常見金屬失效類型及典型原因以及處理方法

作者：楊倩

常見金屬失效類型可分為斷裂、腐蝕、磨損、變形四大類，其典型原因及針對性處理方法如下：

一、斷裂失效

定義：金屬構件在受力時發生整體或局部斷裂，失去承載能力。

1.脆性斷裂

典型原因：

材料韌性不足（如低溫下的低碳鋼“冷脆”、含磷超標鋼）；

存在先天性缺陷（如鑄造裂紋、焊接未焊透、夾雜物超標）；

工藝不當（如淬火后未回火導致硬度極高、脆性增大）。

處理方法：

選材優化：選用低溫韌性好的材料（如低溫鋼9Ni鋼），控制雜質（磷、硫）含量；

工藝改進：避免應力集中設計（如將尖角改為圓角），焊接后進行探傷（UT/MT）確保無缺陷，熱處理時嚴格控制回火溫度以消除脆性；

使用環境控制：避免構件在極端低溫或沖擊載荷下工作。

2.疲勞斷裂

典型原因：

長期承受交變應力（如軸類、彈簧、齒輪），表面存在微小缺陷（劃痕、腐蝕坑）作為裂紋源；

表面粗糙度差、應力集中（如鍵槽、螺紋根部未倒圓）；

材料強度不足或內部夾雜物導致應力集中。

處理方法：

表面強化：采用噴丸、滲碳、氮化等工藝提高表面硬度和疲勞強度；

結構優化：消除應力集中（如加大過渡圓角、優化螺紋結構）；

定期檢測：通過無損檢測（如磁粉探傷）及時發現表面微裂紋，更換老化構件。

3.過載斷裂

典型原因：

實際載荷超過材料抗拉強度（如設備超載、設計載荷計算錯誤）；

材料強度不達標（如錯用低強度鋼替代高強度鋼）。

處理方法：

載荷控制：嚴格限制設備使用載荷，避免超載；

-選材糾正：按設計要求選用對應強度等級的材料（如用45鋼替代Q235鋼承擔高載荷）；

-結構加強：增加構件截面尺寸或采用補強設計。

二、腐蝕失效

定義：金屬與環境介質發生化學/電化學作用，導致表面損傷或性能下降。

1.均勻腐蝕（全面腐蝕）

典型原因：

金屬表面與腐蝕性介質（如酸雨、工業廢氣、海水）全面接觸，發生均勻溶解（如碳鋼生銹、銅材氧化）。

-處理方法：

防腐涂層：涂覆油漆、鍍鋅、鍍鉻等隔離介質；

選材耐蝕：選用不銹鋼、鋁鎂合金等耐蝕材料；

環境控制：在腐蝕性環境中添加緩蝕劑（如鍋爐水中加磷酸鈉）。

2.點蝕（小孔腐蝕）

典型原因：

鈍化膜局部破壞（如不銹鋼在含氯離子的海水、鹽水環境中，氯離子穿透鈍化膜形成小孔）；

表面存在夾雜或缺陷，成為腐蝕源。

處理方法：

選材升級：用耐腐蝕的高鉻鉬不銹鋼（如316L，含Mo元素）替代304不銹鋼；

降低介質腐蝕性：減少環境中氯離子、氟離子濃度；

表面處理：通過電解拋光提高表面光潔度，減少缺陷。

3.晶間腐蝕

典型原因：

奧氏體不銹鋼（如304）在450~850℃焊接或加熱時，晶界鉻元素與碳結合形成碳化物，導致晶界貧鉻，在腐蝕介質中沿晶界腐蝕（如不銹鋼焊縫附近的“敏化區”）。

處理方法：

固溶處理：焊接后加熱至1050℃以上，使碳化物重新溶解并快速冷卻，恢復晶界鉻含量；

選用低碳/超低碳不銹鋼（如304L，碳含量≤0.03%）或含鈦、鈮的穩定化不銹鋼（如321），避免碳化物析出。

4.應力腐蝕開裂（SCC）

典型原因：

拉應力（工作應力+殘余應力）與特定腐蝕介質共同作用（如碳鋼在堿性溶液中、黃銅在氨水中、不銹鋼在氯離子環境中），形成沿應力方向的裂紋。

處理方法：

消除應力：通過退火處理消除焊接、冷加工產生的殘余應力；

隔絕介質：采用涂層或襯里隔離腐蝕性介質；

選材抗SCC：如用雙相不銹鋼替代奧氏體不銹鋼，提高抗應力腐蝕能力。

三、磨損失效

定義：金屬表面因相對運動或摩擦，導致材料逐漸損耗。

1.磨粒磨損

典型原因：

硬顆粒（如泥沙、金屬碎屑）進入摩擦面，劃傷表面（如挖掘機鏟斗、泵葉輪與含沙水流接觸）。

處理方法：

表面硬化：采用堆焊耐磨合金（如高鉻鑄鐵）、噴焊碳化鎢涂層；

過濾介質：在設備入口加裝過濾器，減少磨粒進入；

結構優化：將滑動摩擦改為 滾動摩擦（如用軸承替代滑動接觸）。

2.粘著磨損（咬合磨損）

典型原因：

摩擦面潤滑不良，金屬直接接觸并發生原子間粘著，隨后撕裂（如軸承缺油、齒輪嚙合面潤滑失效）。

處理方法：

加強潤滑：選用合適粘度的潤滑油，定期補充油脂，避免干摩擦；

材料配對：選用互溶性差的材料組合（如鋼與青銅配對，而非鋼與鋼）；

表面減摩：涂覆二硫化鉬、聚四氟乙烯（PTFE）等減摩涂層。

3.疲勞磨損（接觸疲勞）

典型原因：

滾動或滑動接觸表面受交變應力，產生疲勞裂紋并剝落（如齒輪齒面“點蝕”、軸承滾子表面剝落）。

處理方法：

提高表面硬度：通過滲碳、淬火等工藝增加表面硬度（如齒輪滲碳后硬度達HRC58~62）；

控制接觸應力：優化齒輪模數、軸承型號，降低單位面積載荷；

清潔潤滑：避免潤滑油中混入雜質，防止疲勞裂紋提前萌生。

四、變形失效

定義：金屬構件因塑性變形超過允許范圍，導致尺寸或形狀超標，失去功能。

典型原因：

載荷超過材料屈服強度（如螺栓被擰斷前的塑性伸長）；

高溫下長期受力發生蠕變（如鍋爐管道在高溫高壓下的彎曲）；

熱處理不當導致材料強度不足（如回火溫度過高使硬度下降）。

處理方法：

-增強強度：選用高強度材料或通過熱處理（如淬火+回火）提高屈服強度；

結構加固：增加構件剛度（如加筋板），減少變形；

控制溫度：避免高溫環境下的過載使用，對蠕變敏感構件定期檢測尺寸變化。

總結

金屬失效處理的核心邏輯是：先通過失效分析確定根源（材料、工藝、環境或設計問題），再針對性采取“選材優化+工藝改進+使用控制”的組合措施，從源頭預防失效重復發生。

來源：公眾號“檢驗檢測那點事唄”

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