金屬材料失效淺析

王會(huì)亮

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司型材廠， 山西　太原　030003）

經(jīng)驗(yàn)交流

金屬材料失效淺析

王會(huì)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(fā)，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(diǎn)，探討如何預(yù)防常見(jiàn)的金屬材料失效。

金屬材料失效斷裂磨損腐蝕預(yù)防

近年來(lái)，隨著金屬材料越來(lái)越廣泛的運(yùn)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，材料失效問(wèn)題也日顯突出。能否在材料失效問(wèn)題的研究上走在行業(yè)的前列，直接關(guān)系到一個(gè)企業(yè)的信譽(yù)和生存，而如何能夠有效預(yù)防甚至盡可能杜絕材料失效的發(fā)生，已成為眾多企業(yè)重點(diǎn)攻堅(jiān)乃至整個(gè)行業(yè)長(zhǎng)期堅(jiān)定推進(jìn)的方向。

材料失效主要是指機(jī)械構(gòu)件由于尺寸、形狀或材料的組織與性能發(fā)生變化而引起的機(jī)械構(gòu)件不能完滿地完成預(yù)定的功能。材料失效會(huì)導(dǎo)致相關(guān)構(gòu)件不能有效完成預(yù)定功能而導(dǎo)致生產(chǎn)不能繼續(xù)進(jìn)行。在常見(jiàn)的材料失效中，以金屬材料的失效最為司空見(jiàn)慣，造成的損失也頗為巨大，歸納起來(lái)，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(jù)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(fā)生之前會(huì)有明顯的形變量及形變過(guò)程，脆性斷裂則幾乎不存在形變量，斷裂過(guò)程極短，由于其發(fā)生具有突然性所以往往破壞性較大。

在日常生產(chǎn)生活中，最為常見(jiàn)的莫過(guò)于疲勞斷裂。這是指在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力循環(huán)作用下，材料出現(xiàn)斷裂，整個(gè)過(guò)程相對(duì)較為緩慢，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，可以細(xì)分為三個(gè)過(guò)程：首先是裂紋的形成過(guò)程（即所謂的形核），之后是裂紋的逐步擴(kuò)展，最后當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)晶面斷裂；整個(gè)斷裂過(guò)程中，中間裂紋的擴(kuò)展過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)，時(shí)間空間變化是比較明顯的[1]；其次，還有一種常見(jiàn)于試驗(yàn)室的材料斷裂失效模式，專業(yè)術(shù)語(yǔ)稱之為靜載斷裂，通常見(jiàn)到的拉伸斷裂即屬于此種斷裂，相對(duì)于疲勞斷裂而言，生產(chǎn)生活過(guò)程中出現(xiàn)的幾率要小很多，造成的損壞也往往沒(méi)有疲勞斷裂那般巨大。斷裂的斷口多種多樣，試驗(yàn)中的判斷方法也是種類繁多，宏觀斷口和微觀斷口呈現(xiàn)不同的形貌，經(jīng)驗(yàn)豐富的專家可以根據(jù)斷口的形貌特征，逆向推斷出材料的斷裂過(guò)程及斷裂造成的原因，有助于制定相應(yīng)的對(duì)策及措施有效的進(jìn)行預(yù)防及改進(jìn)，減少次斷裂再次發(fā)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(jīng)濟(jì)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(jī)件經(jīng)常在高速、震動(dòng)、超負(fù)荷等工況下工作，機(jī)械之間由于表面摩擦導(dǎo)致材料磨損而最終導(dǎo)致材料失效。如一些齒輪鋼經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摩擦導(dǎo)致嚴(yán)重磨損，不僅造成金屬材料的損耗及能源的消耗，還會(huì)降低機(jī)器和工具的工作效率、精確度甚至使其報(bào)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(dòng)磨損。其中，磨粒磨損最為常見(jiàn)，機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于外界硬質(zhì)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(huì)造成相應(yīng)的磨損，磨損的強(qiáng)弱通常與摩擦強(qiáng)度及摩擦持續(xù)時(shí)間成同向線性關(guān)系，接觸面摩擦力越大，摩擦?xí)r間越長(zhǎng)，磨損會(huì)越嚴(yán)重，反之磨損較弱。為減少由于機(jī)件相互摩擦帶來(lái)的磨損損耗，生產(chǎn)中通常采用以下措施：一是接觸面涂抹潤(rùn)滑油，提高光潔程度，如有條件可將潤(rùn)滑油循環(huán)冷卻保證其溫度較低；二是在不影響正常生產(chǎn)的情況下，用焊機(jī)將機(jī)件焊到一起，減少機(jī)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而減少摩擦，進(jìn)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(guò)探索提高材料的屈服強(qiáng)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(jiàn)，局部腐蝕又可分為應(yīng)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(zhì)相互接觸發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，因此，周圍介質(zhì)的濃度、酸堿度、溫度、壓力、介質(zhì)的導(dǎo)電性等都會(huì)影響材料的被腐蝕程度。

金屬材料除了與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)會(huì)被腐蝕以外，在受到腐蝕應(yīng)力的作用下也會(huì)造成裂紋形成擴(kuò)展并導(dǎo)致最終的材料斷裂。生產(chǎn)中較見(jiàn)的氫脆即為此種斷裂，在極化作用下會(huì)產(chǎn)生很多游離態(tài)和新生態(tài)［H］，這些氫一旦在承受能力較弱的區(qū)域聚集，便會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力作用，從而在此處造成裂紋的出現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程也是相對(duì)較長(zhǎng)的，但是最終斷裂的瞬間是突然的，結(jié)果是不可逆的。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)證明，鋼中含碳量較高時(shí)，出現(xiàn)氫脆的可能性更大。針對(duì)生產(chǎn)中常出現(xiàn)的金屬材料腐蝕失效，比較有效的預(yù)防措施有：一是提升金屬冶煉工藝，保證金屬質(zhì)量；二是通過(guò)熱處理工藝（比如退火），消除殘余內(nèi)應(yīng)力，這是很多鋼鐵企業(yè)普遍采用同時(shí)也是非常有效的辦法；三是通過(guò)一些化學(xué)方法，比如通過(guò)水凈化的措施可以降低水中的氯離子含量，進(jìn)而有效減弱奧氏體鋼的氯脆現(xiàn)象；四是有的企業(yè)采用電化學(xué)方法，通過(guò)外借電位，使金屬點(diǎn)位遠(yuǎn)離應(yīng)力腐蝕相對(duì)比較敏感的區(qū)域。

[1]赫茨伯格.工程材料的變形與斷裂力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]徐松，金屬材料磨損失效及防護(hù)的探討 [J].現(xiàn)代技術(shù)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(xué)出版社，1993.

[4]束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(huì)亮（1986—），男，山西壽陽(yáng)人，本科，助理工程師，現(xiàn)任山西太鋼不銹鋼股份有限公司型材廠技術(shù)員。