2失效分析基础知识

1、2 失效分析基础知识2.1 金属构件中可能引起的冶金缺陷2.2 力学计算 宏观裂纹缺陷2.3 环境作用机理失效分析基础知识 2.1、金属构件中可能引起失效的冶金缺陷 2.1.1 铸态金属组织缺陷 铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏析、内裂纹、气泡和白点等。 缩孔与疏松 金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状（或喇叭状）或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔的相对体积，与液态金属的温度、冷却条件以及铸锭的大小等有关。 缩孔与疏松 液态金属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体积也越大 缩孔与疏松如在急剧冷却的条件下浇注金属，可以避免在铸锭上部形成集中缩孔。但在此情况下，

2、液态金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经“消除”了大的缩孔，可是有许多细小缩孔即疏松，分布在金属的整个体积中 缩孔与疏松钢材在锻造和轧制过程中，疏松情况可得到很大程度的改善，但如由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因，则在热加工后较严重的疏松仍会存在。右图所示为ZCrl3 钢热轧后退火仍有黑色小点显示的中心疏松。此外，如原钢锭中存在着较多的气泡，而在热轧过程中焊合不良，或沸腾钢中的气泡分布不良，以致影响焊合，亦可能形成疏松。 缩孔与疏松疏松的危害性，主要有以下几种。 在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使其在使用过程中成为疲劳源发生断裂。此外，在用

3、作液体容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象。 钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件的小。 金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表而粗糙度有一定的影响。偏析金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。 晶内偏析与晶间偏析 晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。这种偏析往往导致金属中树枝状组织的形成，故亦称枝晶偏析。晶体间的成分不均匀现象，即晶间偏析。 碳化物偏析是一种晶间偏析，常常出现于铸造状态的合金工具钢和高速钢中。当锻造或热轧时

4、，这种粗大的碳化物被击碎，并循加工方向变形而成为不连续的带状碳化物分布于钢的基体中，致使钢的纵横向力学性能发生差异，特别是横向的塑性强烈地下降。在钢的加工和使用过程中，由于这种偏析的存在，可能导致其他缺陷的形成。因此在合金工具钢和高速钢中，应力求避免或减弱这种偏析。 偏析 区域偏析外层区域富集高溶点组元，而心部则富集低熔点组元，同时也富集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。钢锭中存在区域偏析，特别是硫偏析和磷偏析，强烈地降低钢的质量，并为以后的加工造成种种困难，甚至导致材料的严重损害和所制机件在使用中的破坏。硫偏析能破坏金属的连续性，在钢锻造时引起热脆，在轧制钢板时产生夹层

5、，严重地影响钢板的冷弯性能。承受交变载荷的零件，在使用中硫偏析往往为引起疲劳断裂的主要原因之一。磷偏析则使钢具有冷脆性，并促进钢的回火脆性。 偏析 比重偏析在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化学成分的不均匀现象，称为比重偏析。晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。如果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重偏析也越强烈。由于各种组织组成物的空间上的分离，不可能通过热处理来消除或减弱比重偏析，只

6、能采取特殊的熔化或浇注等措施（例如快速浇注）予以防止。气泡与白点金属在熔融状态时能溶解大量的气体，在冷凝过程中由于溶解度随温度的降低而急剧地减小，致使气体从液态金属中释放出来。若此时金属已完全凝固，则剩下的气体不易逸出，有一部分就包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成了气孔。这种气孔称为气泡。气泡与白点 气泡的有害影响 气泡减少金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大降低了材料的强度。 当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时它们可能被氧化，以致在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝。 在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏析，导致裂缝。 气泡与白点白点氢是以原子状态溶解在钢中的，它

7、在钢中的溶解度随温度的降低而显著减小，如果钢液中氢含量较高，在冷却时氢以原子态析出，聚集在钢中空隙处，结合成分子态的氢。因氢分子很难在钢中进行扩散，在空隙处便形成巨大的局部压力（可达数百个大气压），远远超过了钢的强度，因而产生裂缝。当出现这种缺陷以后，在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝；而在纵向断口上会发现表面光滑的、银白色的圆形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为白点。气泡与白点白点最容易产生在以镍、铬、锰作为合金元素的合金结构钢及低合金工具钢中。奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白点；铸钢中也有可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊金属中偶尔也会产生白点。此外白点的产生与钢材

8、的尺寸也有一定的关系，横截面的直径或厚度小于30 mm 的钢材不易产生白点。通常，具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低得并不多，但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能又比纵向的降低得更多。因此，具有白点的钢材一般是不能使用的2.1.2 金属锻造及轧制件缺陷通过锻造和轧制工序，可以改善或消除金属铸态的某些缺陷组织（如疏松、气泡等），但如果工艺不当，便会产生缺陷组织。 （1）内部组织缺陷a 粗大的魏氏体组织在热轧或停锻温度较高时，由于奥氏体晶粒粗大，在随后冷却时的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角

9、度。这种形貌称为魏氏体组织。魏氏体组织因其组织粗大，使材料脆性增加，强度下降。比较重要的工件不允许魏氏体组织存在。 金属锻造及轧制件缺陷 先析出物与钢的成分有关，亚共析钢为铁素体，过共析钢为渗碳体。金属锻造及轧制件缺陷b 网络状碳化物及带状组织对于工具钢，锻造和轧制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其内部的碳化物碎化和分布均匀。如果不是多方向锻造，和小的锻造比，锻件就存在网络状或带状分布的碳化物。由于网状和带状组织破坏了材料性能的均匀性和连贯性，常成为工、模具过早失效的内在因素。金属锻造及轧制件缺陷 c.钢材表层脱碳 钢加热时，金属表层的碳原子烧损，使金属表层碳成分低于内层，这种现象称为脱碳，

10、凡降低了碳量的表面层叫做脱碳层。 一般的锻造和轧制是在大气中进行的，加热及锻、轧过程中钢件表层会强烈烧损而出现脱碳层。脱碳层的硬度、强度较低，受力时易开裂而成为裂源。大多数零件，特别是要求强度高、受弯曲力作用的零件，要避免脱碳层。因此，锻、轧的钢件随后应安排去除脱碳层的切削加工。 金属锻造及轧制件缺陷金属锻造及轧制件缺陷( 2 ）钢材的表面缺陷用肉眼能直接观察、鉴别的钢材表面缺陷，称为外观缺陷。影响钢材表面完整性和表面粗糙度等的表面质量的缺陷，统称为表面质量缺陷，简称表面缺陷。最常见钢材的表面缺陷有折叠、划痕、结疤、分层、表面裂纹等。a 折叠该缺陷往往出现于金属锻、轧件的表面上。折叠一般呈直线

11、状，也有的呈锯齿状，分布于钢材的全长，或断续状局部分布，深浅不一，深的可达数十毫米，其周围有比较严重的脱碳现象，一般夹有氧化铁皮。钢材表面的折叠，可采用机械加工的方法进行去除。型材表面因不再进行机械加工，如果表面存在严重的折叠，就不能使用，因为在使用过程中会由于应力集中造成开裂或疲劳断裂。 金属锻造及轧制件缺陷折叠通常是由于材料表面在前一道锻、轧中所产生的尖角或耳子，在随后的锻，轧时压入金属本身而形成的。锻轧时产生的突出的尖角或耳子一般均较细薄，冷却时其冷速常较金属主体为大，同时突出的表面由于氧化的作用，总是在其周围附着一层氧化皮。当突出部分被挤压入主体金属后，就极难同它焊合。金属锻造及轧制件

12、缺陷b 划痕在生产、运输等过程中，钢材表面受到机械刮伤形成的沟痕，称划痕，也称刮伤或擦伤。其深度不等，通常可看到沟底，长度自几毫米到几米，连续或断续分布于钢材的全长或局部，多为单条，也有双条和多条的划痕。划痕缺陷的存在，能降低金属的强度；对薄钢板，除降低强度外，还会像切口一样地造成应力集中而导致断裂；尤其是在压制时，它会成为裂纹或裂纹扩展的中心。对于压力容器来说，表而是不允许有严重的划痕存在的，否则会成为使用过程中发生事故的起点。金属锻造及轧制件缺陷C 结疤金属锭及型材的表面由于处理不当，往往会造成粗糙不平的凹坑。这些凹坑是不深的，一般只有2 3mm 。因其形状不规则，且大小不一，故称这种粗糙

13、不平的凹坑为结疤，也称为斑疤。表面具有结疤的材料，如尚须进行切削加工，则结疤对材料的质量并无多大损害，因其在加工时可予去除。 若结疤存在于板材上，尤其是在薄板上，则不仅能成为板材腐蚀的中心，在冲制时还会因此产生裂纹。在制造弹簧等零件用的钢材上，是不允许存在结疤缺陷的。因为结疤容易造成应力集中，导致疲劳裂纹的产生，大大地影响弹簧的寿命和安全性。 金属锻造及轧制件缺陷 d 表面裂纹 钢材表面出现的网状龟裂或缺口，是由于钢中硫高锰低引起热脆，或因铜含量过高、钢中非金属夹杂物过多所致。 沿着变形方向分布的裂纹是由于锻轧后处理不当而引起的。 钢锭因为脱氧或浇注不当，也可能形成横裂纹或纵裂纹，它们在轧制过

14、程中扩大，并会改变形状。金属锻造及轧制件缺陷 e 分层 由于非金属夹杂、未焊合的内裂纹、残余缩孔、气孔等原因，使剪切后的钢材断面呈黑线或黑带，将钢材分离成两层或多层的现象，称为分层。2.1.3 夹杂物及其对钢性能的影响 钢中非金属夹杂物虽然为数不多，但对性能的影响却不可忽视。夹杂物对钢的力学性能和工艺性能的影响，主要是降低材料的塑性、韧性和疲劳性能，尤其当夹杂物以不利的形状及分布特征存在时，对材料的力学性能影响更为严重。 钢在加工变形中，各类夹杂物的变形性不同，按其变形能力可分为三类。 a. 脆性夹杂物 b. 塑性夹杂物 c. 半塑性变形的夹杂物 夹杂物及其对钢性能的影响a. 脆性夹杂物一般指

15、那些不具有塑性变形能力的简单氧化物（如从Al2O3、Cr2O3 、ZrO2 等）、双氧化物（如FeO.Al2O3 、MgO.Al2O3、CaO.6Al2O3 等）、氮化物（如TiN、Ti (CN)、AlN 、VN 等） 和不变形的球状（或点状）夹杂物（如球状铝酸钙和含SiO2较高的硅酸盐等）。对于变形率低的脆性夹杂物，在钢加工变形的过程中，夹杂物与钢基体相比变形甚小，由于夹杂物和钢基体之间变形性的显著差异，势必造成在夹杂物与钢基体的交界面处产生应力集中，导致微裂纹产生或夹杂物本身开裂。夹杂物及其对钢性能的影响夹杂物及其对钢性能的影响b 塑性夹杂物这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着

16、钢的流变方向延伸成条带状，属于这类的夹杂物有含SiO2量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰（MnS） 、（Fe , Mn）S 等。硫化锰（MnS ）是具有高变形率的夹杂物（V =l ) ，即夹杂物与钢基体的变形相等，它从室温一直到很宽的温度范围内均保持良好的变形性，由于MnS 与钢基体的变形特征相似，所以在夹杂物与钢基体之间的交界面处结合很好，产生裂纹的倾向性较小，并沿加工变形的方向呈条带状分布夹杂物及其对钢性能的影响 c. 半塑性变形的夹杂物 一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物，复合夹杂物中的基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物（如铝酸钙、尖晶石型的双氧化物等）不变形，基体夹杂物随

17、着钢基体的变形而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状，因此将阻碍邻近的塑性夹杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由延伸. 夹杂物及其对钢性能的影响夹杂物及其对钢性能的影响 ( 2 ）夹杂物对钢性能的影响研究钢中夹杂物对力学性能的影响，主要是指对强度和韧性的影响。大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧性危害较大，其危害程度又随钢的强度的增高而增加，因此研究高强度和超高强度钢中夹杂物对韧性的影响，对于发展和使用这些材料都是十分必要的。夹杂物及其对钢性能的影响a ，夹杂物变形性对钢性能的影响通常钢锭不是钢的最后产品，它必须通过不同的方法进行加工和热处理，如

18、轧制、锻造、拉拔、切削等工序。由于夹杂物与钢基体之间的物理性质和变形性方面存在着较大的差异，在加工变形过程中，钢基体的均匀连续性受到破坏，引起应力集中，因此了解夹杂物与钢基体之间的变形行为极为重要，对判断夹杂物对钢性能的影响有重要的参考价值.钢中非金属夹杂物的变形行为与 钢基休之间的关系可用夹杂物与钢基体之问的相对变形量来表示，即夹杂物的变形率v 。夹杂物的变形率可在V01 这个范围变化，若变形率低，钢经加工变形后，由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，异致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。夹杂物及其对钢性能的影响b 夹杂物引起应力集中非金属夹杂物可使金属中发生应力再分配，引起应力集中，成为材料中的薄弱环节。在考虑夹杂物引起应力再分配时，不仅注意夹杂物与钢基体之间具有不同的弹性和塑性性质，而且要考虑两者之间热膨胀系数的差别。热膨胀系数比金属基体小得多的夹杂物，在夹杂物周围引起拉应力，夹杂物的热膨胀系数越小，形成的拉应力越大对钢的危害性越大。在高温下加工变形时，由于夹杂物与钢基体热收缩的差别裂纹在交界面处产生。它很可能成为留在基体中潜在的疲劳破坏源。危害性最大的夹杂物是来源于炉渣和耐火材料的外来氧化物它们尺寸大、形状不规则、分布集中并且变形性差，这些夹杂物的存在，往往成为潜在的裂纹源，甚至引