關于金屬學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行了探究，以期為相關工作人員提供一定的資料參考。
[關鍵詞]金屬材料；失效；類型；方法
中圖分類號：TU681 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（20XX）45-0254-02
引言
材料失效主要是指機械構建由于尺寸、形狀或者組織材料的性能發生變化導致其不能完成預定功能的現象。材料一旦失效會影響機械設備的整體運行，影響生產。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、合金材料或者機械產品在力的作用下分成若干部分的現象。斷裂失效是動態變化的過程，包括裂紋的萌生和擴展兩個階段。斷裂失效是指機械構件由于斷裂而引起的機械設備產品不能完成原設計所指定的`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準解理斷裂失效；④疲勞斷裂失效；⑤蠕變斷裂失效；⑥應力腐蝕斷裂失效；⑦沿晶斷裂失效；⑧液態或固態金屬脆性斷裂失效；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，外形和尺寸發生變化的現象。變形失效是指機械構件在使用過程中產生過量變形，即不能滿足原設計要求的變形量。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損傷，僅僅是金屬材料的彈性模量產生變化，與尺寸形狀無關，塑形變形失效會導致金屬材料表面出現損傷，形狀和尺寸也會產生一定的變化。
1.3 磨損失效
磨損是物體相對運動時，由于摩擦力的作用導致金屬材料表面逐漸分離出磨削且不斷損傷的現象。磨損失效是指由于磨損現象的發生導致機械零部件達不到原設計水平。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生化學或者電化學反應而引起的損傷現象。在酸洗、化學電源、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巨大。腐蝕失效是指由于腐蝕作用使機械構件喪失原設計功能的現象。腐蝕失效的類型有：①直接化學腐蝕失效；②電化學腐蝕失效；③點腐蝕失效；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、應力腐蝕失效等。
2 失效分析方法
2.1 失效分析理論
機械構件多數是在運行過程中發生斷裂失效的，每當一個零部件斷裂損壞時，它和別的零部件、周圍環境和操作人員等均有著十分密切的關系。查找原因時要從設計水平、材料質量、加工狀態、維修情況、裝配精度、工作環境、服役條件和操作方法等因素中找出造成損壞的主要原因，并根據損壞的原因、機理、類型和階段，進行分析判斷，制定出改進措施。為了取得更好的分析效果，還必須輔以一系列其他的檢驗方法，如無損檢測、機械性能試驗、金相檢驗、化學分析、模擬試驗等。最后將上述分析和試驗的結果與數據進行綜合分析，并提出改進措施，寫出失效分析報告。
2.2 失效分析實踐
上文介紹了金屬材料失效分析的理論，本段以40Cr為例，對失效分析進行更加詳細的描述。
2.2.1 鋼球內部裂紋
異議現象：85mm的40Cr熱軋材經加熱下料、鍛打成型、淬火之后制得半成品鋼球，檢測發現鋼球內部有裂紋。
金相分析：把鋼球剖開，鋼球內部裂紋的宏觀形貌見圖1，裂紋從鋼球的心部相對表面擴展，幾乎整個界面都被貫穿，在鋼球內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，擴展剛勁有力，呈現典型的應力性裂紋擴展特征。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，整個鋼球內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部裂紋擴展的三個區：裂紋源區、過渡區和裂紋擴展區，裂紋源位于鋼球心部。通過對鋼球端口做掃描電鏡分析，發現裂紋源區呈穿晶和沿晶斷口形貌，過渡區呈沿晶和解理斷口形貌，擴展區呈解理斷口形貌，鋼球裂紋源區斷口的形貌呈現典型的氫脆斷裂斷口形貌特征，見圖4-7。
結論：由宏觀檢驗與金相分析可得：首先，在生產鋼球的過程中，由于鋼球的淬火溫度高，淬火后整個鋼球內部晶粒非常粗大，鋼球心部仍然有粗大的馬氏體組織，會形成嚴重的熱應力和組織應力；其次，在生產過程中，原材料沒有經過真空脫氣，材料內部有有少量的氫氣殘余，由于氫脆，鋼球在淬火應力的作用下從心部開裂。
2.2.2 錨具端面心部裂紋
異議現象：40Cr熱軋材經下料、粗車、鉆孔、精加工之后制得半成品錨具，檢測發現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，擴展無方向性，如圖8所示。對粗車后的材料進行酸洗，觀察其端面的低倍形貌，見圖9，在材料心部發現有目視可見的白點和裂紋等缺陷，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象，錨具的心部裂紋是原材料的心部裂紋在機加工后被暴露出來的。
結論：根據宏觀檢驗及金相分析可知，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。
結語
綜上所述，金屬材料在使用過程中，容易內部結構以及外部環境的影響，造成失效。因此，要規范金屬材料制造過程，使用科學的辦法減少其內部殘余應力，創造良好的使用環境，使之在構建的承受范圍內工作，從而減少金屬材料失效，延長使用壽命。
參考文獻
[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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