材料失效基础知识

机械零件、构件、设备、装置或系统可统称为机械产品（简称机械）。机械丧失其规定功能的现象称为失效。机械的失效通常是某一（或某些）零部件的失效所致，而某些零部件的失效最终可归结为材料的失效。

材料的失效表现为材料的累积损伤和性能退化两大类。

（一）材料的累积损伤

材料的累积损伤从宏观表象规律上可归纳为各种材料累积损伤模式。为了满足产品的规定功能，首先必须保证产品材料的宏观完整性。由于材料完整性的丧失导致产品失效，是累积损伤的主要特征。这一类的失效模式（形式）主要有断裂、表面损伤和过量变形。

1、断裂

断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效，其分类比较复杂，一般有如下几种：按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂；按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂；按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂，在失效分析实践中大都采用这种分类法。

韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂，即零件断裂之前，在断裂部位出现较为明显的塑性变形。在工程结构中，韧性断裂一般表现为过载断裂，即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。

脆性断裂，工程构件在很少或不出现宏观塑性变形（一般按光滑拉伸试样的截面收缩率ψ<5%）情况下发生的断裂称作脆性断裂，因其断裂应力低于材料的屈服强度，故又称作低应力断裂。由于脆性断裂大都没有事先预兆，具有突发性，对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的后果。因此，脆性断裂是人们力图予以避免的一种断裂失效模式。

疲劳断裂，工程构件在交变应力作用下，经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂。它是工程中最常见的断裂，约占断裂失效的80%~90%。按断裂前宏观塑性变形的大小分类，疲劳断裂应属脆性断裂范畴。但是，由于疲劳断裂出现的比例高，危害性大，且是在交变载荷作用下出现的断裂，因此国内外工程界均将其单独作为一种断裂形式加以重点分析研究。

2、表面损伤失效

表面损伤失效是材料由于受到应力或温度的作用而造成的表面损耗，或者是由于材料与介质（周围环境）产生的化学或电化学反应而使金属表面损伤。表面损伤失效是一种慢性失效的行为，其主要有腐蚀和磨蚀两种形式。

腐蚀可分为连续腐蚀和局部腐蚀两种类型。磨损的主要方式有磨料磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损和腐蚀磨损等。

3、过量变形失效

过量变形失效是指材料在载荷作用下，其尺寸或形状的变化超过了所允许的范围，导致材料不能胜任预定的功能或妨碍了其他零件的正常运行。它分为过量弹性变形和过量塑性变形（即永久变形）。过量弹性变形是由于材料刚度不足或因温度升高造成弹性模量降低而造成。过量塑性变形是由于外加应力超过材料的屈服强度而造成的。

材料累积损伤的模式比较多，除了以上三种比较常见的类型外，还有老化、烧蚀和电侵蚀等。

（二）材料性能的退化

许多产品主要利用材料的某些性能，以满足产品功能的需求。材料的各种性能在服役过程中由于受到外界条件的作用可能发生退化。这些性能的退化一般不破坏材料的宏观完整性。但是，当材料性能退化，不符合设计要求时，往往造成事故。所以，通常，材料性能退化是指产品材料在服役条件下其性能逐渐退化到规定值以下。

与产品失效相关的材料性能有：

物理性能，包括热学性能、声学性能、光学性能、电学性能、磁学性能和辐照性能等；

化学性能，包括抗氧化性、耐腐蚀性、抗渗入性等；

力学性能，包括强度、弹性、塑性、韧性等；

复合性能，如高温疲劳强度；

使用性能，如抗弹穿入性、耐磨性、刀刃锋利性、消振性等。

机械产品失效的原因涉及到机械设计、材料、制造和工作环境等诸多因素，并且，失效往往是几种原因综合作用的结果。另外，失效分析的目的不仅在于失效原因的分析和判断，更重要的是找出有效的预防措施，防止失效事故重复发生。为此，失效分析需要应用机械、力学、物理、化学、数学、电子技术等多方面知识，需要借助现代分析测试技术，从宏观到微观，从定性到定量，从单项到综合的系统性分析。

材料失效分析程序

材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。

Brooks失效分析程序说明如下：

1、失效情况的描述：以技术文件的形式记述失效的历史情况。如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。特别是有关的照片资料和多媒体资料。

2、裸眼观察：失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。

3、机械设计分析（应力分析）：当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。

4、化学成分设计分析：据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。

5、制造过程及其各工艺环节分析：错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。

6、宏观断口形貌检查：在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。

7、微观断口分析：包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常都是采用电子显微镜分析。

8、金相检验：金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。

9、性能检验：性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。

10、失效分析：模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。

材料失效分析

材料失效分析即失效诊断，也就是当材料发生失效时，利用各种仪器及方法，从断口形貌观察及破坏成分分析，推断破坏机制，判断失效性质，明确失效原因，并积极探求有效途径以预防重蹈覆辙。这既能提高材料承载能力或延长使用寿命，又可做到材尽其用，充分发挥材料使用潜力。

材料失效分析涉及学科范围广泛，需要运用金属学、工程力学、物理化学等方面的研究成果，借助现代分析测试技术，从宏观到微观、从定性到定量、从单项到综合进行系统性分析，从而建立材料结构设计、材料选择与使用、加工制造、装配调整、使用与保养等方面的规范。

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