關(guān)于金屬學(xué)材料失效探微的論文
[摘 要]本文研究了斷裂、變形、磨損、腐蝕四種主要的金屬材料失效形式，并以40Cr為例對金屬材料失效分析進(jìn)行了探究，以期為相關(guān)工作人員提供一定的資料參考。
[關(guān)鍵詞]金屬材料；失效；類型；方法
中圖分類號：TU681 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（20XX）45-0254-02
引言
材料失效主要是指機(jī)械構(gòu)建由于尺寸、形狀或者組織材料的性能發(fā)生變化導(dǎo)致其不能完成預(yù)定功能的現(xiàn)象。材料一旦失效會影響機(jī)械設(shè)備的整體運(yùn)行，影響生產(chǎn)。在常見的材料失效中，最為常見的是金屬材料的失效，金屬材料失效造成的損失也頗為巨大，歸納起來，金屬材料失效主要有四種形式，分別為斷裂失效、變形失效、磨損失效和腐蝕失效。
1 失效的類型
1.1 斷裂失效
斷裂指的是金屬材料、合金材料或者機(jī)械產(chǎn)品在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象。斷裂失效是動(dòng)態(tài)變化的過程，包括裂紋的萌生和擴(kuò)展兩個(gè)階段。斷裂失效是指機(jī)械構(gòu)件由于斷裂而引起的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品不能完成原設(shè)計(jì)所指定的`功能。斷裂失效的類型有以下幾種：①解理斷裂失效；②韌窩破斷失效；③準(zhǔn)解理斷裂失效；④疲勞斷裂失效；⑤蠕變斷裂失效；⑥應(yīng)力腐蝕斷裂失效；⑦沿晶斷裂失效；⑧液態(tài)或固態(tài)金屬脆性斷裂失效；⑨氫脆斷裂失效；⑩滑移分離失效等。
1.2 變形失效
變形是指金屬材料在外力的作用下，外形和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。變形失效是指機(jī)械構(gòu)件在使用過程中產(chǎn)生過量變形，即不能滿足原設(shè)計(jì)要求的變形量。變形失效分為彈性變形失效和塑形變形失效兩種。彈性變形失效在金屬材料表面不會留下?lián)p傷，僅僅是金屬材料的彈性模量產(chǎn)生變化，與尺寸形狀無關(guān)，塑形變形失效會導(dǎo)致金屬材料表面出現(xiàn)損傷，形狀和尺寸也會產(chǎn)生一定的變化。
1.3 磨損失效
磨損是物體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦力的作用導(dǎo)致金屬材料表面逐漸分離出磨削且不斷損傷的現(xiàn)象。磨損失效是指由于磨損現(xiàn)象的發(fā)生導(dǎo)致機(jī)械零部件達(dá)不到原設(shè)計(jì)水平。磨損失效的類型有：①粘著磨損失效；②磨粒磨損失效；③腐蝕磨損失效；④變形磨損失效；⑤表面疲勞磨損失效；⑥沖擊磨損失效；⑦微振磨損失效等。
1.4 腐蝕失效
腐蝕是指金屬材料或者合金材料表面發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)而引起的損傷現(xiàn)象。在酸洗、化學(xué)電源、電解加工等方面金屬腐蝕雖然能起到積極的作用，但是其造成的損失也相當(dāng)巨大。腐蝕失效是指由于腐蝕作用使機(jī)械構(gòu)件喪失原設(shè)計(jì)功能的現(xiàn)象。腐蝕失效的類型有：①直接化學(xué)腐蝕失效；②電化學(xué)腐蝕失效；③點(diǎn)腐蝕失效；④局部腐蝕失效；⑤沿晶腐蝕失效；⑥選擇性腐蝕失效；⑦縫隙腐蝕失效；⑧生物腐蝕失效；⑨磨損腐蝕失效；⑩氫損傷失效、應(yīng)力腐蝕失效等。
2 失效分析方法
2.1 失效分析理論
機(jī)械構(gòu)件多數(shù)是在運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂失效的，每當(dāng)一個(gè)零部件斷裂損壞時(shí)，它和別的零部件、周圍環(huán)境和操作人員等均有著十分密切的關(guān)系。查找原因時(shí)要從設(shè)計(jì)水平、材料質(zhì)量、加工狀態(tài)、維修情況、裝配精度、工作環(huán)境、服役條件和操作方法等因素中找出造成損壞的主要原因，并根據(jù)損壞的原因、機(jī)理、類型和階段，進(jìn)行分析判斷，制定出改進(jìn)措施。為了取得更好的分析效果，還必須輔以一系列其他的檢驗(yàn)方法，如無損檢測、機(jī)械性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、化學(xué)分析、模擬試驗(yàn)等。最后將上述分析和試驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并提出改進(jìn)措施，寫出失效分析報(bào)告。
2.2 失效分析實(shí)踐
上文介紹了金屬材料失效分析的理論，本段以40Cr為例，對失效分析進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。
2.2.1 鋼球內(nèi)部裂紋
異議現(xiàn)象：85mm的40Cr熱軋材經(jīng)加熱下料、鍛打成型、淬火之后制得半成品鋼球，檢測發(fā)現(xiàn)鋼球內(nèi)部有裂紋。
金相分析：把鋼球剖開，鋼球內(nèi)部裂紋的宏觀形貌見圖1，裂紋從鋼球的心部相對表面擴(kuò)展，幾乎整個(gè)界面都被貫穿，在鋼球內(nèi)部裂紋處取樣做金相分析，樣品裂紋的微觀形貌見圖2。裂紋蜿蜒曲折，擴(kuò)展剛勁有力，呈現(xiàn)典型的應(yīng)力性裂紋擴(kuò)展特征。鋼球表面的金相組織為馬氏體組織，心部的金相組織為貝氏體和少量馬氏體組織，整個(gè)鋼球內(nèi)部的晶粒都非常粗大。將鋼球沿著裂紋破壞開，得到斷口，見圖3，從斷口宏觀形貌上可以明顯觀察到鋼球內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的三個(gè)區(qū)：裂紋源區(qū)、過渡區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)，裂紋源位于鋼球心部。通過對鋼球端口做掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)呈穿晶和沿晶斷口形貌，過渡區(qū)呈沿晶和解理斷口形貌，擴(kuò)展區(qū)呈解理斷口形貌，鋼球裂紋源區(qū)斷口的形貌呈現(xiàn)典型的氫脆斷裂斷口形貌特征，見圖4-7。
結(jié)論：由宏觀檢驗(yàn)與金相分析可得：首先，在生產(chǎn)鋼球的過程中，由于鋼球的淬火溫度高，淬火后整個(gè)鋼球內(nèi)部晶粒非常粗大，鋼球心部仍然有粗大的馬氏體組織，會形成嚴(yán)重的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力；其次，在生產(chǎn)過程中，原材料沒有經(jīng)過真空脫氣，材料內(nèi)部有有少量的氫氣殘余，由于氫脆，鋼球在淬火應(yīng)力的作用下從心部開裂。
2.2.2 錨具端面心部裂紋
異議現(xiàn)象：40Cr熱軋材經(jīng)下料、粗車、鉆孔、精加工之后制得半成品錨具，檢測發(fā)現(xiàn)錨具端面的心部有裂紋。
金相分析：裂紋位于錨具端面且靠近心部位置，蜿蜒曲折，擴(kuò)展無方向性，如圖8所示。對粗車后的材料進(jìn)行酸洗，觀察其端面的低倍形貌，見圖9，在材料心部發(fā)現(xiàn)有目視可見的白點(diǎn)和裂紋等缺陷，低倍組織級別為：中心疏松1.5級、一般疏松0.5級、偏析1.0級。在錨具端面心部裂紋處取樣做金相分析，樣品心部裂紋的微觀形貌及附近組織見圖10，裂紋邊緣有少量氧化鐵皮，其周圍無任何脫碳現(xiàn)象，錨具的心部裂紋是原材料的心部裂紋在機(jī)加工后被暴露出來的。
結(jié)論：根據(jù)宏觀檢驗(yàn)及金相分析可知，原材料心部存在目視可見的裂紋是錨具端面存在心部裂紋的主要原因。
結(jié)語
綜上所述，金屬材料在使用過程中，容易內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外部環(huán)境的影響，造成失效。因此，要規(guī)范金屬材料制造過程，使用科學(xué)的辦法減少其內(nèi)部殘余應(yīng)力，創(chuàng)造良好的使用環(huán)境，使之在構(gòu)建的承受范圍內(nèi)工作，從而減少金屬材料失效，延長使用壽命。
參考文獻(xiàn)
[1] 王會亮.金屬材料失效淺析[J].山西冶金，2016，04：114-115.
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