2　材料失效形式

材料的失效形式（模式）與化學組成、微觀結構密切相關。當材料承受外力時，若外加應力超過其臨界值，比如屈服強度或抗拉強度，就發生塑性變形而損壞、最終截面分離而斷裂。盡管材料失效形態多樣，但大致可以分為四種。材料的失效形式如圖2.1所示，主要為斷裂、腐蝕、變形和磨損。占失效比例最大的形式為磨損。

圖2.1　材料失效的形式

2.1　材料的斷裂

斷裂類型根據斷裂的分類方法不同而有很多種，它們是依據一些各不相同的特征來分類的。根據金屬材料斷裂前所產生的宏觀塑性變形的大小可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂。韌性斷裂的特征是斷裂前發生明顯的宏觀塑性變形，脆性斷裂在斷裂前基本上不發生塑性變形，是一種突然發生的斷裂，沒有明顯征兆，因而危害性很大。通常，脆性斷裂前也產生微量塑性變形，一般規定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%為脆性斷裂；大于5%為韌性斷裂。可見，金屬材料的韌性與脆性是依據一定條件下的塑性變形量來規定的，隨著條件的改變，材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。

多晶體金屬斷裂時，裂紋擴展的路徑可能是不同的。沿晶斷裂一般為脆性斷裂，而穿晶斷裂既可為脆性斷裂（低溫下的穿晶斷裂），也可以是韌性斷裂（如室溫下的穿晶斷裂）。沿晶斷裂是晶界上的一薄層連續或不連續脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續性所造成的，也可能是雜質元素向晶界偏聚引起的。應力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋都是沿晶斷裂。有時沿晶斷裂和穿晶斷裂可以混合發生。

按斷裂機制又可分為解理斷裂與剪切斷裂兩類。解理斷裂是金屬材料在一定條件下（如體心立方金屬、密排六方金屬與合金處于低溫、沖擊載荷作用），當外加正應力達到一定數值后，以極快速率沿一定晶體學平面的穿晶斷裂。解理面一般是低指數或表面能最低的晶面。對于面心立方金屬來說，在一般情況下不發生解理斷裂，但面心立方金屬在非常苛刻的環境條件下也可能產生解理破壞。

通常，解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂，兩者不是同義詞，它們不是一回事。剪切斷裂是金屬材料在切應力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，它又分為滑斷斷裂（又稱切離或純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純金屬尤其是單晶體金屬常發生滑斷斷裂；鋼鐵等工程材料多發生微孔聚集型斷裂，如低碳鋼拉伸所致的斷裂即為這種斷裂，是一種典型的韌性斷裂。

根據斷裂面取向又可將斷裂分為正斷型或切斷型兩類。若斷裂面取向垂直于最大正應力，即為正斷型斷裂；斷裂面取向與最大切應力方向相一致而與最大正應力方向約成45°角，為切斷型斷裂。前者如解理斷裂或塑性變形受較大約束下的斷裂，后者如塑性變形不受約束或約束較小情況下的斷裂。

按受力狀態、環境介質不同，又可將斷裂分為靜載斷裂（如拉伸斷裂、扭轉斷裂、剪切斷裂等）、沖擊斷裂、疲勞斷裂；根據環境不同又分為低溫冷脆斷裂、高溫蠕變斷裂、應力腐蝕和氫脆斷裂；而磨損和接觸疲勞則為一種不完全斷裂。具體分類見圖2.2。

　圖2.2　斷裂的分類

疲勞斷裂是金屬結構失效的一種主要形式，典型焊接結構疲勞破壞事例表明疲勞斷裂概率高，具有廣泛研究意義。疲勞破壞發生在承受交變或波動應變的構件中，一般說來，其最大應力低于材料抗拉強度，甚至低于材料的屈服點，因此斷裂往往是無明顯塑性變形的低應力斷裂。

疲勞斷裂過程的研究表明，疲勞壽命不是決定于裂紋產生，而是決定于裂紋增大和擴展。

零件在交變應力作用下損壞叫做疲勞破壞。據統計，在機械零件失效中有80％以上屬于疲勞破壞。例如：大多數軸類零件，通常受到的交變應力為對稱循環應力，這種應力可以是彎曲應力、扭轉應力或者是兩者的復合。如火車的車軸，是彎曲疲勞的典型，汽車的傳動軸、后橋半軸主要是承受扭轉疲勞，柴油機曲軸和汽輪機主軸則是彎曲和扭轉疲勞的復合。齒輪在嚙合過程中，所受的負荷在零到某一極大值之間變化，而缸蓋螺栓則處在大拉小拉的狀態中，這類情況叫做拉-拉疲勞；連桿不同于螺栓，始終處在小拉大壓的負荷中，這類情況叫做拉-壓疲勞。大多數零件的失效是屬于疲勞破壞的。

金屬零件在使用中發生斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預兆，而是突然的破壞；引起疲勞斷裂的應力一般很低，常常低于靜載時的屈服強度；斷口上經常可觀察到特殊的、反映斷裂各階段宏觀及微觀過程的特殊花樣，而且疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發生、擴展和最后斷裂三個組成部分；金屬疲勞斷裂時載荷應力是交變的，載荷的作用時間較長；斷裂是瞬時發生的；無論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂區都是脆性的；斷裂時還具有高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點。所以，疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式。

產生疲勞斷裂的原因，一般認為是由于零件的結構形狀不合理，即在零件中的最薄弱的部位存在轉角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造成過大的應力集中或者材料本身強度較低的部位，例如原有裂紋、軟點、脫碳、夾雜、刀痕等缺陷處，在交變或循環應力的反復下產生了疲勞斷裂，并隨著應力的循環周次而發生擴展，最終使材料發生失效。