金属材料在各种工程应用中的失效模式主要由断裂、腐蚀、磨损和变形等。

变形失效

在常温或温度不高的情况下的变形失效主要由弹性变形失效和塑性变形失效。弹性变形失效主要是变形过量或丧失原设计的弹性功能，塑性失效一般是变形过量。在高温下的变形失效有蠕变失效和热松弛失效。

应力-应变曲线

1弹性变形失效

在弹性状态下，固体材料吸收了加载的能量，依靠原子间距的变化而产生变形，但因未超过原子之间的结合力，当卸裁时，全部能量释放，变形完全消失，恢复材料的原样。要有好的弹性，应从提高材料的弹性极限及降低弹性模量入手。

金属弹性形变的特点：（1）可逆性，金属材料的弹性变形具有可逆的性质，即加载时，卸载后恢复到原状的性质；（2）单值性，金属材料在弹性变形过程中，不论是加载阶段还是卸载阶段，只要在缓慢的加载条件下，应力与应变都保持正比的单值对应的线性关系，即符合胡克定律；（3）变形量很小，金属的弹性变形主要发生在弹性阶段，但在塑性阶段也伴随着发生定量的弹性交形。但两个阶段弹性变形的总量是很小的，加起来一般小于0.5%-1.0 %。

构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值，称为过量的弹性变形失效，判断方法如下：（1）失效的构件是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温的工作条件；（2）注意观察在正常工作时，构件互相不接触，而又很靠近的表面上是否有划伤、擦伤或磨损的痕迹。只要观察到这种痕迹，而且构件停工时，构件相互间仍有间隙，便可作为判断的依据；（3）在设计时是否考虑了弹性变形的影响及采取了相应的措施；（4）通过计算验证是否有过量弹性变形的可能；（5）由于弹性变形是晶格的变形，可用X射线法测量金属在受载时的晶格常数的变化验证是否符合要求。

当构件的弹性变形已不遵循变形可逆性、单值对应性及小变形量的特性时，则构件失去了弹性功能而失效。

过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效的原因，预防措施如下：（1）选择合适的材料或构件结构；（2）确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件，对于拉压变形的杆柱类零件、弯扭变形的轴类零件，其过量的弹性变形都会因构件丧失配合精度导致动作失误，要求精确计算可能产生的弹性变形及变形约束而达到适当的配合尺寸；（3）采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、软管连接、柔性轴、椭圆管板等。

2塑性变形失效

塑性表示材料中的应力超过屈服极限后，能产生显著的不可逆变形而未立即破坏的形态，这种显著且不可逆的变形称为塑性变形。通常反映材料塑性性能优劣的指标是伸长率δ和断面收缩率φ。伸长率和断而收缩率越高，则塑性越好。金属的塑性变形一般可看作是晶体的缺陷运动。

金属塑性变形的特点：（1）不可逆性，金属材料的塑性变形不可恢复，当材料应力等于或高于屈服极限后产生的变形，在卸裁后，其变形仍然保留在材料内。塑性变形的微观机制表明，位错运动及增殖使晶体实现一个晶面在另一个晶面上的逐步滑移，宏观表面是卸载后塑性变形保留至可观察及测量；（2）变形量不恒定，金属是多晶体，各个晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，各晶粒变形有不同时性及不均匀性。一个构件在各个部位的塑性变形量不相同，因而个别塑性变形量大的部位将出现材料的不连续（断裂失效的裂源）；（3）慢速变形，金属的弹性变形以声速传播，但塑性变形的传播很慢；（4）伴随材料性能的变化，这主要因为塑性变形时金属内部组织结构发生变化，由位错运动及增殖实现了晶面的滑移，亚晶结构形成；晶粒歪扭，微裂纹等缺陷产生；如在材料加工中，随塑性交形量增加，即产生了加工硬化，原因是位错密度增加、位错缠结、位错运动相互作用及运动阻力增加，其宏观表现就是应变硬化。

金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效，其变形失效判断以影响构件执行正常功能为依据。

材料塑性变形失效的主要原因是过载，使构件的受力过大，出现影响构件使用功能的过量的塑性变形。过载不仅是对构件承受的外载荷估计不足，还应该包括偏载引起局部应力、复杂结构应力计算误差及应力集中、加工及热处理产生残余应力、材料微观不均匀的附加应力等因素，使构件受力不均，局部区域的总应力超值。

塑性变形失效预防措施：（1）合理选材，提高金属材料抵抗塑性变形的能力，除了选择合适的屈服强度的材料，还要保证金属材料质量，控制组织状态及冶金缺陷；（2）准确地确定构件的工作载荷，正确进行应力计算，合理选取安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应力集中水平；（3）严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力；（4）严禁构件运行超载；（5）监测腐蚀环境构件强度尺寸的减小。

3高温作用下金属材料的变形失效

金属构件在高温长时间作用下，即使其应力值小于屈服强度，也会缓慢产生塑性变形，当该变形量超过规定的要求时，会导致构件的塑性变形失效。此时所称的高温为高于0.3Tm（Tm是以绝对温度表示的金属材料的熔点），一般情况下碳钢构件在300℃以上，低合金强度钢构件在400℃以上。

蠕变变形失效

金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变断裂。由蠕变变形和断裂机理可知，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率；提高持久强度，则必须控制晶界的滑动和空位扩散。

压力容器的蠕变变形量一般规定在10^{5h为1%，即蠕变速率为10-7mm/(mm·h)。}

典型的蠕变曲线

第一阶段ab为减速蠕变阶段又称过渡蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达到最小值；

第二阶段bc为恒速蠕变阶段又称稳态蠕变阶段，这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。一般所指的金属蠕变速率，就是以这一阶段的蠕变速率ε表示的。

第三阶段cd为加速蠕变阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到d点时产生蠕变断裂。

断口宏观特征

断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹（断裂机件表面出现龟裂现象）；

高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。

断口微观特征

冰糖状花样的沿晶断裂形貌

蠕变变形失效也是一种塑性变形失效，有塑性变形失效的特点，但蠕变失效也不一定是过载，只是载荷大时，蠕变变形失效的时间短，恒速蠕变阶段蠕变速度大。高温下不仅有蠕变变形引起的的构件外部尺寸的变化，还有金属内部组织结构特有的变化，导致高温力学性能下降、构件承载能力降、蠕变速度加快、失效加快。

材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标。

蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标，是高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。蠕变极限（MPa）表示方法有两种，一种是在规定温度下，使试样在规定时间内产生规定稳态蠕变速率的最大应力；另一种是在规定温度和时间下，使试样在规定时间内产生规定蠕变伸长率的最大应力。

持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即材料在一定温度和时间条件下，不发生蠕变断裂的最大应力（蠕变极限指材料的变形抗力，持久强度表示材料的断裂抗力）。某些材料与机件，蠕变变形很小，只要求在使用期内不发生断裂（如锅炉的过热蒸汽管）。这时，就要用持久强度作为评价材料、机件使用的主要依据。

应力松弛变形失效

材料在恒变形条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可以通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。剩余应力是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。剩余应力越高，松弛温度性越好。

金属的蠕变是在应力不变的条件下，构件不断产生塑性变形的过程；而金属的松弛守则是在总变形不变的条件下，构件弹性变形不断转为塑性变形从而使应力不断降低得过程。

第1阶段：开始阶段应力下降很快；

第2阶段：应力下降逐渐减缓的阶段；

松弛极限：在一定的初应力和温度下，不再继续发生松弛的剩余应力。

预防高温松弛失效的措施是选用松弛稳定性好的材料。对紧固性构件的实际使用也可以在构件使用过程中对其进行一次或多次再紧固，即在构件应力松弛到一定程度时重新紧固，这是经济而又有效的方法。但要注意到再紧固会对松弛性能有所影响，因为每进行一次再紧固，材料都产生应变硬化，剩余应力有所下降，随着塑性应变的总量增加，材料最终断裂。

断裂失效

断裂是金属材料在应力作用下材料分离为互不相连的两个或多个部分的现象。

金属材料的断裂过程一般有三个阶段， 即裂纹的萌生，裂纹的亚稳扩展及失稳扩展，最后是断裂。金属构件可能在材料制造、构件成形或使用阶段的不同条件下启裂、萌生裂纹;并受不同的环境因素及承载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。

金属构件断裂后，在断裂部位都有匹配的两个断裂表面，称为断口。断口及其周围留下与断裂过程有密切相关的信息。通过断口分析可以判断断裂的类型、断裂过程的机理，从而找出断裂的原因和预防断裂的措施。

1断裂失效的分类

按断裂前变形程度分类，分为韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂前产生明显的塑性变形，断裂过程中吸收了较多的能力，一般是在高于材料屈服应力条件下的高能断裂。

脆性断裂前的变形量很小，不会出现明显的宏观变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力条件下的低能断裂。通常材料的塑性变形小于2%~5%的断裂均可称为脆性断裂。

（a）完全韧性断裂（b）部分韧性断裂（c）脆性断裂

按造成断裂的应力类型及断面的宏观取向与应力的相对位置分类，可分为正断、切断及混合断裂。正断可能是脆性的，也可能是韧性的，而切断一般总是韧性的。

正断是指当外加作用力引起构件的正应力分量超过材料的正断抗力时发生的断裂。断裂面垂直于正应力或最大的拉伸应变方向。

切断是指当外加作用力引起构件的切应力分量超过材料在滑移面上的切断抗力时发生的断裂。断裂面平行于最大切应力或最大切应变方向，与最大正应力约呈45°交角。

按断裂过程中裂纹扩展所经的途径分为三类：沿晶断裂、穿晶断裂及混晶断裂。

沿晶断裂是指裂纹沿晶界扩展至断裂，沿晶断裂多属于脆性断裂。

穿晶断裂是指裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂。穿晶断裂可以是韧性的也可以是脆性的。混晶断裂是指在多晶体金属材料的断裂过程中，多数是其裂纹的扩展既有穿晶型、也有晶间型的混晶断裂。如马氏体或回火马氏体材料的瞬间断裂。

裂纹扩展路径示意图

A-沿晶裂纹；B-穿晶裂纹；C-混晶裂纹

按负荷的性质及应力产生的原因分为疲劳断裂和环境断裂。

疲劳断裂是指由于在局部应力集中或强度较低部位首先产生裂纹，裂纹随后扩展导致的断裂。

环境因素(气相、液相腐蚀介质或氢)的作用引起形变和断裂的基元过程，从而导致应力脆断，因而以这种形式破坏失效的现象统称为环境断裂。环境断裂具体可分为应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking)、氢脆或氢致开裂(Hydrogen Induced Cracking)和腐蚀疲劳断裂(Corrosion Fatigue Cracking)三种。

按微观断裂机制可分为解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、蠕变断裂及结合力弱化断裂。

解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，裂纹沿特定的结晶学平面扩展而导致的穿晶脆断，但有时也可沿滑移面或孪晶界分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。

韧窝断裂是指在外力作用下因微孔聚集相互连通而造成的断裂。结合力弱化断裂是指裂纹沿着出于各种原因而引起的结合力弱化所造成的脆弱区域扩展而形成的断裂。

韧窝

沿晶断裂

2韧性断裂

韧性断裂是指容器、管道在压力作用下，器壁上产生的应力超过材料的强度极限而发生显著的宏观塑性变形的断裂。

韧性断裂是一个缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹成长同时进行。裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢，材料在断裂过程中需要不断消耗相当多的能量。随着塑性变形的不断增加，承载截面积减小，至材料承受的载荷超过了强度极限σ_b时，裂纹扩展达到临界长度，发生韧性断裂。

韧性断裂有两种类型: 一种是宏观断面取向与最大正应力相垂直的正断型断裂，又称平面断裂，这种断裂出现在形变约束较大的场合，如平面应变条件下的断裂；另一种是攻关断面取向与最大切应力方向相一致的切断，即与最大正应力约呈45°，又称斜断裂，这种断裂出现在滑移形变不受约束或约束较小的情况，如平面应力条件下的断裂。

韧性断裂断口形貌

（1）宏观形貌

韧性断裂断口宏观形貌

在直径大的圆棒钢试样新断裂的金属灰色断口上能观察三个区：凹凸不平暗灰色且无光泽的纤维区、放射线纹理的灰色有光放射区及平滑丝光的亮灰色剪切唇区。

纤维区是材料内部处在平面应变三向应力作用下启裂，在试样中心形成很多小裂纹及裂纹缓慢扩展而形成。

纤维区外显示出平行于裂纹扩展的放射线状的纹理，这是中心裂纹向四周放射状快速扩展的结果，该区称为放射区。

当裂纹快速扩展到试样表面附近，由于试样剩余厚度很小，故变为平面应力状态，从而剩余的外围部分剪切断裂，断裂面沿最大切应力面和拉伸轴成45°，称为剪切唇区。

从韧性断裂宏观形貌三区的特征可分析断口的类型、断裂的方式及性质，有助于判断失效的机理及找出失效的原因。根据纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初步评价材料的性能。如纤维区较大，材料的塑性和韧性比较好，如放射区比较大，则材料的塑性降低，而脆性增大。

断口三要素

1-纤维区 F；2-放射区 R；3-剪切区S

（2）微观形貌

滑断或纯剪切断口微观特征：（1）蛇形滑动、涟波状花纹；（2）大的塑性变形后滑移面分离造成；（3）涟波花样是蛇形滑动花样一步变形而平滑化的结果；（4）在缺口、纤维裂纹、孔洞等附近区域在力的作用下可发生纯剪切过程，其内表面出现蛇行滑动、涟波等特征。

在某些金属材料中，尤其是杂质、缺陷少的金属材料，在较大的塑性变形后，沿滑移面剪切分离，因位向不同的晶粒之间的互相约束和牵制，不可能仅仅沿某一个滑移面滑移，而是沿着许多相互交叉的滑移面滑移，形成起伏弯曲的条纹形貌，一般称为“蛇行花样”。

微孔聚集型断裂的微观特征：断口上有大量韧窝。材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔，进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂。

韧窝是指韧性断裂断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心常有夹杂物或第二相质点。根据受力状态的不同，通常可以出现三种不同形态的韧窝：

（1）在正应力(即垂直于断面的最大主应力)的均匀作用下，显微孔洞沿空间三个方向上的长大速度相同，因而形成等轴韧窝。拉伸试样断口的杯形底部和锥形顶部由等轴韧窝组成；

（2）在切应力(平行于断面的最大切应力)的作用下，塑性变形使显微孔洞沿切应力方向的长大速度达到最大，同时显微孔被拉长， 形成抛物线状或半椭圆状的韧窝，这时两个的韧窝朝着相反方向，这种韧窝称为剪切韧窝。剪切韧窝通常出现在拉伸断口的剪切唇区。

（3）撕裂应力作用下出现伸长或呈抛物线状的韧窝，两个匹配面上的韧窝朝着相同的方向，称为撕裂韧窝。撕裂韧窝的方向指向裂纹源，而其反方向则是裂纹的扩展方向。剪切韧窝与撕裂韧窝的区别在于对应的两个断面上，其抛物线韧窝的方向不同，对剪切韧窝凸向相反，对撕裂韧窝凸向相同。

韧窝的大小和深浅，决定于材料断裂时微孔的核心数量和材料本身的相对塑性，如果微孔的核心数量很多或材料的相对塑性较低，则韧窝的尺寸较小或较浅；反之，韧窝的尺寸较大或较深。通常韧窝越大越深，材料的塑性越好。韧窝尺寸与夹杂物的大小直接相关，而正当夹杂物呈圆颗粒时，韧窝呈等轴状，当夹杂物呈条状时，韧窝也呈长条形。

当材料含有较多的第二相质点或夹杂物时，则在形成韧窝过程中，第二相质点或夹杂物往往存在于韧窝底部，形成的韧窝数量较多，而且较小。

产生韧性断裂的影响因素：（1）零件形状（圆形、板状、光滑与缺口试样）；（2）温度（随温度的降低，纤维区和剪切唇区减小，放射区增大）；（3）加载速率（速率越大，放射区增大）。

3脆性断裂

脆性断裂是指容器在破裂时没有宏观塑性变形，器壁平均应力远没有达到材料的强度极限，有的甚至低于屈服极限。脆性断裂的发生条件：设备、容器本身存在缺陷或几何形状发生突变；存在一定的应力水平；材料的韧性很差。

脆性断裂的特征

（1）脆性断裂时，工作应力不高，往往低于材料的屈服点，甚至低于设计时的许用应力。

（2）中、低强度钢的脆性断裂一般在比较低的温度下发生，因此脆性断裂也称为“低温脆性断裂”。与面心立方金属比较，体心立方金属随温度的下降，塑性将明显下降，屈服力升高；

（3）脆性断裂从金属构件内部存在的裂纹作为裂纹源而开始。

（4）脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属材料在特定的条件下才会出现脆性断裂；

（5）脆性断裂一般沿低指数晶面穿晶解理。解理通过破坏原子的结合力来实现，而密排面之间的原子间隙最大，结合力最弱，故绝大多数解理面是原子密排面。

（6）破裂时无明显的塑性变形，破裂之前没有或只有局部极小的塑性变形；

（7）断口宏观分析呈金属晶粒状并有光泽，断口平直与主应力垂直；

（8）在较低温度发生，且材料韧性很差。

脆性断裂的断口形貌

（1）宏观形貌

断裂前无明显的塑性变形，断口附近无颈缩；

断裂表面垂直于最大正应力方向；

断口平齐，无剪切唇；

断口上呈现小刻面；

断裂源点形成“人字条纹”或“山形条纹”

小刻面是指脆性解理断裂的断口呈平滑明亮结晶状。

根据断口人字条纹或山行条纹的图形可判断脆性断裂的裂纹扩展方向和寻找断裂起源点。人字条纹或山行条纹从细变粗的方向为裂纹扩展方向，相反的方向指向裂纹起源点。

（2）微观形貌

脆性断裂的微观形貌一般分为河流花样、扇形花样、舌状断口、鱼骨状花样；

河流花样实际上是断裂面上的微小解理台阶在图像上的表现，河流条纹就是相当于各个解理平面的交割。河流条纹的流向也是裂纹扩展的方向，河流的上游是裂纹源。

扇形花样：以裂纹源为中心单方向径向扩展，在焊接区冲击断口常见。

舌状花样：当材料的脆性大、温度低，临界变形困难，晶体变形以形变孪晶方式进行。舌状花样在低温冲击断口中易出现。

脆性断裂的影响因素

（1）应力状态与缺口效应

应力状态是指构件内应力的类型、分布、大小和方向。不同的应力状态对脆性断裂有不同的影响，如最大拉伸应力和最大切应力对形变和断裂起不同的作用。最大切应力促进塑性滑移的发展，是位错移动的推动力，它对形变和断裂的发生及发展过程都产生影响；而最大拉伸应力则只促进脆性裂纹的扩展。因此，最大拉应力与最大切应力的比值越大，构件失效脆性断裂的可能性越大，在三向拉伸应力状态下比值越大，极易导致脆性断裂。

在实际金属构件中，常见由于应力分布不均匀而造成三向应力状态，如构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀痕、尖锐缺口尖端处往往由应力集中而引起应力不均匀分布，周围区域为了保持变形协调，便对高应力区以约束，即造成三向拉伸应力状态。这是造成金属构建在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。

（2）温度

低温下造成构件的脆性断裂是由温度的改变而引起材料本身的性能变化。随着温度的降低，金属材料屈服应力增加，韧性下降，解理应力下降；当温度在材料脆性转变温度以下时，材料的解理应力小于其屈服应力，材料的断裂由原来的正常韧性断裂转为脆性断裂。

（3）尺寸效应

钢板厚度增加，脆性转变温度升高，缺口脆性增加；关于板厚的脆化原因一般认为与冶金质量和应力状态有关。

（4）焊接质量

焊接缺陷一般有夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹等，而切中焊接裂纹的存在对焊接构件的断裂起着重要作用。

（5）工作介质

金属构件在腐蚀介质中，受应力（尤其是拉应力）作用，同时又有电化学腐蚀时，极易导致早起脆性断裂；

（6）材料和组织因素

脆性材料、冶金质量差、氢脆倾向的材料以及缺口敏感性大的钢种都能促使发生脆性断裂；不良热处理产生脆性组织状态，如组织偏析、脆性相析出、晶间脆性析出物、淬火裂纹、淬火后消除应力处理不及时或不充分等也能促进脆性断裂的发生。

预防脆性断裂的途径

（1）温度是引起构件脆断的重要因素之一， 设计者必须考虑构件的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度。若所设计的构件工作温度较低，甚至低于该材料的脆性转变温度，则必须降低设计应力水平，使应力低于不会发生裂纹扩展的水平；若其设计应力不能降低，则应更换材料。选择韧性更高、脆性转变温度更低的材料；

（2）设计者在选择材料时，除考虑材料的强度外，还应保证材料有足够的韧性。应该从断裂力学的观点来选择材料，若材料有较高的断裂韧性时，则构件中允许有较大的缺陷存在；

（3）为减少构件脆性断裂，在设计时应使缺陷产生的应力集中减小到最低限度，如减少尖锐角，消除未焊透的焊缝，结构设计时应尽量保证结构几何尺寸的连续性(因为在结构不连续的过渡部位往往使构件应力集中而形成高应力区)；过渡段的连接应采用正确的焊接方法；

（4）尽量减少焊接产生的缺陷。这种设计包括选择适当的焊缝金属缺口韧性，焊接预热和焊后的热处理制度，适当设计焊接条件以减少缺陷。

4疲劳断裂

金属构件在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于金属材料的抗拉强度，优势甚至低于屈服极限，但经过一定的循环周期后，金属构件会发生突然的断裂，这种断裂称为疲劳断裂，疲劳断裂是脆性断裂的一种形式。

疲劳断裂的现象及特征

①疲劳负荷是交变负荷。

②金属构件在交变负荷作用下，一次应力循环对构件不产生明显的破坏作用，不足以使构件发生断裂。构件疲劳断裂是在负荷经多次循环以后发生，高周疲劳断裂的循环次数Nf>104，而低周疲劳断裂的循环次数较少，一般Nf=102~104。疲劳断裂应力还小于抗拉强度σb，其值也小于屈服点σs。

③疲劳断裂只可能在有使材料分离扯开的反复拉伸应力和反复切应力的情况下出现。纯压缩负荷不会出现疲劳断裂，疲劳起源点往往出现在最大拉应力处。

④疲劳断裂过程包括疲劳裂纹的萌生、裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。

疲劳裂纹的萌生：大量研究表明，疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷、工艺缺陷等。金属构件由于受到交变负荷的作用，金属表面晶体在平行于最大切应力平面上产生无拘束相对滑移，产生了一种复杂的表面状态，常称为表面的“挤出”和“挤入”现象，当金属表面的滑移带形成尖锐而狭窄的缺口时，便产生疲劳裂纹的裂纹源。

疲劳裂纹的扩展：疲劳裂纹扩展的第一阶段为切向扩展阶段，裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°方向的滑移面扩展。疲劳裂纹扩展的第二阶段为正向扩展阶段。在交变应变作用下，疲劳裂纹从原来与拉伸轴呈45°的滑移面，发展到与拉伸轴呈90°。即由平面应力状态转变为平面应变状态，这一阶段中最突出的显微特征是存在大量的、相互平行的条纹，称为“疲劳辉纹”。

疲劳裂纹在第二阶段扩展到一定深度后，由于剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展。当剩余面积小到不足以承受负荷时，在交变应力作用下，即发生突然的瞬时断裂，其断裂过程同单调加载的情形相似。疲劳断裂与其他一次负荷断裂有所区别，它是一种累进式断裂。

⑤即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断裂构件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。

疲劳断裂的断裂形貌

（1）宏观形貌

起源区：即为疲劳裂纹萌生区。这个区域在整个疲劳断口中所占的比例很小。通常就是指断面上疲劳花样放射源的中心点或疲劳弧线的曲率中心点。疲劳裂纹源一般位于构件表面应力集中处或不同类型的缺陷部位。一般情况下，一个疲劳断口有一个疲劳源。疲劳区中磨得最亮的地方即是疲劳源（疲劳核心），位于零件强度最低或应力最高的地方。

扩展区：在此区中常可看到有如波浪推赶海岸沙滩而形成的"沙滩花样"，又称"贝壳状条纹"、"疲劳弧带"等，这种沙滩花样是疲劳裂纹前沿线间断扩展的痕迹，每一条条带的边界是疲劳裂纹在某一个时间的推进位置，沙滩花样是由于裂纹扩展时受到障碍，时而扩展、时而停止，或由于开车停车、加速减速、加载卸载导致负荷周期性突变而产生。

疲劳裂纹扩展区是在一个相当长时间内，在交变负荷作用下裂纹扩展的结果。拉应力使裂纹扩张，压应力使裂纹闭合，裂纹两侧反复张合，使得疲劳裂纹扩展区在客观上是一个明亮的磨光区，越接近疲劳起源点越光滑。如果在宏观上观察到沙滩花样时，就可判别这个断口是疲劳断裂。多源疲劳的裂纹扩展区，各个裂源不一定在一个平面上，随着裂纹扩展被此相连时，同的平面间的连接处形成疲劳台阶或折纹。疲劳台阶越多，表示其应力或应力集中越大。

断裂区：当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，构件承载截面减小至强度不足引起瞬时断裂，该瞬时断裂区域是最终断裂区。最终断裂区的断口形貌较多呈现宏观的脆性断裂特征，即粗糙"晶粒"状结构，其断口与主应力基本垂直。只有当材料的塑性很大时，最终断裂区才具有纤维状的结构，并出现较大的45°剪切唇区。

（2）微观形貌

微观形貌主要分为疲劳辉纹、轮胎压痕花样。

①疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状。并与裂纹微观扩展方向相垂直。裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧。辉纹的间距在很大程度上与外加交变负荷的大小有关，条纹的清洗度则取决于材料的韧性。因此，高应力水平比接近疲劳极限应力下更易观察到疲劳辉纹。

②每一条疲劳辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿线在前进过程中的瞬时微观位置。裂纹三个阶段有不同的微观特征：疲劳起源部位由很多细滑线组成，以后形成致密的条纹，随着裂纹的扩展，应力逐渐增加，疲劳条纹的间距也随之增加。

③疲劳辉纹可分为韧性辉纹和脆性辉纹两类。脆性疲劳辉纹的形成与裂纹扩展中沿某些解理面发生解理有关，在疲劳辉纹上可以看到把疲劳辉纹切割成一段段的解理台阶，因此脆性疲劳辉纹的间距呈不均匀，断断续续状。韧性疲劳辉纹较为常见，它的形成与材料的结晶之间无明显关系，有较大塑性变形，疲劳辉纹的间距均匀规则。

④疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不同的小断片组成。疲劳辉纹均匀分布在断片上，每一小断片上的疲劳辉纹连续且互相平行分布，但相邻断片上的疲劳辉纹不连续、不平行。

⑤疲劳辉纹中每一条辉纹一般代表依次载荷循环，辉纹的数目与载荷循环次数相等。

⑥轮胎压痕花样是由于疲劳断口的两个匹配断面之间重复冲击和相互运动所形成的机械损伤，也可能是由于松动的自由粒子在匹配断裂面上作用留下的微观变形痕迹。轮胎压痕花样不是疲劳本身的形态，但却是疲劳断裂的一个表征方法。

影响疲劳断裂的因素及其改善的途径

①构件表面状态

大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂多数起源于构件的表面或亚表面，这是由于承受交变载荷的构件工作时其表面应力往往较高，典型的是弯曲疲劳构件表面拉应力最大，加上各类工艺程序难以确保表面加工质量而造成。因此，凡是制造工艺过程中产生预生裂纹(如浮火裂纹)、尖锐缺口(如表面祖糙度不符合要求，有加工刀痕等)和任何削弱表面强度的弊病(如表面氧化、脱碳等)都将严重地影响构件的疲劳寿命。而且，材料的强度越高，则表面状态对疲劳的影响也越大。

②缺口效应与应力集中

许多构件包含有缺口、螺纹、孔洞、台阶以及与其相类似的表面几何形状，也可能有刀痕、机械划伤等表面缺陷，这些部位使表面应力提高和形成应力集中区，且往往成为疲劳断裂的起源。

③残余应力

如果构件表面存在着残余拉应力，对疲劳极为不利。但是，如果使构件表面诱发产生残余压应力，则对抗疲劳大有好处。因为残余压应力起着削减表面拉应力数值的作用。一些表面热处理工序，如表面淬火、渗碳和氮化；一些机械加工工序，如喷丸、表面、冷拔、挤压和抛光都产生有利的残余压应力。因此，工程上经常采用这些方法来提高构件的疲劳抗力。

④材料的成分和组织

在各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，疲劳强度随着含碳量增加而增高，铬、镍等也有类似的效应。碳是影响疲劳强度的重要元素，既可间隙固溶强化基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高钢材的形变抗力，阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，以及提高疲劳强度。其他合金元素主要通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来改善疲劳强度。质量均匀、无表面或内在连续性缺陷的材料组织抗疲劳性能好。

⑤工作条件

载荷频率对疲劳强度的影响是其在一定范围内可提高疲劳强度。

低于疲劳极限的应力称为次载。金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数之后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。这种现象可能是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。次载应力水平越接近疲劳极限，其锻炼效果越明显；次载锻炼的循环周次越长，其锻炼效果越好，但达到一定循环周次之后效果就不再提高。

当加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至还会降低疲劳强度。这种间歇加载影响疲劳强度的规律，可以指导制订机器运行操作规程和检验规程。

温度对疲劳强度的影响一般是温度降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。

腐蚀环境介质使构件表面产生蚀抗、微裂纹等缺陷，将会加速疲劳源萌生而促进腐蚀疲劳。

磨损失效

磨损是由于机械作用、化学反应(包括热化学、电化学和力化学等反应)，材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。磨损是发生在物体上的一种表面现象，其接触表面必须有相对运动。磨损必然产生物质损耗(包括材料转移)，而且它是具有时变特征的渐进的动态过程。

磨损按磨损机理可分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损，按环境介质可分为干磨损、湿磨损、流体磨损。

1磨料磨损

外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象, 称为磨粒磨损（又称磨料磨损）。磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。

磨粒磨损是最普遍的一种形式，主要出现在采矿、钻探、建筑、运输与农业等机械相关零部件，据统计，工业中磨粒磨损造成的损失约占总的50%左右。

磨料磨损示意图

按力的作用特点划分为划伤式磨损、碾碎式磨损和凿削式磨损。

划伤式磨损属于低应力磨损。低应力的含义是指磨料与构件表面之间的作用力小于磨料本身压溃强度。

碾碎式磨损属于高应力磨损。当磨料与构件表面之间接触压应力大于磨料的压溃强度时，磨粒被压碎，一般金属材料表面被划伤，韧性材料产生塑性变形或疲劳，脆性材料则发生碎裂或剥落。

凿削式磨损的产生主要是由于磨料中包含大块磨粒，而且具有尖锐棱角，对构件表面进行冲击式的高应力作用，使构件表面撕裂出很大的颗粒或碎块，表面形成较深的坑。这种磨损常在运输或破碎大块磨料时发生，典型实例如颚式破碎机的齿板、辗辊等。

磨粒磨损的影响因素

磨砺磨损的改善措施：（1）对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度；（2）根据机件的服役条件，合理选择相应的耐磨材料；（3）采用渗碳、渗氮共渗等化学热处理提高表面硬度；（4）机件的防尘和清洗。

2粘着磨损

当摩擦副相对滑动时, 由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。

粘着磨损的特征是磨损表面有细的划痕，沿滑动方向可能形成胶体的裂口。最突出的特征是表层金相组织和化学成分均有明显变化。磨损产物多为片状或小颗粒。

粘着磨损示意图

根据粘合强度、金属本体强度与切应力三者之间的不同关系，可以把粘着磨损分为四类：

粘着磨损的影响因素

（1）摩擦副材料性质的影响

脆性材料比塑料材料的抗粘着能力高；

相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损，反之则不易发生粘着磨损；

多相金属也不容易发生粘着磨损；

表面处理可以减小粘着磨损；

硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强。

（2）载荷与速度的影响

载荷增加——粘着磨损加剧，但有临界载荷；

在压力一定的情况下，粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在达到某一极大值后，又随着滑动速度的增加而减少。

（3）表面温度的影响

表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。

（4）润滑油、润滑脂的影响

在润滑油、润滑脂中加入油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。

3冲蚀磨损

冲蚀磨损是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。

根据颗粒及其携带介质的不同，冲蚀磨损又可分为气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀和气蚀等。

造成冲蚀的粒子通常都比被冲蚀的材料的硬度大。冲蚀磨损与腐蚀磨损的区别是前者对材料表面的破坏主要是机械力作用引起，腐蚀磨损只是第二位的因素；而腐蚀磨损则是在腐蚀介质中摩擦副的磨损，是腐蚀和磨损综合作用的结果。

冲蚀磨损的影响因素

（1）冲蚀粒子

粒度对冲蚀磨损有明显有对冲蚀磨损有明显的影响， 一般粒子只寸在20-200μm 范围内，材料磨损率随粒子尺寸增大而上升。当粒子尺寸增加到某一临界值时，材料的磨损率几乎不变或变化缓慢，这一现象称为"尺寸效应" 。粒子的形状也有很大影响，尖角形粒子与圆形粒子比较，在相同条件下，都是45°冲击角时，多角形粒子比圆形粒子的磨损大4倍，甚至低硬度的多角形粒子比较高硬度的圆形粒子产生的磨损还要大。粒子的硬度和可破碎性对冲蚀率有影响，因为粒子破碎后会产生二次冲蚀。

（2）攻角

材料的冲蚀率和粒子的攻角有密切关系。当粒子攻角为20°~30°时，典型的塑性材料冲蚀率达最大值，而脆性材料最大冲蚀率出现在攻角接近90°处。攻角与冲蚀率关系几乎不随入射粒子种类、形状及速度而改变。

（3）速度

粒子的速度存在一个门槛值，低于门槛值，粒子与靶面之间只出现弹性碰撞而观察不到破坏，即不发生冲蚀。速度门槛值与粒子尺寸和材料有关。

（4）冲蚀时间

冲蚀磨损存在一个较长的潜伏期或孕育期，磨粒冲击靶面后先使表面粗糙，产生加工硬化，此时未发生材料流失，经过一段时间的损伤积累后才逐步产生冲蚀磨损。

（5）环境温度

温度对冲浊磨损的影响比较复杂，有些材料在冲蚀磨损中随温度升高磨损率上升；但也有些材料随温度升高磨损有所减少，这可能是高温时形成的氧化膜提高了材料的抗冲蚀磨损能力，也有可能是温度升高，材料塑性增加，抗冲蚀性能提高。

（6）靶材

靶材除本身的性质以外，还与磨粒的几何形状、尺寸、硬度、攻角、速度和温度等条件密切相关。

4微动磨损

微动磨损指受压配合面在微小幅度的振动下所引起的表面损伤，包括材料损失、表面形貌变化、表面或亚表层塑性变形或出现裂纹等，称为微动磨损。微动磨损是一种复合磨损（粘着、磨粒、疲劳、腐蚀）。



金属表面的微动磨损原理示意图

微动磨损可以分为两类。第一类是该构件原设计的两物体接触面是静止的，只是由于受到振动或交变应力作用，使两个匹配面之间产生微小的相对滑动，由此造成磨损。第二类是各种运动副在停止运转时，由于环境振动而产生微振造成磨损。

工程中常见的微动磨损

（1）轴承

滚动轴承存三个部位可能发生微动损伤，轴承和轴承座、轴的紧配合面及滚珠或滚柱和座圈之间。

（2）压配合

机车主轴一般用压配合装入轮毅中，运行过程中，在负荷的作用下，轴发生弯曲，和轮毅配合段的两端出现微动。

（3）榫槽配合

航空发动机的涡轮叶片榫头和轮盘配合，叶片相当于一端固定的悬梁臂，由于受强烈气流冲击而处在弯曲复合振动状态，从而使榫槽受到微动磨损，导致配合松动并萌生疲劳裂纹。

（4）铆接

飞机上广泛使用铆接。据估计，各种飞机上90%的疲劳裂纹起源于微动部位，而其中又以铆接和螺纹联接占多数。

（5）钢丝缆绳

由于其本身的柔性必然导致丝对丝或股对股之间的滑动，缆的往复运动造成一复杂的疲劳应力。

（6）核工业中的热交换器和压力管燃料元件

反应堆中的燃料，用耐辐射和耐磨性好的锆合金和镁合金包覆，在冷却液流作用下，各包覆件之间发生微动磨损，最终将包覆层磨穿。

微动磨损过程

微动磨损是一个复杂的过程，包含粘着、氧化、磨粒和疲劳等的综合作用。

微动磨损的过程一般是相互接触的两个物体表面，由于接触压力的作用使微凸体产生塑性变形和粘着，在小振幅振动作用下，粘着点可能被剪切并脱落，剪切表面被氧化。由于表面紧密配合，脱落的磨屑不易排出，在两表面间起着磨粒作用，加速微动磨损过程。

微动磨损初始阶段材料的流失机制主要是粘着和转移，其次是凸峰点的犁削作用。对于较软材料可出现严重塑性变形，由挤压直接撕裂材料，这个阶段摩擦因素及磨损量均较高。

当产生的磨屑足以覆盖表面后，粘着减弱，逐步进入稳态阶段。这时，摩擦因数及磨损率均明显降低，磨损量和循环数成线性关系。由于微动的反复切应力作用，造成亚表面裂纹萌生， 形成脱层损伤，材料以薄片形式脱离母体。刚脱离母体的材料主要是金属形态。它们在二次微动中变得越来越细并吸收足够的机械能以致具有极大的化学活性，在接触空气瞬间即完成氧化过程，成为氧化物。氧化磨屑既可作为磨料加速表面损伤，又可分开两表面，减少金属间接触，起缓冲垫作用，大部分情况下，后者作用更显著，即磨屑的主要作用是减轻表面损伤。

微动磨损的特征与判断

（1）表面特征

钢的微动损伤表面粘附着一层红棕色粉末，当将其除去后，观察到许多小麻坑。其形状不同于点蚀，它有两种类型，一种为深度不到5μm的不规则的长方形浅平坑，另一种为较深(可达50μm左右)且形状较规则的圆坑。

（2）磨屑特征

钢铁微动磨屑的重要标志是红棕色磨屑。

对于其他金属，大多数情况下， 磨屑为该种金属的最终氧化态。不活泼的金属如金和铂的磨屑由纯金属组成。磨屑的大小和成分与振幅有关，振幅较大时，磨屑直径较大，金属的比例也较高。材料的硬度影响磨损量，也影响磨屑的大小和成分，材料越硬，磨屑越细，氧化物的比例也越大。

5腐蚀磨损

两物体表面产生摩擦时，工作环境中的介质如液体、气体或润滑剂等，与材料表面起化学或电化学反应，形成腐蚀产物，这些产物往往粘附不牢，在摩擦过程中剥落下来，其后新的表面又继续与介质发生反应。这种腐蚀和磨损的反复过程称为腐蚀磨损。

腐蚀磨损分类

腐蚀磨损可分为化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损。化学腐蚀磨损又可分为氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。

腐蚀磨损是一种极为复杂的磨损形式，它是材料受腐蚀和磨损综合作用的磨损过程，对环境、温度、介质、滑动速度、载荷大小及润滑条件等极为敏感，稍有变化就可使腐蚀磨损发生很大变化。

（1）化学腐蚀磨损

化学腐蚀磨损最常见的是氧化磨损。氧化磨损的实质是金属表面与气体介质发生氧化反应，生成氧化膜。

脆性氧化膜与金属基体差别大，在达到一定厚度时，很容易被摩擦表面上的微凸体的机械作用去除，暴露出新的基体表面又开始新的氧化过程，膜的生长与去除反复进行。

当氧化膜的韧性较好，而且比金属基体还软时，若受摩擦表面微凸体机械作用，可能有部分被去除，在继续磨损过程中，氧化仍然在原有氧化膜的基础上发生，这种磨损较脆性氧化膜的磨损轻。

（2）电化学腐蚀磨损

电化学腐蚀磨损按腐蚀磨损产物被机械或腐蚀去除的特点也可分为两种磨损。一种是在均匀腐蚀条件的磨损过程中，局部腐蚀产物被磨料或硬质点的机械作用去除，使之裸露金属基底，但随后又在磨损处形成新的腐蚀产物，经过反复作用，此处腐蚀速度比腐蚀产物始终覆盖的其他部分快得多，严重得多。此类磨损称均匀腐蚀条件下的腐蚀磨损。

多相材料，尤其是含有碳化物的耐磨材料，由于碳化物与基体之间存在较大的电位差，形成腐蚀电池，产生相间腐蚀，极大削弱了碳化物与基体结合力，在磨料或硬质点的作用下，碳化物很容易从基体脱落或发生断裂。

另一种情况是形成局部腐蚀电池。由于磨料的磨损作用，金属材料表面产生不均匀的塑性变形，塑性变形强烈的部分成为阳极，首先受到腐蚀破坏，或者溶解，或者形蚀产物，在磨料的继续作用下，腐蚀产物很容易被去除形成二次磨损。这一塑性变形就是应变差异腐蚀电池的作用，它可使腐蚀速度提高两个数量级左右。

腐蚀磨损的特征

腐蚀磨损过程中，氧化膜断裂和剥落，形成了新的磨料，使腐蚀磨损兼有腐蚀与磨损双重作用。但腐蚀磨损又不同于一般的磨料磨损。腐蚀磨损不产生显微切削和表面变形，其主要磨损表面有化学反应膜或麻点。麻点比较光滑，磨屑多事显微细粉末状的氧化物，也有薄的碎片。钢摩擦副相互滑动的氧化磨损，沿滑动方向呈现出匀细的磨痕。磨屑是暗色的片状或丝状物，片状磨屑为红褐色的Fe_{2O3，而丝状的是灰黑色的Fe3O4。}

影响腐蚀磨损的因素

（1）PH值

一般来讲，PH<7时，随着酸性增加腐蚀磨损量增加。在7

温度 在其他条件相同的情况下，腐蚀磨损的速度一般随温度升高而增加。

（2）化学成分

化学成分是主要影响因素。对不同介质条件，在Fe-C合金中，加入适量的Cr、V、B等元素可提高耐磨性。不同介质加入不同合金元素才能获得良好的效果。

6疲劳磨损

当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程称疲劳磨损。

疲劳磨损与整体疲劳的区别

①裂纹源与裂纹扩展不同。整体疲劳的裂纹源都是从表面开始，一般从表面沿与外加应力成45°的方向扩展，超过两三个晶粒以后，即转向与应力垂直的方向。而疲劳磨损裂纹除

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