金屬材料常見失效形式及其判斷

金屬材料在各種工程應用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等。

磨損失效

磨損是由于機械作用、化學反應(包括熱化學、電化學和力化學等反應)，材料表面物質不斷損失或產生殘余變形和斷裂的現象。磨損是發生在物體上的一種表面現象，其接觸表面必須有相對運動。磨損必然產生物質損耗(包括材料轉移)，而且它是具有時變特征的漸進的動態過程。

磨損按磨損機理可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損，按環境介質可分為干磨損、濕磨損、流體磨損。

01 磨料磨損

外界硬顆?；蛘邔δケ砻嫔系挠餐黄鹞锘虼植诜逶谀Σ吝^程中引起表面材料脫落的現象,稱為磨粒磨損（又稱磨料磨損）。磨粒是摩擦表面互相摩擦產生或由介質帶入摩擦表面。

磨粒磨損是最普遍的一種形式，主要出現在采礦、鉆探、建筑、運輸與農業等機械相關零部件，據統計，工業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力磨損。低應力的含義是指磨料與構件表面之間的作用力小于磨料本身壓潰強度。

碾碎式磨損屬于高應力磨損。當磨料與構件表面之間接觸壓應力大于磨料的壓潰強度時，磨粒被壓碎，一般金屬材料表面被劃傷，韌性材料產生塑性變形或疲勞，脆性材料則發生碎裂或剝落。

鑿削式磨損的產生主要是由于磨料中包含大塊磨粒，而且具有尖銳棱角，對構件表面進行沖擊式的高應力作用，使構件表面撕裂出很大的顆粒或碎塊，表面形成較深的坑。這種磨損常在運輸或破碎大塊磨料時發生，典型實例如顎式破碎機的齒板、輾輥等。

 

磨粒磨損的影響因素

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

02 粘著磨損

當摩擦副相對滑動時,由于粘著效應所形成結點發生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個表面遷移到另一個表面，此類磨損稱為粘著磨損。

粘著磨損的特征是磨損表面有細的劃痕，沿滑動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成分均有明顯變化。磨損產物多為片狀或小顆粒。

粘著磨損示意圖

根據粘合強度、金屬本體強度與切應力三者之間的不同關系，可以把粘著磨損分為四類：

 

粘著磨損的影響因素

（1）摩擦副材料性質的影響

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生粘著磨損，反之則不易發生粘著磨損；

多相金屬也不容易發生粘著磨損；

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。

（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，粘著磨損隨滑動速度的增加而增加，在達到某一極大值后，又隨著滑動速度的增加而減少。

（3）表面溫度的影響

表面溫度升高可使潤滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易產生粘著磨損。

（4）潤滑油、潤滑脂的影響

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

03 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材料表面進行沖擊所造成的磨損。

根據顆粒及其攜帶介質的不同，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別是前者對材料表面的破壞主要是機械力作用引起，腐蝕磨損只是第二位的因素；而腐蝕磨損則是在腐蝕介質中摩擦副的磨損，是腐蝕和磨損綜合作用的結果。

沖蝕磨損的影響因素

（1）沖蝕粒子

粒度對沖蝕磨損有明顯有對沖蝕磨損有明顯的影響，一般粒子尺寸在20-200μm范圍內，材料磨損率隨粒子尺寸增大而上升。當粒子尺寸增加到某一臨界值時，材料的磨損率幾乎不變或變化緩慢，這一現象稱為“尺寸效應”。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，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生的磨損還要大。粒子的硬度和可破碎性對沖蝕率有影響，因為粒子破碎后會產生二次沖蝕。

（2）攻角

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

（3）速度

粒子的速度存在一個門檻值，低于門檻值，粒子與靶面之間只出現彈性碰撞而觀察不到破壞，即不發生沖蝕。速度門檻值與粒子尺寸和材料有關。

（4）沖蝕時間

沖蝕磨損存在一個較長的潛伏期或孕育期，磨粒沖擊靶面后先使表面粗糙，產生加工硬化，此時未發生材料流失，經過一段時間的損傷積累后才逐步產生沖蝕磨損。

（5）環境溫度

溫度對沖蝕磨損的影響比較復雜，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。

04 微動磨損

微動磨損指受壓配合面在微小幅度的振動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裂紋等，稱為微動磨損。微動磨損是一種復合磨損（粘著、磨粒、疲勞、腐蝕）。

金屬表面的微動磨損原理示意圖

微動磨損可以分為兩類。第一類是該構件原設計的兩物體接觸面是靜止的，只是由于受到振動或交變應力作用，使兩個匹配面之間產生微小的相對滑動，由此造成磨損。第二類是各種運動在停止運轉時，由于環境振動而產生微振造成磨損。

工程中常見的微動磨損

（1）軸承

滾動軸承存三個部位可能發生微動損傷，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

機車主軸一般用壓配合裝入輪毅中，運行過程中，在負荷的作用下，軸發生彎曲，和輪毅配合段的兩端出現微動。

（3）榫槽配合

航空發動機的渦輪葉片榫頭和輪盤配合，葉片相當于一端固定的懸梁臂，由于受強烈氣流沖擊而處在彎曲復合振動狀態，從而使榫槽受到微動磨損，導致配合松動并萌生疲勞裂紋。

（4）鉚接

飛機上廣泛使用鉚接。據估計，各種飛機上90%的疲勞裂紋起源于微動部位，而其中又以鉚接和螺紋連接占多數。

（5）鋼絲纜繩

由于其本身的柔性必然導致絲對絲或股對股之間的滑動，纜的往復運動造成一復雜的疲勞應力。

（6）核工業中的熱交換器和壓力管燃料元件

反應堆中的燃料，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，各包覆件之間發生微動磨損，最終將包覆層磨穿。

微動磨損過程

微動磨損是一個復雜的過程，包含粘著、氧化、磨粒和疲勞等的綜合作用。

微動磨損的過程一般是相互接觸的兩個物體表面，由于接觸壓力的作用使微凸體產生塑性變形和粘著，在小振幅振動作用下，粘著點可能被剪切并脫落，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，加速微動磨損過程。

微動磨損初始階段材料的流失機制主要是粘著和轉移，其次是凸峰點的犁削作用。對于較軟材料可出現嚴重塑性變形，由擠壓直接撕裂材料，這個階段摩擦因素及磨損量均較高。

當產生的磨屑足以覆蓋表面后，粘著減弱，逐步進入穩態階段。這時，摩擦因數及磨損率均明顯降低，磨損量和循環數成線性關系。由于微動的反復切應力作用，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。它們在二次微動中變得越來越細并吸收足夠的機械能以致具有極大的化學活性，在接觸空氣瞬間即完成氧化過程，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。

微動磨損的特征與判斷

（1）表面特征

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

（2）磨屑特征

鋼鐵微動磨屑的重要標志是紅棕色磨屑。

對于其他金屬，大多數情況下，磨屑為該種金屬的最終氧化態。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，振幅較大時，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，氧化物的比例也越大。

05 腐蝕磨損

兩物體表面產生摩擦時，工作環境中的介質如液體、氣體或潤滑劑等，與材料表面起化學或電化學反應，形成腐蝕產物，這些產物往往粘附不牢，在摩擦過程中剝落下來，其后新的表面又繼續與介質發生反應。這種腐蝕和磨損的反復過程稱為腐蝕磨損。

腐蝕磨損分類

腐蝕磨損可分為化學腐蝕磨損和電化學腐蝕磨損。化學腐蝕磨損又可分為氧化磨損和特殊介質腐蝕磨損。

腐蝕磨損是一種極為復雜的磨損形式，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的磨損過程，對環境、溫度、介質、滑動速度、載荷大小及潤滑條件等極為敏感，稍有變化就可使腐蝕磨損發生很大變化。

（1）化學腐蝕磨損

化學腐蝕磨損最常見的是氧化磨損。氧化磨損的實質是金屬表面與氣體介質發生氧化反應，生成氧化膜。

脆性氧化膜與金屬基體差別大，在達到一定厚度時，很容易被摩擦表面上的微凸體的機械作用去除，暴露出新的基體表面又開始新的氧化過程，膜的生長與去除反復進行。

當氧化膜的韌性較好，而且比金屬基體還軟時，若受摩擦表面微凸體機械作用，可能有部分被去除，在繼續磨損過程中，氧化仍然在原有氧化膜的基礎上發生，這種磨損較脆性氧化膜的磨損輕。

（2）電化學腐蝕磨損

電化學腐蝕磨損按腐蝕磨損產物被機械或腐蝕去除的特點也可分為兩種磨損。一種是在均勻腐蝕條件的磨損過程中，局部腐蝕產物被磨料或硬質點的機械作用去除，使之裸露金屬基底，但隨后又在磨損處形成新的腐蝕產物，經過反復作用，此處腐蝕速度比腐蝕產物始終覆蓋的其他部分快得多，嚴重得多。此類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，產生相間腐蝕，極大削弱了碳化物與基體結合力，在磨料或硬質點的作用下，碳化物很容易從基體脫落或發生斷裂。

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

腐蝕磨損的特征

腐蝕磨損過程中，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。腐蝕磨損不產生顯微切削和表面變形，其主要磨損表面有化學反應膜或麻點。麻點比較光滑，磨屑多是顯微細粉末狀的氧化物，也有薄的碎片。鋼摩擦副相互滑動的氧化磨損，沿滑動方向呈現出勻細的磨痕。磨屑是暗色的片狀或絲狀物，片狀磨屑為紅褐色的Fe2O3，而絲狀的是灰黑色的Fe3O4。

影響腐蝕磨損的因素

（1）PH值

一般來講，PH<7時，隨著酸性增加腐蝕磨損量增加。在7<PH<12在相對運動速度不太高的情況下，隨堿性增加，腐蝕磨損量下降。

（2）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。

（3）化學成分

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

06 疲勞磨損

當兩個接觸體相對滾動或滑動時，在接觸區形成的循環應力超過材料的疲勞強度的情況下，在表面層將引發裂紋并逐步擴展，最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來的磨損過程稱疲勞磨損。

疲勞磨損與整體疲勞的區別

①裂紋源與裂紋擴展不同。整體疲勞的裂紋源都是從表面開始，一般從表面沿與外加應力成45°的方向擴展，超過兩三個晶粒以后，即轉向與應力垂直的方向。而疲勞磨損裂紋除來源于表面外，或與表面呈一定角度，一般為10°~30°，而且只限于在表面層內擴展。

②疲勞壽命不同。整體疲勞一般有明顯的疲勞極限，低于疲勞極限，疲勞理論壽命可以大大延長。而疲勞磨損尚未發現疲勞極限，疲勞磨損的零件壽命波動很大。

③疲勞磨損的工作條件更復雜更惡劣。疲勞磨損除循環應力作用外，還經受復雜的摩擦過程，可能引起表面層一些列物理化學變化以及各種力學性能與物理性能變化等。

疲勞磨損特征

疲勞磨損典型特征是零件表面出現深淺不同，大小不一的凹坑，或較大面積的表面剝落，簡稱點蝕或剝落。

點蝕裂紋一般都是從表面開始，向內傾斜擴展，最后二次裂紋折向表面，裂紋以上的材料折斷脫落下來即成點蝕。單個點蝕坑的表面形貌常表面為扇形。剝落裂紋一般起源于亞表層內部較深的層次。

純滾動接觸時，裂紋發生在亞表層最大切應力處，裂紋發展慢，經歷時間比裂紋萌生長，裂紋斷口顏色比較光亮。滾動加滑動的疲勞磨損，因切應力和壓應力，易在表面上產生微裂紋，它的萌生階段往往大于擴展階段，斷口較暗。

疲勞磨損的基本原理

最大的正應力發生在表面，最大的切應力發生在離表面一定距離外。滾動接觸時在交變應力的影響下，裂紋就容易在這些部位形核，并擴展到表面而產生剝落。若除滾動接觸外還有滑動接觸，破壞位置就逐漸移向表面。這是因為純滑動時，最大的切應力發生在表面。

實際中，由于構件表面粗糙度、材料不均、夾雜物、微裂紋及硬質點，疲勞破壞的位置會改變，所以有些裂紋從表面開始，而有些從次表面開始。

影響疲勞磨損的因素

①材質

材料純度越高壽命越長，鋼中的非金屬夾雜物，特別是是脆性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽以及其他各種復雜成分的點狀、球狀夾雜物破壞基體的連續性，對疲勞磨損有嚴重不良影響。此外要控制金屬的組織結構。

增加材料的加工硬化硬度對疲勞磨損有重要影響，硬度越高裂紋越難形成，降低表面粗糙度可有效提高抗疲勞磨損的能力；表層內一定深度的殘余壓應力可提高對接觸疲勞磨損的抗力，表面滲碳、淬火、噴丸、滾壓等處理都可使表面產生壓應力。

②載荷

載荷是影響疲勞磨損壽命的主要原因之一。

一般認為球軸承的壽命與載荷的立方成反比。

③潤滑油膜厚度

潤滑油黏度高且足夠厚時，可使表面微凸體不發生接觸，從而不容易產生接觸疲勞磨損。由于接觸表面壓力很高，要選擇在超高壓下黏度高的潤滑油。

④環境

周圍環境，如空氣中的水、海水中的鹽、潤滑油中有腐蝕性的添加劑對材料的疲勞磨損有不利的影響。如潤滑油中的水會加速軸承鋼的接觸疲勞失效，甚至很少量都危害重大。

07 提高耐磨性的途徑

金屬材料的磨損主要是發生在表面的變形和斷裂過程，提高承受摩擦作用的構件表面的強度和韌性，可提高耐磨性。

對于粘著磨損而言，改善潤滑條件，提高氧化膜與基體金屬的結合能力，以增強氧化膜的穩定性，阻止金屬之間直接接觸，以及降低表面粗糙度等都可以減輕粘著磨損。如果是沿接觸面上產生粘著磨損，只需降低摩擦副原子間的結合力，最好是采用表面處理，如滲碳、滲氮、滲磷等。

表面處理實際上是在金屬表面形成一層化合物層或非金屬層，避免摩擦副直接接觸，既降低原子間結合力，又減小摩擦因數，可防止粘著。滲硫并不提高硬度，但因降低了摩擦因數，故可防止粘著，特別對高溫下和不可能潤滑的構件更為有效。

如果粘著磨損發生在較軟材料內部，則不但應降低摩擦副的結合力，而且要提高材料本身表層硬度，采用滲碳、滲氮、碳氮共滲及碳氮硼三元共滲等熱處理工藝都有一定效果。

對磨粒磨損而言，如果是低應力磨粒磨損，應提高表面硬度。選用含碳較高的鋼，并經熱處理后獲得馬氏體組織，是提高抗磨粒磨損的簡單方法。但當材料受重載荷，特別是在較大沖擊載荷下工作，則基體組織最好是下貝氏體。因為這種組織既有較高硬度又有良好韌性。對于合金鋼，控制和改變碳化物數量、分布、形態對提高抗磨粒磨損能力有決定性影響。消除基體中初生碳化物，并使次生碳化物均勻彌散分布，就可以顯著提高耐磨性。提高鋼中碳化物體積比，一般也能提高耐磨性。鋼中含有適量殘余奧氏體對提高抗磨粒磨損能力也是有益的。因為殘余奧氏體能增加整體韌性，給碳化物以支承，并在受磨損時能部分轉變為馬氏體使硬度提高。采用滲碳、碳氮共滲等表面熱處理也能有效地提高抗磨粒磨損能力。