静载荷作用下的材料

4静载荷作用下的断裂失效分析 定义与特征 4 1 1过载断裂失效的定义及断口的一般特征 4 1过载断裂失效分析 1 过载断裂失效的定义当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时 构件发生的断裂称为过载断裂 1 构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂 2 工作应力是否超过构件的实际承载能力而非名义能力 明确 光滑断口 2 过载断裂失效断口的一般特征金属构件发生过载断裂失效时 通常显示一次加载断裂的特征 其宏观断口与拉伸试验断口极为相似 4 1过载断裂失效分析 1 纤维区 2 放射区 3 剪切唇 影响因素 4 1 2影响过载断裂失效特征的因素 4 1过载断裂失效分析 1 材料性质的影响 2 零件形状与几何尺寸的影响 3 载荷性质的影响 4 环境因素的影响 影响因素 4 1 2影响过载断裂失效特征的因素 4 1过载断裂失效分析 1 大多数的单相金属 低碳钢及珠光体状态的钢 其过载断裂断口上 具有典型 三要素 的特征 1 材料性质的影响 2 高强度材料 复杂的工业合金及马氏体时效钢等 其断口的纤维区内有环形花样 其中心象火山口状 火山口 中心必有夹杂物 此为裂纹源 另外 尚有放射元细小及剪切唇也较小等特点 影响因素 4 1 2影响过载断裂失效特征的因素 4 1过载断裂失效分析 3 中碳钢及中碳合金钢的调质状态 断口的主要特征是具有粗大的放射剪切花样 基本上无纤维区和剪切唇 放射剪切是一种典型的剪切脊 这是在断裂起裂后扩展时 沿最大切应力方向发生剪切变形的结果 其另一特点是放射元不是直线的 这是因为变形约束小 裂纹钝化 致使扩展速度较慢等 1 材料性质的影响 影响因素 4 1过载断裂失效分析 4 塑性较好的材料 由于变形约束小 断口上可能只有纤维区和剪切唇而无放射区 可以说 断口上的纤维区较大 则材料的塑性较好 反之 放射区增大 则表示材料的塑性降低 脆性增大 5 纯金属还可能出现一种全纤维的断口或45 角的滑开断口 6 脆性材料的过载断裂 在其断口上可能完全不出现 三要素 的特征 而呈现细瓷状 结晶状及镜面反光状等特征 典型特征 过载断裂断口的几种典型特征 4 1过载断裂失效分析 典型特征 4 1过载断裂失效分析 stainlesssteelthread 典型特征 4 1过载断裂失效分析 Scifer 5 5GPawithductility 形状尺寸 2 零件形状与几何尺寸的影响 4 1过载断裂失效分析 1 圆形试件 缺口圆形试件过载断裂形貌示意图1 缺口 2 纤维区 3 放射区 4 最后断裂区 裂纹不对称扩展断口形貌示意图1 初始阶段 2 第二阶段 3 最后断裂区 4 裂纹扩展方向 形状尺寸 2 矩形试件 4 1过载断裂失效分析 几何尺寸 3 几何尺寸的影响 4 1过载断裂失效分析 冲击断口 3 载荷性质的影响 4 1过载断裂失效分析 冲击断口 3 载荷性质的影响 4 1过载断裂失效分析 冲击断口 3 载荷性质的影响 4 1过载断裂失效分析 环境影响 4 环境因素的影响 4 1过载断裂失效分析 环境影响 4 环境因素的影响 4 1过载断裂失效分析 扭转断裂 4 1 3扭转和弯曲过载断裂断口特征 4 1过载断裂失效分析 韧性扭转过载断口断面与轴向垂直 在断口上可见到明显的 漩涡 状 脆性扭转过载断口断面与轴向呈45 断裂起源于轴的台阶根部硬化层处 弯曲断裂 4 1过载断裂失效分析 4 1 3扭转和弯曲过载断裂断口特征 弯曲过载断裂的十字轴 在十字轴根部有明显的加工刀痕 回火脆现象 4 2 1回火脆性断裂失效 4 2材料致脆断裂失效 1 回火脆化现象 回火温度对钢的冲击韧性的影响 4340钢缺口试样冲击值与回火温度的关系 回火脆特征 2 回火致脆断裂的特征 4 2材料致脆断裂失效 宏观形貌特征 断面结构粗糙 断口呈银白色的结晶状 一般为宏观脆断 脆化程度不严重时 断口上也会出现剪切唇 2Cr13对接焊叶片断口形貌 典型微观形貌 沿奥氏体晶界分离形成的冰糖块状 晶粒界面上一般无异常沉淀物 因而有别于其它类型的沿晶断裂 但马氏体回火致脆断裂的解理界面上可能出现碳化物第二相质点及细小的韧窝花样 在断口上一般可见二次断裂裂纹 回火脆分析 3 回火致脆断裂的分析 4 2材料致脆断裂失效 a室温冲击试验法b系列冲击试验法c低温拉伸试验法d断裂韧性法e断口特征的对比分析 判别存在可能出现回火脆性的条件 具有回火致脆断裂的宏观 微观特征 验证材料的脆性 回火脆分析 3 回火致脆断裂的分析 4 2材料致脆断裂失效 16NiCo钢回火温度与力学性能的关系 室温拉伸试验无法检验回火脆性 冷脆金属 4 2 2冷脆金属的低温脆断 4 2材料致脆断裂失效 ConstanceTipperwasoneofthefirstwomentotaketheNaturalSciencesTripos in1915 HermajorresearchcontributionwastodiscoverwhyduringtheSecondWorldWartheLibertyShipswerebreakingintwo WorkingfromtheEngineeringDepartmentinCambridge Tipperestablishedthatthereisacriticaltemperaturebelowwhichthefractureinsteelchangesfromductiletobrittle TheLibertyShipsintheNorthAtlanticweresubjectedtosuchlowtemperaturesthattheywouldhavebeensusceptibletobrittlefailure 冷脆金属 4 2 2冷脆金属的低温脆断 4 2材料致脆断裂失效 冷脆金属 4 2 2冷脆金属的低温脆断 4 2材料致脆断裂失效 冷脆金属 4 2 2冷脆金属的低温脆断 4 2材料致脆断裂失效 冷脆金属 4 2 2冷脆金属的低温脆断 4 2材料致脆断裂失效 1 冷脆金属及其特点 随着温度的降低 发生断裂形式转化及塑脆过渡的金属 称为冷脆金属 除面心立方以外的所有金属材料均属于冷脆金属 低碳钢是典型的冷脆金属 温度对低碳钢拉伸性能的影响 冷脆特征 随着温度的降低 低碳钢的断裂行为发生如下变化 4 2材料致脆断裂失效 1 屈服极限和断裂真应力随温度降低而显著升高 而塑性指标 f逐渐降低 2 在较低的温度下发生断裂形式的变化 即由微孔型断裂向解理断裂转化 3 在更低的温度下发生塑脆过渡 即由宏观塑性的解理断裂向宏观脆性的解理断裂的过渡 在此时的极限塑性趋近于零 这种过渡的临界温度称为脆性转折温温度 冷脆特征 2 冷脆金属低温脆断的特征 4 2材料致脆断裂失效 1 冷脆金属低温脆断断口的宏观特征典型断口宏观特征为结晶状 并有明显的镜面反光现象 断口与正应力轴垂直 断口齐平 附近无径缩现象 无剪切唇 断口中的反光小平面 小刻面 与晶粒尺寸相当 马氏体基高强度材料断口有时呈放射状撕裂棱台阶花样 2 冷脆金属低温断裂断口的微观形貌冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征 河流花样 台阶 舌状花样 鱼骨花样 羽毛状花样 扇形花样等 对于一般工程结构用钢 通常所说的解理断裂 主要是在冷脆状态下产生 冷脆特征 4 2材料致脆断裂失效 3 金属冷脆断裂的分析 判别存在可能出现冷脆断裂的条件 具有冷脆断裂的宏观 微观特征 验证材料的冷脆转折温度系列冲击实验法 确定金属实际状况的冷脆转折温度是十分重要的 第二相质点 4 2 3第二相质点致脆断裂失效 4 2材料致脆断裂失效 1 第二相质点致脆断裂的类型第二相质点致脆断裂是指由第二相质点沿晶粒间界析出引起晶界的脆化或弱化而导致的一种沿晶断裂 脆性的第二相质点沿原奥氏体晶界择优析出引起的晶界脆化 某些杂质元素沿晶界富集引起的晶界弱化 第二相质点 4 2材料致脆断裂失效 应力腐蚀 4 3 1应力腐蚀开裂 4 3环境致脆断裂失效 1 应力腐蚀开裂的定义应力腐蚀开裂 StressCorrosionCracking SCC 系金属在应力 残余应力 热应力 工作应力等 和腐蚀介质共同作用下 而引起的一种破坏形式 应力腐蚀 4 3 1应力腐蚀开裂 4 3环境致脆断裂失效 在静拉应力作用下金属的腐蚀破坏 一般称为应力腐蚀开裂 而在交变应力作用下金属的腐蚀破坏 则称为腐蚀疲劳 即使是延性材料 应力腐蚀开裂 断裂 也是脆性形式的断裂 应力腐蚀是一种局部腐蚀 形成的裂纹常被腐蚀产物覆盖 不易被发觉 导致的断裂具有突发性 应力腐蚀裂纹扩展的速率一般介于均匀腐蚀速率和快速机械断裂速率之间 应力腐蚀 2 应力腐蚀开裂的条件及其影响因素 4 3环境致脆断裂失效 1 仅当弱的腐蚀介质 在金属表面形成一层不稳定的 保护膜 时 才有可能发生应力腐蚀开裂 2 一定的拉应力和应变 压应力一般不产生应力腐蚀 3 对于每一种金属或合金来说 有其特定的腐蚀介质系统 即易于发生应力腐蚀破坏的金属 介质系统 4 材料的成分 组织和应力状态的影响 5 一般来说 介质的浓度和环境温度越高则较易发生应力腐蚀 应力腐蚀 SCC临界应力和应力强度因子示意图 4 3环境致脆断裂失效 应力腐蚀 常见发生应力腐蚀的材料 介质系统 4 3环境致脆断裂失效 2 4 3环境致脆断裂失效 4340钢的强度对KISCC的影响 奥氏体不锈钢SCC时间与铁素体含量的关系 在42 沸MgCl2中 2 2 应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征 4 3环境致脆断裂失效 1 断口的宏观形态一般为脆性断裂 断口截面基本上垂直于拉应力方向 断口上有断裂源区 裂纹扩展区和最后断裂区 2 2 应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征 4 3环境致脆断裂失效 2 应力腐蚀裂纹源于表面 并呈不连续状 裂纹具有分叉较多 尾部较尖锐 呈树枝状 的特征 2 2 应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征 4 3环境致脆断裂失效 在一般情况下 当应力较小 腐蚀介质较弱时 应力腐蚀裂纹多呈沿晶扩展 相反 当应力较大 腐蚀介质较强时应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展 许多情况下 应力腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合型 第二相质点沿晶界析出易促使裂纹的沿晶扩展 2 4 3环境致脆断裂失效 2 4 应力腐蚀断口的微观形貌可为岩石状 岩石表面有腐蚀痕迹 严重时整个都为腐蚀产物所覆盖 此时断口则呈泥纹状或龟板状花样 4 3环境致脆断裂失效 泥纹状花样 混合断裂 岩石状花样 2 3 应力腐蚀开裂失效分析 4 3环境致脆断裂失效 1 详细了解材料的生产过程与处理工艺 掌握材料的成分 组织状态以及杂质 夹杂物 含量与分布 硫化物 2 详细了解设备或部件的结构特点 加工 制造 装配过程 必要时对设备或部件进行应力分析和测试 以确定材料所处的应力状态与大小 注意加工 装配等过程中造成的残余应力及其分布 2 3 应力腐蚀开裂失效分析 4 3环境致脆断裂失效 5 必要时 可在实际使用条件下进行重复试验或在实验室内进行模拟现场产生应力腐蚀破裂的条件 介质 应力 温度等 也可采用能够预示实际条件下应力腐蚀破裂趋势的加速试验方法 对所出现的应力腐蚀开裂加以验证和模拟 局部浓缩情况 3 详细了解设备或部件使用环境特点 介质种类 使用温度等 对于不同的材料 重点分析能够引起应力腐蚀开裂的敏感介质 4 断口和裂纹形态的宏观 微观分析 确定断裂的特征 2 实验室试验应力腐蚀试验可以采用恒载荷法和恒变形法 4 3环境致脆断裂失效 2 实验室试验应力腐蚀试验可以采用恒载荷法和恒变形法 4 3环境致脆断裂失效 特别注意 应力腐蚀试验断口要与实际断口对比分析 要一致 2 4 3 2氢致脆断失效Hydrogen embrittlement 4 3环境致脆断裂失效 由于氢而导致金属材料在低应力静载荷下的脆性断裂 称为氢致断裂 又称氢脆 氢除了可使材料变脆外 在某些条件下还会造成表面起泡等其它损伤 而这类损伤与材料本身的脆性关系不大 故许多资料上将其连同使金属变脆的过程统称为氢损伤 2 4 3环境致脆断裂失效 氢的作用导致早期失效或开裂降低金属强度和塑性导致焊接接头冷裂腐蚀环境的延迟断裂促进应力腐蚀和腐蚀疲劳 氢致失效氢的含量极低 甚至低于1ppm对材料组织极其敏感特有的断口特征 断裂时间延长 day months 甚或更长 2 4 3环境致脆断裂失效 2 1 氢进入金属材料的途径 4 3环境致脆断裂失效 4 金属构件在运行过程中 环境也可提供氢 1 金属材料基体内残留的氢冶炼 焊接 熔铸 2 金属材料在含氢的高温气氛中加热时 进入金属内部的氢 3 金属材料在化学及电化学处理过程中 进入金属内部的氢 2 4 3环境致脆断裂失效 2 2 氢致脆断的类型 1 溶解在金属基体中的氢原子析出并在金属内部的缺陷处结合成分子状态 由此产生的高压 使材料变脆 钢中的 白点 即属于此种类型 4 3环境致脆断裂失效 2 由环境气氛中的氢在高温下进入金属内部 并夺取钢中的碳形成甲烷 使钢变脆 3 固溶氢引起的可逆性氢脆机械零件通常发生的氢致断裂 一般属于此种氢脆 2 2 氢致脆断的类型 4 3环境致脆断裂失效 固溶状态的氢不经任何化学反应 仅含少量的氢即可引起氢脆 此类氢脆具有明显的延迟断裂的性质 仅在一定的温度范围内 100 150 C 出现 在室温附近最敏感 对材料的强度极限 屈服极限 延伸率及冲击韧性影响较小 而对材料的极限断面收缩率影响较大 2 3 氢致脆断的断口形貌特征 4 3环境致脆断裂失效 1 宏观断口齐平 为脆性的结晶状 表面洁净呈亮灰色 实际构件的氢脆断裂又往往与机械断裂同时出现 因此断口上常常包括这两种断裂的特征 氢脆断裂断裂源区的形态 大小的分析 有助于正确判断氢的来源和断裂的原因 2 3 氢致脆断的断口形貌特征 4 3环境致脆断裂失效 2 微观断口沿晶分离 晶粒轮廓鲜明 晶界有时可看到变形线 呈发纹或鸡爪痕花样 应力较大时也可能出现微孔型的穿晶断裂 4 在应力集中较大的部位起裂时 微裂纹源于表面或靠近缺口底部 应力集中比较小时 微裂纹多源于次表面或远离缺口底部 渗碳等表面硬化件出现的氢脆多源于次表面 2 4 3环境致脆断裂失效 20钢水冷壁管氢脆爆破爆口和裂纹形貌 2 4 3环境致脆断裂失效 铁素体钢氢脆断口形貌 2 4 3环境致脆断裂失效 Fe 3 Si Fe单晶 缺口试样拉伸轴 100 裂纹沿 100 扩展辉纹沿 112 2 4 3环境致脆断裂失效 氢脆断口微观形貌 氢脆裂纹的走向形态 2 4 3环境致脆断裂失效 Tritiumautoradiographofdeformediron 2 4 3环境致脆断裂失效 2 4 3环境致脆断裂失效 2 4 3环境致脆断裂失效 2 4 3环境致脆断裂失效 2 研究 同一材料的氢脆断口形貌在氢含量及钢的原始组织形态不同时有所变化 高合金二次硬化钢氢脆敏感性的研究结果为 450 回火试样慢弯曲断口 充氢05 裂纹起始区为沿晶 准解理 充氢4 裂纹起始区以沿晶断裂为主 存在少量准解理 充氢10 裂纹起始区为沿晶和穿晶准解理断裂 沿晶区厚度约为130 482 回火充氢0 5 裂纹起始区为准解理 厚度约25 充氢4 和10 试样的裂纹起始区都为准解理 厚度分别为7 和11 未出现沿晶断裂特征 随着充氢时间延长 试样放射区韧窝变小变浅 充氢对600 回火试样的断裂形貌没有影响 充氢10 仍为韧性断裂 4 3环境致脆断裂失效 2 4 3环境致脆断裂失效 2 4 3环境致脆断裂失效 2 4 3 6高温长时致脆断裂 热脆 失效 4 3环境致脆断裂失效 1 呈现热脆性的钢材 在高温下的冲击韧性并不低 而室温冲击韧性一般比正常值降低50 60 甚至降低80 以上 其它强度指标及塑性指标均不发生明显变化 奥氏体钢热脆性时有所不同 在热脆发生的同时还往往发生强度和塑性等指标的变化 1 热脆断裂的特点 2 断裂的宏观表现是脆性的 断口呈粗晶状 微观上为沿晶的正向断裂 2 4 3 6高温长时致脆断裂 热脆 失效 4 3环境致脆断裂失效 3 具有热脆性的金属 其金相组织上可以看到黑色的网状特征 并有第二相质点析出 这是判定金属高温脆性发生的重要依据 其金相组织中的黑色网状如图所示 4 几乎所有的钢材都有产生热脆性的倾向 在碳钢中出现热脆性的必要条件是有塑性变形 2 4 3环境致脆断裂失效 热脆金属显微组织 2 4 3环境致脆断裂失效 石墨化显微组织 2 4 3环境致脆断裂失效 石墨化显微组织 2 4 3 7蠕变断裂失效 4 3环境致脆断裂失效 2 4 3 7蠕变断裂失效 4 3环境致脆断裂失效 1 对数蠕变断裂在0 0 15Tm Tm为金属材料的熔点K 的温度范围内 材料的变形引起的加工硬化 因温度低 不能发生回复再结晶 因此蠕变率随时间的延续一直在下降 故称之为对数蠕变 2 4 3 7蠕变断裂失效 4 3环境致脆断裂失效 2 回复蠕变断裂在0 15 0 85Tm的温度范围内 由于温度高 材料足以进行回复再结晶 蠕变率基本上是个定值 此时发生的断裂称为回复蠕变断裂 2 在工程上最常出现的蠕变断裂是回复蠕变断裂或称高温蠕变断裂 4 3环境致脆断裂失效 蠕变第一阶段 初期蠕变 蠕变第二阶段 第二期蠕变 蠕变第三阶段 第三期蠕变 2 4 3环境致脆断裂失效 蠕变曲线的形状会随金属的温度和应力不同而有所变化 在实际断裂分析时应根据不同条件进行判断 不同条件下的蠕变曲线 温度固定 应力 1 2 3