力作用下，发生的应变大于其延性而产生的裂纹。低塑性脆化裂纹在焊接接头冷却到一定温度以下即出现，多出现在焊缝和热影响区表面，没有延迟特征。铸铁、硬质合金堆焊容易产生低塑性脆化裂纹，高合金化钛合金、钛铝金属间化合物等航空材料也容易产生这类裂纹。

     

Ti₃Al合金焊接结构低塑性脆化裂纹

层状撕裂

层状撕裂属低温开裂，撕裂温度不超过400℃ 。层状撕裂与一般的冷裂纹不同， 它主要是由于轧制钢材的内部存在有分层的夹杂物（特别是硫化物夹杂物）和在焊接时产生的垂直轧制方向的应力， 致使焊接热影响区附近或稍远的地方产生呈“台阶”状的层状开裂，并具有穿晶发展。

层状撕裂主要发生在屈服强度较高的低合金高强钢（或调质钢）的厚板结构，如采油平台、厚壁容器、潜艇等，且材质含有不同程度的夹杂物。层状撕裂在T形接头，十字接头和角接头比较多见。