关于金属学材料失效探微的论文
[摘 要]本文研究了断裂、变形、磨损、腐蚀四种主要的金属材料失效形式，并以40Cr为例对金属材料失效分析进行了探究，以期为相关工作人员提供一定的资料参考。
[关键词]金属材料；失效；类型；方法
中图分类号：TU681 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（20XX）45-0254-02
引言
材料失效主要是指机械构建由于尺寸、形状或者组织材料的性能发生变化导致其不能完成预定功能的现象。材料一旦失效会影响机械设备的整体运行，影响生产。在常见的材料失效中，最为常见的是金属材料的失效，金属材料失效造成的损失也颇为巨大，归纳起来，金属材料失效主要有四种形式，分别为断裂失效、变形失效、磨损失效和腐蚀失效。
1 失效的类型
1.1 断裂失效
断裂指的是金属材料、合金材料或者机械产品在力的作用下分成若干部分的现象。断裂失效是动态变化的过程，包括裂纹的萌生和扩展两个阶段。断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的`功能。断裂失效的类型有以下几种：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④疲劳断裂失效；⑤蠕变断裂失效；⑥应力腐蚀断裂失效；⑦沿晶断裂失效；⑧液态或固态金属脆性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩滑移分离失效等。
1.2 变形失效
变形是指金属材料在外力的作用下，外形和尺寸发生变化的现象。变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求的变形量。变形失效分为弹性变形失效和塑形变形失效两种。弹性变形失效在金属材料表面不会留下损伤，仅仅是金属材料的弹性模量产生变化，与尺寸形状无关，塑形变形失效会导致金属材料表面出现损伤，形状和尺寸也会产生一定的变化。
1.3 磨损失效
磨损是物体相对运动时，由于摩擦力的作用导致金属材料表面逐渐分离出磨削且不断损伤的现象。磨损失效是指由于磨损现象的发生导致机械零部件达不到原设计水平。磨损失效的类型有：①粘着磨损失效；②磨粒磨损失效；③腐蚀磨损失效；④变形磨损失效；⑤表面疲劳磨损失效；⑥冲击磨损失效；⑦微振磨损失效等。
1.4 腐蚀失效
腐蚀是指金属材料或者合金材料表面发生化学或者电化学反应而引起的损伤现象。在酸洗、化学电源、电解加工等方面金属腐蚀虽然能起到积极的作用，但是其造成的损失也相当巨大。腐蚀失效是指由于腐蚀作用使机械构件丧失原设计功能的现象。腐蚀失效的类型有：①直接化学腐蚀失效；②电化学腐蚀失效；③点腐蚀失效；④局部腐蚀失效；⑤沿晶腐蚀失效；⑥选择性腐蚀失效；⑦缝隙腐蚀失效；⑧生物腐蚀失效；⑨磨损腐蚀失效；⑩氢损伤失效、应力腐蚀失效等。
2 失效分析方法
2.1 失效分析理论
机械构件多数是在运行过程中发生断裂失效的，每当一个零部件断裂损坏时，它和别的零部件、周围环境和操作人员等均有着十分密切的关系。查找原因时要从设计水平、材料质量、加工状态、维修情况、装配精度、工作环境、服役条件和操作方法等因素中找出造成损坏的主要原因，并根据损坏的原因、机理、类型和阶段，进行分析判断，制定出改进措施。为了取得更好的分析效果，还必须辅以一系列其他的检验方法，如无损检测、机械性能试验、金相检验、化学分析、模拟试验等。最后將上述分析和试验的结果与数据进行综合分析，并提出改进措施，写出失效分析报告。
2.2 失效分析实践
上文介绍了金属材料失效分析的理论，本段以40Cr为例，对失效分析进行更加详细的描述。
2.2.1 钢球内部裂纹
异议现象：85mm的40Cr热轧材经加热下料、锻打成型、淬火之后制得半成品钢球，检测发现钢球内部有裂纹。
金相分析：把钢球剖开，钢球内部裂纹的宏观形貌见图1，裂纹从钢球的心部相对表面扩展，几乎整个界面都被贯穿，在钢球内部裂纹处取样做金相分析，样品裂纹的微观形貌见图2。裂纹蜿蜒曲折，扩展刚劲有力，呈现典型的应力性裂纹扩展特征。钢球表面的金相组织为马氏体组织，心部的金相组织为贝氏体和少量马氏体组织，整个钢球内部的晶粒都非常粗大。将钢球沿着裂纹破坏开，得到断口，见图3，从断口宏观形貌上可以明显观察到钢球内部裂纹扩展的三个区：裂纹源区、过渡区和裂纹扩展区，裂纹源位于钢球心部。通过对钢球端口做扫描电镜分析，发现裂纹源区呈穿晶和沿晶断口形貌，过渡区呈沿晶和解理断口形貌，扩展区呈解理断口形貌，钢球裂纹源区断口的形貌呈现典型的氢脆断裂断口形貌特征，见图4-7。
结论：由宏观检验与金相分析可得：首先，在生产钢球的过程中，由于钢球的淬火温度高，淬火后整个钢球内部晶粒非常粗大，钢球心部仍然有粗大的马氏体组织，会形成严重的热应力和组织应力；其次，在生产过程中，原材料没有经过真空脱气，材料内部有有少量的氢气残余，由于氢脆，钢球在淬火应力的作用下从心部开裂。
2.2.2 锚具端面心部裂纹
异议现象：40Cr热轧材经下料、粗车、钻孔、精加工之后制得半成品锚具，检测发现锚具端面的心部有裂纹。
金相分析：裂纹位于锚具端面且靠近心部位置，蜿蜒曲折，扩展无方向性，如图8所示。对粗车后的材料进行酸洗，观察其端面的低倍形貌，见图9，在材料心部发现有目视可见的白点和裂纹等缺陷，低倍组织级别为：中心疏松1.5级、一般疏松0.5级、偏析1.0级。在锚具端面心部裂纹处取样做金相分析，样品心部裂纹的微观形貌及附近组织见图10，裂纹边缘有少量氧化铁皮，其周围无任何脱碳现象，锚具的心部裂纹是原材料的心部裂纹在机加工后被暴露出来的。
结论：根据宏观检验及金相分析可知，原材料心部存在目视可见的裂纹是锚具端面存在心部裂纹的主要原因。
结语
综上所述，金属材料在使用过程中，容易内部结构以及外部环境的影响，造成失效。因此，要规范金属材料制造过程，使用科学的办法减少其内部残余应力，创造良好的使用环境，使之在构建的承受范围内工作，从而减少金属材料失效，延长使用寿命。
参考文献
[1] 王会亮.金属材料失效浅析[J].山西冶金，2016，04：114-115.
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