金属构件加工缺陷与失效

金属件的失效形式探究引言：在现代工业生产中，金属件广泛应用于各种机械设备中，承载着巨大的力和压力。

由于各种原因，金属件在使用过程中可能会出现各种不同的失效形式，影响设备的正常运行。

研究金属件的失效形式对于改善产品质量、提高生产效率至关重要。

本文将探究金属件常见的失效形式及其原因。

一、金属件的常见失效形式：1. 塑性变形：金属件在受到外力作用下发生塑性变形是一种常见的失效形式。

当金属件受到过大的载荷时，超过了其强度和硬度的极限，就会发生塑性变形，导致零部件变形失效。

塑性变形有屈服、蠕变、断裂等几种类型。

2. 疲劳破坏：金属件长时间受到交变载荷的作用，会引起疲劳破坏。

疲劳破坏是金属件在交变载荷下发生裂纹形成并扩展，导致分离或断裂。

疲劳破坏常发生在金属件表面、孔洞和切口等应力集中区域，如螺纹孔、焊缝等处。

3. 特殊环境腐蚀：金属件在特殊环境中（如高温、湿润、酸碱等）会发生腐蚀，导致金属局部失效。

腐蚀有很多种类型，如电化学腐蚀、氧化腐蚀、碳化、硫化等。

4. 渗碳层剥落：金属件表面渗入碳，形成硬度高、耐磨损的渗碳层。

在使用过程中，渗碳层会受到外力和热效应的影响，导致渗碳层剥落，降低金属件的使用寿命。

5. 轴承失效：轴承是金属件中常见的零部件，其失效形式包括磨损、疲劳、断裂等。

轴承失效会引起设备振动增大、摩擦增加等故障。

二、金属件失效形式的原因：1. 金属材料质量不合格：金属材料的质量是保证金属件正常使用的基础。

材料中的含杂质、非金属夹杂物和缺陷等都会导致金属件的强度和韧性下降，增加失效的风险。

2. 设计不合理：金属件的设计不合理是造成失效的另一个重要原因。

如设计的载荷超过了金属材料的承载能力、几何形状不合理导致应力集中等，都会导致金属件的失效。

3. 使用条件不恰当：金属件在使用过程中受到的载荷、震动、温度、湿度等环境条件都会影响其失效形式。

如超负荷使用、温度过高等都会导致金属件的疲劳破坏和腐蚀失效。

4. 加工工艺不合理：金属件的加工工艺是决定其性能和质量的关键因素之一。

失效分析机电工程学院何敏U n R e g i s t e r e d“失效分析”课程简介对广大同学而言，失效和失效分析也许是一个陌生的概念。

然而在我们的周围，大到各种机械零件，工程设备，运输机械，锅炉、压力容器等，小到生活、学习、娱乐场所的各类设施，我们手头的各种电子器件等等，不管你意识到没有，失效却总是在发生着。

失效——各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其它材料形成的构件（工程上习惯地统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。

当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。

失效给我们造成巨大的甚至是无法挽回的损失；而失效分析则可以有效地避免或减少这些损失。

U n R e g i s t e r e d11零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：失效failure“失效”与“事故”要区分“失效”与“事故”，这是两个不同的概念。

事故是一种结果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。

同样，失效可能导致事故的发生，但也不一定就导致事故。

（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；（2）零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。

如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化，当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。

U n R e g i s t e r e dU n R e g i st e r e dderetsigeRnUderetsigeRnU“失效分析”课程简介通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。

就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

失效分析是一门综合性的质量系统工程，是一门解决材料、工程结构、系统组元等质量问题的工程学。

第三章金属构件常见失效形式及其金属构件在使用过程中常常会发生各种失效，导致工件不能正常工作或失去使用价值。

常见的金属构件失效形式包括疲劳失效、蠕变失效、腐蚀失效、磨损失效和断裂失效等。

下面将对这些失效形式进行详细介绍。

疲劳失效是金属构件在经过多次循环加载下，由于应力集中、存在缺陷或工作环境存在震动等因素造成的失效。

这种失效形式往往是逐渐积累的，表现为构件出现裂纹，并逐渐扩展至断裂。

疲劳失效可以发生在各种工件上，如弯曲构件、轴类构件等。

为了防止疲劳失效，可以通过增加构件的强度、改变工作环境或提高构件的表面光洁度来减少应力集中。

蠕变失效是金属在高温和持续加载下的失效，主要表现为构件的材料发生塑性变形，导致尺寸增大、变形失效或破坏。

蠕变失效常见于高温合金构件、锅炉管道等工作在高温环境下的设备。

为了防止蠕变失效，可以通过提高材料的抗蠕变能力、降低工作温度或减少加载应力等措施来防止。

腐蚀失效是金属在化学环境中和电化学作用的影响下逐渐腐蚀产生的失效。

腐蚀失效可以表现为构件的表面出现腐蚀坑、腐蚀皮膜等，导致金属的强度和刚度降低，最终导致构件失效。

腐蚀失效在大气中、水中、酸碱溶液中等多种环境下都会发生。

为了防止腐蚀失效，可以通过材料的表面处理、涂层保护、选择抗腐蚀材料等措施来减少腐蚀的发生。

磨损失效是金属构件在与其他构件摩擦和磨擦过程中逐渐损耗，最终导致表面的粗糙度增加、尺寸的减小和形状的改变。

磨损失效常见于轴承、齿轮、刀具等工作在高速、高负荷和高温环境下的设备。

为了防止磨损失效，可以通过润滑剂的使用、提高表面硬度、减少工作条件下的振动和冲击等措施来减少磨损。

断裂失效是金属构件在受到应力超限或存在明显缺陷的情况下，由于应力集中、承受能力不足等原因导致的突然破裂。

断裂失效常见于焊接接头、薄壁结构等，造成的后果往往是灾难性的。

为了防止断裂失效，可以通过增加构件的强度、改善焊接质量、增加材料的韧性等措施来提高构件的承载能力。

金属零件失效分析及实例一、轴的失效分析1．1 轴的失效类型轴是用来支承旋转，并传递动力和运动的部件。

轴可以承受各种类型的载荷，如拉伸、压缩、弯曲或扭转及各种复合载荷。

有时还承受振动应力。

在这些载荷作用下，使轴失效的最常见的类型是轴的疲劳断裂。

疲劳破坏起始于局部应力最高的部位，有些机械由于设计、制造、装配和使用不合理，也造成轴过早地发生疲劳断裂。

轴的疲劳通常可分为3种基本类型：弯曲疲劳、扭转疲劳和轴向疲劳。

弯曲疲劳可由下面几种类型的弯曲载荷造成：单向的、交变的和旋转的。

在单向弯曲时，任一点的应力都是变动的，变动应力只改变大小而不改变方向。

在交变弯曲和旋转弯曲时，任意一点的应力都是交变的，即应力在方向相反的应力之间循环变化。

扭转疲劳常因施加变动或交变的扭转力矩产生。

轴向疲劳则由于施加交变或变动的拉伸—压缩载荷的结果。

承受了变应力的轴，由于机械的或冶金的因素，或两者综合的结果导致轴的疲劳断裂。

机械影响因素包括了小圆角、尖角、凹槽、键槽、刻痕及紧配合处。

冶金影响因素包括了淬火裂纹、腐蚀凹坑、粗大的金属夹杂物及焊接缺陷等。

疲劳破坏占失效轴的50％以上。

在低温环境中或是在冲击及快速施加过载时，将会使轴发生脆性断裂。

脆性断裂的特征是裂纹以极高的扩展速度(大约1800m/s或更大)发生突然断裂，而在断裂源处只有小的变形迹象。

这种类型的断裂特征是断裂表面上存在着鱼骨状或人字形花样的标志，人字形的顶点指向断裂源。

一些表面处理能使氢溶解入高强度钢中，使轴脆化而断裂，例如，电镀金属会引起高强度钢的失效。

轴的韧性断裂(显微空穴聚合的结果)在断裂表面上呈现有塑性变形的迹象，类似在普通拉伸试验或扭转试验试样中所观察到的情况。

对拉伸断裂的轴这种变形，用目视检验是容易见到的，但是，当轴扭转断裂时，则变形是不明显的。

在正常工作条件下轴很少发生韧性断裂。

但是，如果对工作要求条件估计过低，或者所用材料强度达不到预定数值，或者轴受到单一过负载，也可能发生韧性断裂。

金属件的失效形式探究
金属件的失效形式是指在使用过程中由于各种因素的作用，金属材料发生了不可逆转
的变化，导致其性能下降甚至完全丧失的现象。

金属件的失效形式包括疲劳断裂、变形失效、蠕变失效、腐蚀失效等。

本文将对金属件的失效形式进行探究。

疲劳断裂是金属件最常见的失效形式之一。

疲劳断裂是指在交变的应力和应变作用下，金属材料经历了一些载荷循环后出现的断裂现象。

疲劳断裂通常会从金属表面开始并逐渐
向内扩展，最终导致金属件的完全断裂。

疲劳断裂的主要原因是金属材料的内部存在一些
微小的缺陷，这些缺陷在应力下会逐渐扩展形成裂纹，进而导致断裂。

变形失效是金属件的另一种常见失效形式。

变形失效是指在金属件受到过大的载荷作
用下，金属材料发生塑性变形或工程应变超过了其允许的范围，导致金属件的性能下降。

变形失效通常表现为金属件的强度降低、变形过大或失去原有形状等现象。

腐蚀失效也是金属件的常见失效形式之一。

腐蚀是指金属材料与环境中的化学物质发
生反应而导致金属发生氧化、腐蚀等现象。

腐蚀失效通常表现为金属件的表面出现腐蚀斑点、锈蚀、脱漆等现象，严重的情况下可导致金属件的完全破坏。

金属件的失效形式包括疲劳断裂、变形失效、蠕变失效和腐蚀失效等。

了解和掌握金
属件的失效形式对于预防和解决金属件失效问题具有重要的意义，有助于提高金属件的使
用寿命和可靠性。

在设计和制造金属件时，应考虑材料的强度和耐蚀性能，合理控制应力
和应变，并采取相应的防护措施，以降低金属件的失效风险。

第一章1、失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。

2、失效形式：(1)变形失效a弹性变形失效b塑性变形失效（2）断裂失效a韧性断裂失效b 脆性断裂失效c疲劳断裂失效（3）腐蚀失效a局部（点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳）b全面（均匀、不均匀）（4）磨损失效3、引起失效的原因：（1）设计不合理：结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区（2）选材不当及材料缺陷（3）制造工艺不合理：工艺规范制定不合理（4）使用操作不当和维修不当4、失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。

5.自行车的失效形式：磨损；家用液化气瓶：变形；锅炉：断第二章1、铸态金属常见的组织缺陷：a缩孔：金属在冷凝过程中由于体积收缩而在铸锭或铸件心部形成管状或分散孔洞称为缩孔。

细小的缩孔称为疏松。

b偏析：金属在冷凝过程中由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象。

c内裂纹d气泡和白点2、金属锻造及轧制件缺陷：（1）内部组织缺陷a粗大的魏氏体组织b网络状碳化物及带状组织c钢材表层脱碳（2）钢材表面缺陷：折叠、划痕、结疤、表面裂纹、分层3、钢中金属夹杂物种类：a脆性夹杂物b塑性夹杂物c半塑性变形的夹杂物4、脆性夹杂物易成为疲劳断裂的裂纹源原因：对于变形率低的脆性夹杂物，在钢加工变形过程中，夹杂物与钢基体相比变形甚小，由于夹杂物与钢基体之间的变形性的显著差异，造成在夹杂物与钢基体的交界处产生应力集中，导致微裂纹产生或夹杂物本身开裂5、a比b的危害大的原因：夹杂物的变形率V可在V≈０～１这个范围变化，若变形率低，钢经加工变形后，由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本上不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。

金属材料的失效分析及预防措施金属材料广泛应用于各行各业的生产制造中，无论是建筑、汽车、航空、电子等领域，都有它的身影。

然而，在长期使用过程中，金属材料的失效问题也逐渐凸显出来。

本文将从失效分类、失效原因及预防措施等方面进行阐述。

一、失效分类金属材料的失效可分为三种类型，即塑性失效、疲劳失效、腐蚀失效。

塑性失效是指金属材料在受到极限载荷时失去了所需的强度和韧性。

塑性失效的表现形式是材料出现塑性变形和局部断裂，导致材料无法承载更大的荷载。

疲劳失效是由于材料长期受到重复载荷而引起的损坏现象，表现形式是材料出现微小的疲劳裂纹，逐渐扩展至材料疲劳断裂。

疲劳失效是金属材料使用寿命最主要的影响因素。

腐蚀失效是指金属材料在各种腐蚀介质中被破坏的现象，腐蚀失效不仅可以削弱材料的机械性能，还会严重影响材料的外观质量和安全性。

二、失效原因1. 缺陷金属材料中的缺陷主要包括气孔、夹杂、裂纹等，这些缺陷会极大地影响金属材料的机械性能，尤其是抗拉强度和韧性。

缺陷的产生一般由于生产过程中制造不当，产品加工时的人为因素或金属材料的裂纹扩展等情况导致。

2. 微观结构金属材料的微观结构是影响金属材料力学性能和疲劳性能的关键因素。

包括晶粒大小、晶界、孪晶、位错等等。

严重的晶界变异、加工硬化和冷处理等诸多因素都会引起失效。

3. 环境因素金属材料在各种环境介质中失效的机制不同。

一般来说，金属材料在高温、潮湿、腐蚀和氧化介质中失效更为明显。

高温介质下，金属材料的力学性能、结构和化学性质都发生了变化，包括晶体生长、晶粒长大、孪晶形成等。

潮湿介质下，金属材料很容易发生腐蚀失效。

三、预防措施1. 提高金属材料的强度和韧性针对塑性失效和疲劳失效，我们应该采取措施提高材料的强度和韧性。

具体包括选择高质量的原材料、严格掌握生产制造过程，领先的材料设计和成型技术，科学的表面处理和热处理等。

2. 减少金属材料中的缺陷针对金属材料中存在的缺陷，我们可以采取一系列措施，如选择有良好制造工艺和管理制度的优秀供应商，提高产品生产工艺，采用超声波探伤、磁粉探伤等无损检测技术。

引起失效的常见缺陷铸态金属组织缺陷铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏忻、内裂纹、气泡和白点等。

1.缩孔金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状（或喇叭状）或分散的孔洞，称为缩孔。

缩孔的相对体积与与液态金属的温度、冷却条件以及铸件的大小等有关。

液态金属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体积也越大。

向薄壁铸型中浇注金属时，型壁越薄、则受热越快，液态金属越不易冷却，在刚浇完铸型时，液态金属的体积也越大，金属冷凝后的缩孔也就越大。

2.疏松在急速冷却的条件下浇注金属，可避免在铸锭上部形成集中缩孔，但此时液体金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经消除了大的缩孔，可是有许多细小缩孔即疏松，分布在金属的整个体积中。

钢材在锻造和轧制过程中，疏松情况可得到很大程度的改善，但若由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因，则在热加工后较严重的疏松仍会存在。

此外，当原钢锭中存在着较多的气泡，而在热轧过程中焊合不良，或沸腾钢中的气泡分布不良，以致影响焊合，亦可能形成疏松。

疏松的存在具有较大的危害性，主要有以下几种：（1）在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使其在使用过程中成为疲劳源而发生断裂。

在用作液体容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象；（2）钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件的小；（3）金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表面粗糙度有一定的影响。

3.偏析金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。

偏析分为晶内偏析、晶间偏析、区域偏析、比重偏析。

由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。

基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同，即晶间偏析。