断裂失效分析2讲诉

1、失失效效分分西安交通大学材料学院西安交通大学材料学院周根树周根树析析断断裂裂主主 要要 内内 容容?断裂失效类型断裂失效类型?失效分析的一般步骤失效分析的一般步骤?常见断裂失效的特征常见断裂失效的特征?断口分析方法断口分析方法?断裂失效分析案例断裂失效分析案例1.断裂失效类型断裂失效类型蠕变断裂失效塑性断裂失效断裂失效脆性断裂失效疲劳断裂失效2.失效分析的一般步骤失效分析的一般步骤现场调查使用状况提取试样残骸分析实验研究宏观检验微观检验金相检验无损检测成分分析力学性能分析综合分析3. 常见断裂失效的特征常见断裂失效的特征3.1 韧性断裂韧性断裂?定义：韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂

2、之前,在断裂部位出现较为明显的塑性变形。?原因：在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的塑性极限或强度极限而发生的断裂。?韧性断裂宏观特征韧性断裂宏观特征(1) 断口附件有明显宏观塑性变形。(2) 断口外形呈杯锥状。杯底垂直于主应力,锥面平行于最大切应力,与主应力成45角;或断口平行于最大切应力,与主应力成45的剪切断口。(3) 断口表面呈纤维状,其颜色呈暗灰色。?韧性断裂的微观特征韧性断裂的微观特征?韧性断裂的微观特征主要是在断口上存在大量的韧窝。?注意：(1) 在断口上的个别区域存在韧窝,不能简单地认为是韧性断裂。即使在脆性断裂的断口上,局部也

3、可能产生塑性变形而存在韧窝。(2) 沿晶韧窝不是韧性断裂的特征。沿晶韧窝主要是显微空穴优先在沿晶析出的第二相处聚集长大而成。?韧性断裂失效分析的判据韧性断裂失效分析的判据(1) 断口宏观形貌粗糙,色泽灰暗,呈纤维状;边缘有与零件表面呈45的剪切唇;断口附近有明显的塑性变形,如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。(2) 断口上的微观特征主要是韧窝。3.2 脆性断裂脆性断裂?定义：工程构件在很少或不出现宏观塑性变形定义：工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光一般按光滑拉伸试样的滑拉伸试样的 5 %) 情况下发生的断裂称作脆性断裂情况下发生的断裂称作脆性断裂?特点：具有突发性，常常在低应力下断

4、裂，危害性大。特点：具有突发性，常常在低应力下断裂，危害性大。?引发脆性断裂的因素引发脆性断裂的因素(1) 由材料性质引起的脆性断裂,如热裂、冷裂、兰脆、回火脆、过热与过烧致脆、不锈钢的475 脆性等。(2) 由环境温度与介质引起的脆性断裂,如冷脆、氢脆、应力腐蚀致脆、液体金属致脆以及辐照致脆等。(3) 由加载速率与缺口效应引起的脆性断裂,如高速致脆、应力集中与三应力状态致脆等。?脆性断裂的宏观特征脆性断裂的宏观特征(1) 断裂处很少或没有宏观塑性变形,碎块断口可以拼合复原。(2) 断口平坦, 无剪切唇, 断口与应力方向垂直。(3) 断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。(4)

5、断面颜色有的较光亮,有的较灰暗。光亮断口是细瓷状,对着光线转动,可见到闪光的小刻面;灰暗断口有时呈粗糙状,有时呈现出粗大晶粒外形。(5) 脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。(6) 板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向。图图1 板材构件脆性断口宏观特征板材构件脆性断口宏观特征?脆性断裂微观特征脆性断裂微观特征穿晶脆断(解理与准解理) 和沿晶脆断两大类解理断裂金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面(即解理面) 快速分离?解理台阶的形成过程示意图(a) 裂纹裂纹AB 向螺位错向螺位错CD扩展扩展(b) 裂纹与螺位错裂纹

6、与螺位错CD交割交割,形成台阶形成台阶?准解理断裂准解理断裂准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。先按解理方式扩展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,与相邻的解理小刻面相连,形成撕裂棱。准解理裂纹形成机理示意图准解理裂纹形成机理示意图?沿晶断裂沿晶断裂沿晶断裂又称晶间断裂沿晶断裂又称晶间断裂,它是多晶体沿不同取向的晶粒它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离所形成的沿晶粒界面分离,即沿晶界发生断裂。即沿晶界发生断裂。?引起脆性断裂失效的原因引起脆性断裂失效的原因?解理断裂解理断裂引起解理断裂的主要因素有环境温度、介质、加载速度、材料的晶体结构、显微组织和应力大小与状态

7、等?沿晶断裂沿晶断裂?晶界沉淀相引起的沿晶断裂?杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断裂3.3疲劳断裂失效疲劳断裂失效?定义定义：工程构件在交变应力作用下,经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂。?疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点?疲劳破坏表现为突然断裂,断裂前无明显变形?造成疲劳破坏的循环交变应力一般低于材料的屈服极限,有的甚至低于弹性极限?零件的疲劳断裂失效与材料的性能、质量、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等众多因素有关。?交变应力与交变应变应力循环图中图中max为最大应力为最大应力;min 为最小应力为最小应力;m 为平均应力为平均应力;a 为为应力幅应力幅;为应力范围为应力范围;

8、Rs 为应力比为应力比(Rs =min /max )应变循环图中图中max 为应变幅为应变幅的最大值的最大值,min为应变幅的最小值。为应变幅的最小值。应变幅应变幅a 、应变范、应变范围围 (= 2a ) 、平均应变、平均应变m 和应变比和应变比R=,min/max?疲劳曲线、疲劳强度和疲劳寿命S-N 疲劳曲线?在指定寿命下使材料失效的应力水平；用在指定寿命下使材料失效的应力水平；用S表示表示? 从开始承受应力直至断裂所经历的循环次数称为疲劳寿命从开始承受应力直至断裂所经历的循环次数称为疲劳寿命,以以Nf 表示表示弹性应变幅和塑性应变幅与疲劳寿命的关系相交于一点弹性应变幅和塑性应变幅与疲劳寿命

9、的关系相交于一点,该点对应的寿命为该点对应的寿命为2 N T ,称为过称为过渡疲劳寿命。以渡疲劳寿命。以2 N T 为界为界,左侧左侧2 N 2 N T 为低周为低周疲劳疲劳,其特点是塑性应其特点是塑性应变幅对疲劳损伤的贡献大于弹性应变幅。变幅对疲劳损伤的贡献大于弹性应变幅。? 疲劳条带4. 断口分析方法断口分析方法?金属断口基本类型金属断口基本类型?按断裂途径分按断裂途径分：?穿晶断口?沿晶断口?混合断口?按断口形貌分按断口形貌分：?纤维状?结晶状?瓷状?萘状?塑性断口特征?滑移分离?韧窝断口撕裂韧窝等轴韧窝脆性断口解理断口沿晶断口疲劳断口?疲劳条纹断口分析?裂纹源裂纹源?裂纹分析法裂纹分析

10、法：?裂纹源总是与裂纹分叉方向相反；?裂纹源位于丁字形裂纹的横线上?在碎片中塑性变形最小的部位，最有可能包含裂纹源?碎片拼合后，间隙最大的部位?根据断口宏观特征根据断口宏观特征：?人字形顶点指向裂纹源?放射花样的放射中心指向裂纹源?纤维区中心为裂纹源点?从剪切唇的对侧寻找裂纹源?在构件表面缺口处寻找裂纹源?疲劳断裂的原点在同心圆处（一般在表面）?宏观断口分析?钢材质量检验钢材质量检验?观察是否有夹杂、分层、缩孔、缩松、热裂等宏观缺陷；?断口的宏观形貌：韧性断口还是脆性断口；?裂纹源、扩展区及瞬断区相对比例;?缺陷的形态与位置?寻找裂纹源位置寻找裂纹源位置? 微观断口分析?断口产物分析：产物与环境因素有关?断口微观形貌分析：?扫描电子显微镜：简便，直观?透射电子显微镜：?缺点：需要复型；不能低倍观察?优点：分辨率高；可同时确定结构；不破坏断口精铸厂疲劳试验断口形貌?疲劳源区存在缩松疲劳源区存在夹杂扩展区的条纹与微观组织疲劳条纹微观形貌瞬断区形貌5.失效分析实例失效分析实例?高碳马氏体钢球淬火开裂失效分析高碳马氏体钢球淬火开裂失效分析断裂轴失效分析吊耳线夹裂纹源裂纹源萘状断口及二次裂纹萘状断口及二次