断裂失效分析课件

西安交通大学材料学院周根树断裂失效分析断裂失效分析1断裂失效类型失效分析的一般步骤常见断裂失效的特征断口分析方法断裂失效分析案例主要内容断裂失效类型主要内容21.断裂失效类型断裂失效蠕变断裂失效塑性断裂失效脆性断裂失效疲劳断裂失效1.断裂失效类型断裂失效蠕变断裂失效塑性断裂失效脆性断裂失效32.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2.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43.常见断裂失效的特征定义：韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂之前,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。3.1韧性断裂3.常见断裂失效的特征定义：韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂5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。韧性断裂宏观特征(1)断口附件有明显宏观塑性变形。6

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7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。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8

3.2脆性断裂定义：工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光滑拉伸试样的ψ<5%)情况下发生的断裂称作脆性断裂特点：具有突发性，常常在低应力下断裂，危害性大。3.2脆性断裂定义：工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(9

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。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10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)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。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11(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1板材构件脆性断口宏观特征(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12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13解理台阶的形成过程示意图(a)裂纹AB向螺位错CD扩展(b)裂纹与螺位错CD交割,形成台阶

解理台阶的形成过程示意图(a)裂纹AB向螺位错CD扩展14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断裂准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种15沿晶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所形成的沿晶粒界面分离,即沿晶界发生断裂。沿晶断裂沿晶断裂又称晶间断裂,它是多晶体沿不同取向的晶16引起脆性断裂失效的原因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等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引起脆性断裂失效的原因解理断裂173.3疲劳断裂失效定义：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。3.3疲劳断裂失效定义：工程构件在交变应力作用下,经一定循环18交变应力与交变应变

应力循环图中σmax为最大应力;σmin为最小应力;σm为平均应力;σa为应力幅;Δσ为应力范围;Rs为应力比(Rs=σmin/σmax)交变应力与交变应变应力循环图中σmax为最大应力;σmin19

应变循环图中εmax为应变幅的最大值,εmin为应变幅的最小值。应变幅εa、应变范围Δε(Δε=2εa)、平均应变εm和应变比Rε=,εmin/εmax应变循环图中εmax为应变幅的最大值,εmin为应变幅的20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S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,以Nf表示疲劳曲线、疲劳强度和疲劳寿命S-N疲劳曲线在指定寿命下21弹性应变幅和塑性应变幅与疲劳寿命的关系相交于一点,该点对应的寿命为2NT,称为过渡疲劳寿命。以2NT为界,左侧2N<2NT为低周疲劳,其特点是塑性应变幅对疲劳损伤的贡献大于弹性应变幅。弹性应变幅和塑性应变幅与疲劳寿命的关系相交于一点,该点对应的22断裂失效分析课件23断裂失效分析课件24

疲劳条带疲劳条带25断裂失效分析课件26断裂失效分析课件274.断口分析方法金属断口基本类型按断裂途径分：穿晶断口沿晶断口混合断口按断口形貌分：纤维状结晶状瓷状萘状4.断口分析方法金属断口基本类型按断口形貌分：28塑性断口特征滑移分离塑性断口特征滑移分离29韧窝断口等轴韧窝撕裂韧窝韧窝断口等轴韧窝撕裂韧窝30脆性断口解理断口脆性断口解理断口31沿晶断口沿晶断口32疲劳断口疲劳条纹疲劳断口疲劳条纹33断口分析裂纹源裂纹分析法：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，间隙最大的部位断口分析裂纹源34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）根据断口宏观特征：35宏观断口分析

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宏观断口分析

钢材质量检验36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；不破坏断口微观断口分析断口产物分析：产物与环境因素有关37

精铸厂疲劳试验断口形貌疲劳源区存在缩松精铸厂疲劳试验断口形貌疲劳源区存在缩松38疲劳源区存在夹杂疲劳源区存在夹杂39扩展区的条纹与微观组织疲劳条纹微观形貌扩展区的条纹与微观组织疲劳条纹微观形貌40瞬断区形貌瞬断区形貌415.失效分析实例高碳马氏体钢球淬火开裂失效分析5.失效分析实例高碳马氏体钢球淬火开裂失效分析42断裂轴失效分析断裂轴失效分析43断裂失效分析课件44断裂失效分析课件45断裂失效分析课件46吊耳吊耳47断裂失效分析课件48线夹线夹49裂纹源裂纹源50萘状断口及二次裂纹萘状断口及二次裂纹51西安交通大学材料学院周根树断裂失效分析断裂失效分析52断裂失效类型失效分析的一般步骤常见断裂失效的特征断口分析方法断裂失效分析案例主要内容断裂失效类型主要内容531.断裂失效类型断裂失效蠕变断裂失效塑性断裂失效脆性断裂失效疲劳断裂失效1.断裂失效类型断裂失效蠕变断裂失效塑性断裂失效脆性断裂失效542.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2.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553.常见断裂失效的特征定义：韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂之前,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。3.1韧性断裂3.常见断裂失效的特征定义：韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂56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。韧性断裂宏观特征(1)断口附件有明显宏观塑性变形。57

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58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。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59

3.2脆性断裂定义：工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光滑拉伸试样的ψ<5%)情况下发生的断裂称作脆性断裂特点：具有突发性，常常在低应力下断裂，危害性大。3.2脆性断裂定义：工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(60

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。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61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)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。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62(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1板材构件脆性断口宏观特征(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63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64解理台阶的形成过程示意图(a)裂纹AB向螺位错CD扩展(b)裂纹与螺位错CD交割,形成台阶

解理台阶的形成过程示意图(a)裂纹AB向螺位错CD扩展65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断裂准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种66沿晶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所形成的沿晶粒界面分离,即沿晶界发生断裂。沿晶断裂沿晶断裂又称晶间断裂,它是多晶体沿不同取向的晶67引起脆性断裂失效的原因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等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引起脆性断裂失效的原因解理断裂683.3疲劳断裂失效定义：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。3.3疲劳断裂失效定义：工程构件在交变应力作用下,经一定循环69交变应力与交变应变

应力循环图中σmax为最大应力;σmin为最小应力;σm为平均应力;σa为应力幅;Δσ为应力范围;Rs为应力比(Rs=σmin/σmax)交变应力与交变应变应力循环图中σmax为最大应力;σmin70

应变循环图中εmax为应变幅的最大值,εmin为应变幅的最小值。应变幅εa、应变范围Δε(Δε=2εa)、平均应变εm和应变比Rε=,εmin/εmax应变循环图中εmax为应变幅的最大值,εmin为应变幅的71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S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,以Nf表示疲劳曲线、疲劳强度和疲劳寿命S-N疲劳曲线在指定寿命下72弹性应变幅和塑性应变幅与疲劳寿命的关系相交于一点,该点对应的寿命为2NT,称为过渡疲劳寿命。以2NT为界,左侧2N<2NT为低周疲劳,其特点是塑性应变幅对疲劳损伤的贡献大于弹性应变幅。弹性应变幅和塑性应变幅与疲劳寿命的关系相交于一点,该点对应的73断裂失效分析课件74断裂失效分析课件75

疲劳条带疲劳条带76断裂失效分析课件77断裂失效分析课件784.断口分析方法金属断口基本类型按断裂途径分：穿晶断口沿晶断口混合断口按断口形貌分：纤维状结晶状瓷状萘状4.断口分析方法金属断口基本类型按断口形貌分：79塑性断口特征滑移分离塑性断口特征滑移分离80韧窝断口等轴韧窝撕裂韧窝韧窝断口等轴