{首页主词},&

【知識(shí)】金屬材料失效分析：腐蝕失效

2023-10-17 13:52:21 作者：材子筆記來(lái)源：材子筆記分享至：

金屬材料常見(jiàn)失效形式及其判斷

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

腐蝕失效

腐蝕是材料表面與服役環(huán)境發(fā)生物理或化學(xué)的反應(yīng)，使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，構(gòu)件發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能則稱為腐蝕失效。

腐蝕有多種形式，有均勻遍及構(gòu)件表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現(xiàn)的局部腐蝕，局部腐蝕又分為點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、腐蝕疲勞等。

全面腐蝕和局部腐蝕的主要區(qū)別

各類腐蝕失效在化工事故中所占比例

工程中常見(jiàn)的金屬腐蝕失效破壞類型的特征及產(chǎn)生的條件

電偶腐蝕

異種金屬相接觸，又都處于同一或相連通的電解質(zhì)溶液中，由于不同金屬之間存在實(shí)際（腐蝕）電位差而使電位較低（較負(fù)）的金屬加速腐蝕，稱為電偶腐蝕（或接觸腐蝕）。

組成電偶腐蝕的兩種金屬由于電偶效應(yīng)，使電位較正的金屬由于陰極鈍化使腐蝕速率減小得到保護(hù)，電位較負(fù)的金屬由于陽(yáng)極極化使腐蝕速率增加。

電偶腐蝕特征：腐蝕主要發(fā)生在兩個(gè)不同金屬或金屬與非金屬導(dǎo)體接觸邊線附近，遠(yuǎn)離邊緣區(qū)域，腐蝕程度較輕。

縫隙腐蝕

金屬表面上由于存在異物或結(jié)構(gòu)上的原因而形成縫隙，使縫內(nèi)溶液中的物質(zhì)遷移困難所引起的縫隙內(nèi)金屬的腐蝕，稱為縫隙腐蝕。縫隙腐蝕多數(shù)情況是宏觀電池腐蝕。

縫隙腐蝕的起因是氧濃度差電池的作用，而閉塞電池引起的酸化自催化作用是造成縫隙腐蝕加速腐蝕的根本原因。

工程上，造成縫隙腐蝕的條件很多：鉚接、法蘭盤(pán)連接面、螺栓連接、金屬表面沉積物、腐蝕產(chǎn)物等都會(huì)形成縫隙。

縫隙腐蝕的特征：

腐蝕發(fā)生在縫隙內(nèi)，縫外金屬受到保護(hù)；

構(gòu)成縫隙腐蝕的縫隙寬度在0.025~0.1mm之間；

構(gòu)成縫隙的材料無(wú)特殊性，金屬或非金屬縫隙都對(duì)金屬產(chǎn)生縫隙腐蝕；

幾乎所有腐蝕介質(zhì)都會(huì)引起金屬縫隙腐蝕，以充氣含氯化物活性陰離子溶液最容易；

幾乎所有金屬或合金都會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕，以鈍態(tài)金屬較為嚴(yán)重。

點(diǎn)蝕

金屬材料在某些環(huán)境介質(zhì)中，大部分表面不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微，但在個(gè)別的點(diǎn)或微小區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)蝕孔或麻點(diǎn)，且隨著時(shí)間的推移，蝕孔不斷向縱深方向發(fā)展，形成小孔狀腐蝕坑，稱為點(diǎn)腐蝕。

點(diǎn)蝕是一種隱蔽性較強(qiáng)、危險(xiǎn)性很大的局部腐蝕。點(diǎn)蝕主要集中在某些活性點(diǎn)上，不斷向金屬內(nèi)部深處發(fā)展，通常其腐蝕深度大于孔徑，嚴(yán)重時(shí)可使管道或設(shè)備穿孔。點(diǎn)蝕還可誘發(fā)其他形式的腐蝕，如應(yīng)力腐蝕破裂或腐蝕疲勞等。

點(diǎn)蝕的特征：

易發(fā)生在有自鈍化傾向的金屬表面；

蝕孔小且深，在表面有一定分布；

孔口有腐蝕產(chǎn)物覆蓋；

蝕孔的出現(xiàn)有時(shí)間不一的誘導(dǎo)期；

蝕孔常沿重力方向或橫向發(fā)展；

孔蝕的剖面特征形貌

晶間腐蝕

在某些腐蝕介質(zhì)中，晶界可能先行被腐蝕。這種沿著金屬晶界發(fā)生腐蝕的局部破壞現(xiàn)象，稱為晶間腐蝕。

晶界是金屬中各種溶質(zhì)元素偏析或金屬化合物（如碳化物和σ相等）沉淀容易析出的區(qū)域。

當(dāng)金屬材料發(fā)生晶間腐蝕時(shí)，其特點(diǎn)是在宏觀上金屬的外形尺寸幾乎不變，但其強(qiáng)度和延性下降。受強(qiáng)烈的機(jī)械碰撞后，表面出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重者稍加外力，晶粒即行脫落。在微觀上進(jìn)行斷面金相檢查時(shí)，可看到腐蝕沿晶界均勻發(fā)展。

選擇性腐蝕

合金中的某一組織或某一成分優(yōu)先腐蝕，另一組織或成分不腐蝕或很少腐蝕，這種現(xiàn)象叫做選擇性腐蝕。

選擇性腐蝕結(jié)果輕則使合金損失強(qiáng)度，重則造成穿孔、破損，釀成嚴(yán)重事故。就介質(zhì)條件而言，選擇性腐蝕多發(fā)生在水溶液中，但某些材料在熔融鹽、高溫氣體介質(zhì)中也有選擇性腐蝕出現(xiàn)。

選擇性腐蝕破壞的形式則可大致分為兩種，層狀和栓式。

選擇性腐蝕較均勻地波及整個(gè)材料表面（如黃銅的層式脫鋅），稱為層狀選擇性腐蝕；或選擇性腐蝕沿表面發(fā)展，但不均勻，呈條狀，稱為帶狀選擇性腐蝕。

選擇性腐蝕集中發(fā)生在材料表面的局部區(qū)域，并不斷向內(nèi)深入（如黃銅的栓式脫鋅），稱為栓狀選擇性腐蝕。例如，在酸性介質(zhì)中，黃銅含鋅量高時(shí)，有利于產(chǎn)生層狀脫鋅；若介質(zhì)是中性、弱酸性或堿性的，黃銅含鋅量相對(duì)低時(shí)，則栓狀脫鋅占優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)力腐蝕破裂

金屬設(shè)備和部件在應(yīng)力和特定的腐蝕性環(huán)境的聯(lián)合作用下，出現(xiàn)低于材料強(qiáng)度極限的脆性開(kāi)裂現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，簡(jiǎn)稱SCC（Stress Corrosion Cracking）。

產(chǎn)生SCC的基本條件：敏感的材料、固定拉應(yīng)力、特定腐蝕介質(zhì)。

應(yīng)力腐蝕按機(jī)理可分為陽(yáng)極溶解型和氫致開(kāi)裂型兩類。

如果應(yīng)力腐蝕體系中陽(yáng)極溶解所對(duì)應(yīng)的陰極過(guò)程是吸氧反應(yīng)，或者雖然陰極是析氫反應(yīng)，但進(jìn)入金屬的氫不足以引起氫致開(kāi)裂，這時(shí)應(yīng)力腐蝕裂紋形核和擴(kuò)展就由金屬的陽(yáng)極溶解過(guò)程控制，稱為陽(yáng)極溶解型應(yīng)力腐蝕。

如果陽(yáng)極金屬溶解（腐蝕）所對(duì)應(yīng)的陰極過(guò)程是析氫反應(yīng)，而且原子氫能擴(kuò)散進(jìn)入金屬并控制了裂紋的形核和擴(kuò)展，這一類應(yīng)力腐蝕就稱為氫致開(kāi)裂型應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征：

①裂紋出現(xiàn)在設(shè)備或構(gòu)件的局部區(qū)域，而不是發(fā)生在與腐蝕介質(zhì)相接觸的整個(gè)界面上。裂紋的數(shù)量不定，有時(shí)很多，有時(shí)較少，甚至只有一條裂紋。

②裂紋一般較深、較窄。裂紋的走向與設(shè)備及構(gòu)件所受應(yīng)力的方向有很大關(guān)系。一般說(shuō)來(lái)，裂紋基本上與所受主應(yīng)力的方向相垂直，但在某些情況下，也會(huì)呈現(xiàn)明顯的分叉裂紋。

③ 設(shè)備及部件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂時(shí)，一般不產(chǎn)生明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂。

④應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是在一定的介質(zhì)條件和拉應(yīng)力共同作用下引起的一種破壞形式。斷口宏觀形貌包括逐漸擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)兩部分。后者一般為延性破壞。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂可能沿晶，也可能穿晶。其斷口上腐蝕產(chǎn)物呈泥狀花樣等。

易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的金屬材料與環(huán)境的組合

氫損傷

氫損傷指的是金屬材料在含有氫或與氫相互作用而導(dǎo)致力學(xué)性能變壞的現(xiàn)象，按照氫損傷發(fā)生的溫度條件可以分為氫脆與氫腐蝕；按照氫損傷是否可以通過(guò)消氫處理恢復(fù)材料原來(lái)的力學(xué)性能分為可逆與不可逆氫損傷。

（1）氫脆

氫脆可以包括氫壓裂紋（鋼中自點(diǎn)、H2S誘發(fā)裂紋、焊接冷裂紋和充氫或酸洗裂紋）和氫致滯后斷裂等。

氫致相變導(dǎo)致的氫脆。很多金屬能形成穩(wěn)定的氫化物。氫化物是一種脆性中間相，一旦有氫化物析出，材料的塑性和韌性就會(huì)下降，即氫化物析出導(dǎo)致材料變脆。氫化物脆、氫致馬氏體相變是一種氫致相變引起的氫脆。

（2）氫致滯后斷裂

在恒載荷（或恒位移）條件下，原子氫通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散富集到臨界值后就引起氫致裂紋的形核、擴(kuò)展，從而導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的現(xiàn)象稱為氫致滯后斷裂。所謂滯后是指氫擴(kuò)散富集到臨界值需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，故加載后要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后氫致裂紋才會(huì)形核和擴(kuò)展。如把原子氫除去后，就不會(huì)發(fā)生滯后斷裂，故它也是可逆的。

（3）氫腐蝕

氫腐蝕實(shí)質(zhì)是氫致化學(xué)變化導(dǎo)致的氫脆。在高溫高壓下氫進(jìn)入鋼中后與碳化物反應(yīng)生成甲燒，形成的CH4比分子不能從鋼中擴(kuò)散出來(lái)，就在晶界夾雜物處形成氣泡，井有很大壓力。隨著C比的不斷形成，氣泡不斷長(zhǎng)大，當(dāng)氣泡中CH4的壓力大于材料在該溫度下的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)使氣泡轉(zhuǎn)化成裂紋。環(huán)境H2的壓力愈高，溫度愈高，則CH4氣泡中的壓力就愈大，當(dāng)CH4氣泡中的壓力等于材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致微裂紋形核。與此同時(shí)，生成CH4的反應(yīng)使鋼形成脫碳，降低了鋼的強(qiáng)度。

腐蝕疲勞

在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)同時(shí)作用下，金屬的疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命比無(wú)腐蝕作用時(shí)有所降低，這種現(xiàn)象叫做腐蝕疲勞。這里所謂“無(wú)腐蝕作用”，一般是指在空氣中金屬的疲勞行為。

具有應(yīng)力腐蝕破裂敏感性的材料受交變應(yīng)力作用時(shí)，如果應(yīng)力半幅在能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的臨界值以下，則只能產(chǎn)生腐蝕疲勞。如果高于應(yīng)力腐蝕破裂的臨界應(yīng)力，隨著應(yīng)力交變速度的降低，可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂與腐蝕疲勞混合存在的情況。

沖刷腐蝕

沖刷腐蝕又稱磨損腐蝕和磨耗腐蝕，是指溶液與材料以較高速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，沖刷和腐蝕共同引起的材料表面損傷現(xiàn)象。這種損傷要比沖刷或腐蝕單獨(dú)存在時(shí)所造成的損傷的加和大得多。這是因?yàn)闆_刷與腐蝕互相促進(jìn)的緣故。廣義的沖刷腐蝕包括湍流腐蝕（又名沖擊腐蝕）、空蝕、摩振腐蝕（又稱微動(dòng)磨損和徽動(dòng)腐蝕）等。

在沖刷腐蝕中，特別把主要由于金屬構(gòu)件幾何形狀變化而使較高流速溶液產(chǎn)生湍流造成的金屬表面破壞叫做湍流腐蝕，又叫做沖擊腐蝕。例如溶液流經(jīng)管道彎頭或渦輪機(jī)渦殼和葉片時(shí)，都能產(chǎn)生湍流腐蝕。

空泡腐蝕即空蝕，空蝕破壞在金屬表面下產(chǎn)生了加工硬化層，空蝕點(diǎn)附近可產(chǎn)生裂紋。在空蝕破壞的性質(zhì)方面，機(jī)械沖擊作用比電化學(xué)作用為大。空泡腐蝕屬于沖擊腐蝕的特殊形式。

在有氧氣存在的條件下，金屬構(gòu)件若沿著受載荷而緊密接觸的面有輕微的振動(dòng)或往返的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使在接觸面上出現(xiàn)黑斑、小坑或細(xì)槽現(xiàn)象，即稱之為微動(dòng)腐蝕。這種腐蝕現(xiàn)象涉及三個(gè)過(guò)程：冷焊、局部斷裂和氧化。

失效分析的基本方法

失效材料的檢測(cè)

化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析包括對(duì)失效構(gòu)件金屬材料化學(xué)成分、環(huán)境介質(zhì)及反應(yīng)物、生成物、痕跡物等的化學(xué)成分的分析。

性能測(cè)試

力學(xué)性能包括包括構(gòu)件金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)和韌性指標(biāo)σb、σs、σn、σD、δ、ψ、Akv、KIC、δC及硬度等；

化學(xué)性能包括金屬材料在所處環(huán)境介質(zhì)中的電極電位、極化曲線及腐蝕速率等；

物理性能包括如環(huán)境介質(zhì)在所處工藝條件下的反應(yīng)熱、燃燒熱等；

無(wú)損檢測(cè)

采用物理的方法，在不改變材料或構(gòu)件的性能和形狀的條件，迅速而可靠地確定構(gòu)件表面或內(nèi)部裂紋和其他缺陷的大小、數(shù)量和位置。金屬構(gòu)件表面裂紋及缺陷常用滲透法及電磁法檢測(cè)：內(nèi)部缺陷則多用放射性檢測(cè)，聲發(fā)射常用于動(dòng)態(tài)-無(wú)損檢測(cè)，如探測(cè)裂紋擴(kuò)展情況。

組織結(jié)構(gòu)分析

蜘蛛結(jié)構(gòu)分析包括金屬材料表面和心部的金相組織或缺陷。常用金相法分析金屬的顯微組織是否正常、是否存在晶粒粗大、脫碳、過(guò)熱、偏析等缺陷；夾雜物的類型、大小、數(shù)量及分布；晶界上有無(wú)析出物，裂紋的數(shù)量、分布及其附近組織有無(wú)異常，是否存在氧化或腐蝕產(chǎn)物等。

應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算

構(gòu)件殘余應(yīng)力的測(cè)定是在無(wú)外加載荷的作用下進(jìn)行測(cè)定，目前多用X射線應(yīng)力測(cè)定法。

失效件的取樣及處理

失效件的保護(hù)

斷口保護(hù)主要是防止機(jī)械損傷或化學(xué)損傷。

對(duì)于機(jī)械損傷的防止，應(yīng)當(dāng)在斷裂事故發(fā)生后馬上把斷口保護(hù)起來(lái)。在搬運(yùn)時(shí)將斷口保護(hù)好，在有些情況下還用襯墊材料，盡量使斷口表面不要相互摩擦和碰撞。有時(shí)斷口上可能沾上一些油污或臟物，千萬(wàn)不可用硬刷干刷斷口，并避免用手指直接接觸斷口。

對(duì)于化學(xué)損傷的防止，主要是防止來(lái)自空氣和水或其他化學(xué)藥品對(duì)斷口的腐蝕。一般可采用涂層的方法，即在斷口上涂防腐物質(zhì)，原則是涂層物質(zhì)不使斷口受腐蝕及易于被完全清洗掉。

失效件的取樣

為了全面地進(jìn)行失效分析，需要各種試樣，如力學(xué)性能試樣、化學(xué)分析試樣、斷口分析試祥、電子探針試樣、金相試樣、表面分析試樣和模擬試驗(yàn)用的試樣等。這些試樣要從有代表性的部位上截取，要對(duì)截取全部試樣有計(jì)劃安排。在截取的部位，用草圖或照相記錄，標(biāo)明是哪種試樣，以免弄混而導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)果。

失效件的清洗

清洗的目的是為了除去保護(hù)用的涂層和斷口上的腐蝕產(chǎn)物及外來(lái)沾污物如灰塵等。常用以下幾種方法：

① 用干燥壓縮空氣吹斷口，這可以清除粘附在上面的灰塵以及其他外來(lái)贓物：用柔軟的毛刷輕輕擦斷口，有利于把灰塵清除干凈。

② 對(duì)斷口上的油污或有機(jī)涂層，可以用汽油、石油醚、苯、丙酮等有機(jī)溶劑進(jìn)行清除，清除干凈后用無(wú)水酒精清洗后吹干。

③超聲波清洗能相當(dāng)有效地清楚斷口表面的沉淀物，且不損壞斷口。

④應(yīng)用乙酸纖維膜復(fù)型剝離。通常對(duì)于粘在斷口上的灰塵和和疏松的氧化腐蝕產(chǎn)物可采用這種方法，就是用乙酸纖維脂反復(fù)覆在斷口上2~5次，可以剝離斷口上的臟物。該方法操作簡(jiǎn)單，既可去掉斷口上的油污，對(duì)斷口又無(wú)損傷，故對(duì)一般斷口建議用此法清洗。

⑤ 使用化學(xué)或電化學(xué)方法清洗。這種方法主要用于清洗斷口表面的腐蝕產(chǎn)物或氧化層，但可能破壞斷口上的一些細(xì)節(jié)，所以使用時(shí)必須十分小心。一般只有在其他方法不能清洗掉

的情況下經(jīng)備用試樣試用后才使用。

常見(jiàn)清洗腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)方法

失效分析的基本技能

1 斷口分析

斷口分析重要性

斷口上忠實(shí)地記錄了金屬斷裂的全過(guò)程，即裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展直至開(kāi)裂：外部因素對(duì)裂紋萌生的影響及材料本身的缺陷對(duì)裂紋萌生的促進(jìn)作用；同時(shí)也記錄著裂紋擴(kuò)展的途徑、擴(kuò)展過(guò)程及內(nèi)外因素對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。

斷口分析的依據(jù)

（1）斷口的顏色與色澤

觀察斷口表面光澤與顏色時(shí)，主要觀察有無(wú)氧化色、有無(wú)腐蝕的痕跡、有無(wú)夾雜物的特殊色彩與其他顏色；紅銹、黃銹或是其他顏色的銹蝕：是否有深灰色的金屬光澤、發(fā)藍(lán)顏色（或呈深紫色、紫黑色金屬光澤）等。

根據(jù)疲勞斷口的光亮程度，可以判斷疲勞源的位置。如果不是腐蝕疲勞，則源區(qū)最光滑。

（2）斷口上的花紋

疲勞斷裂斷口宏觀上有時(shí)可見(jiàn)沙灘條紋，微觀上有疲勞輝紋。脆性斷裂有解理特征，斷口宏觀上有閃閃發(fā)光的小刻面或人字、山形條紋，而微觀上有河流條紋。舌狀花樣等。韌性斷裂宏觀有纖維狀斷口，微觀上則多有韌窩或行花樣等。

（3）斷口上的粗糙度

斷口的表面實(shí)際上由許多微小的小斷面構(gòu)成，其大小、高度差決定斷口的粗糙度。不同材料、不同斷裂方式，其斷口粗糙度也不同。

一般來(lái)說(shuō)，屬于剪切型的韌性斷裂的剪切唇比較光滑；而正斷型的纖維區(qū)則較粗糙。屬于脆性斷裂的解理斷裂形成的結(jié)晶狀斷口較粗糙，而準(zhǔn)解理斷裂形成的瓷狀斷口則較光滑。疲勞斷口的粗糙度與裂紋擴(kuò)展有關(guān)，擴(kuò)展速率越快，斷口越粗糙。

（4）斷口與最大正應(yīng)力的交角

韌性材料的拉伸斷口一般呈杯錐狀或呈45°切斷的外形，其塑性變形是以縮頸的方式表現(xiàn)。即斷口與拉伸軸向最大正應(yīng)力交角是45°。

脆性材料的拉伸斷口一般與最大拉伸正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣通常沒(méi)有剪切“唇口”。斷口附近沒(méi)有縮頸現(xiàn)象。韌性材料的扭轉(zhuǎn)斷口呈切斷型。斷口與扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力交角也是45°。

脆性材料的扭轉(zhuǎn)斷口呈麻花狀，在純扭矩的作用下，沿與最大主應(yīng)力垂直的方向分離。

（5）斷口上的冶金缺陷

夾雜、分層、晶粒粗大、自點(diǎn)、白斑、氧化膜、疏松、氣孔、撕裂等，常可在失效件斷口上經(jīng)宏觀或微觀觀察而發(fā)現(xiàn)。

斷口的觀察

宏觀觀察是指用肉眼、放大鏡、低倍率的光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡來(lái)觀察斷口的表面形貌。通過(guò)宏觀觀察收集斷口上的宏觀信息，則可初步確定斷裂的性質(zhì)，可以分析裂源的位置和裂紋擴(kuò)展方向，可以判斷冶金質(zhì)量和熱處理質(zhì)量等。

微觀觀察是用顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行高放大倍率的觀察，用金相顯微鏡及掃描電鏡的為多。斷口微觀觀察包括斷口表面的直接觀察及斷口剖面的觀察。通過(guò)微觀觀察進(jìn)一步核實(shí)宏觀觀察收集的信息，確定斷裂的性質(zhì)、裂源的位置及裂紋走向、擴(kuò)展速度，找出斷裂原因及機(jī)理等。

剖面觀察。裁取剖面要求有一定的方向，通常是用與斷口表面垂直的平面來(lái)截取，垂直于斷口表面有兩種切法：平行裂紋擴(kuò)展方向截取，則可研究斷裂過(guò)程；垂直于裂紋擴(kuò)展方向截取，在一定位置的斷口剖面上，可研究某一特定位置的區(qū)域。

2 裂紋分析

裂紋分析的目的是確定裂紋的位置及裂紋產(chǎn)生的原因。裂紋形成的原因往往很復(fù)雜，如涉及上的不合理、選材不當(dāng)、材質(zhì)不良、制造工藝不當(dāng)以及維護(hù)和使用不當(dāng)?shù)染锌赡軐?dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

裂紋分析往往需要從原材料的冶金質(zhì)量、材料的力學(xué)性能、構(gòu)件成型的工藝流程和工序工藝參數(shù)、構(gòu)件的形狀及其工作條件以及裂紋宏觀和微觀的特征等方向做綜合的分析。其中牽涉到多種技術(shù)方法和專門(mén)知識(shí)，如無(wú)損探傷、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相分析、X射線微區(qū)分析等。

金屬裂紋的基本形貌特征

裂紋兩側(cè)凹凸不平，耦合自然。其耦合特征是與主應(yīng)力性質(zhì)相關(guān)；若主應(yīng)力屬于切應(yīng)力則裂紋一般呈平滑的大耦合；若主應(yīng)力屬拉應(yīng)力則裂紋一般呈鋸齒狀的小耦合。

除某些沿晶裂紋外，絕大多數(shù)裂紋的尾端是尖銳的。

裂紋具有一定的深度，深度與寬度不等，深度大于寬度，是連續(xù)性的缺陷。

裂紋有各種形狀，直線狀、分校狀、龜裂狀、輻射狀、環(huán)形狀、弧形狀，各種形狀往往與形成的原因密切相關(guān)。

金屬裂紋的檢查

裂紋的宏觀檢查的主要目的是確定檢查對(duì)象是否存在裂紋。裂紋的宏觀檢查，除通過(guò)肉眼進(jìn)行直接外觀檢查和采取建議的敲擊測(cè)音法外，通常采用無(wú)損探傷法，如X射線、磁力滲透著色、超聲波、熒光等物理探傷法檢測(cè)裂紋。

裂紋的微觀檢查是指檢查裂紋形態(tài)特征，確定裂紋的分布是穿晶的，還是沿晶的，主裂紋附近有無(wú)微裂紋和分支。裂紋處及附近的晶粒度有無(wú)顯著粗大或細(xì)化或大小極不均勻的現(xiàn)象，晶粒是否變形，裂紋與晶粒變形的方向相平行或相垂直。

裂紋附近是否存在碳化物或非金屬夾雜物，其形態(tài)、大小數(shù)量及分布情況，裂紋源是否產(chǎn)生于碳化物或非金屬夾雜物周圍，裂紋擴(kuò)展與夾雜物之間有無(wú)聯(lián)系。

裂紋兩側(cè)是否存在氧化和脫碳現(xiàn)象，有無(wú)氧化物或脫碳組織；

產(chǎn)生裂紋的表面是否存在加工硬化層或回火層；

裂紋萌生處及擴(kuò)展路徑周圍是否有過(guò)熱組織、魏氏組織、帶狀組織以及其他形式的組織缺陷。

裂紋產(chǎn)生部位分析

（1）構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀引起的裂紋

由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)上的需要或由于設(shè)計(jì)上的不合理，或加工制造過(guò)程中沒(méi)有按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，或在運(yùn)輸過(guò)程中碰撞而導(dǎo)致在構(gòu)件上往往有尖銳的凹角、凸邊或缺口，截面尺寸突變或臺(tái)階等“結(jié)構(gòu)上的缺陷” ，這些結(jié)構(gòu)上的缺陷在構(gòu)件制造和使用過(guò)程中將產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中并可能導(dǎo)致裂紋。所以，要注意裂紋所在部位與構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀之間關(guān)系的分析。

（2）材料缺陷引起的裂紋

金屬材料本身的缺陷，特別是表面缺陷，如夾雜、斑疤、劃痕、折疊、氧化、脫碳、粗晶以及氣泡、疏松、偏析、白點(diǎn)、過(guò)熱、過(guò)燒、發(fā)紋等，不僅其本身直接破壞了材料的連續(xù)性，降低了材料的強(qiáng)度與塑性，而且往住在這些缺陷的尖銳的前沿，造成很大的應(yīng)力集中，使得材料在很低的平均應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋并得以擴(kuò)展，最后導(dǎo)致斷裂。

（3）受力狀況引起的裂紋

在金屬材料質(zhì)量合格，構(gòu)件形狀設(shè)計(jì)合理的情況下，裂紋將在應(yīng)力最大處形成，或有隨機(jī)分布的特點(diǎn)。在這種情況下，為判別裂紋起裂的真實(shí)原因，要特別側(cè)重對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的分析。尤其是非正常操作工況下構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，如超載、超溫等。

主裂紋的判別方法

（1）T型法

將散落的碎片按相匹配的斷口合并在一起，其裂紋形成T形。在一般情況下橫貫裂紋首先開(kāi)裂。主裂紋一般阻止二次裂紋擴(kuò)展。

（2）分枝法

將散落碎片按相匹配斷口合并，其裂紋形成樹(shù)枝形：在斷裂失效中，往往出現(xiàn)一個(gè)裂紋后，產(chǎn)生很多分叉或分枝裂紋。裂紋的分叉或分枝方向通常為裂紋的局部擴(kuò)展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂紋為二次裂紋，匯合裂紋為主裂紋。

（3）變形法

將散落碎片按相匹配斷口合并起來(lái)，構(gòu)成原來(lái)構(gòu)件的幾何外形，測(cè)量其幾何形狀的變化情況，變形量較大的部位為主裂紋，其他部位為二次裂紋。

（4）氧化法

在受環(huán)境因素影響較大的斷裂失效中，檢驗(yàn)斷口各個(gè)部位的氧化程度，其中氧化程度最嚴(yán)重為最先斷裂者即主裂紋所形成的斷口，因?yàn)檠趸瘒?yán)重者說(shuō)明斷裂的時(shí)間較長(zhǎng)。

金屬的裂紋走向分析

（1）應(yīng)力原則

在金屬脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)，裂紋的擴(kuò)展方向一般都垂直于主應(yīng)力的方向，當(dāng)韌性金屬承受扭轉(zhuǎn)載荷或金屬在平面應(yīng)力的情況下，其裂紋的擴(kuò)展方向一般平行于切應(yīng)力的方向，如韌性材料切斷斷口。

（2）強(qiáng)度原則

強(qiáng)度原則即指裂紋總是傾向沿著最小阻力路線，即材料的薄弱環(huán)節(jié)或缺陷處擴(kuò)展的情況。有時(shí)按應(yīng)力原則擴(kuò)展的裂紋，途中突然發(fā)生轉(zhuǎn)折，顯然這種轉(zhuǎn)折的原因是由于材料內(nèi)部的缺陷。在這種情況下，在轉(zhuǎn)折處常常能夠找到缺陷的痕跡或者證據(jù)。

一般情況下，當(dāng)材質(zhì)比較均勻時(shí)，應(yīng)力原則起主導(dǎo)作用，裂紋按應(yīng)力原則進(jìn)行擴(kuò)展，而當(dāng)材質(zhì)存在著明顯不均勻時(shí)，強(qiáng)度原則將起主導(dǎo)作用，裂紋將按強(qiáng)度原則進(jìn)行擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展方向到底是沿晶的還是穿晶的，取決于在某種具體條件下，晶內(nèi)強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度的相對(duì)比值。

應(yīng)力腐蝕裂紋、氫脆裂紋、回火脆性、磨削裂紋、焊接熱裂紋、冷熱疲勞裂紋、過(guò)燒引起的鍛造裂紋、鑄造熱裂紋、蠕變裂紋、熱脆等晶界是薄弱環(huán)節(jié)，因此他們的裂紋是沿晶界擴(kuò)展的；而疲勞裂紋、解理斷裂裂紋、淳火裂紋，焊接裂紋及其他韌性斷裂的情況下，晶界強(qiáng)度一般大于晶內(nèi)強(qiáng)度，因此它們的裂紋為穿晶型，這時(shí)裂紋遇到亞晶界、晶界、硬質(zhì)點(diǎn)或其他組織和性能的不均勻區(qū)時(shí)，往往會(huì)改變擴(kuò)展方向。因此認(rèn)為晶界能夠阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展，這就是常常用細(xì)化晶粒的方法來(lái)提高金屬材料的疲勞壽命的原因之一。

3 痕跡分析

構(gòu)件失效時(shí)，由于力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等環(huán)境因素單獨(dú)或協(xié)同地作用，并在構(gòu)件表面或表面層留下了某種標(biāo)記，稱為痕跡。

痕跡分類

（1）機(jī)械接觸痕跡

構(gòu)件之間接觸的痕跡，包括壓入、撞擊、滑動(dòng)、滾壓、微動(dòng)等單獨(dú)作用或聯(lián)合作用，這種痕跡稱為機(jī)械接觸痕跡，其特點(diǎn)是塑性變形或材料轉(zhuǎn)移、斷裂等，集中發(fā)生于接觸部位，并且塑性變形極不均勻。

（2）腐蝕痕跡

由于構(gòu)件材料與周圍的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而在構(gòu)件表面留下的腐蝕產(chǎn)物及構(gòu)件材料表面損傷的標(biāo)記，稱為腐蝕痕跡。

（3）電侵蝕痕跡

由于電能的作用，在與電接觸或放電的構(gòu)件部位留下的痕跡稱為電侵蝕痕跡。電侵蝕痕跡分為兩類。電接觸痕跡由于電接觸現(xiàn)象而在電接觸部位留下的電侵蝕痕跡。靜電放電痕跡由于靜電放電現(xiàn)象面在放電部位留下的電侵蝕痕跡。

（4）熱損傷痕跡

由于接觸部位在熱能作用下發(fā)生局部不均勻的溫度變化而留下的痕跡。金屬表面層局部過(guò)熱、過(guò)燒、熔化、直至燒穿、表面保護(hù)層的燒焦都會(huì)留下熱損傷痕跡。不同的溫度有不同的熱損傷顏色，且構(gòu)件材料表面層成分、結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，表面性能有所改變。

（5）加工痕跡

對(duì)失效分析有幫助的主要是非正常加工痕跡，即留在構(gòu)件表面的各種加工缺陷，如刀痕、劃痕、燒傷、變形約束等。

（6）污染痕跡

各種外來(lái)污染物附著在構(gòu)件表面而留下的痕跡是污染痕跡。

痕跡分析主要內(nèi)容

痕跡的形貌，特別是塑性變形、反應(yīng)產(chǎn)物、變色區(qū)、分離物和污染物的具體形狀、尺寸、數(shù)量及分布；

痕跡區(qū)以及污染物、反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)成分；

痕跡顏色的種類、色度和分布、反光性等；

痕跡區(qū)材料的組織和結(jié)構(gòu)；

痕跡區(qū)的表面性能（耐磨性、耐蝕性、顯微硬度、表面電阻、涂鍍層的結(jié)合力等）；

痕跡區(qū)的殘余應(yīng)力分布；

從痕跡區(qū)散發(fā)出來(lái)的各種氣味；