失效分析第2章課件

一、概述

定義：當(dāng)應(yīng)力或溫度引起構(gòu)件可恢復(fù)的彈性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定功能時(shí)，就叫做過量彈性變形失效。零件受機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力作用產(chǎn)生彈性變形，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)胖g服從虎克（Hooke）定律

σ=E·ε(2．1)

2.1過量彈性變形失效一、概述2.1過量彈性變形失效這種變形為彈性變形，是受力作用時(shí)的必然結(jié)果，一般不會(huì)引起麻煩。但在一些精密機(jī)械中，對(duì)零件的尺寸和匹配關(guān)系要求嚴(yán)格，當(dāng)彈性變形超過規(guī)定的限量(在彈性極限以內(nèi))時(shí)，會(huì)造成零件的不正常匹配關(guān)系。例：航天火箭中慣性制導(dǎo)的陀螺元件，如果對(duì)彈性變形問題處理不當(dāng)，就會(huì)因漂移過大而失效。

2.1過量彈性變形失效這種變形為彈性變形，是受力作用時(shí)的必然結(jié)果，一般不會(huì)引起麻煩線膨脹系數(shù)是表征材料熱脹冷縮特性的參數(shù)。不同材料具有不同的線膨脹系數(shù)。如果材料匹配不當(dāng)，在溫度改變時(shí)就可能引發(fā)故障。例：鋼的線膨脹系數(shù)約為12×10－6℃－1，是青銅的一半，如果用2Crl3不銹鋼作軸，用青銅作軸瓦，這樣的結(jié)構(gòu)在常溫下可以很好地工作，但當(dāng)溫度很低時(shí)，就會(huì)因軸的收縮遠(yuǎn)小于軸瓦的收縮而發(fā)生抱軸現(xiàn)象。工作載荷和(或)溫度使零件產(chǎn)生的彈性變形量超過零件匹配所允許的數(shù)值時(shí)，就將導(dǎo)致彈性變形失效。

2.1過量彈性變形失效線膨脹系數(shù)是表征材料熱脹冷縮特性的參數(shù)。不同材料具有不同的線二、特征及判斷方法彈性變形失效的判斷往往比較困難。這是因?yàn)?，雖然應(yīng)力或(和)溫度在工作狀態(tài)下曾引起變形并導(dǎo)致失效，但是在解剖或測(cè)量零件尺寸時(shí)，變形已經(jīng)消失。綜合考慮以下幾個(gè)因素：(1)失效產(chǎn)品是否有嚴(yán)格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫工作經(jīng)歷。

2.1過量彈性變形失效二、特征及判斷方法2.1過量彈性變形失效(2)在失效分析時(shí)，應(yīng)注意觀察在正常工作下相互接觸的配合表面上是否有劃傷、擦痕或磨損等痕跡。(3)在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了彈性變形(包括熱膨脹變形)的影響，并采取了相應(yīng)的措施。

(4)通過計(jì)算來驗(yàn)證是否有彈性變形失效的可能。2.1過量彈性變形失效(2)在失效分析時(shí)，應(yīng)注意觀察在正常工作下相互接觸的配合表面三、防止措施失效的責(zé)任幾乎全部在于設(shè)計(jì)者的考慮不周、計(jì)算錯(cuò)誤或選材不當(dāng)，故防止措施主要應(yīng)從設(shè)計(jì)方面考慮。1．選擇合適的材料或結(jié)構(gòu)如果由機(jī)械應(yīng)力引起的彈性變形是主要問題，則可以根據(jù)具體的要求選用適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

2.1過量彈性變形失效三、防止措施2.1過量彈性變形失效例：宇航慣性制導(dǎo)的陀螺平臺(tái)選用鈹合金制造，就是因?yàn)槠鋸椥阅Ａ扛?，不容易引起彈性變形。鈹?shù)膹椥阅Ａ繛殇X的4倍、鋼的1．5倍。如果考慮到相對(duì)密度，則鈹?shù)谋葎偠葹殇X或鋼的6倍多。在空間允許的情況下，也可以采用增加截面積、降低應(yīng)力水平的辦法來減小彈性變形。如果熱膨脹變形是主要問題，則可以根據(jù)實(shí)際需要采用熱膨脹系數(shù)適合的材料。

2.1過量彈性變形失效例：宇航慣性制導(dǎo)的陀螺平臺(tái)選用鈹合金制造，就是因?yàn)槠鋸椥?．確定適當(dāng)?shù)钠ヅ涑叽?/p>

彈性變形量是可以計(jì)算的，這種尺寸的變化應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。低溫度下工作的機(jī)件，其間隙不僅應(yīng)保證在常溫下正常工作，而且還要確保在低溫下尺寸變化后仍能正常工作。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜、難于計(jì)算的零件可通過試驗(yàn)來解決。

2.1過量彈性變形失效3．采用減少變形影響的轉(zhuǎn)接件在系統(tǒng)中采用軟管等柔性構(gòu)件，可顯著減少彈性變形的有害影響。2．確定適當(dāng)?shù)钠ヅ涑叽?.1過量彈性變形失效3．采用減少一、概述

塑性變形：零件受力后產(chǎn)生的不可恢復(fù)的變形。在零件正常工作時(shí)，塑性變形一般是不允許的，它的出現(xiàn)說明零件受力過大。但也不是出現(xiàn)任何程度的塑性變形都一定導(dǎo)致失效。

屈服失效：當(dāng)受載荷的構(gòu)件產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定功能時(shí)。2.2屈服失效（塑性變形失效）一、概述2.2屈服失效（塑性變形失效）例：由過量塑性變形引起的失效稱為屈服失效，如某廠的洗滌塔為高20.5m、直徑3.5m、壁厚8mm的圓筒結(jié)構(gòu)，用于精洗煤氣。在輸入煤氣前，先用蒸汽沖洗洗滌塔約3min，塔內(nèi)溫度約為70℃。其后，錯(cuò)誤地關(guān)閉了放散閥，又錯(cuò)誤地向塔內(nèi)噴冷水，致使塔內(nèi)冷凝加快形成負(fù)壓。在外部大氣壓力下，塔壁收縮內(nèi)陷，導(dǎo)致從塔頂至底部發(fā)生整體歪扭，中部呈細(xì)頸狀，產(chǎn)生屈服失效。

2.2屈服失效（塑性變形失效）例：2.2屈服失效（塑性變形失效）二、特征及判斷屈服失效的特征：失效件有明顯的塑性變形。判斷：塑性變形很容易鑒別，只要將失效件進(jìn)行測(cè)量或與正常件進(jìn)行比較即可確定。嚴(yán)重的塑性變形(如扭曲、彎曲、薄壁件的凹陷等變形特征)用肉眼即可判別。

2.2屈服失效（塑性變形失效）二、特征及判斷2.2屈服失效（塑性變形失效）兩個(gè)互相接觸的曲面之間，存在有靜壓應(yīng)力，可使匹配的一方或雙方產(chǎn)生局部屈服形成局部的凹陷，嚴(yán)重者會(huì)影響其正常工作，這稱為過載壓痕損傷，是屈服失效的一種特殊形式。

例如：滾珠軸承在開始運(yùn)轉(zhuǎn)前，如果靜載過大，鋼球?qū)喝霛L道，使其型面受到破壞。這樣的軸承在隨后的工作中就會(huì)使振動(dòng)加劇而導(dǎo)致早期失效。過載壓痕損傷：2.2屈服失效（塑性變形失效）兩個(gè)互相接觸的曲面之間，存在有靜壓應(yīng)力，可使匹配的一三、防止和改進(jìn)措施1．降低實(shí)際應(yīng)力

(1)降低工作應(yīng)力。降低工作應(yīng)力可從增加零件的有效截面積和減少工作載荷兩個(gè)方面考慮。準(zhǔn)確地確定零件的工作載荷，正確地進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，合理地選取安全系數(shù)，并注意不要在使用中超載。

2.2屈服失效（塑性變形失效）三、防止和改進(jìn)措施2.2屈服失效（塑性變形失效）(2)減少殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小與工藝因素有關(guān)。應(yīng)根據(jù)零件和材料的具體特點(diǎn)和要求，合理地制定工藝流程，采取相應(yīng)的措施，以便將殘余應(yīng)力控制在最低限度。(3)降低應(yīng)力集中。應(yīng)力集中對(duì)塑性變形和斷裂失效都很重要，這將在后面的章節(jié)作較詳細(xì)說明。

2.2屈服失效（塑性變形失效）(2)減少殘余應(yīng)力。2.2屈服失效（塑性變形失效）2．提高材料的屈服強(qiáng)度

零件的實(shí)際屈服強(qiáng)度與選用的材料、狀態(tài)以及冶金質(zhì)量有關(guān)，因此，必須依據(jù)具體情況合理選材，嚴(yán)格控制材質(zhì)，正確制定和嚴(yán)格控制工藝過程。具體問題要具體分析，要依據(jù)失效分析的結(jié)果有針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施。

2.2屈服失效（塑性變形失效）2．提高材料的屈服強(qiáng)度2.2屈服失效（塑性變形失效）一、概述

塑性斷裂失效：構(gòu)件在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為塑性斷裂失效。當(dāng)零件所受實(shí)際應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形。如果應(yīng)力進(jìn)一步增加，并且該零件與其他零部件的匹配關(guān)系又允許時(shí)，塑性變形將繼續(xù)進(jìn)行，就可能發(fā)生斷裂(破裂)。這種形式的失效稱為塑性斷裂失效。特點(diǎn)：是在零件斷裂之前有一定程度的塑性變形。2.3塑性斷裂失效一、概述2.3塑性斷裂失效2.3塑性斷裂失效2.3塑性斷裂失效二、特征及判斷1．主要特征(1)在裂紋或斷口附近有宏觀塑性變形，或者在塑性變形(截面收縮)處有用肉眼或探傷儀能檢測(cè)出的裂紋。(2)用掃描電鏡觀察，斷口上存在大面積的韌窩。(3)用高倍金相顯微鏡觀察，裂紋或斷口附近的組織有明顯的塑性變形層。

2.3塑性斷裂失效二、特征及判斷2.3塑性斷裂失效2．判斷依據(jù)當(dāng)零件斷裂或出現(xiàn)裂紋，同時(shí)又具有下列特征之一者，可判定為塑性斷裂。(1)有肉眼可見的塑性變形特征，如扭角、撓曲、變粗，頸縮和鼓包等形狀變化。(2)零件表面覆蓋的脆性膜開裂。(3)斷口兩側(cè)不能拼合。(4)裂紋源區(qū)斷口粗糙，呈纖維狀，色澤灰暗。2.3塑性斷裂失效2．判斷依據(jù)2.3塑性斷裂失效三、改進(jìn)措施塑性斷裂的改進(jìn)措施與屈服失效相同，但因斷裂是更為嚴(yán)重的失效，應(yīng)盡可能使塑性變形不繼續(xù)發(fā)展成為斷裂，可以在設(shè)計(jì)上采用變形限位裝置或者增加變形保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)等。

2.3塑性斷裂失效三、改進(jìn)措施2.3塑性斷裂失效一、概述

脆性斷裂失效：構(gòu)件在斷裂前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂形式。斷裂應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，因此稱為低應(yīng)力脆斷。工作條件:高速、高壓、高溫和低溫導(dǎo)致材料的服役條件越來越苛刻。一些大型結(jié)構(gòu)、設(shè)施往往在符合設(shè)計(jì)要求、滿足規(guī)定性能指標(biāo)的條件下，發(fā)生突發(fā)性的斷裂，這種斷裂屬脆性斷裂失效，因事先無預(yù)兆，往往造成嚴(yán)重的損失。2.4脆性斷裂失效一、概述2.4脆性斷裂失效失效分析第2章課件

幾種主要形式：1．低溫脆性斷裂低溫脆性斷裂主要發(fā)生于體心立方和密排六方金屬材料中，這些材料稱為低溫脆性材料，低碳鋼是其典型代表。圖2.1表明溫度對(duì)光滑試樣屈服強(qiáng)度σs和脆性斷裂強(qiáng)度σf，的影響，可見隨溫度降低，σs明顯升高，而σf則無明顯變化。2.4脆性斷裂失效幾種主要形式：2.4脆性斷裂失效2.4脆性斷裂失效2.4脆性斷裂失效σs和σf對(duì)溫度變化敏感性的差異造成了材料在低溫條件下的脆性表現(xiàn)。脆性轉(zhuǎn)變溫度：σs和σf的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度Tk。T<Tk時(shí)，σs>σf，材料表現(xiàn)為脆性斷裂；T>Tk時(shí)，σs<σf

則表現(xiàn)為塑性斷裂。

2.4脆性斷裂失效σs和σf對(duì)溫度變化敏感性的差異造成了材料在低溫條件下的脆性和的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為,為缺口試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度。時(shí)，可見缺口導(dǎo)致材料脆性傾向增加，使脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫推移。

在之間，光滑試樣表現(xiàn)為塑性斷裂，而缺口試樣則表現(xiàn)為脆性斷裂。試樣上存在其他對(duì)變形有約束作用的因素時(shí)，或者試驗(yàn)時(shí)加載速率升高，都可以導(dǎo)致屈服應(yīng)力升高，增加材料脆性傾向，其效果與缺口的影響相當(dāng)。2.4脆性斷裂失效和的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為,為缺口試樣的脆性

脆性轉(zhuǎn)變溫度是低溫脆性材料的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，實(shí)踐也證明，所有零件的低溫脆性斷裂都是在低于其脆性轉(zhuǎn)變溫度的條件下發(fā)生的。防止低溫脆性斷裂，要保證零件的最低工作溫度高于其脆性轉(zhuǎn)變溫度，即

(2．2)

2.4脆性斷裂失效2.4脆性斷裂失效2．含裂紋試樣或零件的低應(yīng)力脆斷近代發(fā)生的大型金屬結(jié)構(gòu)脆性斷裂的分析表明，斷裂起始于結(jié)構(gòu)中的既存裂紋，斷裂以既存裂紋為源。即斷裂力學(xué)問題。斷裂力學(xué)認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)中的裂紋尺寸a與其斷裂應(yīng)力σf存在如下關(guān)系

(2．3)

2.4脆性斷裂失效2．含裂紋試樣或零件的低應(yīng)力脆斷2.4脆性斷裂失效此式表明結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂的臨界條件。

結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力水平越高，發(fā)生脆性斷裂時(shí)的裂紋尺寸越小；結(jié)構(gòu)中含有的既存裂紋尺寸越大，則脆性斷裂時(shí)的應(yīng)力水平越低。

2.4脆性斷裂失效此式表明結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂的臨界條件。2.4脆性斷裂失效I2.4脆性斷裂失效I2.4脆性斷裂失效曲線將坐標(biāo)平面分為兩個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)為安全區(qū)，Ⅱ區(qū)為斷裂區(qū)。將材料的屈服強(qiáng)度也表示在圖中，如圖中水平虛線，二者交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸ac則是裂紋體的重要參數(shù)。當(dāng)a<ac時(shí)，σs<σf，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為塑性斷裂；當(dāng)a>ac時(shí)，σs>σf，則表現(xiàn)為脆性斷裂?？梢奱c是一定應(yīng)力環(huán)境中裂紋體失穩(wěn)的臨界裂紋尺寸，裂紋體的低應(yīng)力脆斷都是在既存裂紋尺寸大于ac，使斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生的。

2.4脆性斷裂失效曲線將坐標(biāo)平面分為兩個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)為安全區(qū)，Ⅱ區(qū)為斷裂區(qū)。將3．冶金缺陷引起的低應(yīng)力脆斷金屬材料在熱加工過程中，有時(shí)因工藝偏差造成組織缺陷，這些含有冶金缺陷的材料在一定條件下也表現(xiàn)為低應(yīng)力脆斷。例如，過熱引起晶粒異常長大，非金屬夾雜物顆粒沿晶界析出；過燒不但引起晶粒粗大而且有晶界熔化、氧化或在晶界形成低熔點(diǎn)共晶；回火脆性引起有害雜質(zhì)元素沿晶界偏聚，減弱了晶界結(jié)合力等。2.4脆性斷裂失效3．冶金缺陷引起的低應(yīng)力脆斷2.4脆性斷裂失效事例（晶粒增大）如某水電站的一臺(tái)水輪機(jī)組，蝸殼外徑4.5m，采用30mm厚的16Mn鋼板，切割后加熱到1200℃熱彎成型。彎曲變形時(shí)各部變形量約8％~10％。在工地上拼焊時(shí)嚴(yán)重開裂。據(jù)分析，變形后，鋼板溫度仍在1100℃，由于形變?cè)俳Y(jié)晶，引起晶粒急劇長大，使脆性轉(zhuǎn)變溫度在室溫以上，焊接時(shí)僅在焊接應(yīng)力作用下足以引起脆斷。2.4脆性斷裂失效事例（晶粒增大）2.4脆性斷裂失效特征：(1)斷裂部位在宏觀上幾乎看不出或者完全沒有塑性變形，碎塊斷口可以拼合復(fù)原。(2)起裂部位常在變截面處即應(yīng)力集中部位，或者存在表面缺陷或內(nèi)部缺陷處。(3)形成平斷口，斷口平面與主應(yīng)力方向垂直。(4)斷口呈細(xì)瓷狀，較光亮，對(duì)著光線轉(zhuǎn)動(dòng)，可看到閃光刻面，無剪切唇。(5)斷裂常發(fā)生于低溫條件下，或受沖擊載荷作用時(shí)。(6)斷裂過程瞬間完成，無預(yù)兆。

二、特征及判斷2.4脆性斷裂失效特征：二、特征及判斷2.4脆性斷裂失效(1)設(shè)計(jì)上應(yīng)保證工作溫度高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，對(duì)在低溫下工作的零件應(yīng)選用脆性轉(zhuǎn)變溫度比工作溫度更低的材料；避免三向應(yīng)力的工作條件，減緩應(yīng)力集中。(2)工藝上應(yīng)正確執(zhí)行工藝規(guī)程，避免諸如過熱、過燒、回火脆性、焊接裂紋及淬火裂紋等。(3)操作上應(yīng)遵守設(shè)計(jì)規(guī)定的使用條件，操作平穩(wěn)，盡量避免沖擊載荷。

三、防止和改進(jìn)措施2.4脆性斷裂失效(1)設(shè)計(jì)上應(yīng)保證工作溫度高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，對(duì)在低溫一、概述

腐蝕：是材料表面與服役環(huán)境發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象。腐蝕失效：構(gòu)件發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能稱為腐蝕失效。危害：直接損失：世界上生產(chǎn)的鋼鐵約有20％-40％因腐蝕失效而報(bào)廢。間接損失：誘發(fā)重大事故，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失甚至人身傷亡。2.5腐蝕失效一、概述2.5腐蝕失效二、分類1.按金屬與介質(zhì)的作用性質(zhì)分化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

(1)化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是金屬表面與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用引起的，其特點(diǎn)是，在腐蝕過程中無電流產(chǎn)生?；瘜W(xué)腐蝕又可分為兩大類：①氣體腐蝕金屬在干燥氣體中發(fā)生的腐蝕，稱為氣體腐蝕。高溫時(shí)，表現(xiàn)為氧化。②在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕金屬在不導(dǎo)電的液體中發(fā)生的腐蝕，例如金屬在有機(jī)液體中的腐蝕。2.5腐蝕失效二、分類2.5腐蝕失效(2)電化學(xué)腐蝕

在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生的腐蝕叫電化學(xué)腐蝕。按照所接觸的環(huán)境不同，電化學(xué)腐蝕可以分成為四種：①大氣腐蝕：在潮濕氣體(如空氣)中進(jìn)行的腐蝕。②土壤腐蝕：埋設(shè)在地下的金屬制品(如管道，電纜等)的腐蝕。③電解質(zhì)溶液中的腐蝕：天然水和大部分水溶液(如海水、酸、堿、鹽的水溶液)對(duì)金屬的腐蝕，這是非常普遍的一種腐蝕形式。④熔融鹽中的腐蝕：金屬在熔融的鹽中發(fā)生的腐蝕，如熱處理用鹽浴爐中金屬電極的腐蝕。

2.5腐蝕失效(2)電化學(xué)腐蝕2.5腐蝕失效2.按腐蝕破壞形式分為均勻腐蝕和局部腐蝕。(1)均勻腐蝕：腐蝕均勻地發(fā)生在整個(gè)表面上。(2)局部腐蝕：腐蝕僅局限于一定區(qū)域內(nèi)，局部腐蝕比均勻腐蝕危害性大得多。

①斑點(diǎn)腐蝕：腐蝕像斑點(diǎn)一樣分布在金屬表面，占面積較大，但不很深。②膿瘡腐蝕：腐蝕部分較深較大的腐蝕形式。

2.5腐蝕失效2.按腐蝕破壞形式分為均勻腐蝕和局部腐蝕。2.5腐蝕失效③點(diǎn)腐蝕：金屬某些地方被腐蝕，成為一些小而深的孔，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生穿孔。④晶間腐蝕：腐蝕沿金屬晶界進(jìn)行，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能的嚴(yán)重?fù)p失。⑤縫隙腐蝕：在金屬與金屬、金屬與非金屬間的縫隙處發(fā)生的腐蝕。⑥穿晶腐蝕：腐蝕破壞沿最大張應(yīng)力發(fā)生的一種腐蝕形式，其特點(diǎn)是腐蝕可以貫穿晶粒本體。⑦選擇腐蝕：多元合金中某一組分，溶解到腐蝕介質(zhì)中去，如黃銅的脫鋅現(xiàn)象。2.5腐蝕失效③點(diǎn)腐蝕：金屬某些地方被腐蝕，成為一些小而深的孔，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)3.腐蝕程度的表示方法(1)均勻腐蝕的腐蝕程度表征用平均腐蝕速度來表示：①由重量的變化來評(píng)定用重量的減少或增加來表示(即單位表面積上，單位時(shí)間內(nèi)的重量變化量，克／米2·小時(shí))。②由腐蝕深度來表示用單位時(shí)間的腐蝕深度來表示腐蝕速度，其單位常用毫米／年。

2.5腐蝕失效3.腐蝕程度的表示方法2.5腐蝕失效(2)局部腐蝕程度表征

由于此類腐蝕是局部的，所以它不能用上述方法來表示，而應(yīng)根據(jù)情況用裂紋擴(kuò)展速率或材料性能降低程度來表示。2.5腐蝕失效(2)局部腐蝕程度表征2.5腐蝕失效1．主要的局部腐蝕

(1)點(diǎn)腐蝕(點(diǎn)蝕)

金屬大部分表面不發(fā)生腐蝕或只發(fā)生輕微的腐蝕，但局部地方出現(xiàn)腐蝕小孔，并向深處發(fā)展的現(xiàn)象稱為點(diǎn)腐蝕，亦稱孔蝕。

三、主要腐蝕失效類型的現(xiàn)象及特征2.5腐蝕失效1．主要的局部腐蝕三、主要腐蝕失效類型的現(xiàn)象及特征2.5點(diǎn)腐蝕易發(fā)生環(huán)境：金屬浸在溶液中或與潮濕環(huán)境(如輸送油、水、氣的鋼管埋在地下，一些化工機(jī)械設(shè)備特別是不銹鋼設(shè)備在氯離子的介質(zhì)中)接觸時(shí)，常發(fā)生點(diǎn)蝕；金屬暴露在大氣中，若金屬表面凝結(jié)有水滴或水膜，也可能發(fā)生點(diǎn)蝕。2.5腐蝕失效點(diǎn)腐蝕易發(fā)生環(huán)境：2.5腐蝕失效點(diǎn)腐蝕原理：點(diǎn)蝕是從表面氧化膜開始的，介質(zhì)中的活性陰離子首先吸附在金屬表面氧化膜的某些點(diǎn)上，并對(duì)膜產(chǎn)生破壞作用。被破壞的地方(陽極)和未被破壞的地方(陰極)形成鈍化--活化電池(即局部電池)。由于陽極面積比陰極面積小得多，故陽極電流密度很大，很快就會(huì)腐蝕成小孔。同時(shí)當(dāng)腐蝕電流流向小孔周圍的陰極時(shí)，又使這一部分受到陰極保護(hù)，繼續(xù)維持鈍態(tài)。溶液中陰離子隨電流流通，向小孔里遷移，在小孔內(nèi)與金屬正離子組成鹽溶液，使小孔底表面保持活化狀態(tài)，由于鹽溶液的水解，使小孔內(nèi)溶液的酸度增加，所以小孔進(jìn)一步腐蝕加深（自催化酸化）。2.5腐蝕失效點(diǎn)腐蝕原理：2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效金屬在介質(zhì)中必須達(dá)到某一臨界電位，即點(diǎn)蝕電位或擊穿電位，才能發(fā)生點(diǎn)蝕。

點(diǎn)蝕電位可通過測(cè)定陽極極化曲線來找到，如圖所示：VC即為點(diǎn)蝕電位(或擊穿電位)。當(dāng)氯離子濃度減少，pH值和溫度降低，在NaCl溶液中加入別種鹽類如Na2S04、Na2S03、NaClO4等，點(diǎn)蝕電位提高。2.5腐蝕失效金屬在介質(zhì)中必須達(dá)到某一臨界電位，即點(diǎn)蝕電位或擊穿電位，2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效防止點(diǎn)蝕的方法

①使金屬電位低于臨界點(diǎn)蝕電位的陰極保護(hù)法。②加緩蝕劑在含有氯化物的介質(zhì)中加入別的陰離子(如OH-或N03-)作為緩蝕劑。③盡可能使腐蝕體系維持在較低的溫度。④保證均勻的氧或氧化劑濃度，避免縫隙存在，將溶液加以攪拌、通氣或循環(huán)。⑤合適的合金化，提高金屬的抗點(diǎn)蝕能力，如奧氏體不銹鋼中添加一定的氮及鉬，即可提高合金的耐蝕能力。2.5腐蝕失效防止點(diǎn)蝕的方法2.5腐蝕失效(2)縫隙腐蝕

零部件的金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成縫隙，且電解質(zhì)可進(jìn)入縫隙而在其中處于停滯狀態(tài)，使縫隙內(nèi)部腐蝕加劇的現(xiàn)象，稱為縫隙腐蝕。（法蘭連接面、螺母壓緊面、銹層、垢層等）原理：認(rèn)為縫隙內(nèi)外的氧濃度差引起的；閉塞電池作用+自催化酸化過程（點(diǎn)蝕）

2.5腐蝕失效(2)縫隙腐蝕2.5腐蝕失效防止縫隙腐蝕的措施：①設(shè)計(jì)時(shí)盡可能避免或減少縫隙。②在縫隙處加填料，塞進(jìn)具有一定彈性、耐久性的填料，防止介質(zhì)進(jìn)入縫隙。③采用抗縫隙腐蝕性能好的合金，如高Ni、Cr、Mo的特殊合金及鈦合金。④陰極保護(hù)。

2.5腐蝕失效防止縫隙腐蝕的措施：2.5腐蝕失效縫隙腐蝕與點(diǎn)腐蝕的聯(lián)系與區(qū)別：聯(lián)系：二者的腐蝕機(jī)理基本相同。（閉塞電池作用+自催化酸化過程）區(qū)別：（條件、過程、形貌）點(diǎn)蝕首先要萌生點(diǎn)蝕核，縫隙腐蝕起源于狹小縫隙。點(diǎn)蝕要由點(diǎn)蝕核成長為點(diǎn)蝕孔，逐漸形成閉塞電池，然后才加速；縫隙則開始就可很快形成閉塞電池而加速腐蝕。點(diǎn)蝕的蝕孔窄而深，縫隙腐蝕的相對(duì)寬而淺。2.5腐蝕失效縫隙腐蝕與點(diǎn)腐蝕的聯(lián)系與區(qū)別：2.5腐蝕失效(3)晶間腐蝕

定義：沿晶界或其附近發(fā)生的腐蝕稱為晶間腐蝕。金屬發(fā)生晶間腐蝕后，機(jī)械性能顯著下降，往往造成災(zāi)難事故，危害極大。不銹鋼、鎳基合金、鋁合金、鎂合金等都存在晶間腐蝕傾向。原理：主要是由于化學(xué)不均勻性引起的，因?yàn)榫Ы缡窃优帕休^為疏松而紊亂的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域容易產(chǎn)生晶界吸附，富集雜質(zhì)原子，也容易發(fā)生沉淀。這都造成了晶界區(qū)的化學(xué)不均勻性，如不銹鋼的晶界腐蝕，就是由于碳化鉻在晶界析出，使晶界貧鉻而成為陽極(小陽極)，而晶粒本身成為陰極(大陰極)，組成局部電池，最后造成晶界腐蝕(晶間腐蝕)。2.5腐蝕失效(3)晶間腐蝕2.5腐蝕失效防止措施：①減少夾雜及有害元素，如目前發(fā)展的超低碳不銹鋼，就是盡量降低含碳量，消除其有害作用。②加入適當(dāng)合金元素，以降低雜質(zhì)和碳等有害元素的作用．如18-8不銹鋼中加Ti和Nb等，以形成穩(wěn)定的TiC、NbC，從而降低了碳的不利影響。③固溶處理。將奧氏體不銹鋼在l050—1100℃加熱，淬火，把已析出的碳化物重新溶入固溶體，可降低晶間腐蝕傾向。④采用復(fù)相不銹鋼。鋼中含有10w％-20w％鐵素體，鐵素體主要沿奧氏體晶界形成，鐵素體中含鉻較高，同時(shí)復(fù)相鋼的晶粒小，這些都降低鋼的晶間腐蝕傾向。2.5腐蝕失效防止措施：2.5腐蝕失效(4)接觸腐蝕

定義：

一對(duì)相接觸的異類金屬(電位不等)浸人電解液中就成為一個(gè)原電池，電位較負(fù)的金屬(陽極)就會(huì)受到電化學(xué)腐蝕，此稱接觸腐蝕，這種情況在實(shí)際機(jī)械設(shè)備，尤其是飛機(jī)、輪船等復(fù)雜的設(shè)備中是很普遍的。2.5腐蝕失效(4)接觸腐蝕2.5腐蝕失效防止措施：在設(shè)計(jì)時(shí)不使具有不同電位的金屬接觸，即在滿足使用性能要求的前提下，使電位相近的金屬接觸。采用表面處理(例如鋼零件鍍鋅，鍍鎘后可與進(jìn)行過氧化的鋁合金零件相接觸)以增加腐蝕電路電阻，降低腐蝕速率。在兩個(gè)必須接觸的金屬間加絕緣襯墊(如纖維紙板、硬橡膠、夾布膠木、膠粘絕緣帶等，但不能用毛氈等吸濕性強(qiáng)的材料)，使之不能產(chǎn)生腐蝕電流，電化學(xué)腐蝕即不能進(jìn)行。

2.5腐蝕失效防止措施：2.5腐蝕失效2．金屬在大氣中的腐蝕

金屬材料和設(shè)備由于大氣中氧和水等的化學(xué)作用或電化學(xué)作用而引起的腐蝕，叫大氣腐蝕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大氣腐蝕的損耗占整個(gè)金屬腐蝕損耗的一半左右。(如：化工廠、石化廠70%金屬工作在大氣中）大氣腐蝕可以分成濕大氣腐蝕(或潮大氣腐蝕)和干大氣腐蝕(只有幾個(gè)分子層的水吸附膜，沒有形成連續(xù)電解質(zhì)溶液膜)。

2.5腐蝕失效2．金屬在大氣中的腐蝕2.5腐蝕失效

(1)金屬大氣腐蝕的過程

當(dāng)金屬與比其溫度高的空氣接觸時(shí)，空氣中的水氣就可能在金屬表面凝結(jié)成水膜。大氣中的CO2、SO2和NO2或鹽類溶解到金屬表面的水膜中去，進(jìn)而形成電解質(zhì)溶液，因此就發(fā)生電化學(xué)腐蝕。2.5腐蝕失效(1)金屬大氣腐蝕的過程2.5腐蝕失效(2)影響大氣腐蝕的因素

①濕度的影響將大氣濕度降低到臨界濕度以下，就可以基本上防止大氣腐蝕。臨界濕度：當(dāng)溫度一定時(shí)，在一定的相對(duì)濕度以下，金屬就不發(fā)生大氣腐蝕或腐蝕很輕微，當(dāng)超過某一濕度時(shí)腐蝕速度大大提高，這種相對(duì)濕度叫臨界濕度。對(duì)鐵、鋼、銅、鎳和鋅來說，臨界濕度一般在50％-70％。2.5腐蝕失效(2)影響大氣腐蝕的因素2.5腐蝕失效②灰塵的影響灰塵具有毛細(xì)管的凝聚作用，金屬表面上有灰塵的地方容易結(jié)露，形成電化學(xué)腐蝕條件，使金屬易受腐蝕。③有害氣體的影響大氣中的CO2、SO2、H2S、NH3、Cl2等氣體進(jìn)入水膜成為電解質(zhì)，同時(shí)本身具有腐蝕性。鐵、鋅、鎘的構(gòu)件表面，因不耐稀硫酸，所以腐蝕更為嚴(yán)重。2.5腐蝕失效②灰塵的影響2.5腐蝕失效(3)防止大氣腐蝕的措施

①可采用有機(jī)的、無機(jī)的或金屬的覆蓋層進(jìn)行隔離。（油漆、塑料、瀝青、電鍍等）②改變大氣性質(zhì)，以降低大氣的有害作用。一是采用降低大氣的相對(duì)濕度到50％以下，其次是應(yīng)用氣相緩蝕劑（如亞硝酸二環(huán)乙胺）。③適當(dāng)合金化，制成耐大氣腐蝕的鋼材如加入少量Cu、P、Ni和Cr等元素，可有效減輕大氣腐蝕。（含Cu鋼，Cu—P、Cu—P—Cr和Cu—P—Cr—Ni系）。2.5腐蝕失效(3)防止大氣腐蝕的措施2.5腐蝕失效3．金屬在土壤中的腐蝕

地下管道由于長期受土壤的腐蝕，可造成很大損失。粘土的腐蝕更嚴(yán)重，并且受腐蝕發(fā)生穿孔的部位，大部分是在管道的下部，腐蝕速度可達(dá)6mm／年，金屬的土壤腐蝕是一種情況復(fù)雜的電化學(xué)腐蝕。影響因素：孔隙度(即透氣性)、導(dǎo)電性、溶解的鹽類、水分、酸堿性和細(xì)菌等。

2.5腐蝕失效3．金屬在土壤中的腐蝕2.5腐蝕失效(1)土壤電阻率的影響電阻率越高，腐蝕性越弱。影響因素：粒徑及分布、含水量、溶解鹽類。粗顆粒(如砂土)電阻大，而細(xì)顆粒(如粘土)電阻小，粘土腐蝕性強(qiáng)。一般說來，土壤電阻率在數(shù)千歐?厘米以上，對(duì)鋼鐵的腐蝕比較輕微。但在海水滲透的洼地和鹽堿地，電阻率很小，為100-300Ωcm，其腐蝕性則很強(qiáng)。

2.5腐蝕失效(1)土壤電阻率的影響2.5腐蝕失效(2)土壤中氧含量的影響

金屬在土壤中的腐蝕受陰極反應(yīng)的支配，氧在金屬的土壤腐蝕中起重要作用：氧主要來源于從地表滲透進(jìn)來的空氣(地下水中溶解的氧很有限)，所以粗顆粒的干燥砂土中氧多，而細(xì)顆粒的潮濕的粘土中含氧則少。含氧較多的土壤接觸的管段(陰極)與含氧較少的土壤接觸的管段(陽極)間組成宏觀電池，在電化學(xué)作用下發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕。

2.5腐蝕失效(2)土壤中氧含量的影響2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效(3)土壤的pH值的影響土壤的pH值越低，腐蝕性越大。(pH=6-7.5中性，7.5-9.5鹽堿性，3-6酸性).當(dāng)pH=4時(shí)，可發(fā)生氫的去極化過程即有氫在陰極上產(chǎn)生：2H++2e→H2↑。當(dāng)土壤中含有大量有機(jī)酸時(shí)，其pH值接近中性，但腐蝕性很強(qiáng)，因此用土壤的總酸度(酸性物質(zhì)總含量)來反映土壤的腐蝕性。

2.5腐蝕失效(3)土壤的pH值的影響2.5腐蝕失效(4)土壤內(nèi)細(xì)菌的影響土壤內(nèi)的細(xì)菌使腐蝕在缺氧條件下得以進(jìn)行。如：硫酸還原菌能將硫酸還有為硫化物。

SO42－+8H＋+8e→S2－+4H2O金屬腐蝕過程中，陰極反應(yīng)中產(chǎn)生氫原子，如果吸附在金屬表面，不繼續(xù)生成氣泡逸出，就造成陰極極化，使腐蝕緩慢，甚至停止下來。由于硫酸還原菌的作用，使陰極去極化。加速了金屬的腐蝕，最后S2－離子和Fe2+離子化合成FeS(黑色)。中性土壤最適宜這種細(xì)菌的繁殖，但當(dāng)土壤中的pH>9時(shí)就不容易繁殖了。

2.5腐蝕失效(4)土壤內(nèi)細(xì)菌的影響2.5腐蝕失效(5)土壤雜散電流的作用地下的導(dǎo)電體因絕緣不良而漏失出來的電流叫雜散電流。雜散電流從土壤流進(jìn)地下管道處(陰極)和雜散電流從地下管道流人土壤處(陽極)構(gòu)成一宏觀電池，加之陽極和陰極各居一方，其產(chǎn)物不能結(jié)合成不溶性物質(zhì)覆蓋在陽極區(qū)金屬表面上，故陽極腐蝕情況更為嚴(yán)重。2.5腐蝕失效(5)土壤雜散電流的作用2.5腐蝕失效上圖為電車軌道，由于和地絕緣不良而產(chǎn)生的雜散電流對(duì)地下管道及金屬構(gòu)筑物的影響。

2.5腐蝕失效上圖為電車軌道，由于和地絕緣不良而產(chǎn)生的雜散電流對(duì)地下管道及4．金屬在海水中的腐蝕

海水是一種天然的電解質(zhì)，常用的大多數(shù)金屬和合金均受其腐蝕。因海水中含有鹽類，生物，泥砂，氣體和腐敗的有機(jī)物，所以影響腐蝕因素的有化學(xué)、物理和生物因素。2.5腐蝕失效4．金屬在海水中的腐蝕2.5腐蝕失效(1)海水中鹽的類型及濃度影響海水中的鹽類主要是氯化物(88.7w％)，其次是硫酸鹽(10.8w％)。鹽度：1000克海水中溶解固體物質(zhì)的總克數(shù)。（3.2w％-3.75w％）鹽度直接影響電導(dǎo)率。電導(dǎo)率是決定金屬腐蝕速度的重要因素，再加上氯離子破壞金屬的鈍化，所以金屬與海水接觸容易受到嚴(yán)重腐蝕。2.5腐蝕失效(1)海水中鹽的類型及濃度影響2.5腐蝕失效(2)海水中含氧量的影響。表層海水中含氧量達(dá)12ML／L，但隨鹽度增加和溫度升高含氧量會(huì)降低，含氧低，腐蝕速度減小。(3)海水溫度的影響。海水溫度越高，腐蝕速度越大，如溫度上升10℃，金屬腐蝕速度增加一倍。(4)海水流速的影響。隨海水運(yùn)動(dòng)速度的增加，腐蝕速度增加。因運(yùn)動(dòng)促使了氧的擴(kuò)散。“磨蝕”和“氣蝕”則和海水運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系更直接、重大。

2.5腐蝕失效(2)海水中含氧量的影響。表層海水中含氧量達(dá)12ML／L，但(5)海洋生物的影響。海洋生物附著在金屬表面，在其縫隙處形成氧濃差電池，而成為陽極腐蝕。目前，抗海水腐蝕的材料有含30w％－40w％Ni、20w％－30w％Cr的合金鋼，銅基合金也有較好的抗海水腐蝕性，鈦合金是最理想的海洋結(jié)構(gòu)材料。2.5腐蝕失效(5)海洋生物的影響。海洋生物附著在金屬表面，在其縫隙處形成四、防止金屬腐蝕的措施

金屬腐蝕主要是由于電化學(xué)腐蝕所致。電化學(xué)腐蝕又主要是由于金屬表面的電化學(xué)不均性，在介質(zhì)環(huán)境條件下形成的原電池作用所引起的。為防止金屬腐蝕而采取的各種措施都是圍繞著不發(fā)生原電池作用而進(jìn)行的。

2.5腐蝕失效四、防止金屬腐蝕的措施2.5腐蝕失效

1．正確選用金屬材料和合理設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)

(1)選材上，根據(jù)使用的具體情況和要求來選擇合適的耐腐蝕材料，要求它既耐腐蝕，又便于加工制造，價(jià)格便宜。(2)設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡可能降低熱應(yīng)力、流體停滯和聚集、局部過熱等，這樣可降低腐蝕速度；避免不同金屬直接接觸，以防止產(chǎn)生接觸腐蝕。2.5腐蝕失效1．正確選用金屬材料和合理設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效2．添加緩蝕劑和去除介質(zhì)中有害成分對(duì)腐蝕介質(zhì)進(jìn)行處理，以降低和消除介質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕作用，主要從兩方面著手：(1)去掉介質(zhì)中的有害成分。如鍋爐用水的去氧處理，除氧可用熱法除氧或化學(xué)除氧法。前者是在減壓下加熱至沸騰，后者是往水中加NaSO3、N2H4(聯(lián)胺)等，通過化學(xué)反應(yīng)去除氧。(2)加入緩蝕劑。緩蝕劑的加人可使腐蝕電流減少，起到緩蝕或止蝕的作用。緩蝕劑又分為陽極緩蝕劑、陰極緩蝕劑和混合型緩蝕劑三種。2.5腐蝕失效2．添加緩蝕劑和去除介質(zhì)中有害成分2.5腐蝕失效3．隔離有害介質(zhì)把金屬和有害介質(zhì)隔離開。辦法有兩類：(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取措施使關(guān)鍵部位和有害環(huán)境隔絕開來。(2)采用各種表面防護(hù)技術(shù)——表面覆蓋層。要使覆蓋層能真正起到保護(hù)作用．就要求覆蓋層：①致密，不能透過介質(zhì)；②和金屬結(jié)合強(qiáng)；③耐蝕性好；④在整個(gè)表層上分布均勻。

2.5腐蝕失效3．隔離有害介質(zhì)2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效4．電化學(xué)保護(hù)

通以電流進(jìn)行極化，以改變金屬－介質(zhì)的電極電位來達(dá)到保護(hù)金屬免受腐蝕的辦法。2.5腐蝕失效陽極保護(hù)：把金屬接到電池正極上通以電流，使其進(jìn)行極化，只對(duì)在氧化性介質(zhì)中能發(fā)生鈍化的金屬有好的效果。陰極保護(hù)：把金屬接到電池的負(fù)極上，通以電流進(jìn)行極化。

4．電化學(xué)保護(hù)2.5腐蝕失效陽極保護(hù)：把金屬接到電池正極(1)陽極保護(hù)

用于某些強(qiáng)腐蝕介質(zhì)（如硫酸、磷酸等），耗電量小。但當(dāng)氯離子含量較大時(shí)，一般不用陽極保護(hù)，因?yàn)樗芫植科茐拟g化膜，并造成嚴(yán)重點(diǎn)蝕。陽極保護(hù)不能保護(hù)設(shè)備的氣相部分，對(duì)液面急劇波動(dòng)的容器不能用陽極保護(hù)。

2.5腐蝕失效(1)陽極保護(hù)2.5腐蝕失效(2)陰極保護(hù)常用于地下管道及其他地下金屬設(shè)備、水中設(shè)備、冷凝器、冷卻器、熱交換器。陰極保護(hù)通過兩種途徑來實(shí)現(xiàn)：①利用外加電流，使整個(gè)表面部分變成陰極，這叫外加電流的陰極保護(hù)。②在要保護(hù)的金屬設(shè)備上連接一個(gè)電位更負(fù)的金屬或合金，這叫做犧牲陽極的陰極保護(hù)。

2.5腐蝕失效(2)陰極保護(hù)2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效2.5腐蝕失效一、概述

應(yīng)力腐蝕:金屬材料在特定的介質(zhì)條件下，受拉應(yīng)力作用，經(jīng)過一定時(shí)間后發(fā)生的裂紋及斷裂現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕開裂是普遍存在的一種失效形式，現(xiàn)已查明，在幾乎所有的金屬材料中都發(fā)生過應(yīng)力腐蝕開裂問題。與疲勞斷裂和脆性斷裂失效一起并稱為當(dāng)今工程斷裂事故的三種主要失效形式。2.6應(yīng)力腐蝕失效一、概述2.6應(yīng)力腐蝕失效二、應(yīng)力腐蝕斷裂的特點(diǎn)

(1)即使是延性材料，其應(yīng)力腐蝕也表現(xiàn)為脆性形式的斷裂。(2)應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，形成的裂縫常被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋；斷裂時(shí)無預(yù)兆，危害較大。(3)應(yīng)力腐蝕斷裂屬于延遲斷裂，斷裂的時(shí)間決定于介質(zhì)條件和應(yīng)力大小。裂紋擴(kuò)展速率介于均勻腐蝕速度和快速機(jī)械斷裂速度之間。(4)引起金屬構(gòu)件應(yīng)力腐蝕斷裂的應(yīng)力一定是拉應(yīng)力。（應(yīng)力腐蝕斷裂臨界應(yīng)力）(5)一定的金屬只在特定的活性介質(zhì)中才發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。2.6應(yīng)力腐蝕失效二、應(yīng)力腐蝕斷裂的特點(diǎn)2.6應(yīng)力腐蝕失效三、應(yīng)力腐蝕評(píng)定方法

由于在不同材料--介質(zhì)系統(tǒng)中，應(yīng)力腐蝕表現(xiàn)的復(fù)雜情況，至今尚無用于評(píng)價(jià)各種應(yīng)力腐蝕的通用方法，工程上的通常做法是模擬工況條件的加速試驗(yàn)方法。常用的應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)參量為恒定應(yīng)力條件下的斷裂時(shí)間tf，或者在指定時(shí)間內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最低應(yīng)力σscc，及應(yīng)力腐蝕的門檻應(yīng)力。評(píng)價(jià)應(yīng)力腐蝕的斷裂力學(xué)參量為在指定時(shí)間內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕的界限應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC。

2.6應(yīng)力腐蝕失效三、應(yīng)力腐蝕評(píng)定方法2.6應(yīng)力腐蝕失效由砝碼通過杠桿系統(tǒng)加載，測(cè)定在確定載荷(起始應(yīng)力)下的斷裂時(shí)間tf，用以比較不同材料料的應(yīng)力腐蝕敏感性。2.6應(yīng)力腐蝕失效1．光滑試樣恒應(yīng)力試驗(yàn)一般認(rèn)為起始應(yīng)力≥O.75σs，在較長時(shí)間內(nèi)不斷裂的材料為應(yīng)力腐蝕不敏感材料。由砝碼通過杠桿系統(tǒng)加載，測(cè)定在確定載荷(起始應(yīng)力)下的斷裂時(shí)σ－tf曲線用σ－tf曲線的漸近線所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平作為門檻應(yīng)力σscc，它表示在一定條件下不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最高應(yīng)力值或發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最低應(yīng)力值。

2.6應(yīng)力腐蝕失效σ－tf曲線2.6應(yīng)力腐蝕失效光滑試樣恒載試驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)：直觀，在研究不同材料的應(yīng)力腐蝕敏感性或研究不同介質(zhì)中材料抗應(yīng)力腐蝕性能或其他因素(如溫度)對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響，以及在篩選材料方面很有價(jià)值。不能作為工程設(shè)計(jì)的計(jì)算依據(jù)。光滑試樣測(cè)得的tf值中包括裂紋萌生和擴(kuò)展的時(shí)間。實(shí)際工程構(gòu)件中，裂紋往往起始于既存缺陷，應(yīng)力腐蝕斷裂過程主要表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展過程。因此20世紀(jì)60年代以后，引入了斷裂力學(xué)試驗(yàn)方法，采用預(yù)裂紋試樣，測(cè)定應(yīng)力腐蝕的斷裂力學(xué)參量和裂紋擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)參量。

2.6應(yīng)力腐蝕失效光滑試樣恒載試驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)：2.6應(yīng)力腐蝕失效2.預(yù)裂紋試樣應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

研究應(yīng)力腐蝕的斷裂力學(xué)試驗(yàn)方法，最早采用的是懸臂梁試驗(yàn)裝置。

2.6應(yīng)力腐蝕失效2.預(yù)裂紋試樣應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)2.6應(yīng)力腐蝕失效試樣起始應(yīng)力強(qiáng)度因子可按下式計(jì)算：式中：M—力矩，M=Pl，P為懸重(N)，

l為臂長度(m)；B—試樣厚度(m)；

W—試樣寬度(m)；為裂紋長度(m)。2.6應(yīng)力腐蝕失效界限應(yīng)力強(qiáng)度因子：指定時(shí)間內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕的強(qiáng)度因子試樣起始應(yīng)力強(qiáng)度因子可按下式計(jì)算：2.6應(yīng)力腐蝕失效界限應(yīng)用多試樣法測(cè)得的如下圖所示。對(duì)鋼隨下降而趨于平緩，一般以100h(或l000h等)不發(fā)生斷裂(裂紋擴(kuò)展)的值作為應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，記作

2.6應(yīng)力腐蝕失效用多試樣法測(cè)得的如下圖所示。對(duì)鋼2.6應(yīng)力腐蝕失效2.6應(yīng)力腐蝕失效四、防止應(yīng)力腐蝕開裂的措施2.6應(yīng)力腐蝕失效合理選擇材料

針對(duì)所受應(yīng)力和使用條件選用耐應(yīng)力腐蝕的材料；盡可能選用界限應(yīng)力強(qiáng)度因子較高的合金，以提高零件抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力。

2.減少或消除零件中的殘余拉應(yīng)力

殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要條件。為此，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量減小零件上的應(yīng)力集中。四、防止應(yīng)力腐蝕開裂的措施2.6應(yīng)力腐蝕失效合理選擇材料3.改善介質(zhì)條件

減少或消除腐蝕開裂的有害化學(xué)離子（氯）；在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑。2.6應(yīng)力腐蝕失效4.采用電化學(xué)保護(hù)

采用外加電位的方法，使金屬在介質(zhì)中的電位遠(yuǎn)離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域，（陰極保護(hù)法、犧牲陽極法）

3.改善介質(zhì)條件2.6應(yīng)力腐蝕失效4.采用電化學(xué)保護(hù)一、概述

氫脆：在應(yīng)力和過量氫的共同作用下使金屬材料塑性、韌性下降的一種現(xiàn)象。金屬中的氫是一種有害元素，只要極少量的氫如0.0001w％(重量)即可導(dǎo)致金屬變脆。引起氫脆的應(yīng)力可以是外加應(yīng)力，也可以是殘余應(yīng)力，金屬中的氫則可能是本來就存在于其內(nèi)部的，也可能是由表面吸附而進(jìn)入其中的。

2.7氫脆失效一、概述2.7氫脆失效金屬，尤其是高強(qiáng)鋼的氫脆斷裂一般表現(xiàn)為延遲斷裂。也存在發(fā)生氫脆的門檻應(yīng)力σth，當(dāng)應(yīng)力σ<σth時(shí)，不再發(fā)生氫脆斷裂。氫脆斷裂發(fā)生在一定的溫度范圍，對(duì)于高強(qiáng)鋼，通常在-100-100℃之間，其間室溫附近氫脆敏感性最大。應(yīng)變率越低，氫脆敏感性越大。材料中氫含量越高，氫脆現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2.7氫脆失效金屬，尤其是高強(qiáng)鋼的氫脆斷裂一般表現(xiàn)為延遲斷裂。也存在發(fā)生氫二、氫脆失效的類型及特征2.7氫脆失效1.白點(diǎn)：又稱發(fā)裂，是由于鋼中存在的過量的氫造成的。鍛件中的氫在鍛后冷卻較快時(shí)，因溶解度的減小而過飽和，并從固溶體中析出。如來不及逸出，便在鋼中的缺陷處聚集并結(jié)合成氫分子，氣體氫在局部形成的壓力逐漸增高，將鋼撕裂，形成微裂紋。沖斷后在斷口上可見銀白色的橢圓形斑點(diǎn)，即所謂白點(diǎn)。二、氫脆失效的類型及特征2.7氫脆失效1.白點(diǎn)：又在鋼的縱向剖面上，白點(diǎn)呈發(fā)紋狀。這種白點(diǎn)在Cr—Ni結(jié)構(gòu)鋼的大鍛件中最為嚴(yán)重。歷史上曾因此造成許多重大事故.防止措施：因此上世紀(jì)初以來對(duì)它的成因及防止方法進(jìn)行了大量而詳盡的研究，并已找出了精煉除氣，鍛后緩冷或等溫退火等工藝方法，以及在鋼中加人稀土或其他微量元素使之減弱或消除。2.7氫脆失效在鋼的縱向剖面上，白點(diǎn)呈發(fā)紋狀。這種白點(diǎn)在Cr—Ni結(jié)構(gòu)鋼的2.氫蝕：如果氫與鋼中的碳發(fā)生反應(yīng)，生成CH4氣體，也可以在鋼中形成高壓，并導(dǎo)致鋼材塑性降低，這種現(xiàn)象稱為氫蝕。石油工業(yè)中的加氫裂化裝置就有可能發(fā)生氫蝕。CH4氣泡的形成必須依附于鋼中夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)。這些第二相質(zhì)點(diǎn)往往存在于晶界上，因此，氫蝕脆化裂紋往往沿晶界發(fā)展，形成晶粒狀斷口。2.7氫脆失效2.氫蝕：2.7氫脆失效CH4的形成和聚集需要一定的時(shí)間，因此氫蝕存在孕育期，并且溫度越高，孕育期越短。鋼發(fā)生氫蝕的溫度為300-500℃。低于200℃時(shí)不發(fā)生氫蝕。防止措施：為了減緩氫蝕，可降低鋼中的含碳量，減少形成CH4的C供應(yīng)，或者加入碳化物形成元素，如Ti、V等，它們形成的穩(wěn)定的碳化物不易分解，可以延長氫蝕的孕育期。

2.7氫脆失效CH4的形成和聚集需要一定的時(shí)間，因此氫蝕存在孕育期，并且溫3.氫化物致脆：在純鈦、α－鈦合金、釩、鋯、鈮及其合金中，氫易形成氫化物，使塑性、韌性降低，產(chǎn)生脆化。氫化物分為兩類：熔融金屬冷凝后，氫的溶解度降低而從過飽和固溶體中析出形成的，稱為自發(fā)形成氫化物；在氫含量較低的情況下，受外拉應(yīng)力作用，使原來基本上是均勻分布的氫逐漸聚集到裂紋前沿或微孔附近等應(yīng)力集中處，當(dāng)其達(dá)到足夠濃度后析出而形成氫化物，稱為應(yīng)力感生氫化物。2.7氫脆失效3.氫化物致脆：在純鈦、α－鈦合金、釩、鋯、鈮及其合金中，氫特點(diǎn)：金屬材料的氫脆敏感性隨溫度降低及試樣缺口的尖銳程度增加而增加。裂紋常沿氫化物與基體的界面擴(kuò)展，因此，在斷口上?？吹綒浠?。氫化物的形狀和分布對(duì)金屬的脆性有明顯影響。若晶粒粗大，氫化物在晶界上成薄片狀，易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，危害較大。若晶粒較細(xì)小，氫化物多呈塊狀不連續(xù)分布，對(duì)氫脆就不太敏感。

2.7氫脆失效特點(diǎn)：2.7氫脆失效4.氫致延滯斷裂由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。這類氫脆是目前工程上所說的大多數(shù)氫脆。原理：高強(qiáng)度鋼或α－β鈦合金中含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，在內(nèi)部特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，并且裂紋逐步擴(kuò)展，最后會(huì)突然發(fā)生脆性斷裂。2.7氫脆失效4.氫致延滯斷裂2.7氫脆失效特點(diǎn)：①只一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強(qiáng)度鋼多出現(xiàn)在-100-150℃之間，而以室溫下最敏感。②提高形變速率，材料對(duì)氫脆的敏感性降低。只有在慢速加載試驗(yàn)中才能顯示這類氫脆。③此類氫脆顯著降低金屬材料的延伸率，但含氫量超過一定數(shù)值后，延伸率不再變化，而斷面收縮率則隨含氫量增加不斷下降，且材料強(qiáng)度越高，面縮率下降得越劇烈。2.7氫脆失效特點(diǎn)：2.7氫脆失效④此類氫脆的裂紋路徑與應(yīng)力大小有關(guān)。40CrNiMo鋼的試驗(yàn)表明，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI較高時(shí)，斷裂為穿晶韌窩型；KI為中等大小時(shí)，斷裂為準(zhǔn)解理與微孔混合型；KI較低時(shí)，斷裂呈沿晶型。2.7氫脆失效④此類氫脆的裂紋路徑與應(yīng)力大小有關(guān)。40CrNiMo鋼的試驗(yàn)三、防止氫脆的措施

1．環(huán)境因素設(shè)法切斷氫進(jìn)入金屬內(nèi)的途徑，或者通過控制這條途徑上的某個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，延緩在這個(gè)環(huán)節(jié)的反應(yīng)速度．使氫不進(jìn)入或少進(jìn)入金屬中。例如：采用表面涂層，使機(jī)件表面與環(huán)境介質(zhì)隔離。還可用在介質(zhì)中加入抑制劑的方法，如在l00w％干燥H2中加入0.6w％O2，由于氧原子優(yōu)先吸附于裂紋頂端阻止氫原子向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，可以有效地抑制裂紋的擴(kuò)展。2.7氫脆失效三、防止氫脆的措施2.7氫脆失效2．力學(xué)因素在機(jī)件設(shè)計(jì)和加工過程中應(yīng)避免各種產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的因素。采用表面處理，使表面獲得殘余壓應(yīng)力層，對(duì)防止氫脆有良好作用。采用氫脆臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子門檻值KIHth值高的材料，并力求使零件服役時(shí)的KI值小于KIHth。

2.7氫脆失效2．力學(xué)因素2.7氫脆失效3．材料因素含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性低。鋼的強(qiáng)度等級(jí)越高，對(duì)氫脆越敏感。因此，對(duì)在含氫介質(zhì)中服役的高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度應(yīng)有所限制。鋼的顯微組織對(duì)氫脆敏感性也有較大影響，一般按下列順序遞增：下貝氏體，回火馬氏體或貝氏體，球化或正火組織。細(xì)化晶?？商岣呖箽浯嗄芰?，冷變形可使氫脆敏感性增大。因此，正確制定鋼的冷熱加工工藝，可以提高機(jī)件抗氫脆性能。

2.7氫脆失效3．材料因素2.7氫脆失效一、概述腐蝕疲勞：是材料在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下產(chǎn)生的一種失效形式。腐蝕疲勞沒有確定的疲勞極限，即使在很低的拉應(yīng)力作用下，也會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞破壞。與機(jī)械疲勞過程相比，裂紋形成期短，裂紋擴(kuò)展速率高，所以腐蝕疲勞的疲勞曲線在機(jī)械疲勞曲線的下方。

2.8腐蝕疲勞失效一、概述2.8腐蝕疲勞失效影響因素：溫度、頻率、介質(zhì)濃度溫度升高，因腐蝕作用加劇而促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。加載頻率降低，因在峰值應(yīng)力時(shí)停留時(shí)間加長，促進(jìn)介質(zhì)較充分地發(fā)揮腐蝕作用而加快裂紋擴(kuò)展。存在一個(gè)“臨界介質(zhì)濃度”，當(dāng)介質(zhì)濃度小于該臨界值時(shí)，介質(zhì)濃度增加可顯著地加快裂紋擴(kuò)展。當(dāng)介質(zhì)濃度大于該臨界值后，介質(zhì)濃度的改變對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響不顯著。

2.8腐蝕疲勞失效影響因素：溫度、頻率、介質(zhì)濃度2.8腐蝕疲勞失效二、提高零件腐蝕疲勞抗力的措施(1)表面感應(yīng)淬火，提高表面層材料強(qiáng)度。(2)噴丸和表面滾壓強(qiáng)化，提高表層材料強(qiáng)度，造成表面殘余壓應(yīng)力狀態(tài)。

2.8腐蝕疲勞失效(3)表面化學(xué)熱處理。如滲碳、氮化、氰化以及表面擴(kuò)散滲金屬如滲鉻、滲碳化鉻等。(4)電鍍表面電鍍Cr，Ni，Cu等高熔點(diǎn)金屬，在鍍層中造成殘余拉應(yīng)力，而且這些金屬相對(duì)于碳鋼來講是陰極，因此鍍這些金屬可降低鋼在腐蝕介質(zhì)中的疲勞強(qiáng)度。二、提高零件腐蝕疲勞抗力的措施2.8腐蝕疲勞失效(3)表面一、概述

磨損失效：由磨損導(dǎo)致的功能喪失。磨損：相互接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體由于機(jī)械、物理和化學(xué)作用，物體表面形狀、尺寸或質(zhì)量發(fā)生變化的過程。分類：氧化磨損、咬合磨損、熱磨損、磨粒磨損、接觸磨損、微動(dòng)損傷。2.9磨損失效一、概述2.9磨損失效二、磨損機(jī)制及行為特征1.氧化磨損機(jī)制：兩零件表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生塑性變形的同時(shí)，由于已形成氧化膜在摩擦接觸點(diǎn)處遭到破壞，緊接著在該處又立即形成新的氧化膜。這樣。便不斷有氧化膜自金屬表面脫落，使零件表面物質(zhì)逐漸損耗，這一過程稱為氧化磨損，是腐蝕磨損的形式之一。2.9磨損失效二、磨損機(jī)制及行為特征2.9磨損失效特點(diǎn)：工程中普遍存在的一種磨損形式。和其他類型磨損比較，氧化磨損具有最小的磨損速度（0.1~0.5μm/h），是工程中惟一允許的磨損。氧化磨損導(dǎo)致的零件失效可認(rèn)為是正常失效。2.9磨損失效特點(diǎn)：2.9磨損失效措施：首先在零件材料選擇、工藝制定創(chuàng)造條件使零件原來會(huì)出現(xiàn)的其他磨損類型轉(zhuǎn)化成為氧化磨損。其次再設(shè)法減少氧化磨損的速度，從而達(dá)到延長零件使用壽命的目的。

2.9磨損失效措施：2.9磨損失效2．咬合磨損(第一類粘著磨損)機(jī)制：咬合磨損是指偶合件表面某些摩擦點(diǎn)處氧化膜被破壞，偶合件之間形成金屬結(jié)合，結(jié)合點(diǎn)的強(qiáng)度分兩種情況：比基金屬強(qiáng)度高(即結(jié)合點(diǎn)處金屬被強(qiáng)化了)，則隨后相對(duì)滑動(dòng)時(shí)基金屬屢遭破壞；比基金屬強(qiáng)度低，則是結(jié)合點(diǎn)遭破壞。這種形式的磨損稱為咬合磨損。2.9磨損失效2．咬合磨損(第一類粘著磨損)2.9磨損失效咬合磨損只發(fā)生在滑動(dòng)摩擦條件下。當(dāng)零件表面缺乏潤滑、相對(duì)滑動(dòng)速度很小(對(duì)鋼<lm／s)，而比壓很大，超過表面實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服極限的時(shí)候，便發(fā)生咬合磨損。

2.9磨損失效咬合磨損只發(fā)生在滑動(dòng)摩擦條件下。當(dāng)零件表面缺乏潤滑、相對(duì)滑動(dòng)3．熱磨損(第二類粘著磨損)滑動(dòng)摩擦?xí)r滑動(dòng)速度很大，比壓也很大時(shí)，將產(chǎn)生大量摩擦熱使?jié)櫥妥冑|(zhì)，并使表層金屬加熱到軟化溫度，在接觸點(diǎn)處發(fā)生局部金屬粘著，出現(xiàn)較大金屬質(zhì)點(diǎn)的撕裂脫離甚至熔化，這種形式的磨損稱為熱磨損。重載和高速零件中表現(xiàn)最多，它是發(fā)展這類機(jī)械中遇到的重大阻礙之一。熱磨損的磨損速度也較大，為1~5μm/h）。

2.9磨損失效3．熱磨損(第二類粘著磨損)2.9磨損失效防止熱磨損有兩個(gè)基本原則：減少摩擦區(qū)形成熱，使摩擦區(qū)的溫度低于金屬和潤滑油熱穩(wěn)定性的臨界溫度（增加水冷或氣冷的結(jié)構(gòu)措施，造成硫的、磷的或氯的非金屬薄膜）。提高金屬熱穩(wěn)定性和潤滑油的熱穩(wěn)定性。選用熱穩(wěn)定性高的合金鋼并進(jìn)行正確的熱處理

2.9磨損失效防止熱磨損有兩個(gè)基本原則：2.9磨損失效4．磨粒磨損磨粒磨損是由于硬質(zhì)點(diǎn)摩擦零件表面引起的。當(dāng)硬質(zhì)點(diǎn)(硬磨粒)在壓力下滑過或滾過一個(gè)表面或者當(dāng)一個(gè)硬表面(包含有硬質(zhì)點(diǎn))擦過另一個(gè)表面時(shí)，就產(chǎn)生磨粒磨損。因?yàn)槟チＤp主要與摩擦區(qū)存在磨粒有關(guān)，所以在各種滑動(dòng)速度與比壓下都可能發(fā)生。磨粒磨損速度主要取決于磨粒性質(zhì)(主要是相對(duì)于被磨金屬的硬度高低)、形狀和大小。2.9磨損失效4．磨粒磨損2.9磨損失效研究表明，磨粒磨損取決于磨粒硬度Ha和金屬硬度Hm之間的相對(duì)高低。于是得到如圖所示的三種不同磨損狀態(tài)(分別對(duì)應(yīng)于圖中I、Ⅱ、Ⅲ區(qū))：

(1)低磨損狀態(tài)Ha<Hm(2)磨損轉(zhuǎn)化狀態(tài)Ha≈Hm(3)高磨損狀態(tài)Ha>Hm這就導(dǎo)致一個(gè)重要結(jié)論：為了減小磨粒磨損量，金屬的硬度Hm應(yīng)比磨粒的硬度Ha約高出0.3倍，即

Hm≈1.3Ha

2.9磨損失效研究表明，磨粒磨損取決于磨粒硬度Ha和金屬硬度Hm之間的相對(duì)2.9磨損失效2.9磨損失效5．接觸疲勞接觸疲勞：零件表面在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下引起的表面疲勞破壞。工程上有許多零件存在接觸疲勞失效，例如齒輪、凸輪、摩擦板、滾動(dòng)軸承、火車輪與鋼軌等。2.9磨損失效5．接觸疲勞2.9磨損失效類型及行為特征：

①裂紋源于次表層的麻點(diǎn)剝落②裂紋源于表層的麻點(diǎn)剝落③裂紋源于硬化層與心部交界處的表層剝落2.9磨損失效類型及行為特征：2.9磨損失效2.9磨損失效2.9磨損失效2.9磨損失效2.9磨損失效6．微動(dòng)損傷(咬蝕)微動(dòng)損傷：兩個(gè)配合面之間由一微小振幅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的表面損傷，包括材料損失、表面形貌變化、表面或亞表層塑性變形或出現(xiàn)裂紋等。常發(fā)生在緊配合件和連接件的配合處，如嵌合聯(lián)接的汽輪機(jī)葉片的葉根部分，螺栓聯(lián)接、鉸連接的連接部分。當(dāng)這些聯(lián)接件在循環(huán)載荷作用和振動(dòng)影響下，其配合面的某些局部區(qū)域發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

2.9磨損失效6．微動(dòng)損傷(咬蝕)2.9磨損失效緊配合軸在反復(fù)彎矩M作用下彎曲，從配合區(qū)A點(diǎn)至邊緣，各點(diǎn)的滑動(dòng)量由零增加至。試驗(yàn)證明，正是這種非常小的相對(duì)微量滑動(dòng)(大致在微米級(jí)，約2~20μm)就足以產(chǎn)生微動(dòng)損傷現(xiàn)象。2.9磨損失效緊配合軸在反復(fù)彎矩M作用下彎曲，從配合區(qū)A點(diǎn)至邊緣，各點(diǎn)的滑一、概述

蠕變失效：金屬零件在應(yīng)力和高溫的長期作用下，緩慢產(chǎn)生永久變形而導(dǎo)致的失效。主要機(jī)理：晶粒沿晶界滑動(dòng)產(chǎn)生形變。材料長時(shí)間處于加熱當(dāng)中或者在熔點(diǎn)附近時(shí)，蠕變產(chǎn)生，且隨著溫度升高而加劇。蠕變失效在高于某一定溫度的條件下才能進(jìn)行。

2.10蠕變失效一、概述2.10蠕變失效2.10蠕變失效2.10蠕變失效第一階段，蠕變速率由快逐漸變緩。第二階段，蠕變速率恒定。這一階段在蠕變的全過程中占據(jù)較大的比例。第三階段，表現(xiàn)為蠕變速率加快，最后導(dǎo)致斷裂。2.10蠕變失效第一階段，蠕變速率由快逐漸變緩。2.10蠕變失效二、特征及判斷永久變形的速度很緩慢?？梢愿鶕?jù)零件的具體工況來分析，是否存在產(chǎn)生蠕變的條件(溫度、應(yīng)力和時(shí)間)。在蠕變斷口的最終斷裂區(qū)上，撕裂嶺不如常溫拉伸斷口上的清晰。斷口附近的晶粒形狀往往不出現(xiàn)拉長的情況，有時(shí)能見到蠕變空洞。2.10蠕變失效二、特征及判斷2.10蠕變失效三、蠕變失效的鑒別方法1．工況差別

需要較高的工作溫度和較長的服役時(shí)間。2．?dāng)嗫谛蚊驳牟顒e塑性斷口上韌窩非常清晰，微孔聚合的部位比較尖銳，呈現(xiàn)白亮線條。蠕變斷口上，微孔聚合的地方比較鈍，沒有明顯的白亮線。蠕變斷口上，有可能看到氧化色，有時(shí)還能見到蠕變孔洞。3．?dāng)嗫诟浇慕鹣嘟M織蠕變多為沿晶斷裂，而塑性斷裂多為穿晶型斷裂。2.10蠕變失效三、蠕變失效的鑒別方法2.10蠕變失效四、提高蠕變抗力的措施1．設(shè)計(jì)方面正確地選擇材料和確定零件尺寸。近年來為適應(yīng)產(chǎn)品的使用溫度和負(fù)載不斷提高的要求，研制出不少新材料，但是能夠提供給設(shè)計(jì)人員使用的蠕變性能數(shù)據(jù)卻不夠充分。在這種情況下，一方面有可能出現(xiàn)由于設(shè)計(jì)的應(yīng)力水平偏高而導(dǎo)致早期失效。另一方面也可能設(shè)計(jì)過于保守，而造成不必要的浪費(fèi)。

2.10蠕變失效四、提高蠕變抗力的措施2.10蠕變失效2．制造方面嚴(yán)格質(zhì)量管理，避免不符合技術(shù)規(guī)范的零件裝配產(chǎn)品，這對(duì)失效周期較長的產(chǎn)品，尤為重要。當(dāng)然，具體的措施應(yīng)在產(chǎn)品服役中的失效分析基礎(chǔ)上形成。3．使用上采用措施超負(fù)荷使用是產(chǎn)生蠕變失效的常見原因，因此在使用中嚴(yán)格控制使用條件，是提高產(chǎn)品壽命和可靠性的最為重要的措施。加強(qiáng)對(duì)正在服役的產(chǎn)品，以及關(guān)鍵零件的質(zhì)量狀況進(jìn)行監(jiān)控，是保證產(chǎn)品可靠性的有效措施。

2.10蠕變失效2．制造方面2.10蠕變失效一、概述

定義：當(dāng)應(yīng)力或溫度引起構(gòu)件可恢復(fù)的彈性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定功能時(shí)，就叫做過量彈性變形失效。零件受機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力作用產(chǎn)生彈性變形，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)胖g服從虎克（Hooke）定律

σ=E·ε(2．1)

2.1過量彈性變形失效一、概述2.1過量彈性變形失效這種變形為彈性變形，是受力作用時(shí)的必然結(jié)果，一般不會(huì)引起麻煩。但在一些精密機(jī)械中，對(duì)零件的尺寸和匹配關(guān)系要求嚴(yán)格，當(dāng)彈性變形超過規(guī)定的限量(在彈性極限以內(nèi))時(shí)，會(huì)造成零件的不正常匹配關(guān)系。例：航天火箭中慣性制導(dǎo)的陀螺元件，如果對(duì)彈性變形問題處理不當(dāng)，就會(huì)因漂移過大而失效。

2.1過量彈性變形失效這種變形為彈性變形，是受力作用時(shí)的必然結(jié)果，一般不會(huì)引起麻煩線膨脹系數(shù)是表征材料熱脹冷縮特性的參數(shù)。不同材料具有不同的線膨脹系數(shù)。如果材料匹配不當(dāng)，在溫度改變時(shí)就可能引發(fā)故障。例：鋼的線膨脹系數(shù)約為12×10－6℃－1，是青銅的一半，如果用2Crl3不銹鋼作軸，用青銅作軸瓦，這樣的結(jié)構(gòu)在常溫下可以很好地工作，但當(dāng)溫度很低時(shí)，就會(huì)因軸的收縮遠(yuǎn)小于軸瓦的收縮而發(fā)生抱軸現(xiàn)象。工作載荷和(或)溫度使零件產(chǎn)生的彈性變形量超過零件匹配所允許的數(shù)值時(shí)，就將導(dǎo)致彈性變形失效。

2.1過量彈性變形失效線膨脹系數(shù)是表征材料熱脹冷縮特性的參數(shù)。不同材料具有不同的線二、特征及判斷方法彈性變形失效的判斷往往比較困難。這是因?yàn)?，雖然應(yīng)力或(和)溫度在工作狀態(tài)下曾引起變形并導(dǎo)致失效，但是在解剖或測(cè)量零件尺寸時(shí)，變形已經(jīng)消失。綜合考慮以下幾個(gè)因素：(1)失效產(chǎn)品是否有嚴(yán)格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫工作經(jīng)歷。

2.1過量彈性變形失效二、特征及判斷方法2.1過量彈性變形失效(2)在失效分析時(shí)，應(yīng)注意觀察在正常工作下相互接觸的配合表面上是否有劃傷、擦痕或磨損等痕跡。(3)在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了彈性變形(包括熱膨脹變形)的影響，并采取了相應(yīng)的措施。

(4)通過計(jì)算來驗(yàn)證是否有彈性變形失效的可能。2.1過量彈性變形失效(2)在失效分析時(shí)，應(yīng)注意觀察在正常工作下相互接觸的配合表面三、防止措施失效的責(zé)任幾乎全部在于設(shè)計(jì)者的考慮不周、計(jì)算錯(cuò)誤或選材不當(dāng)，故防止措施主要應(yīng)從設(shè)計(jì)方面考慮。1．選擇合適的材料或結(jié)構(gòu)如果由機(jī)械應(yīng)力引起的彈性變形是主要問題，則可以根據(jù)具體的要求選用適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

2.1過量彈性變形失效三、防止措施2.1過量彈性變形失效例：宇航慣性制導(dǎo)的陀螺平臺(tái)選用鈹合金制造，就是因?yàn)槠鋸椥阅Ａ扛?，不容易引起彈性變形。鈹?shù)膹椥阅Ａ繛殇X的4倍、鋼的1．5倍。如果考慮到相對(duì)密度，則鈹?shù)谋葎偠葹殇X或鋼的6倍多。在空間允許的情況下，也可以采用增加截面積、降低應(yīng)力水平的辦法來減小彈性變形。如果熱膨脹變形是主要問題，則可以根據(jù)實(shí)際需要采用熱膨脹系數(shù)適合的材料。

2.1過量彈性變形失效例：宇航慣性制導(dǎo)的陀螺平臺(tái)選用鈹合金制造，就是因?yàn)槠鋸椥?．確定適當(dāng)?shù)钠ヅ涑叽?/p>

彈性變形量是可以計(jì)算的，這種尺寸的變化應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。低溫度下工作的機(jī)件，其間隙不僅應(yīng)保證在常溫下正常工作，而且還要確保在低溫下尺寸變化后仍能正常工作。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜、難于計(jì)算的零件可通過試驗(yàn)來解決。

2.1過量彈性變形失效3．采用減少變形影響的轉(zhuǎn)接件在系統(tǒng)中采用軟管等柔性構(gòu)件，可顯著減少彈性變形的有害影響。2．確定適當(dāng)?shù)钠ヅ涑叽?.1過量彈性變形失效3．采用減少一、概述

塑性變形：零件受力后產(chǎn)生的不可恢復(fù)的變形。在零件正常工作時(shí)，塑性變形一般是不允許的，它的出現(xiàn)說明零件受力過大。但也不是出現(xiàn)任何程度的塑性變形都一定導(dǎo)致失效。

屈服失效：當(dāng)受載荷的構(gòu)件產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定功能時(shí)。2.2屈服失效（塑性變形失效）一、概述2.2屈服失效（塑性變形失效）例：由過量塑性變形引起的失效稱為屈服失效，如某廠的洗滌塔為高20.5m、直徑3.5m、壁厚8mm的圓筒結(jié)構(gòu)，用于精洗煤氣。在輸入煤氣前，先用蒸汽沖洗洗滌塔約3min，塔內(nèi)溫度約為70℃。其后，錯(cuò)誤地關(guān)閉了放散閥，又錯(cuò)誤地向塔內(nèi)噴冷水，致使塔內(nèi)冷凝加快形成負(fù)壓。在外部大氣壓力下，塔壁收縮內(nèi)陷，導(dǎo)致從塔頂至底部發(fā)生整體歪扭，中部呈細(xì)頸狀，產(chǎn)生屈服失效。

2.2屈服失效（塑性變形失效）例：2.2屈服失效（塑性變形失效）二、特征及判斷屈服失效的特征：失效件有明顯的塑性變形。判斷：塑性變形很容易鑒別，只要將失效件進(jìn)行測(cè)量或與正常件進(jìn)行比較即可確定。嚴(yán)重的塑性變形(如扭曲、彎曲、薄壁件的凹陷等變形特征)用肉眼即可判別。

2.2屈服失效（塑性變形失效）二、特征及判斷2.2屈服失效（塑性變形失效）兩個(gè)互相接觸的曲面之間，存在有靜壓應(yīng)力，可使匹配的一方或雙方產(chǎn)生局部屈服形成局部的凹陷，嚴(yán)重者會(huì)影響其正常工作，這稱為過載壓痕損傷，是屈服失效的一種特殊形式。

例如：滾珠軸承在開始運(yùn)轉(zhuǎn)前，如果靜載過大，鋼球?qū)喝霛L道，使其型面受到破壞。這樣的軸承在隨后的工作中就會(huì)使振動(dòng)加劇而導(dǎo)致早期失效。過載壓痕損傷：2.2屈服失效（塑性變形失效）兩個(gè)互相接觸的曲面之間，存在有靜壓應(yīng)力，可使匹配的一三、防止和改進(jìn)措施1．降低實(shí)際應(yīng)力

(1)降低工作應(yīng)力。降低工作應(yīng)力可從增加零件的有效截面積和減少工作載荷兩個(gè)方面考慮。準(zhǔn)確地確定零件的工作載荷，正確地進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，合理地選取安全系數(shù)，并注意不要在使用中超載。

2.2屈服失效（塑性變形失效）三、防止和改進(jìn)措施2.2屈服失效（塑性變形失效）(2)減少殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小與工藝因素有關(guān)。應(yīng)根據(jù)零件和材料的具體特點(diǎn)和要求，合理地制定工藝流程，采取相應(yīng)的措施，以便將殘余應(yīng)力控制在最低限度。(3)降低應(yīng)力集中。應(yīng)力集中對(duì)塑性變形和斷裂失效都很重要，這將在后面的章節(jié)作較詳細(xì)說明。

2.2屈服失效（塑性變形失效）(2)減少殘余應(yīng)力。2.2屈服失效（塑性變形失效）2．提高材料的屈服強(qiáng)度

零件的實(shí)際屈服強(qiáng)度與選用的材料、狀態(tài)以及冶金質(zhì)量有關(guān)，因此，必須依據(jù)具體情況合理選材，嚴(yán)格控制材質(zhì)，正確制定和嚴(yán)格控制工藝過程。具體問題要具體分析，要依據(jù)失效分析的結(jié)果有針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施。

2.2屈服失效（塑性變形失效）2．提高材料的屈服強(qiáng)度2.2屈服失效（塑性變形失效）一、概述

塑性斷裂失效：構(gòu)件在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為塑性斷裂失效。當(dāng)零件所受實(shí)際應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形。如果應(yīng)力進(jìn)一步增加，并且該零件與其他零部件的匹配關(guān)系又允許時(shí)，塑性變形將繼續(xù)進(jìn)行，就可能發(fā)生斷裂(破裂)。這種形式的失效稱為塑性斷裂失效。特點(diǎn)：是在零件斷裂之前有一定程度的塑性變形。2.3塑性斷裂失效一、概述2.3塑性斷裂失效2.3塑性斷裂失效2.3塑性斷裂失效二、特征及判斷1．主要特征(1)在裂紋或斷口附近有宏觀塑性變形，或者在塑性變形(截面收縮)處有用肉眼或探傷儀能檢測(cè)出的裂紋。(2)用掃描電鏡觀察，斷口上存在大面積的韌窩。(3)用高倍金相顯微鏡觀察，裂紋或斷口附近的組織有明顯的塑性變形層。

2.3塑性斷裂失效二、特征及判斷2.3塑性斷裂失效2．判斷依據(jù)當(dāng)零件斷裂或出現(xiàn)裂紋，同時(shí)又具有下列特征之一者，可判定為塑性斷裂。(1)有肉眼可見的塑性變形特征，如扭角、撓曲、變粗，頸縮和鼓包等形狀變化。(2)零件表面覆蓋的脆性膜開裂。(3)斷口兩側(cè)不能拼合。(4)裂紋源區(qū)斷口粗糙，呈纖維狀，色澤灰暗。2.3塑性斷裂失效2．判斷依據(jù)2.3塑性斷裂失效三、改進(jìn)措施塑性斷裂的改進(jìn)措施與屈服失效相同，但因斷裂是更為嚴(yán)重的失效，應(yīng)盡可能使塑性變形不繼續(xù)發(fā)展成為斷裂，可以在設(shè)計(jì)上采用變形限位裝置或者增加變形保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)等。

2.3塑性斷裂失效三、改進(jìn)措施2.3塑性斷裂失效一、概述

脆性斷裂失效：構(gòu)件在斷裂前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂形式。斷裂應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，因此稱為低應(yīng)