失效分析基础知识

§2失效分析基础知识材料知识

力学知识

化学知识失效分析2/6/20231§2.1常见缺陷

一铸造缺陷§2.1金属构件中的常见缺陷一、铸态组织缺陷1.缩孔与疏松图2-1缩孔缺陷(a)低碳钼钢铸锭端部取样★形貌特征(b)Cr17铸钢锭下部取样2/6/20232图2-2疏松缺陷(a)45钢铸锭的严重疏松(b)2Cr13钢热轧后退火的中心疏松晶间疏松&枝晶疏松★

缩孔与疏松的消除合理选择合金成分合理的铸造工艺合理的锻轧工艺★

缩孔与疏松的危害主要使力学性能、密封性能、表面粗糙度受影响2/6/202332.偏析偏析凝固形成的晶体内部由于扩散不足引起的偏析。晶内偏析晶间偏析区域偏析比重偏析凝固形成的枝状晶内由于扩散不足引起的偏析。金属在凝固时由于某些因素的影响而生产的化学成分不均匀现象先结晶区域的化学成分与后结晶区域间的偏析。先结晶区域的比重不同于后结晶区域间的偏析。2/6/20234偏析的预防①净化合金液②改善凝固条件③扩散退火处理图2-3硫的区域偏析(硫印图)2/6/202353.气孔与白点气孔的类型：侵入气孔、析出气孔和反应气孔气孔的危害：降低强度、气密性、耐蚀性和耐热性气孔的预防：合金液除气、合理的铸造工艺图2-4气孔2/6/20236白点：合金液中的氢在凝固时析出形成气体氢，聚集于合金内，在纵向断口上呈现为表面光滑、银白色的圆形或椭圆形的斑点。白点的消除：净化除气易发钢种：含Cr、Ni、Mn的合金结构钢及低合金工具钢提醒：含白点的钢材或其它材料不能使用！图2-5白点2/6/20237二锻轧件缺陷二、锻轧件缺陷1.内部组织缺陷危害:脆性增加，强度下降!a.粗大的魏氏组织提醒:重要件不允许有魏氏组织图2-6魏氏组织2/6/20238b.网络状碳化物及带状组织提醒：常导致工、模具钢过早失效危害：使性能呈各向异性!(a)(b)图2-7网络状碳化物(a)及带状组织(b)2/6/20239c.钢材表面脱碳(a)

(b)图2-8锻制螺栓表面脱碳后的组织(a)及强度降低而变形(b)2/6/2023102.钢材表面缺陷a.划痕b.表面裂纹c.分层d.折叠e.结疤：金属锭或型材表面的凹凸坑(2～3mm)图2-9低碳钼钢管内壁的折叠和结疤2/6/202311三夹杂物对钢性能的影响三、夹杂物对钢性能的影响1.夹杂物的类型构件失效中，90%是疲劳失效(正常使用时)。a.脆性夹杂物图2-11裂纹优先在较大夹杂物与钢基体交界处产生a.(OM像)38CrMoAl疲劳试样表面裂纹b.(SEM像)疲劳断口,夹杂物与钢基体脱开2/6/202312b.塑性夹杂物图2-12串链状夹杂物图2-13硫化锰塑性夹杂物2/6/202313c.半塑性变形的夹杂物(a)球型铝酸钙与铝硅酸盐复合夹杂物(b)尖晶石型双氧化物与铝硅酸盐复合夹杂物

图2-14复合夹杂物的变形2/6/2023142.夹杂物对钢性能的影响a.

夹杂物使钢产生微裂纹b.

夹杂物易引起应力集中c.

夹杂物降低钢的韧性主要是指对强度和韧性的影响。2/6/202315四焊接组织缺陷四、焊接组织缺陷1.接头的形成与区域特征图2-16焊接接头区域、热影响区、焊缝结晶过程回顾a.接头组织区域划分热影响区b.焊缝及热影响区的组织

c.

焊缝结晶过程2/6/202316图2-19焊缝中的多边化裂纹2.焊接裂纹a.热裂纹：有结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹图2-18焊缝中的高温液化裂纹2/6/202317b.再热裂纹热处理过程中产生的裂纹，一般在550～650℃最为敏感。图2-20焊缝中的再热裂纹2/6/202318c.冷裂纹较低温度下在热影响区产生的裂纹，是一种影响较大的缺陷。有以下三种类型：延迟裂纹淬硬脆化裂纹低塑性脆化裂纹图2-21焊缝中的延迟裂纹2/6/202319图2-22焊缝中的淬硬脆化裂纹2/6/202320d.层状撕裂①层状撕裂温度不超过400℃；②常发生在装焊过程或结构完工之后，是一种难修复的结构破坏，甚至造成灾难性事故；③低合金高强钢或调质钢的厚板结构，如采油平台、厚壁容器、潜艇等，易发生层状撕裂。图2-23T型接头的层状撕裂2/6/202321五热处理组织缺陷五、热处理组织缺陷零件在加热和冷却过程中，因热应力和组织应力而生产的缺陷，如淬裂。原材料已有缺陷原始组织不良有夹杂物淬火温度不当淬火时冷却不当有机械加工缺陷淬火后回火不及时淬裂原因：2/6/202322§2.2力学计算基础

一传统强度理论§2.2力学计算基本概念一、传统强度理论强度理论：解释构件强度失效不同的决定性因素的理论。断裂失效有：最大拉应力理论、最大拉应变理论屈服失效有：最大切应力理论、形状改变比能理论

1.强度理论a．最大拉应力理论

(第一强度理论)决定构件产生断裂失效的主要因素是最大拉应力。适用①以拉伸为主的脆性材料，如铸铁、石料等；范围②主应力均为拉应力的二向应力状态的脆性材料。而[σ]＝，K为安全系数σb

k

强度条件:σ1≤[σ]，2/6/202323决定材料发生断裂失效的主要因素是单元体中的最大拉应变ε1。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体中的最大拉应变ε1达到单向拉伸情况下发生断裂失效时的拉应变极限值εf

时，材料就将发生断裂失效。强度条件：ε1≤εf

极限应变：εf

＝σb

E广义虎克定律：ε1＝[σ1－μ(σ2＋σ3)]1E即强度条件：σ1－μ(σ2＋σ3)≤[σ]

当单向拉伸时，ε1＝σ1／E＝εf＝σb／E，第二强度理论与第一强度理论完全一致。b．最大拉应变理论

(第二强度理论)2/6/202324①第二强度理论能很好地解释脆性材料受轴向压缩时，沿纵向发生的断裂失效现象；②脆性材料受一拉一压的二向应力状态，断裂试验结果与第二强度理论计算结果相近。第二强度理论对塑性材料不适用，因为[σ]是材料单向拉伸时沿横截面发生脆断失效的许用应力，像塑性材料(如低碳钢)是不可能通过单向拉伸试验得到材料在脆断时的极限值εf的。2/6/202325c．最大切应力理论

(第三强度理论)强度条件：τmax

≤

τs

即强度条件：σ1－σ3≤[σ]

复杂应力状态下，τmax

＝(σ1－σ3)／2其中[σ]＝σs

k单向应力时，τs

＝σs／2适用范围：①该理论是塑性屈服判据，而不是断裂判据；

②结果偏于安全(没考虑主应力σ2的影响)；

③不能解释脆性材料的失效。决定材料塑性屈服而失效的主要因素是单元体中的最大切应力。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体中的最大切应力τmax

达到单向拉伸下发生塑性屈服时的极限切应力τs

时，材料就发生塑性屈服而失效。2/6/202326d．形状改变比能理论

(第四强度理论)复杂应力下构件的形状改变比能为μf＝[(σ1－σ2)2+(σ2－σ3)2+(σ3－σ1)2]1+μ6E强度条件：μf≤(2σs2)1+μ6E单向拉伸时材料与σs

相应的形状改变比能为1+μ6E(2σs2)

塑性材料，构件形状改变比能是引起屈服的主要因素。即无论构件处于何应力状态，只要形状改变比能μf

达到材料在单向拉伸时发生屈服应力σs

相应的形状改变比能，材料就屈服引起构件失效。即2/6/202327形状改变比能理论又称为均方根切应力理论适用范围①该理论是塑性屈服判据，而不是断裂判据；

②常用于塑性好的材料如钢、铝、铜等；

③与试验结果吻合程度比第二强度理论更好。2.各强度理论的适用范围强度理论的强度条件统一式：

σe≤[σ](σe:相当应力)σe--构件危险点处于三个主应力的某种组合。2/6/202328四个强度理论的相当应力表达式如下：用σe对构件进行强度校核，应清楚：①所用强度理论应与在该种应力状态下的失效形式相适应；②采用的[σ]应与该失效形式的极限应力相符合。2/6/202329受三向压应力(但[σ]不能用脆性材料的单向许用应力)或塑性材料的薄壁圆筒受单/双向拉应力。如钢梁塑性材料：受单/双向拉应力(偏安全)。如钢制圆筒脆性材料：受单/双/三向拉应力;塑性材料：受三向拉应力([σ]不是单向拉伸时的许用应力)。第二类强度理论(屈服失效理论)第一类强度理论(断裂失效理论)强度理论名称及分类4--形状改变比能理论3--最大切应力理论2--最大拉应变理论1--最大拉应力理论适用范围脆性材料：受轴向压缩或一拉一压的二向应力2/6/2023303.对传统强度理论的评价GBl50《钢制压力容器》、美国ASME《锅炉及压力容器规范》、英国BS5500《非直接火压力容器》、日本的JISB8243《压力容器构造》等都采用传统强度理论。

GBl50-1998《钢制压力容器》①静载荷压力容器及其构件，设计压力为0.1～35MP；

②容器中任一点应力按平面力系将其归结为单向屈服的关系，用弹性强度理论导出；

③总体一次薄膜应力用最大拉应力理论，将其控制在许用应力之下；

④局部应力用最大切应力理论，以三个主应力的最大与最小的差值为应力强度，将其限制在许用值之下。(1)对工程实践仍起指导作用2/6/202331(2)计算结果不够准确①传统强度计算假设材料均匀连续、无损伤实际材料为非均匀连续的，存在微裂纹、微孔洞、剪切带以及各种损伤基元的组合，这大大降低了承载能力。②传统强度计算采用较高的安全系数安全系数是一模糊概念，它包容材料的实际情况、真实变形和制造、使用等过程变化；安全系数是经验取值，当它未能包含以经验取值的因素时，事故就发生了。

如“泰坦尼克”豪华游船的惨剧2/6/202332二断裂力学知识二、断裂力学基本概念★断裂力学研究宏观裂纹(≥0.1mm)的均匀连续基体的力学行为，认为断裂主要是宏观裂纹的成长及其失稳扩展。★裂纹失稳扩展通常由裂纹端点开始，裂端区的应力应变场强度大小与裂纹的稳定性密切相关，当裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时，裂纹迅速扩展，使构件断裂。★两个问题①裂纹体在裂端区应力应变场强度的表征及变化规律；②裂纹体发生失稳扩展的临界值。★定量关系建立构件裂纹尺寸、工作应力与材料抵抗裂纹扩展能力之间的定量关系是断裂力学研究的重点

。2/6/202333图2-26材料断裂的载荷-变形量关系载荷-变形量呈线性关系(有很小一段非线性关系)载荷与变形量由线性关系变为非线性关系线弹性断裂力学弹塑性断裂力学断裂力学2/6/2023341.线弹性断裂力学1.线弹性断裂力学及其应用图2-27裂纹扩展的三种基本类型(1)裂纹扩展的三种基本类型假设：

材料是线弹性的；忽略裂纹尖端出现的体积很小的塑性区的影响。2/6/202335裂纹尖端引起的应力集中图2-28无限大平板中心长为2a贯穿厚裂纹(2)张开型裂纹尖端附近的二向应力场方程2/6/202336…..(2-6a)…….(2-6b)..………(2-6c)…..…...…….(2-6d)KⅠ---应力场强度因子在裂纹尖端扩展线(即x轴)上，θ=0,sinθ=0,此时2/6/202337裂纹尖端处于平面应力(即二向应力)状态，如薄板受力，σz=0。裂纹尖端处于平面应变(即三向应力)状态，如厚板受力，εz=0，σz=μ(σx+σy)。2/6/202338(3)应力场强度因子KⅠY叫几何因子(或形状因子)，它是和载荷无关，而与裂纹形状、加载方式及其试样集合形状有关的量。

KⅠ叫应力场强度因子，它控制了应力的大小。对其它裂纹状态的张开型裂纹，(2-6)式仍成立，但···························(2-8)2/6/202339

当KⅠ增大到某一临界值KⅠC时(临界状态),裂纹突然扩展，材料快速断裂。KⅠC又叫断裂韧性。(4)临界应力场强度因子KⅠC···········(2-8)σC--断裂应力，aC--临界裂纹尺寸

KⅠC反映了有裂纹存在时材料抵抗脆性断裂的能力,是强度和韧性的综合性能指标,它测定方法参考GB4161。

KⅠC越大，其断裂韧性越好。2/6/202340某些工程用钢的屈服强度及其平面应变断裂韧度KⅠC52448－1011Cr18Ni925848－1961Cr18Ni9471500室温40CrNiMo97～105475～500室温15MnVR130～149360室温16MnR84～91260045KⅠC／

σS／MPa

试验温度／℃钢材牌号(5)脆性断裂判据及工程应用脆性断裂判据：

KⅠ≥KⅠC(简称K判据)2/6/202341解释低应力脆断失效的原因(材料存在裂纹缺陷，服役期间，裂纹长大及失稳扩展)；计算构件的最大裂纹容限，对构件做出安全评价；根据裂纹尺寸，确定构件最大工作应力或最大允许载荷；若能得出裂纹扩展速率，可计算构件的安全寿命，并制订出合理的裂纹检测周期；确立材料强韧化的设计思想，即高强度高韧性；设计时选择KⅠC高的材料，或通过工艺处理提高其KⅠC

。工程应用2/6/202342(6)裂纹尖端的塑性区及小范围屈服的修正

当r→0(越靠近裂纹尖端)，σ→∞；而实际上，σ→∞是不可能的，为什么？

金属材料都有一定的塑性，当应力达到σs

时，材料因屈服而塑性变形。发生塑性变形的区域即塑性区。裂纹尖端的高应力是塑性区产生和扩大的真正原因。二向应力场方程中有，●张开型裂纹端部的塑性区大小表达式(2-11)2/6/202343●裂纹尖端塑性区的大小和形状θ=0，即在x轴上时，有金属材料在平面应变状态下的塑性区在x轴上的宽度比在平面应力下时小很多。2/6/202344实际上，构件从表面到中心的约束不一样，即使内部呈平面应变状态，其表面也总是处于平面应力状态。如穿透厚板的裂纹，内--平面应变状态，裂尖塑性区比较小；表--平面应力状态，裂尖塑性区比较大。

rp／a非常小，用线弹性断裂判据，塑性区为小范围屈服时，对其修正后仍可用线弹性断裂判据。2/6/202345●对厚板穿透裂纹尖塑性区的修正裂纹尖端塑性变形相当于裂纹长度增长，其等效裂纹长度为ae=a+△a，即ae=a+rp，θ＝0。平面应力平面应变2/6/2023462.弹塑性断裂力学2.弹塑性断裂力学简介a.裂纹张开位移理论(COD理论)裂纹体受力后裂纹尖端附近存在高应力(σs)的塑性区使裂纹面分离，裂纹尖有张开的位移δ，当张开位移达到材料的临界δc值时,裂纹就失稳扩展发生断裂，其判据为：δ≥δc(δc

可按GB2358测出)2/6/202347(1)δ与KⅠ的关系：★线弹性断裂理论与裂纹张开位移理论的关系(2)δC与KⅠC的关系：2/6/202348b.J积分理论从能量守恒分析裂纹尖端二向应力应变行为，裂纹扩展时外力所做的功①用于裂纹扩展所需的能量，②增加体系的弹性能。能量用围绕裂纹尖端的任意封闭回路Γ的线积分求得。T--积分路线外边界上的张力u--边界上的位移裂纹体的总应变能张力T产生的位能失效判据：

J≥JcJ积分理论的应用:不及COD广泛2/6/202349§2.3环境作用机理

一化学反应§2.3环境作用机理一、化学反应金属构件与环境的作用主要是腐蚀，即化学反应和电化学反应。1.氧化原理与规律a．氧化条件氧分压：即金属氧化物的分解压PMO。

PMO越小，金属越稳定。2/6/202350b．氧化膜的保护性①氧化膜应致密和完整：r＝

VMO／VMO＞1(必要条件)；r并非越高越好(如W),一般r＝1.3～2.0较好。氧化物-金属体积比r3.18V1.95Ti1.16Ce1.79Mn2.33Ta1.21Cd1.40Pb1.99Cr3.40W1.59Ag1.60Pd2.27Si2.35Sb0.45K1.52Ni1.28Al2.613.400.570.571.991.771.681.59NbNaCoCuMoLiFeBe非保护性氧化膜保护性氧化膜2/6/202351②氧化物稳定、难熔、不挥发,不易与介质作用而被破坏；③氧化膜与基体结合良好，有相近的热膨胀系数，不会自行或受外界作用而剥离脱落；④氧化膜有足够的强度和塑性以承受一定的应力、应变。2/6/202352c．氧化膜的生长规律y=Kt+C

y--

膜厚,

t--

氧化时间

如

K、Na、Ca、Ba、Mg、W、Mo、V、Ta、Nb等，氧化膜对基体金属无保护作用。★直线规律2/6/202353★抛物线规律如Fe、Co、Cu、Ni、Mn、Zn、Ti等，氧化膜对基体金属有一定保护性。2/6/202354以上三种规律在氧化膜不破裂时是最常见的，此外还有其它规律。Fe在温度不高空气中的氧化曲线★对数规律如Cr和Zn在25～225℃,Ni在650℃以下，Fe在375℃以下,膜生长服从对数规律,氧化膜有保护性。y=ln(Kt)

+C2/6/202355★膜层破裂的影响★温度的影响①影响金属的氧化速度；②影响氧化反应规律。2/6/2023562.钢铁的高温氧化腐蚀室温干燥空气中：氧化速度较慢；200～300℃：表面出现可见的氧化膜；＜570℃：生成Fe3O4和Fe2O3，膜保护性较好；＞570℃：生成FeO、Fe3O4和Fe2O3，FeO疏松，保护性差。图2-38铁在空气中加热时表面氧化膜组成示意图2/6/202357气体组成对钢铁的高温腐蚀有强烈的影响，特别是水蒸气和硫化物的影响最大。276空气＋5%H2O＋2%SO2118空气＋2%SO2135空气＋5%H2O100单纯空气相对腐蚀量/%气体组成相对腐蚀量/%气体组成工业气体成分对碳钢气体腐蚀的影响2/6/202358二、电化学反应二、电化学反应1.电化学腐蚀的原因和发生条件(1)电化学腐蚀模型a.腐蚀原电池模型2/6/202359★电化学腐蚀历程

金属腐蚀过程：

如锌在含氧的中性水溶液中的腐蚀:

氧化还原反应(氧化反应/还原反应)2/6/202360过程2/6/202361★金属腐蚀的实质电化学腐蚀①阳极反应：M→Mn+＋ne

也即氧化反应②阴极反应：

D＋ne→D·ne

也即还原反应发生地：阳极区如：Zn→Zn2+＋2e发生地：阴极区如：½O2+H2O+2e→2OH－2/6/202362b.腐蚀原电池的类型腐蚀原电池成因：是因电极(阳极和阴极)表面的电化学不均匀性造成的。电化学不均匀性有：①金属材料的不均匀性：化学成分、组织结构、表面膜完整性、受力情况等差异；②环境的差异：成分、浓度、温度、充气等不同。2/6/202363b.腐蚀原电池的类型依据阳极区和阴极区的大小，腐蚀原电池分为宏观腐蚀原电池和微观腐蚀原电池两大类。宏观腐蚀原电池：宏观腐蚀电池的阴、阳极可用内眼或不大于10倍的放大镜分辨出。微观腐蚀原电池：微观腐蚀电池电极不仅很小,并且它们的分布以及阴极、阳极面积比都无一定规律。2/6/202364电偶电池浓差电池温差电池2/6/202365