断裂失效分析课件

1、失效分析培训陶春虎中国航空工业集团公司失效分析中心北京市81信箱4分箱，100095引 言 在机电装备的各类失效分析中以断裂失效最主要，危害最大。因此，国内外对断裂失效进行了大量的分析研究。断裂失效分析是从裂纹和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因和规律。 环境介质作用下的失效是相当广泛的概念。“环境”是指机电产品工作现场的气氛、介质和温度等外界条件。金属构件或整个机械产品的环境失效的主要模式是我们常讲的腐蚀，当然包括“环境”与应力共同作用下的破坏如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及液态金属致脆等。 断口的定量分

2、析主要指对断口表面的成分、结构和形貌特征等方面进行定量参数的测试、描述和表征。通过对疲劳断口定量分析可得出构件在实际工作中的疲劳裂纹扩展速率，从而能合理地对零部件进行疲劳寿命估算、可确定构件形成裂纹的时间、评价其制造质量、估算疲劳应力等。第一章 断裂失效分析在机电装备的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。目前对断裂行为的研究有两种不同的方法：一种是断裂力学的方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并考虑材料内部存在有缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。另一种是金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。

3、而断裂失效分析则是从断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因。它在断裂力学方法和金属物理方法之间架起联系的桥梁。 断裂可按具体的需要和分析研究的方便进行分类。 按断裂性质分类 根据零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小分为： a. 塑性断裂，断裂前发生较明显的塑性变形。延伸率大于 5%的材料通常称为塑性材料； b. 脆性断裂，断裂前几乎不产生明显的塑性变形。延伸率小于3%的材料通常称为脆性材料； c. 塑性-脆性混合型断裂，又称为准脆性断裂。 2.断裂分类 2.断裂分类 按断裂路径分类 依断裂路径的走向可分为

4、穿晶断裂和沿晶断裂两类。在实际断裂失效断口上，多数情况是既有沿晶断裂，又有穿晶断裂的混合型断裂。2.断裂分类 按断裂方式分类 按断面所受的外力类型的不同分为正断、切断及混合断裂三种。按断裂机制分类可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶及疲劳等多种断裂。2.断裂分类 其它分类法按应力状态分类，可分为静载断裂（拉伸、剪切、扭转）、动载断裂（冲击断裂、疲劳断裂）等。按断裂环境分类，可分为低温断裂、中温断裂、高温断裂、腐蚀断裂、氢脆及液态金属致脆断裂等。按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等三类。按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂三类。按断裂形成过程分类, 可分为工艺性断裂和服役

5、性断裂。 在金属光滑圆试样室温拉伸或冲击断口上，通常可分为三个宏观特征区，即如图所示的纤维区、放射区和剪切唇区。这就是所谓的断口宏观特征三要素。 3.过载断裂的宏观断口三要素 断口三要素的应用 案例:某型飞机起落架进行疲劳试验的过程中，试验耳片发生早期断裂。 前起落架断裂耳片有两个断面剪切唇、放射区的人字纹特征明显。某飞机前起落架断裂耳片主、次两个断口 工程材料的显微结构都比较复杂，特定的显微结构在特定的外界条件下有特定的断裂物理机制和微观形貌特征。 1. 穿晶韧窝断裂 韧窝是金属延性断裂的主要微观特征。 韧窝又称作迭波、孔坑、微孔、微坑等。 韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形

6、核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。 虽然韧窝是延性断裂的微观特征，但不能仅仅据此就作出断裂属延性断裂的结论。 二、金属断裂的微观机理与典型形貌 韧窝的形成 韧窝形成的机理比较复杂，大致可分为显微空洞的形核、显微空洞的长大和显微空洞的聚集三个阶段。二、金属断裂的微观机理与典型形貌1. 穿晶韧窝断裂某弹用发动机零件四方轴断裂断口韧窝形貌金属断裂过程均起始于变形。金属的塑性变形方式主要有滑移、孪生、晶界滑动和扩散性蠕变四种。孪生一般在低温下才起作用；在高温下，晶界滑动和扩散性蠕变方式较为重要。而在常温下，主要的变形方式是滑移。过量的滑移变形出现滑移分离，其微观形貌有滑

7、移台阶、蛇形花样、涟波等。2. 滑移分离 晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线.滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶称为滑移台阶。由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。2. 滑移分离 2. 滑移分离 a. 蛇形花样，多晶体材料受到较大的塑形变形产生交滑移，导致滑移面分离，形成起伏弯曲的条纹，通常称为蛇形滑移花样。b. 若变形程度加剧，则蛇形滑移花样因变形而平滑化，形成涟波花样。c. 如若继续变形，涟波花样也将进一步平坦化，在断口上留下了没有什么特殊形貌可言的平坦区，称为延伸区。几种典型滑移分离断口形貌3. 解理断裂 解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键的破坏而造成的

8、沿一定的晶体学平面（即解理面）快速分离的过程。 解理断裂是脆性断裂的一种机理，属于脆性断裂，但并不是脆断的同义语，有时解理可以伴有一定的微观塑性变形。 解理面一般是表面能量最小的晶面。面心立方晶系的金属及合金，在一般情况下，不发生解理断裂。 3. 解理断裂 解理断裂的形貌特征 典型的解理断口微观形貌有以下重要特征：解理台阶、河流花样、“舌”状花样、鱼骨状花样、扇形花样等。某型机装配脱板螺母后发现有多个该型螺母在椭圆形收口处存在细小裂纹。裂纹附近未观察到塑性变形痕迹，裂纹较平直，由此说明裂纹的开裂为脆性开裂。裂纹断口区域为解理沿晶断裂的脆性断裂特征裂纹形态 3. 解理断裂 4. 准解理断裂准解理

9、断口宏观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小，呈脆性特征。其微观形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。案例： 某厂装泵运转的弹簧发生断裂。断口如图呈准解理断裂形貌。 4.准解理断裂准解理断裂形貌 5. 沿晶断裂 图示：沿晶脆性断裂沿晶韧窝断裂 5. 沿晶断裂 回火脆、氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆以及因过热、过烧引起的脆断断口大都为沿晶脆性断裂特征；而蠕变断裂、某些高温合金的室温冲击或拉伸断口往往为沿晶韧窝形貌。另外还有两种情况也属沿晶断裂范畴。一是沿结合面发生的断裂，如沿焊接结合面发生的断裂；二是沿相界面发生的断裂，如在两相金属中沿两相的交界面发生的断裂。 5. 沿晶断裂 案例

10、：某型飞机进行发动机调试过程中，左发动机成功起动至慢车时，信号盘报出“断开空调”信息，停车进行检查，发现空调系统中燃油空气散热器出口处卡箍断裂（位置如图）。基体区域的沿晶断裂特征 根据氢含量测定结果可知，钢带中的氢含量均远远高出一般钢中对氢含量的要求值，可以判断为氢脆导致沿晶断裂。 6. 疲劳断裂 定义 疲劳断裂是材料(或构件)在交变应力反复作用下发生的断裂。 疲劳断裂的危害性a. 多数机件承受的应力是周期性变动的。b. 疲劳破坏表现为突然断裂，断裂前无显著变形。c. 造成疲劳破坏时，循环交变应力中的最高应力一般远低于静载荷下材料的强度极限；d. 零件的疲劳断裂不仅取决于材质，而且对零件的形状

11、、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等非常敏感。e. 很大一部分机件承受弯曲扭转应力。 6. 疲劳断裂 疲劳断裂过程示意图疲劳断裂过程 疲劳裂纹的萌生、稳定扩展及失稳断裂三个阶段。疲劳裂纹的萌生交变载荷产生局部滑移滑移线变粗形成滑移带驻留滑移带的形成驻留滑移带挤入槽和挤出峰的形成萌生疲劳裂纹。疲劳裂纹的萌生示意图 6. 疲劳断裂 疲劳裂纹稳定扩展的两个阶段(1) 疲劳裂纹稳定扩展第一阶段 与正应力呈45，扩展深度很浅。断裂形貌特征：类解理小平面平行锯齿状断面叶片疲劳断裂第一阶段锯齿状断面 6. 疲劳断裂 疲劳裂纹稳定扩展的两个阶段(2) 疲劳裂纹稳定扩展第二阶段疲劳裂纹按第一阶段方式扩展一定距

12、离后，将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展产生重大影响。这就是疲劳裂纹稳定扩展的第二阶段，疲劳裂纹扩展第二阶段断面上最重要的显微特征是疲劳条带，又称疲劳辉纹。 6. 疲劳断裂 疲劳条带的类型与形态延性疲劳条带(晶体学和非晶体学)、脆性疲劳条带(晶体学和非晶体学)延性疲劳条带与脆性疲劳条带a. 延性疲劳条带 b. 脆性疲劳条带 6. 疲劳断裂 图示：某蓄压油箱疲劳裂纹 源区位置及疲劳弧线 源区处疲劳条带 三、疲劳断裂失效分析1.分类三、疲劳断裂失效分析 2.疲劳断裂的宏观分析 典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区，即疲劳源区、扩展区和瞬断区 （1）源区的

13、宏观特征氧化或腐蚀严重，颜色较深断面平坦、光滑、细密，有些可见闪光小刻面有放射台阶或放射棱线向外发射疲劳弧线的中心（2） 扩展区的宏观特征 断面平坦、与主应力垂直，颜色介于源区和瞬断区，最基本的特征是疲劳弧线，也称海滩花样或贝壳花样。（3） 瞬断区的宏观特征 与静载拉伸断口相近，瞬断区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质环境介质等因素。三、疲劳断裂失效分析 2.疲劳断裂的宏观分析 案例：某电气控制盒固定脚焊缝附近断裂，断口可见疲劳弧线和源区的磨损特征，扩展较充分，瞬断区面积较小，断口具有典型的疲劳断裂特征。 断口宏观形貌 断口疲劳弧线与源处的磨损 三、疲劳断裂失效分析 3. 疲劳断口的微观分

14、析 疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容：源区的微观分析(具体位置：多源疲劳：主源、次源；微观形貌特征：加工及材质缺陷)扩展区的微观分析 第一扩展区：有无疲劳条带、韧窝、台阶二次裂纹等 第二扩展区：有无疲劳条带及疲劳条带的性质 瞬断区的微观分析(韧窝形态) 三、疲劳断裂失效分析 4.低周疲劳断裂的判据1)宏观特征多源，且多为线状；瞬断区面积大；疲劳弧线间距大，稳定扩展区棱线粗、短；断口高差较大。2)微观特征：对低周疲劳，由于宏观塑性变形较大，静载断裂机理就会出现在疲劳断裂过程中，在断口上出现各种静载断裂所产生的断口形态。三、疲劳断裂失效分析 4.低周疲劳断裂的判据案例：某发动机的涡轮叶片和轮盘上

15、多个榫齿出现了超过修理标准的裂纹，且裂纹部位基本上在第三齿，多数为单裂，少数为对裂，亦有邻裂的情况。断口源区为穿晶滑移类解理断裂形貌，呈多源特征，扩展区主要为扇形解理扩展形貌和疲劳条带特征，为起始应力较大的以低周疲劳为主的疲劳开裂。 叶片槽位处裂纹断口低倍 扩展区载荷变化较大的条带特征 据源区较远处条带特征 三、疲劳断裂失效分析 5.腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交应载荷协同、交互作用下发生的一种失效模式 。腐蚀疲劳的断裂特征断口低倍呈现明显的疲劳弧线；源区和扩展区一般有腐蚀产物；一般起源于表面腐蚀损伤处；扩展区具有某些明显的腐蚀特征，如腐蚀坑、泥纹花样等；穿晶解理脆性疲劳条带

16、是其重要的微观特征；若腐蚀损伤占主导地位，则断口呈现穿晶与沿晶混合型；当KmaxKISCC,在频率很低的情况下，其断口呈现出穿晶解理与韧窝的混合特征三、疲劳断裂失效分析 5.腐蚀疲劳断裂失效分析影响腐蚀疲劳断裂的因素：环境、受力状态、材质腐蚀疲劳断裂失效分析的判据交变应力和腐蚀环境断面灰暗、无金属光泽，有明显疲劳弧线有腐蚀产物和腐蚀损伤的痕迹疲劳条带多有脆性解理特征三、疲劳断裂失效分析 6. 热疲劳断裂失效分析 零件在没有外加载荷的情况下，由于工作温度的反复变化而导致的开裂叫热疲劳。 热疲劳断口的形貌特征 热疲劳裂纹易产生于应变集中处；光滑表面零件，则易产生于温度高，温差大的部位，可发现热疲劳

17、裂纹发展极不规则，裂纹多为沿晶开裂。微观形貌为韧窝和疲劳条带。热疲劳裂纹附近，显微硬度降低。四、沿晶断裂失效分析金属零件的沿晶断裂大都归入脆性断裂失效范畴，主要包括热脆、低温脆、铜脆、回火脆、氢脆、应力腐蚀致脆、液态金属致脆等等。金属零件沿晶断裂失效的主要宏观特征是：a. 断口的两匹配面很好地吻合一致，断口附近没有或极少有塑性变形，绝大部分断面结构粗糙呈颗粒状，称为“岩石状”断口、断面平齐，边缘无剪切唇、一般与主应力轴垂直。b. 断面无纤维状和放射状特征，一般看不出加载速度影响，且宏观上难以判明裂纹扩展方向。沿晶断裂的典型微观特征是沿晶分离，晶界面光滑无特征，呈冰糖块状，或者显示撕裂痕和细小的

18、韧窝花样。 四、沿晶断裂失效分析 1.沿晶断裂失效模式的判别 2.沿晶断裂失效原因分析 产生沿晶断裂的原因除环境介质作用外还有如下3种情况：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 。金属过热、过烧引起的沿晶断裂 。a.晶界沉淀相引起的沿晶断裂由晶界沉淀相所造成的沿晶断裂多是沿晶韧窝断裂。在晶界，沉淀相总是以分散粒子的形式存在，并且不连续。 合金的成分、热加工中的加热温度、冷却速度、热处理制度等都有可能引起第二相在晶界析出，弱化晶界，引起沿晶韧窝断裂。引起沿晶韧窝断裂 的主要因素有 微量元素引起第二相质点沿晶析出 缓冷引起第二相质点沿晶析出 b.杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断

19、裂 沿晶断裂的另一个主要原因是某些杂质元素在晶界上聚集，降低了晶界的聚合能，最常见的脆性杂质元素有Si、Ge、Sn、P、As、Sb、S、Se、Te等。 包括第一类回火脆引起的沿晶断裂 和第二类回火脆引起的沿晶断裂 c.金属过热、过烧引起的沿晶断裂 。金属零件在热加工过程中，或使用过程中在过热、过烧温度区间内长期或短期停留，均会引起零件整件、或局部过热与过烧，从而在应力作用下导致沿晶脆性断裂。过热、过烧断口宏观上呈粗大的颗粒状，无明显的断裂起源特征，断口附近无明显变形，过烧断口无金属光泽。过热断口微观形貌为晶粒粗大，晶界分离面上有细小的韧窝。过烧断口微观形貌为晶粒粗大，晶界粗而深，晶界分离面上有

20、氧化膜、熔化的孔洞等特征。五、断裂失效分析中的裂纹分析 1.裂纹分析方法 金属材料的表面或内部的连续性遭到局部破裂称为裂纹。 裂纹的检查及宏观分析 一般除通过肉眼进行外观检查外，多以无损探伤法，如采取X射线、磁力、超声波、荧光等物理探伤法检测裂纹。而某些情况下采取简易的敲击测音法，也是行之有效的。 1.裂纹分析方法 裂纹的微观分析裂纹的微观分析主要内容是：a. 裂纹形态特征。b. 裂纹处及附近的晶粒度。c. 裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物。d. 裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象，有无氧化物和脱碳组织出现。e. 产生裂纹的表面是否存在加工硬化层或回火层。f. 裂纹萌生处及扩展路径周围是否有过

21、热组织、魏氏组织、带状组织以及其它形式的组织缺陷。1.裂纹分析方法 其它分析 工件结构形状上易引起应力集中的部位，往往是裂纹出现的地方。 根据裂纹存在的部位、受力状态，就可以初步判断裂纹产生的条件。但有时还要结合加工工艺和使用条件，从裂纹特征、裂纹周围的显微组织缺陷、力学性能、化学成分综合分析研究，才能找出产生裂纹的原因。 除上述常用的分析方法之外，零件的工艺流程和每道工序的工艺参数、零件的形状及工艺条件分析也是必不可少的。 2.裂纹起始位置的分析 裂纹起始位置取决于两方面因素的综合作用，即应力集中的大小及材料强度值的高低。当材料局部地区存在着缺陷时，会使缺陷处的强度大幅度降低，此处最易成为裂

22、纹的起源位置。（1）由材料原因所引起的裂纹金属的表面缺陷，例如夹杂、斑疤、划痕等，金属的内部缺陷，例如缩孔、气孔、疏松、偏析、夹杂物等。不仅它们本身直接破坏了材料的连续性，降低了材料的强度和塑性，而且往往在这些缺陷的尖锐的前沿，造成很大的应力集中，使其在很低的平均应力下产生裂纹并得以扩展，最后引起断裂。（2）由零件的形状因素所引起的裂纹 有不少零件由于结构上的需要（如结构零件的台阶、沟槽、齿槽、转角、圆角）或由于设计不合理，在零件上存在有尖锐的凹角、凸边或缺口。这种零件在制造过程中(特别是淬火时)和使用过程中，将在尖锐的凹角、缺口或凸边过渡处产生很大的应力集中并可能形成裂纹。（3）受力状态不同

23、所引起的裂纹 在金属材料质量合格、零件形状设计合理的情况下，裂纹将在应力最大处生核。 3.裂纹的宏观形貌 龟裂龟裂是以裂纹的宏观外形呈龟壳网络状态分布而得名。在一般情况下，龟裂裂纹的深度都不大，是一种表面裂纹。形成龟裂的原因很多，它的形状、特点也略有不同。铸锭或铸件表面的龟裂(一种不常见的裂纹) 锻件表面的龟裂 热处理中形成的表面龟裂 焊接过程中产生的龟裂 磨削过程中产生的龟裂 使用过程的龟裂 一般情况下，龟裂是一种沿晶扩展的表面裂纹。它的产生原因可以认为是由于金属构件表面的化学成分、组织、性能和应力状态与中心(或晶粒内部)不一致，在制造工艺过程中或在随后的使用过程中，使晶界成为薄弱环节，优先

24、在晶界产生裂纹引起的。3.裂纹的宏观形貌 直线状裂纹 产生直线状裂纹主要有发纹、淬火裂纹等 发纹是由于钢材内部存在的非金属夹杂物沿热加工方向延伸而形成的一种纵向线性缺陷。 淬火裂纹多半产生在一些表面冷却情况比较均匀一致，且心部淬透的细长工件。此外冷拔、热拔、深冲、挤压的制品，在表面还可能产生拉痕。 其它性状裂纹（除上述龟裂及直线状裂纹之外，还有各种形状，如环形裂纹、周向裂纹、辐射状裂纹、弧状裂纹等）。4.裂纹的走向 金属裂纹的走向是按应力和强度这样两个原则进行的。 应力原则 金属的脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀断裂，裂纹的扩展方向一般都垂直于主拉伸应力的方向；而当韧性金属承受扭转载荷或金属在平面

25、应力的情况下，其裂纹的扩展方向一般平行剪切应力的方向。 强度原则 强度原则即指裂纹总是沿着最小阻力路线即材料的薄弱环节处扩展。应力原则和强度原则对裂纹扩展的影响有时可能是一致的，这时裂纹将无疑地沿着一致的方向扩展。 5.裂纹的微观形貌 应力腐蚀裂纹、氢脆裂纹、回火脆性裂纹、磨削裂纹、焊接热裂纹、冷热疲劳裂纹、过烧引起的锻造裂纹、铸造热裂纹、蠕变裂纹、热脆裂纹等都是沿晶界扩展的；疲劳裂纹、解理断裂裂纹、淬火裂纹、焊接裂纹及其他韧性断裂裂纹都是穿晶裂纹。裂纹遇到亚晶界、晶界、硬质点或其它组织和性能的不均匀区，往往将改变扩展方向。因此可以认为，晶界能够阻碍裂纹的扩展。6. 裂纹周围及裂纹末端情况 当金属表面或内部缺陷成为裂纹源时，一般都能找到作为裂纹源的缺陷。根据裂纹及其周围的形状和颜色，可以判断裂纹经历的温度范围和零件的工艺历史，从而找到产生裂纹的具体工序。裂纹周围的情况