金属材料的不连续性是指其内部在结构、成分或性能等方面存在的非均匀性和突然变化。在研究失效分析案例中会发现,很多失效都是由材料的不连续性导致的。
结构的不连续性主要体现在内部缺陷和组织的不均匀性两个方面:
内部缺陷
气孔:在金属熔炼和铸造过程中,气体未能及时逸出而在金属内部形成的空洞。这些气孔破坏了金属的连续性,使金属有效承载面积减小,导致强度、韧性降低。焊接件中焊接接头部分经常会有不同程度和数量的气孔。
缩松和缩孔:金属在凝固过程中,由于体积收缩而在铸件内部形成的孔洞。通常集中在铸件最后凝固的部位,会使金属结构不连续,降低铸件的力学性能和加工性能。
裂纹:金属在加工或使用过程中,由于应力集中、疲劳、脆性等原因产生的裂缝。裂纹是一种严重的不连续性缺陷,它会成为应力集中源,使金属材料在远低于其强度极限的应力下发生断裂,显著降低材料的可靠性和使用寿命。
组织不均匀
晶粒尺寸不均匀:金属材料由众多晶粒组成,若晶粒大小差异较大,在受力时,不同尺寸的晶粒变形程度不同,晶界处易产生应力集中,导致材料的力学性能呈现不连续性。
相组成不均匀:金属材料中可能存在多种相,如铁碳合金中的铁素体、渗碳体和珠光体等。不同相的性能不同,相界面处原子排列不连续,当材料受力或受热时,相界面易成为薄弱环节,影响材料的整体性能。
第二相质点或组成相:夹杂物类第二相主要来源于金属冶炼凝固过程中,长条型硫化物夹杂,会割裂基体组织,使金属材料横向性能大大降低。
成分的不连续性
主要由于偏析导致:在金属凝固过程中,由于冷却速度不均匀等原因,导致合金元素在大范围内分布不均匀。如大型铸锭中,底部和上部的化学成分可能存在明显差异,这会使材料不同部位的性能不同,给后续加工和使用带来问题。
不仅在金属熔炼和铸造过程中会产生成分和组织结构的不连续性,在后续冷热加工和热处理过程中也会引入:
冷加工硬化:金属材料在冷加工过程中,晶粒发生变形,位错密度增加,导致材料强度硬度升高,塑性韧性下降。这种性能变化在加工部位和未加工部位之间会存在不连续性,给后续加工和使用带来影响。
热处理不均匀:若金属材料在热处理过程中加热或冷却不均匀,会导致材料不同部位的组织转变不一致,从而使性能出现差异。例如淬火时,零件表面和心部的冷却速度不同,可能导致表面硬度高、心部硬度低,性能存在不连续性。