Page 56 - 理化检验-物理分册2025年第三期

杨振国：失效分析体系的新诠释

效模式。2013 年 9 月，在大连举行的“第五届全国 明显可见的塑性变形，表面粗糙，宏观上为杯锥形变
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失效分析学术会议”做的大会报告提出了新表述 。 形形貌，微观上是不平整的韧窝形态。大多数碳钢
2022 年 7 月，在“第九届国际工程失效分析会议 和低强度合金钢断裂时展现此特征，其失效机理主
（ICEFA IX）”做的大会主旨报告中又有进一步论 要有大变形断裂、韧窝断裂、塑性断裂等。
述，从而为失效分析新体系的建立奠定了基础。 处在脆性断裂与韧性断裂之间的断口形态称为
金属材料失效模式与失效机理的相互关系如 韧脆性断裂。断口上有部分结晶状脆性断裂和部分
图3所示，左侧两列是失效模式的分级类型。其中， 纤维状韧性断裂。例如，在低温环境下，普通碳钢
一级失效模式包含断裂、腐蚀、磨损、畸变4种失效 受到冲击力作用时，将有韧性断裂与脆性断裂混合
模式，二级失效模式是依据断口或缺陷形貌特征对 型断口形貌。当然，韧脆性断裂的韧脆性面积比例
一级失效模式的进一步细化，实际上就是前述失效 与材料本身的韧性大小及其冲击力速度有着依赖
形式的一部分。右侧是与4种失效模式对应的不同 关系。
类型的失效机理。这些失效机理显示出失效过程的 （3）疲劳断裂
多样化和复杂化，从微观上反映了材料性质、加载方 疲劳断裂是指构件在交变应力作用下发生低应
式、工艺介质、环境条件等多因素作用下的不同损伤 力的脆性断裂。断口上有明显的贝壳纹线，微观上
过程，显现出不同条件下的不同失效行为，隐含不一 有疲劳辉纹，记录了交变应力作用下应力幅值、应力
样的产生原因。需要指出的是，一些相近的失效机 大小及循环次数等重要信息。与静载断裂相比，疲
理如腐蚀，在宏观上却呈现出相同的腐蚀失效模式。 劳断裂基本上没有可见的塑性变形，表面基本平整，
这进一步表明，失效模式是失效原因的初步判定，失 呈现脆性断裂的典型形貌。
效机理与失效原因直接关联在一起，是失效分析的 疲劳断口通常有3个特征：一是有裂纹起裂区、
核心。 疲劳扩展区和瞬时断裂区；二是裂纹起始于缺陷处
一般而言，失效模式反映了构件在宏观尺度下 或应力集中区，裂纹在这些薄弱处萌生；三是裂纹疲
的失效现象，失效机理揭示了材料在微观尺度下的 劳扩展区表面平坦，呈现贝壳纹线，断裂区有撕裂痕
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失效行为，二者的尺寸相差了10 ~10 数量级。显然， 迹，凹凸不平，呈现特有的断裂形貌。
在失效模式与失效机理之间，还有一个衔接它们的 根据交变应力的大小及其使用条件，疲劳断裂
物理参量，尺寸单位介于毫米与微米之间，这就是失 对应的失效机理复杂多样，一般包括应力疲劳、应变
效形式。因此，失效形式如同一座桥梁，将两侧的失 疲劳、交变疲劳、高周疲劳、低周疲劳、腐蚀疲劳等。
效模式与失效机理连接了起来，失效机理把失效模 （4）蠕变断裂
式、失效形式、失效原因联系了起来。 蠕变断裂是指材料在长期恒定高温、恒定应力
以下就图3所示的4种失效模式与对应的失效 的作用下，逐渐发生缓慢的蠕变变形并形成蠕变孔
机理的物理含义进行概要陈述。 洞，最终引起断裂。其断口相对平整，宏观上有可见
3.1 断裂失效模式与失效机理 的蠕变孔洞及其连体形貌，微观上蠕变孔洞分布在
断裂失效模式是与外力有关的失效现象。 晶界上，部分也会出现在晶内。例如，超超临界火电
依据断口的宏观形貌及其变形状态，断裂失效 机组主蒸汽管道、航空发动机涡轮叶片等构件的蠕
模式一般分为脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、蠕变 变断裂占有一定比例。高温下若外力有交替变化，
断裂等4种。 还会出现蠕变与疲劳的交互作用。若接触的介质中
（1）脆性断裂 含有腐蚀成分，如燃气轮机中的SO 2 气氛，形成了腐
脆性断裂的形貌特征显著，断口上无明显可见 蚀与氧化、腐蚀与蠕变的交互作用。因此，蠕变断裂
的塑性变形，表面光滑，外观为齐平式。微观层面表 对应的失效机理主要有高温蠕变、蠕变疲劳、蠕变腐
现为解理型形态，一些高强合金钢、厚截面结构件等 蚀等。
在特殊环境下的断裂常常呈现此特征。对应的失效 3.2 腐蚀失效模式与失效机理
机理包括解理断裂、厚截面断裂、沿晶断裂、低温脆 腐蚀失效模式是与化学反应和电化学反应有关
断、辐照脆化、氢脆开裂等。 的失效现象。
（2）韧性断裂 金属作为一种结构件，材料内部并不完整，性能
韧性断裂亦称延性断裂或塑性断裂，其断口有 不太均匀，不同微区间的物理性能有所差异，因而

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