金屬材料失效淺析

王會亮

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司型材廠， 山西　太原　030003）

經驗交流

金屬材料失效淺析

王會亮

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司型材廠， 山西太原030003）

從金屬材料失效的定義出發，研究了斷裂、磨損、腐蝕三種主要的金屬材料失效形式，分析其形成原因及特點，探討如何預防常見的金屬材料失效。

金屬材料失效斷裂磨損腐蝕預防

近年來，隨著金屬材料越來越廣泛的運用于生產生活的各個領域，材料失效問題也日顯突出。能否在材料失效問題的研究上走在行業的前列，直接關系到一個企業的信譽和生存，而如何能夠有效預防甚至盡可能杜絕材料失效的發生，已成為眾多企業重點攻堅乃至整個行業長期堅定推進的方向。

材料失效主要是指機械構件由于尺寸、形狀或材料的組織與性能發生變化而引起的機械構件不能完滿地完成預定的功能。材料失效會導致相關構件不能有效完成預定功能而導致生產不能繼續進行。在常見的材料失效中，以金屬材料的失效最為司空見慣，造成的損失也頗為巨大，歸納起來，大致可以分為三類：斷裂、磨損、腐蝕。

1　金屬材料的斷裂失效

根據斷裂之前材料變形量的大小，可以分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂發生之前會有明顯的形變量及形變過程，脆性斷裂則幾乎不存在形變量，斷裂過程極短，由于其發生具有突然性所以往往破壞性較大。

在日常生產生活中，最為常見的莫過于疲勞斷裂。這是指在長時間的應力循環作用下，材料出現斷裂，整個過程相對較為緩慢，嚴格說來，可以細分為三個過程：首先是裂紋的形成過程（即所謂的形核），之后是裂紋的逐步擴展，最后當裂紋擴展到一定程度，就會出現晶面斷裂；整個斷裂過程中，中間裂紋的擴展過程相對較長，時間空間變化是比較明顯的[1]；其次，還有一種常見于試驗室的材料斷裂失效模式，專業術語稱之為靜載斷裂，通常見到的拉伸斷裂即屬于此種斷裂，相對于疲勞斷裂而言，生產生活過程中出現的幾率要小很多，造成的損壞也往往沒有疲勞斷裂那般巨大。斷裂的斷口多種多樣，試驗中的判斷方法也是種類繁多，宏觀斷口和微觀斷口呈現不同的形貌，經驗豐富的專家可以根據斷口的形貌特征，逆向推斷出材料的斷裂過程及斷裂造成的原因，有助于制定相應的對策及措施有效的進行預防及改進，減少次斷裂再次發生的可能性，將危害性盡可能降到最低，最大限度減少由此造成的經濟損失[2]。

以下為某材料疲勞斷裂的宏觀形貌（圖1所示）在體式顯微鏡和金相顯微鏡下的微觀形貌（圖2所示）。

圖1　材料宏觀形貌

圖2　材料微觀形貌

2　金屬材料的磨損失效

機件經常在高速、震動、超負荷等工況下工作，機械之間由于表面摩擦導致材料磨損而最終導致材料失效。如一些齒輪鋼經過長時間的摩擦導致嚴重磨損，不僅造成金屬材料的損耗及能源的消耗，還會降低機器和工具的工作效率、精確度甚至使其報廢退役[3]。

材料的磨損失效通常可以分為五類：磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損。其中，磨粒磨損最為常見，機件運轉過程中，由于外界硬質顆粒介入或者接件本身凸起狀物引起的磨損都是磨粒磨損，金屬材料表面脫落物也屬于磨粒磨損范疇[4]。

磨損與摩擦相伴相生，只要有摩擦存在的地方，必定會造成相應的磨損，磨損的強弱通常與摩擦強度及摩擦持續時間成同向線性關系，接觸面摩擦力越大，摩擦時間越長，磨損會越嚴重，反之磨損較弱。為減少由于機件相互摩擦帶來的磨損損耗，生產中通常采用以下措施：一是接觸面涂抹潤滑油，提高光潔程度，如有條件可將潤滑油循環冷卻保證其溫度較低；二是在不影響正常生產的情況下，用焊機將機件焊到一起，減少機件的相對運動從而減少摩擦，進而減少磨損；三是為減少摩擦，可減少接觸面的面積以及較小所受載荷，以此減小摩擦力；此外，也可通過探索提高材料的屈服強度。

3　金屬材料的腐蝕失效

金屬材料的腐蝕多種多樣，宏觀上分為全面腐蝕和局部腐蝕，在日常各類腐蝕事故中，基本以局部腐蝕最為常見，局部腐蝕又可分為應力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕等。

金屬材料的腐蝕是由于材料與周圍介質相互接觸發生化學及電化學反應的過程，因此，周圍介質的濃度、酸堿度、溫度、壓力、介質的導電性等都會影響材料的被腐蝕程度。

金屬材料除了與腐蝕性介質發生反應會被腐蝕以外，在受到腐蝕應力的作用下也會造成裂紋形成擴展并導致最終的材料斷裂。生產中較見的氫脆即為此種斷裂，在極化作用下會產生很多游離態和新生態［H］，這些氫一旦在承受能力較弱的區域聚集，便會產生很大的應力作用，從而在此處造成裂紋的出現，這個過程也是相對較長的，但是最終斷裂的瞬間是突然的，結果是不可逆的。經過反復試驗證明，鋼中含碳量較高時，出現氫脆的可能性更大。針對生產中常出現的金屬材料腐蝕失效，比較有效的預防措施有：一是提升金屬冶煉工藝，保證金屬質量；二是通過熱處理工藝（比如退火），消除殘余內應力，這是很多鋼鐵企業普遍采用同時也是非常有效的辦法；三是通過一些化學方法，比如通過水凈化的措施可以降低水中的氯離子含量，進而有效減弱奧氏體鋼的氯脆現象；四是有的企業采用電化學方法，通過外借電位，使金屬點位遠離應力腐蝕相對比較敏感的區域。

[1]赫茨伯格.工程材料的變形與斷裂力學[M].北京：機械工業出版社，1982.

[2]徐松，金屬材料磨損失效及防護的探討 [J].現代技術信息，2010（1）：23.

[3]劉家浚.材料磨損原理及其耐磨性[M].北京：清華大學出版社，1993.

[4]束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業出版社，2007.

（編輯：楊婷婷）

TH142

A

1672-1152（2016）04-0114-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.39

2016-06-22

王會亮（1986—），男，山西壽陽人，本科，助理工程師，現任山西太鋼不銹鋼股份有限公司型材廠技術員。