Page 57 - 理化检验-物理分册2025年第三期
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杨振国：失效分析体系的新诠释
存在电极电位差，使金属与介质容易相互作用产生 过程中往往经历一种或多种磨损行为。磨损失效行
腐蚀。 为涉及多学科交叉领域，涵盖冶金学、材料学、表面
按照腐蚀的基本原理，腐蚀一般分为化学腐蚀 技术、机械学、固体力学、润滑学、表面化学、表面物
和电化学腐蚀两类。 理、摩擦学等诸多学科。
（1）化学腐蚀 根据构件的磨损行为和运动方式，磨损失效机
化学腐蚀是指材料与介质发生反应的过程中没 理可以分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、接触磨
有电流产生。具体来说，它是材料发生氧化还原反 损、滚动磨损、滑动磨损、微动磨损、腐蚀磨损、冲击
应，然后被氧化损耗的一种腐蚀形式。例如，化工 磨损、冲刷磨损、冲蚀磨损、电蚀磨损等。
厂中氯气在加热条件下与钢铁直接反应，生成氯化 3.4 畸变失效模式与失效机理
铁，导致构件表面不断损耗、壁厚减薄。其化学反应 畸变失效模式是一种与变形过大有关的失效
式为 现象。
3Cl +2Fe → 2FeCl （1） 畸变失效形式多样。从材料角度看，涉及弹性
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化学腐蚀主要发生在高温气氛以及与化学介质 变形、弹塑性变形、塑性变形、粘弹性变形、高弹性
相接触的腐蚀环境中。因此，高温条件下材料可能 变形及热变形等。从结构角度看，涉及挠曲变形、弯
遭受高温氧化、高温碳化，以及不同金属在特定腐蚀 曲变形、扭曲变形、翘曲变形、屈曲变形（失稳褶曲）
介质中的化学腐蚀。 等。从变形形态看，畸变表现为尺寸畸变、形状畸变，
（2）电化学腐蚀 以及二者组合的复合畸变。
工程材料中最常见的腐蚀是电化学腐蚀。 因此，畸变失效机理包括弹性变形、弹塑性变
电化学腐蚀是指材料与介质发生电化学反应引 形、塑性变形、粘弹性变形、高弹性变形、热变形、挠
起的材料损耗现象。此类腐蚀有正负电极及其电解 曲变形、弯曲变形、扭曲变形、翘曲变形、屈曲变形
质溶液。例如，钢铁在潮湿大气中的电化学腐蚀主 等。其中，挠曲变形、弯曲变形、扭曲变形、翘曲变
要是吸氧腐蚀，电极反应和总反应方程式为 形及屈曲变形属于结构变形，容易引起构件形状与
阳极反应（氧化反应） 尺寸的显著改变。
Fe → Fe 2+ ＋ 2e （2）
阴极反应（还原反应） 4 结论
−
O +2H O+4e → 4OH （3） （1）评述了失效的不同定义，并从材料学角度提
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总反应方程式为 出了失效的新定义。阐述了与失效有关的外观形态
2Fe+O +2H O → 2Fe (OH) （4） 和微观结构的物理含义及其损伤特征，从而深刻理
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4Fe(OH) + 2H O + O → 4Fe(OH) （5） 解失效的本质。
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2Fe(OH) → Fe O +3H O （6） （2） 重新分类失效模式，采用提出的畸变失效
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在电化学反应过程中，阳极处铁原子失去电 模式取代以往常用的变形失效模式。阐述了畸变
子，发生氧化反应生成二价铁离子Fe ，阴极处氧 失效模式的物理含义及其特点，将畸变与断裂、腐
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与水获得电子后还原为OH ，先生成氢氧化亚铁 蚀、磨损三种失效模式一起并列，成为工程材料的
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Fe(OH) 2 ，然后，氢氧化亚铁再与氧和水结合氧化为 第四种失效模式，从而涵盖和解释更为复杂的失效
氢氧化铁Fe(OH) 3 ，最终脱水后生成铁锈Fe 2 O 3 。 现象。
电化学腐蚀机理非常复杂，包括许多不同类型 （3）通过引入“五要素”概念，即失效模式、失
的腐蚀形式。其腐蚀失效机理主要有均匀腐蚀、电 效形式、失效缺陷、失效机理和失效原因，构建了失
偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、选择性腐蚀、应 效分析新体系，使其成为失效分析的基础。其中，失
力腐蚀开裂、流体加速腐蚀、疲劳腐蚀、磨损腐蚀、 效形式的嵌入为该体系提供了坚实的理论支撑。
氢腐蚀、碱腐蚀、微生物腐蚀、熔盐腐蚀等。 （4）论述了失效模式与失效机理的本质区别及
3.3 磨损失效模式与失效机理 其相互关系。明确了失效模式是失效现象的外在表
磨损失效模式是与磨损有关的失效现象。 现形式，而失效机理是导致失效模式出现的内在根
就动配合构件而言，接触过程中有滚动、滑动、 源，是失效现象背后在材料内部发生的物理、化学等
微动等主要磨损行为，各种轴承和齿轮在实际运行 多方面相互作用的损伤变化过程，因而能够追溯到
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