金屬材料在各種工程應(yīng)用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等。

變形失效

在常溫或溫度不高的情況下的變形失效主要由彈性變形失效和塑性變形失效。彈性變形失效主要是變形過(guò)量或喪失原設(shè)計(jì)的彈性功能，塑性失效一般是變形過(guò)量。在高溫下的變形失效有蠕變失效和熱松弛失效。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1彈性變形失效

在彈性狀態(tài)下，固體材料吸收了加載的能量，依靠原子間距的變化而產(chǎn)生變形，但因未超過(guò)原子之間的結(jié)合力，當(dāng)卸裁時(shí)，全部能量釋放，變形完全消失，恢復(fù)材料的原樣。要有好的彈性，應(yīng)從提高材料的彈性極限及降低彈性模量入手。

金屬?gòu)椥孕巫兊奶攸c(diǎn)：（1）可逆性，金屬材料的彈性變形具有可逆的性質(zhì)，即加載時(shí)，卸載后恢復(fù)到原狀的性質(zhì)；（2）單值性，金屬材料在彈性變形過(guò)程中，不論是加載階段還是卸載階段，只要在緩慢的加載條件下，應(yīng)力與應(yīng)變都保持正比的單值對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，即符合胡克定律；（3）變形量很小，金屬的彈性變形主要發(fā)生在彈性階段，但在塑性階段也伴隨著發(fā)生定量的彈性交形。但兩個(gè)階段彈性變形的總量是很小的，加起來(lái)一般小于0.5%-1.0 %。

構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超過(guò)構(gòu)件匹配所允許的數(shù)值，稱為過(guò)量的彈性變形失效，判斷方法如下：（1）失效的構(gòu)件是否有嚴(yán)格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫的工作條件；（2）注意觀察在正常工作時(shí)，構(gòu)件互相不接觸，而又很靠近的表面上是否有劃傷、擦傷或磨損的痕跡。只要觀察到這種痕跡，而且構(gòu)件停工時(shí)，構(gòu)件相互間仍有間隙，便可作為判斷的依據(jù)；（3）在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了彈性變形的影響及采取了相應(yīng)的措施；（4）通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證是否有過(guò)量彈性變形的可能；（5）由于彈性變形是晶格的變形，可用X射線法測(cè)量金屬在受載時(shí)的晶格常數(shù)的變化驗(yàn)證是否符合要求。

當(dāng)構(gòu)件的彈性變形已不遵循變形可逆性、單值對(duì)應(yīng)性及小變形量的特性時(shí)，則構(gòu)件失去了彈性功能而失效。

過(guò)載、超溫或材料變質(zhì)是構(gòu)件產(chǎn)生彈件變形失效的原因，預(yù)防措施如下：（1）選擇合適的材料或構(gòu)件結(jié)構(gòu)；（2）確定適當(dāng)?shù)臉?gòu)件匹配尺寸或變形的約束條件，對(duì)于拉壓變形的桿柱類(lèi)零件、彎扭變形的軸類(lèi)零件，其過(guò)量的彈性變形都會(huì)因構(gòu)件喪失配合精度導(dǎo)致動(dòng)作失誤，要求精確計(jì)算可能產(chǎn)生的彈性變形及變形約束而達(dá)到適當(dāng)?shù)呐浜铣叽纾唬?）采用減少變形影響的連接件，如皮帶傳動(dòng)、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等。

2塑性變形失效

塑性表示材料中的應(yīng)力超過(guò)屈服極限后，能產(chǎn)生顯著的不可逆變形而未立即破壞的形態(tài)，這種顯著且不可逆的變形稱為塑性變形。通常反映材料塑性性能優(yōu)劣的指標(biāo)是伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率φ。伸長(zhǎng)率和斷而收縮率越高，則塑性越好。金屬的塑性變形一般可看作是晶體的缺陷運(yùn)動(dòng)。

金屬塑性變形的特點(diǎn)：（1）不可逆性，金屬材料的塑性變形不可恢復(fù)，當(dāng)材料應(yīng)力等于或高于屈服極限后產(chǎn)生的變形，在卸裁后，其變形仍然保留在材料內(nèi)。塑性變形的微觀機(jī)制表明，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖使晶體實(shí)現(xiàn)一個(gè)晶面在另一個(gè)晶面上的逐步滑移，宏觀表面是卸載后塑性變形保留至可觀察及測(cè)量；（2）變形量不恒定，金屬是多晶體，各個(gè)晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，各晶粒變形有不同時(shí)性及不均勻性。一個(gè)構(gòu)件在各個(gè)部位的塑性變形量不相同，因而個(gè)別塑性變形量大的部位將出現(xiàn)材料的不連續(xù)（斷裂失效的裂源）；（3）慢速變形，金屬的彈性變形以聲速傳播，但塑性變形的傳播很慢；（4）伴隨材料性能的變化，這主要因?yàn)樗苄宰冃螘r(shí)金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖實(shí)現(xiàn)了晶面的滑移，亞晶結(jié)構(gòu)形成；晶粒歪扭，微裂紋等缺陷產(chǎn)生；如在材料加工中，隨塑性交形量增加，即產(chǎn)生了加工硬化，原因是位錯(cuò)密度增加、位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相互作用及運(yùn)動(dòng)阻力增加，其宏觀表現(xiàn)就是應(yīng)變硬化。

金屬構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形量超過(guò)允許的數(shù)值稱為塑性變形失效，其變形失效判斷以影響構(gòu)件執(zhí)行正常功能為依據(jù)。

材料塑性變形失效的主要原因是過(guò)載，使構(gòu)件的受力過(guò)大，出現(xiàn)影響構(gòu)件使用功能的過(guò)量的塑性變形。過(guò)載不僅是對(duì)構(gòu)件承受的外載荷估計(jì)不足，還應(yīng)該包括偏載引起局部應(yīng)力、復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算誤差及應(yīng)力集中、加工及熱處理產(chǎn)生殘余應(yīng)力、材料微觀不均勻的附加應(yīng)力等因素，使構(gòu)件受力不均，局部區(qū)域的總應(yīng)力超值。

塑性變形失效預(yù)防措施：（1）合理選材，提高金屬材料抵抗塑性變形的能力，除了選擇合適的屈服強(qiáng)度的材料，還要保證金屬材料質(zhì)量，控制組織狀態(tài)及冶金缺陷；（2）準(zhǔn)確地確定構(gòu)件的工作載荷，正確進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，合理選取安全系數(shù)及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集中水平；（3）嚴(yán)格按照加工工藝規(guī)程對(duì)構(gòu)件成形，減少殘余應(yīng)力；（4）嚴(yán)禁構(gòu)件運(yùn)行超載；（5）監(jiān)測(cè)腐蝕環(huán)境構(gòu)件強(qiáng)度尺寸的減小。

3高溫作用下金屬材料的變形失效

金屬構(gòu)件在高溫長(zhǎng)時(shí)間作用下，即使其應(yīng)力值小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)該變形量超過(guò)規(guī)定的要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的塑性變形失效。此時(shí)所稱的高溫為高于0.3Tm（Tm是以絕對(duì)溫度表示的金屬材料的熔點(diǎn)），一般情況下碳鋼構(gòu)件在300℃以上，低合金強(qiáng)度鋼構(gòu)件在400℃以上。

蠕變變形失效

金屬在長(zhǎng)時(shí)間恒溫、恒載荷（即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度）作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂，稱為蠕變斷裂。由蠕變變形和斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速率；提高持久強(qiáng)度，則必須控制晶界的滑動(dòng)和空位擴(kuò)散。

壓力容器的蠕變變形量一般規(guī)定在10^{5h為1%，即蠕變速率為10-7mm/(mm·h)。}

典型的蠕變曲線

第一階段ab為減速蠕變階段又稱過(guò)渡蠕變階段，這一階段開(kāi)始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間延長(zhǎng)蠕變速率逐漸減小，到b點(diǎn)蠕變速率達(dá)到最小值；

第二階段bc為恒速蠕變階段又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率幾乎保持不變。一般所指的金屬蠕變速率，就是以這一階段的蠕變速率ε表示的。

第三階段cd為加速蠕變階段隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸增大，到d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生蠕變斷裂。

斷口宏觀特征

斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋（斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象）；

高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。

斷口微觀特征

冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌

蠕變變形失效也是一種塑性變形失效，有塑性變形失效的特點(diǎn)，但蠕變失效也不一定是過(guò)載，只是載荷大時(shí)，蠕變變形失效的時(shí)間短，恒速蠕變階段蠕變速度大。高溫下不僅有蠕變變形引起的的構(gòu)件外部尺寸的變化，還有金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)特有的變化，導(dǎo)致高溫力學(xué)性能下降、構(gòu)件承載能力降、蠕變速度加快、失效加快。

材料的蠕變性能常采用蠕變極限、持久強(qiáng)度、松弛穩(wěn)定性等力學(xué)性能指標(biāo)。

蠕變極限是金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)，是高溫材料、設(shè)計(jì)高溫下服役機(jī)件的主要依據(jù)之一。蠕變極限（MPa）表示方法有兩種，一種是在規(guī)定溫度下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力；另一種是在規(guī)定溫度和時(shí)間下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定蠕變伸長(zhǎng)率的最大應(yīng)力。

持久強(qiáng)度是指材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能力，即材料在一定溫度和時(shí)間條件下，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力（蠕變極限指材料的變形抗力，持久強(qiáng)度表示材料的斷裂抗力）。某些材料與機(jī)件，蠕變變形很小，只要求在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂（如鍋爐的過(guò)熱蒸汽管）。這時(shí)，就要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料、機(jī)件使用的主要依據(jù)。

應(yīng)力松弛變形失效

材料在恒變形條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可以通過(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來(lái)評(píng)定。剩余應(yīng)力是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。剩余應(yīng)力越高，松弛溫度性越好。

金屬的蠕變是在應(yīng)力不變的條件下，構(gòu)件不斷產(chǎn)生塑性變形的過(guò)程；而金屬的松弛守則是在總變形不變的條件下，構(gòu)件彈性變形不斷轉(zhuǎn)為塑性變形從而使應(yīng)力不斷降低得過(guò)程。

第1階段：開(kāi)始階段應(yīng)力下降很快；

第2階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段；

松弛極限：在一定的初應(yīng)力和溫度下，不再繼續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力。

預(yù)防高溫松弛失效的措施是選用松弛穩(wěn)定性好的材料。對(duì)緊固性構(gòu)件的實(shí)際使用也可以在構(gòu)件使用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行一次或多次再緊固，即在構(gòu)件應(yīng)力松弛到一定程度時(shí)重新緊固，這是經(jīng)濟(jì)而又有效的方法。但要注意到再緊固會(huì)對(duì)松弛性能有所影響，因?yàn)槊窟M(jìn)行一次再緊固，材料都產(chǎn)生應(yīng)變硬化，剩余應(yīng)力有所下降，隨著塑性應(yīng)變的總量增加，材料最終斷裂。

斷裂失效

斷裂是金屬材料在應(yīng)力作用下材料分離為互不相連的兩個(gè)或多個(gè)部分的現(xiàn)象。

金屬材料的斷裂過(guò)程一般有三個(gè)階段， 即裂紋的萌生，裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展，最后是斷裂。金屬構(gòu)件可能在材料制造、構(gòu)件成形或使用階段的不同條件下啟裂、萌生裂紋;并受不同的環(huán)境因素及承載狀態(tài)的影響而使裂紋擴(kuò)展直至斷裂。

金屬構(gòu)件斷裂后，在斷裂部位都有匹配的兩個(gè)斷裂表面，稱為斷口。斷口及其周?chē)粝屡c斷裂過(guò)程有密切相關(guān)的信息。通過(guò)斷口分析可以判斷斷裂的類(lèi)型、斷裂過(guò)程的機(jī)理，從而找出斷裂的原因和預(yù)防斷裂的措施。

1斷裂失效的分類(lèi)

按斷裂前變形程度分類(lèi)，分為韌性斷裂和脆性斷裂。

韌性斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂過(guò)程中吸收了較多的能力，一般是在高于材料屈服應(yīng)力條件下的高能斷裂。

脆性斷裂前的變形量很小，不會(huì)出現(xiàn)明顯的宏觀變形量。斷裂過(guò)程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允許應(yīng)力條件下的低能斷裂。通常材料的塑性變形小于2%~5%的斷裂均可稱為脆性斷裂。

（a）完全韌性斷裂（b）部分韌性斷裂（c）脆性斷裂

按造成斷裂的應(yīng)力類(lèi)型及斷面的宏觀取向與應(yīng)力的相對(duì)位置分類(lèi)，可分為正斷、切斷及混合斷裂。正斷可能是脆性的，也可能是韌性的，而切斷一般總是韌性的。

正斷是指當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的正應(yīng)力分量超過(guò)材料的正斷抗力時(shí)發(fā)生的斷裂。斷裂面垂直于正應(yīng)力或最大的拉伸應(yīng)變方向。

切斷是指當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的切應(yīng)力分量超過(guò)材料在滑移面上的切斷抗力時(shí)發(fā)生的斷裂。斷裂面平行于最大切應(yīng)力或最大切應(yīng)變方向，與最大正應(yīng)力約呈45°交角。

按斷裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展所經(jīng)的途徑分為三類(lèi)：沿晶斷裂、穿晶斷裂及混晶斷裂。

沿晶斷裂是指裂紋沿晶界擴(kuò)展至斷裂，沿晶斷裂多屬于脆性斷裂。

穿晶斷裂是指裂紋的萌生和擴(kuò)展穿過(guò)晶粒內(nèi)部的斷裂。穿晶斷裂可以是韌性的也可以是脆性的。混晶斷裂是指在多晶體金屬材料的斷裂過(guò)程中，多數(shù)是其裂紋的擴(kuò)展既有穿晶型、也有晶間型的混晶斷裂。如馬氏體或回火馬氏體材料的瞬間斷裂。

裂紋擴(kuò)展路徑示意圖

A-沿晶裂紋；B-穿晶裂紋；C-混晶裂紋

按負(fù)荷的性質(zhì)及應(yīng)力產(chǎn)生的原因分為疲勞斷裂和環(huán)境斷裂。

疲勞斷裂是指由于在局部應(yīng)力集中或強(qiáng)度較低部位首先產(chǎn)生裂紋，裂紋隨后擴(kuò)展導(dǎo)致的斷裂。

環(huán)境因素(氣相、液相腐蝕介質(zhì)或氫)的作用引起形變和斷裂的基元過(guò)程，從而導(dǎo)致應(yīng)力脆斷，因而以這種形式破壞失效的現(xiàn)象統(tǒng)稱為環(huán)境斷裂。環(huán)境斷裂具體可分為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(Stress Corrosion Cracking)、氫脆或氫致開(kāi)裂(Hydrogen Induced Cracking)和腐蝕疲勞斷裂(Corrosion Fatigue Cracking)三種。

按微觀斷裂機(jī)制可分為解理斷裂、韌窩斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂及結(jié)合力弱化斷裂。

解理斷裂是在正應(yīng)力作用產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，裂紋沿特定的結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展而導(dǎo)致的穿晶脆斷，但有時(shí)也可沿滑移面或?qū)\晶界分離。解理斷裂常見(jiàn)于體心立方和密排六方金屬及合金，低溫、沖擊載荷和應(yīng)力集中常促使解理斷裂的發(fā)生。面心立方金屬很少發(fā)生解理斷裂。

韌窩斷裂是指在外力作用下因微孔聚集相互連通而造成的斷裂。結(jié)合力弱化斷裂是指裂紋沿著出于各種原因而引起的結(jié)合力弱化所造成的脆弱區(qū)域擴(kuò)展而形成的斷裂。

韌窩

沿晶斷裂

2韌性斷裂

韌性斷裂是指容器、管道在壓力作用下，器壁上產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂。

韌性斷裂是一個(gè)緩慢的斷裂過(guò)程，塑性變形與裂紋成長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行。裂紋萌生及亞穩(wěn)擴(kuò)展阻力大、速度慢，材料在斷裂過(guò)程中需要不斷消耗相當(dāng)多的能量。隨著塑性變形的不斷增加，承載截面積減小，至材料承受的載荷超過(guò)了強(qiáng)度極限σ_b時(shí)，裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界長(zhǎng)度，發(fā)生韌性斷裂。

韌性斷裂有兩種類(lèi)型: 一種是宏觀斷面取向與最大正應(yīng)力相垂直的正斷型斷裂，又稱平面斷裂，這種斷裂出現(xiàn)在形變約束較大的場(chǎng)合，如平面應(yīng)變條件下的斷裂；另一種是攻關(guān)斷面取向與最大切應(yīng)力方向相一致的切斷，即與最大正應(yīng)力約呈45°，又稱斜斷裂，這種斷裂出現(xiàn)在滑移形變不受約束或約束較小的情況，如平面應(yīng)力條件下的斷裂。

韌性斷裂斷口形貌

（1）宏觀形貌

韌性斷裂斷口宏觀形貌

在直徑大的圓棒鋼試樣新斷裂的金屬灰色斷口上能觀察三個(gè)區(qū)：凹凸不平暗灰色且無(wú)光澤的纖維區(qū)、放射線紋理的灰色有光放射區(qū)及平滑絲光的亮灰色剪切唇區(qū)。

纖維區(qū)是材料內(nèi)部處在平面應(yīng)變?nèi)驊?yīng)力作用下啟裂，在試樣中心形成很多小裂紋及裂紋緩慢擴(kuò)展而形成。

纖維區(qū)外顯示出平行于裂紋擴(kuò)展的放射線狀的紋理，這是中心裂紋向四周放射狀快速擴(kuò)展的結(jié)果，該區(qū)稱為放射區(qū)。

當(dāng)裂紋快速擴(kuò)展到試樣表面附近，由于試樣剩余厚度很小，故變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，從而剩余的外圍部分剪切斷裂，斷裂面沿最大切應(yīng)力面和拉伸軸成45°，稱為剪切唇區(qū)。

從韌性斷裂宏觀形貌三區(qū)的特征可分析斷口的類(lèi)型、斷裂的方式及性質(zhì)，有助于判斷失效的機(jī)理及找出失效的原因。根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步評(píng)價(jià)材料的性能。如纖維區(qū)較大，材料的塑性和韌性比較好，如放射區(qū)比較大，則材料的塑性降低，而脆性增大。

斷口三要素

1-纖維區(qū) F；2-放射區(qū) R；3-剪切區(qū)S

（2）微觀形貌

滑斷或純剪切斷口微觀特征：（1）蛇形滑動(dòng)、漣波狀花紋；（2）大的塑性變形后滑移面分離造成；（3）漣波花樣是蛇形滑動(dòng)花樣一步變形而平滑化的結(jié)果；（4）在缺口、纖維裂紋、孔洞等附近區(qū)域在力的作用下可發(fā)生純剪切過(guò)程，其內(nèi)表面出現(xiàn)蛇行滑動(dòng)、漣波等特征。

在某些金屬材料中，尤其是雜質(zhì)、缺陷少的金屬材料，在較大的塑性變形后，沿滑移面剪切分離，因位向不同的晶粒之間的互相約束和牽制，不可能僅僅沿某一個(gè)滑移面滑移，而是沿著許多相互交叉的滑移面滑移，形成起伏彎曲的條紋形貌，一般稱為“蛇行花樣”。

微孔聚集型斷裂的微觀特征：斷口上有大量韌窩。材料在塑性變形時(shí)，在夾雜物、析出物等第二相粒子周?chē)蛴腥毕莸貐^(qū)先出現(xiàn)裂紋，形成微孔，進(jìn)一步塑性變形時(shí)，微孔長(zhǎng)大、聚集、斷裂。

韌窩是指韌性斷裂斷口的微觀形貌呈現(xiàn)出韌窩狀，在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)。根據(jù)受力狀態(tài)的不同，通常可以出現(xiàn)三種不同形態(tài)的韌窩：

（1）在正應(yīng)力(即垂直于斷面的最大主應(yīng)力)的均勻作用下，顯微孔洞沿空間三個(gè)方向上的長(zhǎng)大速度相同，因而形成等軸韌窩。拉伸試樣斷口的杯形底部和錐形頂部由等軸韌窩組成；

（2）在切應(yīng)力(平行于斷面的最大切應(yīng)力)的作用下，塑性變形使顯微孔洞沿切應(yīng)力方向的長(zhǎng)大速度達(dá)到最大，同時(shí)顯微孔被拉長(zhǎng)， 形成拋物線狀或半橢圓狀的韌窩，這時(shí)兩個(gè)的韌窩朝著相反方向，這種韌窩稱為剪切韌窩。剪切韌窩通常出現(xiàn)在拉伸斷口的剪切唇區(qū)。

（3）撕裂應(yīng)力作用下出現(xiàn)伸長(zhǎng)或呈拋物線狀的韌窩，兩個(gè)匹配面上的韌窩朝著相同的方向，稱為撕裂韌窩。撕裂韌窩的方向指向裂紋源，而其反方向則是裂紋的擴(kuò)展方向。剪切韌窩與撕裂韌窩的區(qū)別在于對(duì)應(yīng)的兩個(gè)斷面上，其拋物線韌窩的方向不同，對(duì)剪切韌窩凸向相反，對(duì)撕裂韌窩凸向相同。

韌窩的大小和深淺，決定于材料斷裂時(shí)微孔的核心數(shù)量和材料本身的相對(duì)塑性，如果微孔的核心數(shù)量很多或材料的相對(duì)塑性較低，則韌窩的尺寸較小或較淺；反之，韌窩的尺寸較大或較深。通常韌窩越大越深，材料的塑性越好。韌窩尺寸與夾雜物的大小直接相關(guān)，而正當(dāng)夾雜物呈圓顆粒時(shí)，韌窩呈等軸狀，當(dāng)夾雜物呈條狀時(shí)，韌窩也呈長(zhǎng)條形。

當(dāng)材料含有較多的第二相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物時(shí)，則在形成韌窩過(guò)程中，第二相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物往往存在于韌窩底部，形成的韌窩數(shù)量較多，而且較小。

產(chǎn)生韌性斷裂的影響因素：（1）零件形狀（圓形、板狀、光滑與缺口試樣）；（2）溫度（隨溫度的降低，纖維區(qū)和剪切唇區(qū)減小，放射區(qū)增大）；（3）加載速率（速率越大，放射區(qū)增大）。

3脆性斷裂

脆性斷裂是指容器在破裂時(shí)沒(méi)有宏觀塑性變形，器壁平均應(yīng)力遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，有的甚至低于屈服極限。脆性斷裂的發(fā)生條件：設(shè)備、容器本身存在缺陷或幾何形狀發(fā)生突變；存在一定的應(yīng)力水平；材料的韌性很差。

脆性斷裂的特征

（1）脆性斷裂時(shí)，工作應(yīng)力不高，往往低于材料的屈服點(diǎn)，甚至低于設(shè)計(jì)時(shí)的許用應(yīng)力。

（2）中、低強(qiáng)度鋼的脆性斷裂一般在比較低的溫度下發(fā)生，因此脆性斷裂也稱為“低溫脆性斷裂”。與面心立方金屬比較，體心立方金屬隨溫度的下降，塑性將明顯下降，屈服力升高；

（3）脆性斷裂從金屬構(gòu)件內(nèi)部存在的裂紋作為裂紋源而開(kāi)始。

（4）脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬材料中出現(xiàn)，而面心立方金屬材料在特定的條件下才會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂；

（5）脆性斷裂一般沿低指數(shù)晶面穿晶解理。解理通過(guò)破壞原子的結(jié)合力來(lái)實(shí)現(xiàn)，而密排面之間的原子間隙最大，結(jié)合力最弱，故絕大多數(shù)解理面是原子密排面。

（6）破裂時(shí)無(wú)明顯的塑性變形，破裂之前沒(méi)有或只有局部極小的塑性變形；

（7）斷口宏觀分析呈金屬晶粒狀并有光澤，斷口平直與主應(yīng)力垂直；

（8）在較低溫度發(fā)生，且材料韌性很差。

脆性斷裂的斷口形貌

（1）宏觀形貌

斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，斷口附近無(wú)頸縮；

斷裂表面垂直于最大正應(yīng)力方向；

斷口平齊，無(wú)剪切唇；

斷口上呈現(xiàn)小刻面；

斷裂源點(diǎn)形成“人字條紋”或“山形條紋”

小刻面是指脆性解理斷裂的斷口呈平滑明亮結(jié)晶狀。

根據(jù)斷口人字條紋或山行條紋的圖形可判斷脆性斷裂的裂紋擴(kuò)展方向和尋找斷裂起源點(diǎn)。人字條紋或山行條紋從細(xì)變粗的方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向，相反的方向指向裂紋起源點(diǎn)。

（2）微觀形貌

脆性斷裂的微觀形貌一般分為河流花樣、扇形花樣、舌狀斷口、魚(yú)骨狀花樣；

河流花樣實(shí)際上是斷裂面上的微小解理臺(tái)階在圖像上的表現(xiàn)，河流條紋就是相當(dāng)于各個(gè)解理平面的交割。河流條紋的流向也是裂紋擴(kuò)展的方向，河流的上游是裂紋源。

扇形花樣：以裂紋源為中心單方向徑向擴(kuò)展，在焊接區(qū)沖擊斷口常見(jiàn)。

舌狀花樣：當(dāng)材料的脆性大、溫度低，臨界變形困難，晶體變形以形變孿晶方式進(jìn)行。舌狀花樣在低溫沖擊斷口中易出現(xiàn)。

脆性斷裂的影響因素

（1）應(yīng)力狀態(tài)與缺口效應(yīng)

應(yīng)力狀態(tài)是指構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的類(lèi)型、分布、大小和方向。不同的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)脆性斷裂有不同的影響，如最大拉伸應(yīng)力和最大切應(yīng)力對(duì)形變和斷裂起不同的作用。最大切應(yīng)力促進(jìn)塑性滑移的發(fā)展，是位錯(cuò)移動(dòng)的推動(dòng)力，它對(duì)形變和斷裂的發(fā)生及發(fā)展過(guò)程都產(chǎn)生影響；而最大拉伸應(yīng)力則只促進(jìn)脆性裂紋的擴(kuò)展。因此，最大拉應(yīng)力與最大切應(yīng)力的比值越大，構(gòu)件失效脆性斷裂的可能性越大，在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下比值越大，極易導(dǎo)致脆性斷裂。

在實(shí)際金屬構(gòu)件中，常見(jiàn)由于應(yīng)力分布不均勻而造成三向應(yīng)力狀態(tài)，如構(gòu)件的截面突然變化、小的圓角半徑、預(yù)存裂紋、刀痕、尖銳缺口尖端處往往由應(yīng)力集中而引起應(yīng)力不均勻分布，周?chē)鷧^(qū)域?yàn)榱吮３肿冃螀f(xié)調(diào)，便對(duì)高應(yīng)力區(qū)以約束，即造成三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。這是造成金屬構(gòu)建在靜態(tài)低負(fù)荷下產(chǎn)生脆性斷裂的重要原因。

（2）溫度

低溫下造成構(gòu)件的脆性斷裂是由溫度的改變而引起材料本身的性能變化。隨著溫度的降低，金屬材料屈服應(yīng)力增加，韌性下降，解理應(yīng)力下降；當(dāng)溫度在材料脆性轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，材料的解理應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力，材料的斷裂由原來(lái)的正常韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。

（3）尺寸效應(yīng)

鋼板厚度增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，缺口脆性增加；關(guān)于板厚的脆化原因一般認(rèn)為與冶金質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

（4）焊接質(zhì)量

焊接缺陷一般有夾雜、氣孔、未焊透和焊接裂紋等，而切中焊接裂紋的存在對(duì)焊接構(gòu)件的斷裂起著重要作用。

（5）工作介質(zhì)

金屬構(gòu)件在腐蝕介質(zhì)中，受應(yīng)力（尤其是拉應(yīng)力）作用，同時(shí)又有電化學(xué)腐蝕時(shí)，極易導(dǎo)致早起脆性斷裂；

（6）材料和組織因素

脆性材料、冶金質(zhì)量差、氫脆傾向的材料以及缺口敏感性大的鋼種都能促使發(fā)生脆性斷裂；不良熱處理產(chǎn)生脆性組織狀態(tài)，如組織偏析、脆性相析出、晶間脆性析出物、淬火裂紋、淬火后消除應(yīng)力處理不及時(shí)或不充分等也能促進(jìn)脆性斷裂的發(fā)生。

預(yù)防脆性斷裂的途徑

（1）溫度是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之一， 設(shè)計(jì)者必須考慮構(gòu)件的最低工作溫度應(yīng)高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。若所設(shè)計(jì)的構(gòu)件工作溫度較低，甚至低于該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，則必須降低設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展的水平；若其設(shè)計(jì)應(yīng)力不能降低，則應(yīng)更換材料。選擇韌性更高、脆性轉(zhuǎn)變溫度更低的材料；

（2）設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)，除考慮材料的強(qiáng)度外，還應(yīng)保證材料有足夠的韌性。應(yīng)該從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)選擇材料，若材料有較高的斷裂韌性時(shí)，則構(gòu)件中允許有較大的缺陷存在；

（3）為減少構(gòu)件脆性斷裂，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中減小到最低限度，如減少尖銳角，消除未焊透的焊縫，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)幾何尺寸的連續(xù)性(因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)不連續(xù)的過(guò)渡部位往往使構(gòu)件應(yīng)力集中而形成高應(yīng)力區(qū))；過(guò)渡段的連接應(yīng)采用正確的焊接方法；

（4）盡量減少焊接產(chǎn)生的缺陷。這種設(shè)計(jì)包括選擇適當(dāng)?shù)暮缚p金屬缺口韌性，焊接預(yù)熱和焊后的熱處理制度，適當(dāng)設(shè)計(jì)焊接條件以減少缺陷。

4疲勞斷裂

金屬構(gòu)件在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于金屬材料的抗拉強(qiáng)度，優(yōu)勢(shì)甚至低于屈服極限，但經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)周期后，金屬構(gòu)件會(huì)發(fā)生突然的斷裂，這種斷裂稱為疲勞斷裂，疲勞斷裂是脆性斷裂的一種形式。

疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征

①疲勞負(fù)荷是交變負(fù)荷。

②金屬構(gòu)件在交變負(fù)荷作用下，一次應(yīng)力循環(huán)對(duì)構(gòu)件不產(chǎn)生明顯的破壞作用，不足以使構(gòu)件發(fā)生斷裂。構(gòu)件疲勞斷裂是在負(fù)荷經(jīng)多次循環(huán)以后發(fā)生，高周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)Nf>104，而低周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)較少，一般Nf=102~104。疲勞斷裂應(yīng)力還小于抗拉強(qiáng)度σb，其值也小于屈服點(diǎn)σs。

③疲勞斷裂只可能在有使材料分離扯開(kāi)的反復(fù)拉伸應(yīng)力和反復(fù)切應(yīng)力的情況下出現(xiàn)。純壓縮負(fù)荷不會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂，疲勞起源點(diǎn)往往出現(xiàn)在最大拉應(yīng)力處。

④疲勞斷裂過(guò)程包括疲勞裂紋的萌生、裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。

疲勞裂紋的萌生：大量研究表明，疲勞裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開(kāi)裂引起，主要方式有表面滑移帶形成，第二相、夾雜物或其界面開(kāi)裂，晶界或亞晶界開(kāi)裂及各類(lèi)冶金缺陷、工藝缺陷等。金屬構(gòu)件由于受到交變負(fù)荷的作用，金屬表面晶體在平行于最大切應(yīng)力平面上產(chǎn)生無(wú)拘束相對(duì)滑移，產(chǎn)生了一種復(fù)雜的表面狀態(tài)，常稱為表面的“擠出”和“擠入”現(xiàn)象，當(dāng)金屬表面的滑移帶形成尖銳而狹窄的缺口時(shí)，便產(chǎn)生疲勞裂紋的裂紋源。

疲勞裂紋的擴(kuò)展：疲勞裂紋擴(kuò)展的第一階段為切向擴(kuò)展階段，裂紋尖端將沿著與拉伸軸呈45°方向的滑移面擴(kuò)展。疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段為正向擴(kuò)展階段。在交變應(yīng)變作用下，疲勞裂紋從原來(lái)與拉伸軸呈45°的滑移面，發(fā)展到與拉伸軸呈90°。即由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)，這一階段中最突出的顯微特征是存在大量的、相互平行的條紋，稱為“疲勞輝紋”。

疲勞裂紋在第二階段擴(kuò)展到一定深度后，由于剩余工作截面減小，應(yīng)力逐漸增加，裂紋加速擴(kuò)展。當(dāng)剩余面積小到不足以承受負(fù)荷時(shí)，在交變應(yīng)力作用下，即發(fā)生突然的瞬時(shí)斷裂，其斷裂過(guò)程同單調(diào)加載的情形相似。疲勞斷裂與其他一次負(fù)荷斷裂有所區(qū)別，它是一種累進(jìn)式斷裂。

⑤即使是塑性良好的合金鋼或鋁合金，疲勞斷裂構(gòu)件斷口附近通常也觀察不到宏觀的塑性變形。

疲勞斷裂的斷裂形貌

（1）宏觀形貌

起源區(qū)：即為疲勞裂紋萌生區(qū)。這個(gè)區(qū)域在整個(gè)疲勞斷口中所占的比例很小。通常就是指斷面上疲勞花樣放射源的中心點(diǎn)或疲勞弧線的曲率中心點(diǎn)。疲勞裂紋源一般位于構(gòu)件表面應(yīng)力集中處或不同類(lèi)型的缺陷部位。一般情況下，一個(gè)疲勞斷口有一個(gè)疲勞源。疲勞區(qū)中磨得最亮的地方即是疲勞源（疲勞核心），位于零件強(qiáng)度最低或應(yīng)力最高的地方。

擴(kuò)展區(qū)：在此區(qū)中常可看到有如波浪推趕海岸沙灘而形成的"沙灘花樣"，又稱"貝殼狀條紋"、"疲勞弧帶"等，這種沙灘花樣是疲勞裂紋前沿線間斷擴(kuò)展的痕跡，每一條條帶的邊界是疲勞裂紋在某一個(gè)時(shí)間的推進(jìn)位置，沙灘花樣是由于裂紋擴(kuò)展時(shí)受到障礙，時(shí)而擴(kuò)展、時(shí)而停止，或由于開(kāi)車(chē)停車(chē)、加速減速、加載卸載導(dǎo)致負(fù)荷周期性突變而產(chǎn)生。

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，在交變負(fù)荷作用下裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。拉應(yīng)力使裂紋擴(kuò)張，壓應(yīng)力使裂紋閉合，裂紋兩側(cè)反復(fù)張合，使得疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)在客觀上是一個(gè)明亮的磨光區(qū)，越接近疲勞起源點(diǎn)越光滑。如果在宏觀上觀察到沙灘花樣時(shí)，就可判別這個(gè)斷口是疲勞斷裂。多源疲勞的裂紋擴(kuò)展區(qū)，各個(gè)裂源不一定在一個(gè)平面上，隨著裂紋擴(kuò)展被此相連時(shí)，同的平面間的連接處形成疲勞臺(tái)階或折紋。疲勞臺(tái)階越多，表示其應(yīng)力或應(yīng)力集中越大。

斷裂區(qū)：當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件承載截面減小至強(qiáng)度不足引起瞬時(shí)斷裂，該瞬時(shí)斷裂區(qū)域是最終斷裂區(qū)。最終斷裂區(qū)的斷口形貌較多呈現(xiàn)宏觀的脆性斷裂特征，即粗糙"晶粒"狀結(jié)構(gòu)，其斷口與主應(yīng)力基本垂直。只有當(dāng)材料的塑性很大時(shí)，最終斷裂區(qū)才具有纖維狀的結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)較大的45°剪切唇區(qū)。

（2）微觀形貌

微觀形貌主要分為疲勞輝紋、輪胎壓痕花樣。

①疲勞輝紋是一系列基本上相互平行的條紋，略帶彎曲，呈波浪狀。并與裂紋微觀擴(kuò)展方向相垂直。裂紋的擴(kuò)展方向均朝向波紋凸出的一側(cè)。輝紋的間距在很大程度上與外加交變負(fù)荷的大小有關(guān)，條紋的清洗度則取決于材料的韌性。因此，高應(yīng)力水平比接近疲勞極限應(yīng)力下更易觀察到疲勞輝紋。

②每一條疲勞輝紋表示該循環(huán)下疲勞裂紋擴(kuò)展前沿線在前進(jìn)過(guò)程中的瞬時(shí)微觀位置。裂紋三個(gè)階段有不同的微觀特征：疲勞起源部位由很多細(xì)滑線組成，以后形成致密的條紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，應(yīng)力逐漸增加，疲勞條紋的間距也隨之增加。

③疲勞輝紋可分為韌性輝紋和脆性輝紋兩類(lèi)。脆性疲勞輝紋的形成與裂紋擴(kuò)展中沿某些解理面發(fā)生解理有關(guān)，在疲勞輝紋上可以看到把疲勞輝紋切割成一段段的解理臺(tái)階，因此脆性疲勞輝紋的間距呈不均勻，斷斷續(xù)續(xù)狀。韌性疲勞輝紋較為常見(jiàn)，它的形成與材料的結(jié)晶之間無(wú)明顯關(guān)系，有較大塑性變形，疲勞輝紋的間距均勻規(guī)則。

④疲勞斷口的微觀范圍內(nèi)，通常由許多大小不同、高低不同的小斷片組成。疲勞輝紋均勻分布在斷片上，每一小斷片上的疲勞輝紋連續(xù)且互相平行分布，但相鄰斷片上的疲勞輝紋不連續(xù)、不平行。

⑤疲勞輝紋中每一條輝紋一般代表依次載荷循環(huán)，輝紋的數(shù)目與載荷循環(huán)次數(shù)相等。

⑥輪胎壓痕花樣是由于疲勞斷口的兩個(gè)匹配斷面之間重復(fù)沖擊和相互運(yùn)動(dòng)所形成的機(jī)械損傷，也可能是由于松動(dòng)的自由粒子在匹配斷裂面上作用留下的微觀變形痕跡。輪胎壓痕花樣不是疲勞本身的形態(tài)，但卻是疲勞斷裂的一個(gè)表征方法。

影響疲勞斷裂的因素及其改善的途徑

①構(gòu)件表面狀態(tài)

大量疲勞失效分析表明，疲勞斷裂多數(shù)起源于構(gòu)件的表面或亞表面，這是由于承受交變載荷的構(gòu)件工作時(shí)其表面應(yīng)力往往較高，典型的是彎曲疲勞構(gòu)件表面拉應(yīng)力最大，加上各類(lèi)工藝程序難以確保表面加工質(zhì)量而造成。因此，凡是制造工藝過(guò)程中產(chǎn)生預(yù)生裂紋(如浮火裂紋)、尖銳缺口(如表面祖糙度不符合要求，有加工刀痕等)和任何削弱表面強(qiáng)度的弊病(如表面氧化、脫碳等)都將嚴(yán)重地影響構(gòu)件的疲勞壽命。而且，材料的強(qiáng)度越高，則表面狀態(tài)對(duì)疲勞的影響也越大。

②缺口效應(yīng)與應(yīng)力集中

許多構(gòu)件包含有缺口、螺紋、孔洞、臺(tái)階以及與其相類(lèi)似的表面幾何形狀，也可能有刀痕、機(jī)械劃傷等表面缺陷，這些部位使表面應(yīng)力提高和形成應(yīng)力集中區(qū)，且往往成為疲勞斷裂的起源。

③殘余應(yīng)力

如果構(gòu)件表面存在著殘余拉應(yīng)力，對(duì)疲勞極為不利。但是，如果使構(gòu)件表面誘發(fā)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，則對(duì)抗疲勞大有好處。因?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力起著削減表面拉應(yīng)力數(shù)值的作用。一些表面熱處理工序，如表面淬火、滲碳和氮化；一些機(jī)械加工工序，如噴丸、表面、冷拔、擠壓和拋光都產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力。因此，工程上經(jīng)常采用這些方法來(lái)提高構(gòu)件的疲勞抗力。

④材料的成分和組織

在各類(lèi)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高。在結(jié)構(gòu)鋼中，疲勞強(qiáng)度隨著含碳量增加而增高，鉻、鎳等也有類(lèi)似的效應(yīng)。碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要元素，既可間隙固溶強(qiáng)化基體，又可形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)化，提高鋼材的形變抗力，阻止循環(huán)滑移帶的形成和開(kāi)裂，從而阻止疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，以及提高疲勞強(qiáng)度。其他合金元素主要通過(guò)提高鋼的淬透性和改善鋼的強(qiáng)韌性來(lái)改善疲勞強(qiáng)度。質(zhì)量均勻、無(wú)表面或內(nèi)在連續(xù)性缺陷的材料組織抗疲勞性能好。

⑤工作條件

載荷頻率對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響是其在一定范圍內(nèi)可提高疲勞強(qiáng)度。

低于疲勞極限的應(yīng)力稱為次載。金屬在低于疲勞極限的應(yīng)力下先運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)之后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強(qiáng)化作用稱為次載鍛煉。這種現(xiàn)象可能是由于應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的硬化及局部應(yīng)力集中松弛的結(jié)果。次載應(yīng)力水平越接近疲勞極限，其鍛煉效果越明顯；次載鍛煉的循環(huán)周次越長(zhǎng)，其鍛煉效果越好，但達(dá)到一定循環(huán)周次之后效果就不再提高。

當(dāng)加載應(yīng)力低于并接近疲勞極限時(shí)，間歇加載提高疲勞效果比較明顯，而間歇過(guò)載加載對(duì)疲勞壽命不但無(wú)益，甚至還會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。這種間歇加載影響疲勞強(qiáng)度的規(guī)律，可以指導(dǎo)制訂機(jī)器運(yùn)行操作規(guī)程和檢驗(yàn)規(guī)程。

溫度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響一般是溫度降低，疲勞強(qiáng)度升高；溫度升高，疲勞強(qiáng)度降低。

腐蝕環(huán)境介質(zhì)使構(gòu)件表面產(chǎn)生蝕抗、微裂紋等缺陷，將會(huì)加速疲勞源萌生而促進(jìn)腐蝕疲勞。

磨損失效

磨損是由于機(jī)械作用、化學(xué)反應(yīng)(包括熱化學(xué)、電化學(xué)和力化學(xué)等反應(yīng))，材料表面物質(zhì)不斷損失或產(chǎn)生殘余變形和斷裂的現(xiàn)象。磨損是發(fā)生在物體上的一種表面現(xiàn)象，其接觸表面必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。磨損必然產(chǎn)生物質(zhì)損耗(包括材料轉(zhuǎn)移)，而且它是具有時(shí)變特征的漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

磨損按磨損機(jī)理可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損，按環(huán)境介質(zhì)可分為干磨損、濕磨損、流體磨損。

1磨料磨損

外界硬顆粒或者對(duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過(guò)程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象, 稱為磨粒磨損（又稱磨料磨損）。磨粒是摩擦表面互相摩擦產(chǎn)生或由介質(zhì)帶入摩擦表面。

磨粒磨損是最普遍的一種形式，主要出現(xiàn)在采礦、鉆探、建筑、運(yùn)輸與農(nóng)業(yè)等機(jī)械相關(guān)零部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)中磨粒磨損造成的損失約占總的50%左右。

磨料磨損示意圖

按力的作用特點(diǎn)劃分為劃傷式磨損、碾碎式磨損和鑿削式磨損。

劃傷式磨損屬于低應(yīng)力磨損。低應(yīng)力的含義是指磨料與構(gòu)件表面之間的作用力小于磨料本身壓潰強(qiáng)度。

碾碎式磨損屬于高應(yīng)力磨損。當(dāng)磨料與構(gòu)件表面之間接觸壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度時(shí)，磨粒被壓碎，一般金屬材料表面被劃傷，韌性材料產(chǎn)生塑性變形或疲勞，脆性材料則發(fā)生碎裂或剝落。

鑿削式磨損的產(chǎn)生主要是由于磨料中包含大塊磨粒，而且具有尖銳棱角，對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行沖擊式的高應(yīng)力作用，使構(gòu)件表面撕裂出很大的顆粒或碎塊，表面形成較深的坑。這種磨損常在運(yùn)輸或破碎大塊磨料時(shí)發(fā)生，典型實(shí)例如顎式破碎機(jī)的齒板、輾輥等。

磨粒磨損的影響因素

磨礪磨損的改善措施：（1）對(duì)于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度；（2）根據(jù)機(jī)件的服役條件，合理選擇相應(yīng)的耐磨材料；（3）采用滲碳、滲氮共滲等化學(xué)熱處理提高表面硬度；（4）機(jī)件的防塵和清洗。

2粘著磨損

當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí), 由于粘著效應(yīng)所形成結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，此類(lèi)磨損稱為粘著磨損。

粘著磨損的特征是磨損表面有細(xì)的劃痕，沿滑動(dòng)方向可能形成膠體的裂口。最突出的特征是表層金相組織和化學(xué)成分均有明顯變化。磨損產(chǎn)物多為片狀或小顆粒。

粘著磨損示意圖

根據(jù)粘合強(qiáng)度、金屬本體強(qiáng)度與切應(yīng)力三者之間的不同關(guān)系，可以把粘著磨損分為四類(lèi)：

粘著磨損的影響因素

（1）摩擦副材料性質(zhì)的影響

脆性材料比塑料材料的抗粘著能力高；

相同金屬或互溶性大的材料摩擦副易發(fā)生粘著磨損，反之則不易發(fā)生粘著磨損；

多相金屬也不容易發(fā)生粘著磨損；

表面處理可以減小粘著磨損；

硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強(qiáng)。

（2）載荷與速度的影響

載荷增加——粘著磨損加劇，但有臨界載荷；

在壓力一定的情況下，粘著磨損隨滑動(dòng)速度的增加而增加，在達(dá)到某一極大值后，又隨著滑動(dòng)速度的增加而減少。

（3）表面溫度的影響

表面溫度升高可使?jié)櫥なВ共牧嫌捕认陆担Σ帘砻嫒菀桩a(chǎn)生粘著磨損。

（4）潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂的影響

在潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤(rùn)滑油膜吸附能力及油膜強(qiáng)度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。

3沖蝕磨損

沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。

根據(jù)顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同，沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕和氣蝕等。

造成沖蝕的粒子通常都比被沖蝕的材料的硬度大。沖蝕磨損與腐蝕磨損的區(qū)別是前者對(duì)材料表面的破壞主要是機(jī)械力作用引起，腐蝕磨損只是第二位的因素；而腐蝕磨損則是在腐蝕介質(zhì)中摩擦副的磨損，是腐蝕和磨損綜合作用的結(jié)果。

沖蝕磨損的影響因素

（1）沖蝕粒子

粒度對(duì)沖蝕磨損有明顯有對(duì)沖蝕磨損有明顯的影響， 一般粒子只寸在20-200μm 范圍內(nèi)，材料磨損率隨粒子尺寸增大而上升。當(dāng)粒子尺寸增加到某一臨界值時(shí)，材料的磨損率幾乎不變或變化緩慢，這一現(xiàn)象稱為"尺寸效應(yīng)" 。粒子的形狀也有很大影響，尖角形粒子與圓形粒子比較，在相同條件下，都是45°沖擊角時(shí)，多角形粒子比圓形粒子的磨損大4倍，甚至低硬度的多角形粒子比較高硬度的圓形粒子產(chǎn)生的磨損還要大。粒子的硬度和可破碎性對(duì)沖蝕率有影響，因?yàn)榱Ｗ悠扑楹髸?huì)產(chǎn)生二次沖蝕。

（2）攻角

材料的沖蝕率和粒子的攻角有密切關(guān)系。當(dāng)粒子攻角為20°~30°時(shí)，典型的塑性材料沖蝕率達(dá)最大值，而脆性材料最大沖蝕率出現(xiàn)在攻角接近90°處。攻角與沖蝕率關(guān)系幾乎不隨入射粒子種類(lèi)、形狀及速度而改變。

（3）速度

粒子的速度存在一個(gè)門(mén)檻值，低于門(mén)檻值，粒子與靶面之間只出現(xiàn)彈性碰撞而觀察不到破壞，即不發(fā)生沖蝕。速度門(mén)檻值與粒子尺寸和材料有關(guān)。

（4）沖蝕時(shí)間

沖蝕磨損存在一個(gè)較長(zhǎng)的潛伏期或孕育期，磨粒沖擊靶面后先使表面粗糙，產(chǎn)生加工硬化，此時(shí)未發(fā)生材料流失，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的損傷積累后才逐步產(chǎn)生沖蝕磨損。

（5）環(huán)境溫度

溫度對(duì)沖濁磨損的影響比較復(fù)雜，有些材料在沖蝕磨損中隨溫度升高磨損率上升；但也有些材料隨溫度升高磨損有所減少，這可能是高溫時(shí)形成的氧化膜提高了材料的抗沖蝕磨損能力，也有可能是溫度升高，材料塑性增加，抗沖蝕性能提高。

（6）靶材

靶材除本身的性質(zhì)以外，還與磨粒的幾何形狀、尺寸、硬度、攻角、速度和溫度等條件密切相關(guān)。

4微動(dòng)磨損

微動(dòng)磨損指受壓配合面在微小幅度的振動(dòng)下所引起的表面損傷，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，稱為微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損是一種復(fù)合磨損（粘著、磨粒、疲勞、腐蝕）。



金屬表面的微動(dòng)磨損原理示意圖

微動(dòng)磨損可以分為兩類(lèi)。第一類(lèi)是該構(gòu)件原設(shè)計(jì)的兩物體接觸面是靜止的，只是由于受到振動(dòng)或交變應(yīng)力作用，使兩個(gè)匹配面之間產(chǎn)生微小的相對(duì)滑動(dòng)，由此造成磨損。第二類(lèi)是各種運(yùn)動(dòng)副在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于環(huán)境振動(dòng)而產(chǎn)生微振造成磨損。

工程中常見(jiàn)的微動(dòng)磨損

（1）軸承

滾動(dòng)軸承存三個(gè)部位可能發(fā)生微動(dòng)損傷，軸承和軸承座、軸的緊配合面及滾珠或滾柱和座圈之間。

（2）壓配合

機(jī)車(chē)主軸一般用壓配合裝入輪毅中，運(yùn)行過(guò)程中，在負(fù)荷的作用下，軸發(fā)生彎曲，和輪毅配合段的兩端出現(xiàn)微動(dòng)。

（3）榫槽配合

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片榫頭和輪盤(pán)配合，葉片相當(dāng)于一端固定的懸梁臂，由于受強(qiáng)烈氣流沖擊而處在彎曲復(fù)合振動(dòng)狀態(tài)，從而使榫槽受到微動(dòng)磨損，導(dǎo)致配合松動(dòng)并萌生疲勞裂紋。

（4）鉚接

飛機(jī)上廣泛使用鉚接。據(jù)估計(jì)，各種飛機(jī)上90%的疲勞裂紋起源于微動(dòng)部位，而其中又以鉚接和螺紋聯(lián)接占多數(shù)。

（5）鋼絲纜繩

由于其本身的柔性必然導(dǎo)致絲對(duì)絲或股對(duì)股之間的滑動(dòng)，纜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成一復(fù)雜的疲勞應(yīng)力。

（6）核工業(yè)中的熱交換器和壓力管燃料元件

反應(yīng)堆中的燃料，用耐輻射和耐磨性好的鋯合金和鎂合金包覆，在冷卻液流作用下，各包覆件之間發(fā)生微動(dòng)磨損，最終將包覆層磨穿。

微動(dòng)磨損過(guò)程

微動(dòng)磨損是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包含粘著、氧化、磨粒和疲勞等的綜合作用。

微動(dòng)磨損的過(guò)程一般是相互接觸的兩個(gè)物體表面，由于接觸壓力的作用使微凸體產(chǎn)生塑性變形和粘著，在小振幅振動(dòng)作用下，粘著點(diǎn)可能被剪切并脫落，剪切表面被氧化。由于表面緊密配合，脫落的磨屑不易排出，在兩表面間起著磨粒作用，加速微動(dòng)磨損過(guò)程。

微動(dòng)磨損初始階段材料的流失機(jī)制主要是粘著和轉(zhuǎn)移，其次是凸峰點(diǎn)的犁削作用。對(duì)于較軟材料可出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形，由擠壓直接撕裂材料，這個(gè)階段摩擦因素及磨損量均較高。

當(dāng)產(chǎn)生的磨屑足以覆蓋表面后，粘著減弱，逐步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。這時(shí)，摩擦因數(shù)及磨損率均明顯降低，磨損量和循環(huán)數(shù)成線性關(guān)系。由于微動(dòng)的反復(fù)切應(yīng)力作用，造成亞表面裂紋萌生， 形成脫層損傷，材料以薄片形式脫離母體。剛脫離母體的材料主要是金屬形態(tài)。它們?cè)诙挝?dòng)中變得越來(lái)越細(xì)并吸收足夠的機(jī)械能以致具有極大的化學(xué)活性，在接觸空氣瞬間即完成氧化過(guò)程，成為氧化物。氧化磨屑既可作為磨料加速表面損傷，又可分開(kāi)兩表面，減少金屬間接觸，起緩沖墊作用，大部分情況下，后者作用更顯著，即磨屑的主要作用是減輕表面損傷。

微動(dòng)磨損的特征與判斷

（1）表面特征

鋼的微動(dòng)損傷表面粘附著一層紅棕色粉末，當(dāng)將其除去后，觀察到許多小麻坑。其形狀不同于點(diǎn)蝕，它有兩種類(lèi)型，一種為深度不到5μm的不規(guī)則的長(zhǎng)方形淺平坑，另一種為較深(可達(dá)50μm左右)且形狀較規(guī)則的圓坑。

（2）磨屑特征

鋼鐵微動(dòng)磨屑的重要標(biāo)志是紅棕色磨屑。

對(duì)于其他金屬，大多數(shù)情況下， 磨屑為該種金屬的最終氧化態(tài)。不活潑的金屬如金和鉑的磨屑由純金屬組成。磨屑的大小和成分與振幅有關(guān)，振幅較大時(shí)，磨屑直徑較大，金屬的比例也較高。材料的硬度影響磨損量，也影響磨屑的大小和成分，材料越硬，磨屑越細(xì)，氧化物的比例也越大。

5腐蝕磨損

兩物體表面產(chǎn)生摩擦?xí)r，工作環(huán)境中的介質(zhì)如液體、氣體或潤(rùn)滑劑等，與材料表面起化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，形成腐蝕產(chǎn)物，這些產(chǎn)物往往粘附不牢，在摩擦過(guò)程中剝落下來(lái)，其后新的表面又繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這種腐蝕和磨損的反復(fù)過(guò)程稱為腐蝕磨損。

腐蝕磨損分類(lèi)

腐蝕磨損可分為化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損。化學(xué)腐蝕磨損又可分為氧化磨損和特殊介質(zhì)腐蝕磨損。

腐蝕磨損是一種極為復(fù)雜的磨損形式，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的磨損過(guò)程，對(duì)環(huán)境、溫度、介質(zhì)、滑動(dòng)速度、載荷大小及潤(rùn)滑條件等極為敏感，稍有變化就可使腐蝕磨損發(fā)生很大變化。

（1）化學(xué)腐蝕磨損

化學(xué)腐蝕磨損最常見(jiàn)的是氧化磨損。氧化磨損的實(shí)質(zhì)是金屬表面與氣體介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化膜。

脆性氧化膜與金屬基體差別大，在達(dá)到一定厚度時(shí)，很容易被摩擦表面上的微凸體的機(jī)械作用去除，暴露出新的基體表面又開(kāi)始新的氧化過(guò)程，膜的生長(zhǎng)與去除反復(fù)進(jìn)行。

當(dāng)氧化膜的韌性較好，而且比金屬基體還軟時(shí)，若受摩擦表面微凸體機(jī)械作用，可能有部分被去除，在繼續(xù)磨損過(guò)程中，氧化仍然在原有氧化膜的基礎(chǔ)上發(fā)生，這種磨損較脆性氧化膜的磨損輕。

（2）電化學(xué)腐蝕磨損

電化學(xué)腐蝕磨損按腐蝕磨損產(chǎn)物被機(jī)械或腐蝕去除的特點(diǎn)也可分為兩種磨損。一種是在均勻腐蝕條件的磨損過(guò)程中，局部腐蝕產(chǎn)物被磨料或硬質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械作用去除，使之裸露金屬基底，但隨后又在磨損處形成新的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)反復(fù)作用，此處腐蝕速度比腐蝕產(chǎn)物始終覆蓋的其他部分快得多，嚴(yán)重得多。此類(lèi)磨損稱均勻腐蝕條件下的腐蝕磨損。

多相材料，尤其是含有碳化物的耐磨材料，由于碳化物與基體之間存在較大的電位差，形成腐蝕電池，產(chǎn)生相間腐蝕，極大削弱了碳化物與基體結(jié)合力，在磨料或硬質(zhì)點(diǎn)的作用下，碳化物很容易從基體脫落或發(fā)生斷裂。

另一種情況是形成局部腐蝕電池。由于磨料的磨損作用，金屬材料表面產(chǎn)生不均勻的塑性變形，塑性變形強(qiáng)烈的部分成為陽(yáng)極，首先受到腐蝕破壞，或者溶解，或者形蝕產(chǎn)物，在磨料的繼續(xù)作用下，腐蝕產(chǎn)物很容易被去除形成二次磨損。這一塑性變形就是應(yīng)變差異腐蝕電池的作用，它可使腐蝕速度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

腐蝕磨損的特征

腐蝕磨損過(guò)程中，氧化膜斷裂和剝落，形成了新的磨料，使腐蝕磨損兼有腐蝕與磨損雙重作用。但腐蝕磨損又不同于一般的磨料磨損。腐蝕磨損不產(chǎn)生顯微切削和表面變形，其主要磨損表面有化學(xué)反應(yīng)膜或麻點(diǎn)。麻點(diǎn)比較光滑，磨屑多事顯微細(xì)粉末狀的氧化物，也有薄的碎片。鋼摩擦副相互滑動(dòng)的氧化磨損，沿滑動(dòng)方向呈現(xiàn)出勻細(xì)的磨痕。磨屑是暗色的片狀或絲狀物，片狀磨屑為紅褐色的Fe_{2O3，而絲狀的是灰黑色的Fe3O4。}

影響腐蝕磨損的因素

（1）PH值

一般來(lái)講，PH<7時(shí)，隨著酸性增加腐蝕磨損量增加。在7

溫度 在其他條件相同的情況下，腐蝕磨損的速度一般隨溫度升高而增加。

（2）化學(xué)成分

化學(xué)成分是主要影響因素。對(duì)不同介質(zhì)條件，在Fe-C合金中，加入適量的Cr、V、B等元素可提高耐磨性。不同介質(zhì)加入不同合金元素才能獲得良好的效果。

6疲勞磨損

當(dāng)兩個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度的情況下，在表面層將引發(fā)裂紋并逐步擴(kuò)展，最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來(lái)的磨損過(guò)程稱疲勞磨損。

疲勞磨損與整體疲勞的區(qū)別

①裂紋源與裂紋擴(kuò)展不同。整體疲勞的裂紋源都是從表面開(kāi)始，一般從表面沿與外加應(yīng)力成45°的方向擴(kuò)展，超過(guò)兩三個(gè)晶粒以后，即轉(zhuǎn)向與應(yīng)力垂直的方向。而疲勞磨損裂紋除

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