金属材料失效浅析

王会亮

（山西太钢不锈钢股份有限公司型材厂， 山西　太原　030003）

经验交流

金属材料失效浅析

王会亮

（山西太钢不锈钢股份有限公司型材厂， 山西太原030003）

从金属材料失效的定义出发，研究了断裂、磨损、腐蚀三种主要的金属材料失效形式，分析其形成原因及特点，探讨如何预防常见的金属材料失效。

金属材料失效断裂磨损腐蚀预防

近年来，随着金属材料越来越广泛的运用于生产生活的各个领域，材料失效问题也日显突出。能否在材料失效问题的研究上走在行业的前列，直接关系到一个企业的信誉和生存，而如何能够有效预防甚至尽可能杜绝材料失效的发生，已成为众多企业重点攻坚乃至整个行业长期坚定推进的方向。

材料失效主要是指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成预定的功能。材料失效会导致相关构件不能有效完成预定功能而导致生产不能继续进行。在常见的材料失效中，以金属材料的失效最为司空见惯，造成的损失也颇为巨大，归纳起来，大致可以分为三类：断裂、磨损、腐蚀。

1　金属材料的断裂失效

根据断裂之前材料变形量的大小，可以分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂发生之前会有明显的形变量及形变过程，脆性断裂则几乎不存在形变量，断裂过程极短，由于其发生具有突然性所以往往破坏性较大。

在日常生产生活中，最为常见的莫过于疲劳断裂。这是指在长时间的应力循环作用下，材料出现断裂，整个过程相对较为缓慢，严格说来，可以细分为三个过程：首先是裂纹的形成过程（即所谓的形核），之后是裂纹的逐步扩展，最后当裂纹扩展到一定程度，就会出现晶面断裂；整个断裂过程中，中间裂纹的扩展过程相对较长，时间空间变化是比较明显的[1]；其次，还有一种常见于试验室的材料断裂失效模式，专业术语称之为静载断裂，通常见到的拉伸断裂即属于此种断裂，相对于疲劳断裂而言，生产生活过程中出现的几率要小很多，造成的损坏也往往没有疲劳断裂那般巨大。断裂的断口多种多样，试验中的判断方法也是种类繁多，宏观断口和微观断口呈现不同的形貌，经验丰富的专家可以根据断口的形貌特征，逆向推断出材料的断裂过程及断裂造成的原因，有助于制定相应的对策及措施有效的进行预防及改进，减少次断裂再次发生的可能性，将危害性尽可能降到最低，最大限度减少由此造成的经济损失[2]。

以下为某材料疲劳断裂的宏观形貌（图1所示）在体式显微镜和金相显微镜下的微观形貌（图2所示）。

图1　材料宏观形貌

图2　材料微观形貌

2　金属材料的磨损失效

机件经常在高速、震动、超负荷等工况下工作，机械之间由于表面摩擦导致材料磨损而最终导致材料失效。如一些齿轮钢经过长时间的摩擦导致严重磨损，不仅造成金属材料的损耗及能源的消耗，还会降低机器和工具的工作效率、精确度甚至使其报废退役[3]。

材料的磨损失效通常可以分为五类：磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损。其中，磨粒磨损最为常见，机件运转过程中，由于外界硬质颗粒介入或者接件本身凸起状物引起的磨损都是磨粒磨损，金属材料表面脱落物也属于磨粒磨损范畴[4]。

磨损与摩擦相伴相生，只要有摩擦存在的地方，必定会造成相应的磨损，磨损的强弱通常与摩擦强度及摩擦持续时间成同向线性关系，接触面摩擦力越大，摩擦时间越长，磨损会越严重，反之磨损较弱。为减少由于机件相互摩擦带来的磨损损耗，生产中通常采用以下措施：一是接触面涂抹润滑油，提高光洁程度，如有条件可将润滑油循环冷却保证其温度较低；二是在不影响正常生产的情况下，用焊机将机件焊到一起，减少机件的相对运动从而减少摩擦，进而减少磨损；三是为减少摩擦，可减少接触面的面积以及较小所受载荷，以此减小摩擦力；此外，也可通过探索提高材料的屈服强度。

3　金属材料的腐蚀失效

金属材料的腐蚀多种多样，宏观上分为全面腐蚀和局部腐蚀，在日常各类腐蚀事故中，基本以局部腐蚀最为常见，局部腐蚀又可分为应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀等。

金属材料的腐蚀是由于材料与周围介质相互接触发生化学及电化学反应的过程，因此，周围介质的浓度、酸碱度、温度、压力、介质的导电性等都会影响材料的被腐蚀程度。

金属材料除了与腐蚀性介质发生反应会被腐蚀以外，在受到腐蚀应力的作用下也会造成裂纹形成扩展并导致最终的材料断裂。生产中较见的氢脆即为此种断裂，在极化作用下会产生很多游离态和新生态［H］，这些氢一旦在承受能力较弱的区域聚集，便会产生很大的应力作用，从而在此处造成裂纹的出现，这个过程也是相对较长的，但是最终断裂的瞬间是突然的，结果是不可逆的。经过反复试验证明，钢中含碳量较高时，出现氢脆的可能性更大。针对生产中常出现的金属材料腐蚀失效，比较有效的预防措施有：一是提升金属冶炼工艺，保证金属质量；二是通过热处理工艺（比如退火），消除残余内应力，这是很多钢铁企业普遍采用同时也是非常有效的办法；三是通过一些化学方法，比如通过水净化的措施可以降低水中的氯离子含量，进而有效减弱奥氏体钢的氯脆现象；四是有的企业采用电化学方法，通过外借电位，使金属点位远离应力腐蚀相对比较敏感的区域。

[1]赫茨伯格.工程材料的变形与断裂力学[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2]徐松，金属材料磨损失效及防护的探讨 [J].现代技术信息，2010（1）：23.

[3]刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性[M].北京：清华大学出版社，1993.

[4]束德林.工程材料力学性能[M].北京：机械工业出版社，2007.

（编辑：杨婷婷）

TH142

A

1672-1152（2016）04-0114-02

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

2016-06-22

王会亮（1986—），男，山西寿阳人，本科，助理工程师，现任山西太钢不锈钢股份有限公司型材厂技术员。