金屬材料在各種工程應用中的失效模式主要有斷裂、腐蝕、磨損和變形等。

腐蝕是材料表面與服役環境發生物理或化學的反應，使材料發生損壞或變質的現象，構件發生的腐蝕使其不能發揮正常的功能則稱為腐蝕失效。

腐蝕有多種形式，有均勻遍及構件表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現的局部腐蝕，局部腐蝕又分為點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

全面腐蝕和局部腐蝕的主要區別

各類腐蝕失效在化工事故中所占比例

電偶腐蝕特征：腐蝕主要發生在兩個不同金屬或金屬與非金屬導體接觸邊線附近，遠離邊緣區域，腐蝕程度較輕。

縫隙腐蝕的起因是氧濃度差電池的作用，而閉塞電池引起的酸化自催化作用是造成縫隙腐蝕加速腐蝕的根本原因。

工程上，造成縫隙腐蝕的條件很多，鉚接、法蘭盤連接面、螺栓連接、金屬表面沉積物、腐蝕產物等都會形成縫隙。

縫隙腐蝕的特征：

點蝕是一種隱蔽性較強、危險性很大的局部腐蝕。點蝕主要集中在某些活性點上，不斷向金屬內部深處發展，通常其腐蝕深度大于孔徑，嚴重時可使管道或設備穿孔。點蝕還可誘發其他形式的腐蝕，如應力腐蝕破裂或腐蝕疲勞等。

點蝕的特征：

孔蝕的剖面特征形貌

在某些腐蝕介質中，晶界可能先行被腐蝕。這種沿著金屬晶界發生腐蝕的局部破壞現象，稱為晶間腐蝕。

晶界是金屬中各種溶質元素偏析或金屬化合物(如碳化物和σ相等)沉淀容易析出的區域。

合金中的某一組織或某一成分優先腐蝕，另一組織或成分不腐蝕或很少腐蝕，這種現象叫做選擇性腐蝕。

選擇性腐蝕結果輕則使合金損失強度，重則造成穿孔、破損，釀成嚴重事故。就介質條件而言，選擇性腐蝕多發生在水溶液中，但某些材料在熔融鹽、高溫氣體介質中也有選擇性腐蝕出現。

選擇性腐蝕破壞的形式則可大致分為兩種：層狀和栓式。

選擇性腐蝕較均勻地波及整個材料表面（如黃銅的層式脫鋅) ，稱為層狀選擇性腐蝕；或選擇性腐蝕沿表面發展，但不均勻，呈條狀，稱為帶狀選擇性腐蝕。

選擇性腐蝕集中發生在材料表面的局部區域，并不斷向內深入(如黃銅的栓式脫鋅) ，稱為栓狀選擇性腐蝕。

金屬設備和部件在應力和特定的腐蝕性環境的聯合作用下，出現低于材料強度極限的脆性開裂現象，稱為應力腐蝕開裂，簡稱SCC（Stress Corrosion Cracking）。

產生SCC的基本條件：敏感的材料、固定拉應力、特定腐蝕介質。

應力腐蝕按機理可分為陽極溶解型和氫致開裂型兩類。

如果應力腐蝕體系中陽極溶解所對應的陰極過程是吸氧反應，或者雖然陰極是析氫反應，但進入金屬的氫不足以引起氫致開裂，這時應力腐蝕裂紋形核和擴展就由金屬的陽極溶解過程控制，稱為陽極溶解型應力腐蝕。

如果陽極金屬溶解（腐蝕）所對應的陰極過程是析氫反應，而且原子氫能擴散進入金屬并控制了裂紋的形核和擴展，這一類應力腐蝕就稱為氫致開裂型應力腐蝕。

應力腐蝕開裂的特征包括：

① 裂紋出現在設備或構件的局部區域，而不是發生在與腐蝕介質相接觸的整個界面上。裂紋的數量不定，有時很多，有時較少，甚至只有一條裂紋。

② 裂紋一般較深、較窄。裂紋的走向與設備及構件所受應力的方向有很大關系。一般說來， 裂紋基本上與所受主應力的方向相垂直，但在某些情況下，也會呈現明顯的分叉裂紋。

③ 設備及部件發生應力腐蝕開裂時， 一般不產生明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂。

④ 應力腐蝕開裂是在一定的介質條件和拉應力共同作用下引起的一種破壞形式。斷口宏觀形貌包括逐漸擴展區和瞬斷區兩部分。后者一般為延性破壞。應力腐蝕開裂可能沿晶，也可能穿晶。其斷口上腐蝕產物呈泥狀花樣等。

易產生應力腐蝕開裂的金屬材料與環境的組合

氫損傷指的是金屬材料在含有氫或與氫相互作用而導致力學性能變壞的現象，按照氫損傷發生的溫度條件可以分為氫脆與氫腐蝕；按照氫損傷是否可以通過消氫處理恢復材料原來的力學性能分為可逆與不可逆氫損傷。

（1）氫脆：包括氫壓裂紋(鋼中白點、H2S誘發裂紋、焊接冷裂紋和充氫或酸洗裂紋）和氫致相變導致的氫脆。很多金屬能形成穩定的氫化物，氫化物是一種脆性中間相， 一旦有氫化物析出，材料的塑性和韌性就會下降，即氫化物析出導致材料變脆。氫致馬氏體相變是一種氫致相變引起的氫脆。

（2）氫致滯后斷裂：在恒載荷(或恒位移)條件下，原子氫通過應力誘導擴散富集到臨界值后就引起氫致裂紋的形核、擴展，從而導致低應力斷裂的現象稱為氫致滯后斷裂。所謂滯后是指氫擴散富集到臨界值需要經過一段時間，故加載后要經過一定時間后氫致裂紋才會形核和擴展。如把原子氫除去后，就不會發生滯后斷裂，故它也是可逆的。

（3）氫腐蝕：實質上是氫致化學變化導致的氫脆。在高溫高壓下氫進入鋼中后與碳化物反應生成的CH₄不能從鋼中擴散出來，就在晶界夾雜物處形成氣泡，并有很大壓力。隨著CH4的不斷形成，氣泡不斷長大，當氣泡中CH₄的壓力大于材料在該溫度下的強度時就會使氣泡轉化成裂紋，環境中H2的壓力越高、溫度越高，則CH₄氣泡中的壓力就越大，當CH₄氣泡中的壓力等于材料的斷裂強度時就會導致微裂紋形核。與此同時，生成CH₄的反應使鋼形成脫碳，降低了鋼的強度。

在交變應力和腐蝕介質同時作用下，金屬的疲勞強度或疲勞壽命比無腐蝕作用時有所降低，這種現象叫做腐蝕疲勞。這里所謂"無腐蝕作用"，一般是指在空氣中金屬的疲勞行為。

沖刷腐蝕又稱磨損腐蝕和磨耗腐蝕，是指溶液與材料以較高速度作相對運動時，沖刷和腐蝕共同引起的材料表面損傷現象。這種損傷要比沖刷或腐蝕單獨存在時所造成的損傷的加和大得多，這是因為沖刷與腐蝕互相促進的緣故。

廣義的沖刷腐蝕包括湍流腐蝕(又名沖擊腐蝕)、空蝕、摩振腐蝕(又稱微動磨損和微動腐蝕)等。

在沖刷腐蝕中，特別把主要由于金屬構件幾何形狀變化而使較高流速溶液產生湍流造成的金屬表面破壞叫做湍流腐蝕，又叫做沖擊腐蝕。例如溶液流經管道彎頭或渦輪機渦殼和葉片時，都能產生湍流腐蝕。

空泡腐蝕即空蝕，空蝕破壞在金屬表面下產生了加工硬化層，空蝕點附近可產生裂紋。在空蝕破壞的性質方面，機械沖擊作用比電化學作用要大。空泡腐蝕屬于沖擊腐蝕的特殊形式。

化學成分分析包括對失效構件金屬材料化學成分、環境介質及反應物、生成物、痕跡物等的化學成分的分析。

力學性能包括包括構件金屬材料的強度指標、塑性指標和韌性指標σ_b、σ_s、σ_n、σ_D、δ、ψ、A_kv、K_IC、δ_C及硬度等；

采用物理的方法，在不改變材料或構件的性能和形狀的條件，迅速而可靠地確定構件表面或內部裂紋和其他缺陷的大小、數量和位置。金屬構件表面裂紋及缺陷常用滲透法及電磁法檢測；內部缺陷則多用射線檢測和超聲檢測，如探測裂紋等情況。

組織結構分析包括金屬材料表面和心部的金相組織或缺陷。常用金相法分析金屬的顯微組織是否正常，是否存在晶粒粗大、脫碳、過熱、偏析等缺陷；夾雜物的類型、大小、數量及分布；晶界上有無析出物，裂紋的數量、分布及其附近組織有無異常，是否存在氧化或腐蝕產物等。

構件殘余應力的測定是在無外加載荷的作用下進行測定，目前多用X射線應力測定法。

斷口保護主要是防止機械損傷或化學損傷。

對于機械損傷的防止，應當在斷裂事故發生后馬上把斷口保護起來。在搬運時將斷口保護好，在有些情況下還用襯墊材料，盡量使斷口表面不要相互摩擦和碰撞。有時斷口上可能沾上一些油污或臟物，千萬不可用硬刷干刷斷口，并避免用手指直接接觸斷口。

對于化學損傷的防止，主要是防止來自空氣和水或其他化學藥品對斷口的腐蝕。一般可采用涂層的方法，即在斷口上涂防腐物質，原則是涂層物質不使斷口受腐蝕及易于被完全清洗掉。

清洗的目的是為了除去保護用的涂層和斷口上的腐蝕產物及外來沾污物如灰塵等。常用以下幾種方法：

① 用干燥壓縮空氣吹斷口，這可以清除粘附在上面的灰塵以及其他外來贓物，用柔軟的毛刷輕輕擦斷口，有利于把灰塵清除干凈。

② 對斷口上的油污或有機涂層，可以用汽油、石油醚、苯、丙酮等有機溶劑進行清除，清除干凈后用無水酒精清洗后吹干。

③ 超聲波清洗能相當有效地清除斷口表面的沉淀物，且不損壞斷口。

④ 應用乙酸纖維膜復型剝離。通常對于粘在斷口上的灰塵和和疏松的氧化腐蝕產物可采用這種方法，就是用乙酸纖維脂反復覆在斷口上2~5次，可以剝離斷口上的臟物。該方法操作簡單，既可去掉斷口上的油污，對斷口又無損傷，故對一般斷口建議用此法清洗。

⑤ 使用化學或電化學方法清洗。這種方法主要用于清洗斷口表面的腐蝕產物或氧化層，但可能破壞斷口上的一些細節，所以使用時必須十分小心。一般只有在其他方法不能清洗掉的情況下經備用試樣試用后才使用。

常見清洗腐蝕產物的化學方法

宏觀觀察：是指用肉眼、放大鏡、低倍率的光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡來觀察斷口的表面形貌。通過宏觀觀察收集斷口上的宏觀信息，則可初步確定斷裂的性質，可以分析裂源的位置和裂紋擴展方向，可以判斷冶金質量和熱處理質量等。

微觀觀察：是用顯微鏡對斷口進行高放大倍率的觀察，用金相顯微鏡及掃描電鏡的為多。斷口微觀觀察包括斷口表面的直接觀察及斷口剖面的觀察。通過微觀觀察進一步核實宏觀觀察收集的信息，確定斷裂的性質、裂源的位置及裂紋走向、擴展速度，找出斷裂原因及機理等。

剖面觀察：裁取剖面要求有一定的方向，通常是用與斷口表面垂直的平面來截取，垂直于斷口表面有兩種切法：平行裂紋擴展方向截取，則可研究斷裂過程；垂直于裂紋擴展方向截取，在一定位置的斷口剖面上，可研究某一特定位置的區域。

裂紋分析的目的是確定裂紋的位置及裂紋產生的原因。裂紋形成的原因往往很復雜，如選材不當、材質不良、制造工藝不當以及維護和使用不當等均有可能導致裂紋的產生。

裂紋分析往往需要從原材料的冶金質量、材料的力學性能、構件成型的工藝流程和工序工藝參數、構件的形狀及其工作條件以及裂紋宏觀和微觀的特征等方向做綜合的分析。其中牽涉到多種技術方法和專門知識，如無損探傷、化學成分分析、力學性能試驗、金相分析、X射線微區分析等。

裂紋兩側凹凸不平，耦合自然。其耦合特征是與主應力性質相關；若主應力屬于切應力則裂紋一般呈平滑的大耦合；若主應力屬拉應力則裂紋一般呈鋸齒狀的小耦合。

除某些沿晶裂紋外，絕大多數裂紋的尾端是尖銳的。

裂紋具有一定的深度，深度與寬度不等，深度大于寬度，是連續性的缺陷。

裂紋有各種形狀，直線狀、分枝狀、龜裂狀、輻射狀、環形狀、弧形狀，各種形狀往往與形成的原因密切相關。

裂紋的宏觀檢查的主要目的是確定檢查對象是否存在裂紋。裂紋的宏觀檢查，除通過肉眼進行直接外觀檢查和采取建議的敲擊測音法外，通常采用無損探傷法，如X射線、磁力滲透著色、超聲波、熒光等物理探傷法檢測裂紋。

裂紋的微觀檢查是指檢查裂紋形態特征，確定裂紋的分布是穿晶的，還是沿晶的，主裂紋附近有無微裂紋和分支。裂紋處及附近的晶粒度有無顯著粗大或細化或大小極不均勻的現象，晶粒是否變形，裂紋與晶粒變形的方向相平行或相垂直。

裂紋附近是否存在碳化物或非金屬夾雜物，其形態、大小數量及分布情況，裂紋源是否產生于碳化物或非金屬夾雜物周圍，裂紋擴展與夾雜物之間有無聯系。

裂紋兩側是否存在氧化和脫碳現象，有無氧化物或脫碳組織；產生裂紋的表面是否存在加工硬化層或回火層；裂紋萌生處及擴展路徑周圍是否有過熱組織、魏氏組織、帶狀組織以及其他形式的組織缺陷。

（1）T型法：將散落的碎片按相匹配的斷口合并在一起，其裂紋形成T形。在一般情況下橫貫裂紋首先開裂。主裂紋一般阻止二次裂紋擴展。

（2）分枝法：將散落碎片按相匹配斷口合并，其裂紋形成樹枝形：在斷裂失效中，往往出現一個裂紋后，產生很多分叉或分枝裂紋。裂紋的分叉或分枝方向通常為裂紋的局部擴展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂紋為二次裂紋，匯合裂紋為主裂紋。

（3）變形法：將散落碎片按相匹配斷口合并起來，構成原來構件的幾何外形，測量其幾何形狀的變化情況，變形量較大的部位為主裂紋，其他部位為二次裂紋。

（4）氧化法：在受環境因素影響較大的斷裂失效中，檢驗斷口各個部位的氧化程度，其中氧化程度最嚴重為最先斷裂者即主裂紋所形成的斷口，因為氧化嚴重者說明斷裂的時間較長。

（1）應力原則

在金屬脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂時，裂紋的擴展方向一般都垂直于主應力的方向，當韌性金屬承受扭轉載荷或金屬在平面應力的情況下，其裂紋的擴展方向一般平行于切應力的方向，如韌性材料切斷斷口。

（2）強度原則

強度原則即指裂紋總是傾向沿著最小阻力路線，即材料的薄弱環節或缺陷處擴展的情況。有時按應力原則擴展的裂紋，途中突然發生轉折，顯然這種轉折的原因是由于材料內部的缺陷。在這種情況下， 在轉折處常常能夠找到缺陷的痕跡或者證據。

一般情況下， 當材質比較均勻時，應力原則起主導作用，裂紋按應力原則進行擴展，而當材質存在著明顯不均勻時，強度原則將起主導作用，裂紋將按強度原則進行擴展。裂紋擴展方向到底是沿晶的還是穿晶的，取決于在某種具體條件下， 晶內強度和晶界強度的相對比值。

應力腐蝕裂紋、氫脆裂紋、回火脆性、磨削裂紋、焊接熱裂紋、冷熱疲勞裂紋、過燒引起的鍛造裂紋、鑄造熱裂紋、蠕變裂紋、熱脆等晶界是薄弱環節，因此它們的裂紋是沿晶界擴展的；而疲勞裂紋、解理斷裂裂紋、淬火裂紋，焊接裂紋及其他韌性斷裂的情況下，晶界強度一般大于晶內強度，因此它們的裂紋為穿晶型，這時裂紋遇到亞晶界、晶界、硬質點或其他組織和性能的不均勻區時，往往會改變擴展方向。因此認為晶界能夠阻礙疲勞裂紋的擴展， 這就是常常用細化晶粒的方法來提高金屬材料的疲勞壽命的原因之一。

（1）機械接觸痕跡：構件之間接觸的痕跡，包括壓入、撞擊、滑動、滾壓、微動等單獨作用或聯合作用，這種痕跡稱為機械接觸痕跡，其特點是塑性變形或材料轉移、斷裂等，集中發生于接觸部位，并且塑性變形極不均勻。

（2）腐蝕痕跡：由于構件材料與周圍的環境介質發生化學或電化學作用而在構件表面留下的腐蝕產物及構件材料表面損傷的標記，稱為腐蝕痕跡。

（3）電侵蝕痕跡：由于電能的作用，在與電接觸或放電的構件部位留下的痕跡稱為電侵蝕痕跡。電侵蝕痕跡分為兩類。電接觸痕跡是由于電接觸現象而在電接觸部位留下的電侵蝕痕跡。靜電放電痕跡是由于靜電放電現象而在放電部位留下的電侵蝕痕跡。

（4）熱損傷痕跡：由于接觸部位在熱能作用下發生局部不均勻的溫度變化而留下的痕跡。金屬表面層局部過熱、過燒、熔化、直至燒穿、表面保護層的燒焦都會留下熱損傷痕跡。不同的溫度有不同的熱損傷顏色，且構件材料表面層成分、結構會發生變化，表面性能有所改變。

（5）加工痕跡：對失效分析有幫助的主要是非正常加工痕跡，即留在構件表面的各種加工缺陷，如刀痕、劃痕、燒傷、變形約束等。

（6）污染痕跡：各種外來污染物附著在構件表面而留下的痕跡是污染痕跡。