金屬材料失效分析之變形失效

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。

變形失效

在常溫或溫度不高的情況下的變形失效主要有彈性變形失效和塑性變形失效。彈性變形失效主要是變形過量或喪失原設計的彈性功能，塑性失效一般是變形過量。在高溫下的變形失效有蠕變失效和熱鬆弛失效。

應力-應變曲線

1 彈性變形失效

在彈性狀態下，固體材料吸收了載入的能量，依靠原子間距的變化而產生變形，但因未超過原子之間的結合力，當解除安裝時，全部能量釋放，變形完全消失，恢復材料的原樣。要有好的彈性，應從提高材料的彈性極限及降低彈性模量入手。

金屬彈性形變的特點：

（1）可逆性。金屬材料的彈性變形具有可逆的性質，即載入時，解除安裝後恢復到原狀的性質；

（2）單值性。金屬材料在彈性變形過程中，不論是載入階段還是解除安裝階段，只要在緩慢的載入條件下，應力與應變都保持正比的單值對應的線性關係，即符合胡克定律；

（3）變形量很小。金屬的彈性變形主要發生在彈性階段，但在塑性階段也伴隨著發生定量的彈性交形。但兩個階段彈性變形的總量是很小的，加起來一般小於0。5%-1。0%。

構件產生的彈性變形量超過構件匹配所允許的數值，稱為過量的彈性變形失效，判斷方法如下：

（1）失效的構件是否有嚴格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫的工作條件；

（2）注意觀察在正常工作時，構件互相不接觸，而又很靠近的表面上是否有劃傷、擦傷或磨損的痕跡。只要觀察到這種痕跡，而且構件停工時，構件相互間仍有間隙，便可作為判斷的依據；

（3）在設計時是否考慮了彈性變形的影響及採取了相應的措施；

（4）透過計算驗證是否有過量彈性變形的可能；

（5）由於彈性變形是晶格的變形，可用X射線法測量金屬在受載時的晶格常數的變化驗證是否符合要求。

當構件的彈性變形已不遵循變形可逆性、單值對應性及小變形量的特性時，則構件失去了彈性功能而失效。

過載、超溫或材料變質是構件產生彈件變形失效的原因，預防措施如下：

（1）選擇合適的材料或構件結構；

（2）確定適當的構件匹配尺寸或變形的約束條件，對於拉壓變形的杆柱類零件、彎扭變形的軸類零件，其過量的彈性變形都會因構件喪失配合精度導致動作失誤，要求精確計算可能產生的彈性變形及變形約束而達到適當的配合尺寸；

（3）採用減少變形影響的連線件，如皮帶傳動、軟管連線、柔性軸、橢圓管板等。

2 塑性變形失效

塑性表示材料中的應力超過屈服極限後，能產生顯著的不可逆變形而未立即破壞的形態，這種顯著且不可逆的變形稱為塑性變形。通常反映材料塑性效能優劣的指標是伸長率δ和斷面收縮率φ。伸長率和斷而收縮率越高，則塑性越好。金屬的塑性變形一般可看作是晶體的缺陷運動。

金屬塑性變形的特點：

（1）不可逆性，金屬材料的塑性變形不可恢復，當材料應力等於或高於屈服極限後產生的變形，在解除安裝後，其變形仍然保留在材料內。塑性變形的微觀機制表明，位錯運動及增殖，使晶體實現一個晶面在另一個晶面上的逐步滑移，宏觀表面是解除安裝後塑性變形保留至可觀察及測量；

（2）變形量不恆定，金屬是多晶體，各個晶粒取向不同，晶面滑移先後不同，各晶粒變形有不同時性及不均勻性。一個構件在各個部位的塑性變形量不相同，因而個別塑性變形量大的部位將出現材料的不連續（斷裂失效的裂源）；

（3）慢速變形，金屬的彈性變形以聲速傳播，但塑性變形的傳播很慢；

（4）伴隨材料效能的變化，這主要因為塑性變形時金屬內部組織結構發生變化，由位錯運動及增殖實現了晶面的滑移，亞晶結構形成；晶粒歪扭，微裂紋等缺陷產生；如在材料加工中，隨塑性交形量增加，即產生了加工硬化，原因是位錯密度增加、位錯纏結、位錯運動相互作用及運動阻力增加，其宏觀表現就是應變硬化。

金屬構件產生的塑性變形量超過允許的數值稱為塑性變形失效，其變形失效判斷以影響構件執行正常功能為依據。

材料塑性變形失效的主要原因是過載，使構件的受力過大，出現影響構件使用功能的過量的塑性變形。過載不僅是對構件承受的外載荷估計不足，還應該包括偏載引起區域性應力、複雜結構應力計算誤差及應力集中、加工及熱處理產生殘餘應力、材料微觀不均勻的附加應力等因素，使構件受力不均，區域性區域的總應力超值。

塑性變形失效預防措施：

（1）合理選材，提高金屬材料抵抗塑性變形的能力，除了選擇合適的屈服強度的材料，還要保證金屬材料質量，控制組織狀態及冶金缺陷；

（2）準確地確定構件的工作載荷，正確進行應力計算，合理選取安全係數及進行結構設計，減少應力集中及降低應力集中水平；

（3）嚴格按照加工工藝規程對構件成形，減少殘餘應力；

（4）嚴禁構件執行超載；

（5）監測腐蝕環境構件強度尺寸的減小。

3 高溫作用下金屬材料的變形失效

金屬構件在高溫長時間作用下，即使其應力值小於屈服強度，也會緩慢產生塑性變形，當該變形量超過規定的要求時，會導致構件的塑性變形失效。此時所稱的高溫為高於0。3Tm（Tm是以絕對溫度表示的金屬材料的熔點），一般情況下碳鋼構件在300℃以上，低合金強度鋼構件在400℃以上。

蠕變變形失效

金屬在長時間恆溫、恆載荷（即使應力小於該溫度下的屈服強度）作用下緩慢地產生塑性變形的現象稱為蠕變。由蠕變變形導致的材料的斷裂，稱為蠕變斷裂。由蠕變變形和斷裂機理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速率；提高持久強度，則必須控制晶界的滑動和空位擴散。

壓力容器的蠕變變形量一般規定在105h為1%，即蠕變速率為10-7mm/（mm·h）。

典型的蠕變曲線

第一階段ab為減速蠕變階段又稱過渡蠕變階段，這一階段開始的蠕變速率很大，隨著時間延長蠕變速率逐漸減小，到b點蠕變速率達到最小值；

第二階段bc為恆速蠕變階段又稱穩態蠕變階段，這一階段的特點是蠕變速率幾乎保持不變。一般所指的金屬蠕變速率，就是以這一階段的蠕變速率ε表示的。

第三階段cd為加速蠕變階段隨著時間的延長，蠕變速率逐漸增大，到d點時產生蠕變斷裂。

斷口附近產生塑性變形，在變形區附近有很多裂紋（斷裂機件表面出現龜裂現象）；

高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。

斷口微觀特徵 冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌

蠕變變形失效也是一種塑性變形失效，有塑性變形失效的特點，但蠕變失效也不一定是過載，只是載荷大時，蠕變變形失效的時間短，恆速蠕變階段蠕變速度大。高溫下不僅有蠕變變形引起的的構件外部尺寸的變化，還有金屬內部組織結構特有的變化，導致高溫力學效能下降、構件承載能力降、蠕變速度加快、失效加快。

材料的蠕變效能常採用蠕變極限、持久強度、鬆弛穩定性等力學效能指標。

蠕變極限是金屬材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力指標，是高溫材料、設計高溫下服役機件的主要依據之一。蠕變極限（MPa）表示方法有兩種，一種是在規定溫度下，使試樣在規定時間內產生規定穩態蠕變速率的最大應力；另一種是在規定溫度和時間下，使試樣在規定時間內產生規定蠕變伸長率的最大應力。

持久強度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力，即材料在一定溫度和時間條件下，不發生蠕變斷裂的最大應力（蠕變極限指材料的變形抗力，持久強度表示材料的斷裂抗力）。某些材料與機件，蠕變變形很小，只要求在使用期內不發生斷裂（如鍋爐的過熱蒸汽管）。這時，就要用持久強度作為評價材料、機件使用的主要依據。

應力鬆弛變形失效

材料在恆變形條件下，隨著時間的延長，彈性應力逐漸降低的現象稱為應力鬆弛。金屬材料抵抗應力鬆弛的效能稱為鬆弛穩定性，可以透過應力鬆弛試驗測定的應力鬆弛曲線來評定。剩餘應力是評定金屬材料應力鬆弛穩定性的指標。剩餘應力越高，鬆弛溫度性越好。

金屬的蠕變是在應力不變的條件下，構件不斷產生塑性變形的過程；而金屬的鬆弛守則是在總變形不變的條件下，構件彈性變形不斷轉為塑性變形從而使應力不斷降低的過程。

第1階段：開始階段應力下降很快；第2階段：應力下降逐漸減緩的階段；

鬆弛極限：在一定的初應力和溫度下，不再繼續發生鬆弛的剩餘應力。

預防高溫鬆弛失效的措施是選用鬆弛穩定性好的材料。對緊固性構件的實際使用也可以在構件使用過程中對其進行一次或多次再緊固，即在構件應力鬆弛到一定程度時重新緊固，這是經濟而又有效的方法。但要注意到再緊固會對鬆弛效能有所影響，因為每進行一次再緊固，材料都產生應變硬化，剩餘應力有所下降，隨著塑性應變的總量增加，材料最終斷裂。

（來源：材易通）