第三章常见失效形式以及特征和诊断3--腐蚀疲劳断裂等.ppt

1、3.4 环境破断失效,1、定义： 金属在特定的介质条件下，受拉应力作用，发生裂纹及断裂现象。,2、特点：,a：脆性断裂，即使是延性材料。,b、局部腐蚀：没有征兆。危害大,(一）应力腐蚀,c、延迟断裂 速度介于均匀腐蚀速度与快速机械断裂速度之间。,d、拉应力:包括外加拉应力和残余拉应力 通常存在应力腐蚀断裂的临界应力,e、特定介质：,3、应力腐蚀评定方法,恒定应力下的断裂时间tf，或者指定时间内发生应力腐蚀断裂的最低应力SCC以及应力腐蚀的门槛应力。 评定应力腐蚀的断裂力学参量为指定时间内应力腐蚀的界限应力强度因子KISCC 。,4、应力腐蚀开裂的形貌,a宏观形貌及断口特征,呈现脆性断裂的特征,

2、起源于表面膜层的缺陷处，颜色比较深；外表面及裂缝内壁的腐蚀程度轻,裂纹深而窄。,主裂纹上常大量分叉，并在大致垂直于应力方向上连续扩展，有强烈的方向性,失稳扩展区没有腐蚀产物覆盖；呈现过载断裂的特征,波纹管表面腐蚀形态,b微观形貌及断口特征,（1）裂纹走向 扩展路径有穿晶的、沿晶的或二者混合的。,易平面滑移的材料倾向于穿晶断裂；易发生交错滑移的金属材料更倾向于沿晶断裂。 碳钢及低合金钢、铬不锈钢、铝、钛、镍等多为沿晶的；奥氏体不锈钢则多为穿晶的.,（2）特征花样：河流花样、扇形花样、羽毛状花样、鱼骨花样、准解理等,腐蚀断口表面的准解理（韧窝）特征,6、防止应力腐蚀开裂的措施,（1）合理选材：针对

3、零件所受的应力和使用条件选用耐应力腐蚀的材料： 在接触氨的环境中避免用铜的合金 在高浓度氯化物介质，考虑氯对镍的腐蚀。 在选材时，尽可能选用应力腐蚀界限强度因子KISCC高的材料。,(2)减少或消除零件中的残余拉应力,设计上尽可能减小零件的应力集中 工艺上加热冷却均匀，必要时采用退火工艺消除内应力 采用喷丸处理或者表面热处理，在零件表面产生一定的残余压应力。,（3）改善介质条件,（4）采用电化学保护。,采用净化方式，减少或消除应力腐蚀开裂的有害化学离子 添加缓蚀剂。,（5）在设计中对应力进行控制。,二、氢脆失效,1 定义：在氢（0.0001w%）和应力共同作用下使金属材料的塑性、韧性下降的一种

4、现象。,2、氢的来源：,（1）熔炼过程中，水分和油垢在高温下分解,（2）机加工中（酸洗、电镀）引入。,（3）有氢环境中服役引入。,3、氢的存在方式：,（1）间隙固溶；,（2）以氢分子扩散聚集在空洞或裂纹处。,（3）和过渡族、稀土金属、碱土金属元素作用，以氢化物形式存在。,3、氢脆失效的类型、特征以及评定,根据氢存在方式以及氢与金属作用方式，氢脆理论包括：氢压理论、氢化理论、减聚理论,氢脆失效的类型,1、白点：也称为发裂。由于含有过量的氢造成。在断口上可见银白色椭圆形斑点。在钢的纵向剖面上呈现发纹状。可以通过精炼除气、锻后缓冷或等温退火以及加入稀土和微量元素消除。,2、氢蚀：与碳化合，生成CH4

5、 ，产生高压,导致钢的塑性降低。呈沿晶断裂，在200 以上出现。通过减碳加合金（Ti、V）消除。,3、氢化物致脆： 纯Ti、V、Nb、锆（Zi）合金,4、氢致延滞断裂（高强钢或- Ti合金）,氢脆的评定,分别为不含氢和含氢试样的断面收缩率,采用氢脆敏感性表示或者da/dtKith曲线表示,4、 防止氢脆的措施,1、环境因素,切断氢进入金属内途径。,表面涂层,加入抑制剂,电镀酸洗后及时去氢,2、力学因素,3、材料因素,避免产生残余拉应力,尽量避免在含氢介质中使用高强度钢,制定正确工艺，避免出现氢脆敏感性的组织,细化晶粒，提高抗氢脆能力,三、腐蚀疲劳断裂,1、定义：在腐蚀介质和循环应力共同作用下的

6、一种失效形式。,叠加模型,竞争模型,2、腐蚀疲劳损伤的特点,a、表面受到腐蚀破坏，断口有较多的二次裂纹、腐蚀坑和锈斑特征。,b、腐蚀疲劳断口的疲劳条纹，因腐蚀而较模糊。,c、碳钢和铜合金的腐蚀疲劳断口多为沿晶断裂，奥氏体不锈钢和镁合金断口为穿晶断裂。,d、腐蚀疲劳电子断口上，经常可观察到腐蚀坑，泥裂花样以及腐蚀产物。,3、提高腐蚀疲劳抗力的措施,a、表面感应淬火，提高表面层的强度。,b、喷丸或表面滚压，造成表面压应力，提高表面层的强度。,c、表面化学热处理。渗碳、氮化、氰化以及渗Cr、渗碳化铬，提高腐蚀疲劳抗力。,d、电镀:表面电镀Cr、Ni、Cu等高熔点金属，在表面呈拉应力状态，对抗腐蚀疲劳

7、不力，而镀Zn和镀Cd（镉）在镀层中产生残余压应力，提高抗疲劳腐蚀强度。,e、涂层保护。,腐蚀疲劳失效案裂 例 蒸汽涡轮发电机上的保险阀弹簧在潮湿空气中的腐蚀疲劳断裂 该弹簧由工具钢H21制成。当气压达到2.45MPa时，保险阀开启，但在压力尚未达到1.79MPa时，保险阀弹簧却破碎为12片。弹簧工作环境为水蒸气，其温度在330400 范围变化。对碎片目视检查发现，每一断口上均有拇指状断裂源，具有典型的疲劳断口特征。弹簧断口表面特征及同时碎成12片的事实说明，弹簧所受均匀载荷主要为扭矩，而且疲劳裂纹在多处造成应力集中，由断口碎片穿过断裂源垂直于断口平面制成剖面试样。观察发现断口表面有腐蚀坑，并

8、且有以腐蚀坑为核心的发散状裂纹。在其中一块试样中，在直径约1.2mm的腐蚀坑边缘产生了约0.7mm和1.5mm的两条裂纹，裂纹面上的腐蚀产物为氧化铁。上述分析表明，弹簧断裂属腐蚀疲劳失效，其原因是潮湿空气条件下的循环应力。,3、5 磨损失效,摩擦、磨损、润滑,磨损的分类：氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损和表面疲劳磨损,一、磨损机制及其行为特征,1、氧化磨损,两个表面之间相对运动时，在发生塑性变形的同时，由于已经形成的氧化物在接触点遭到破坏，又重新形成再遭破坏脱落并逐渐损耗的过程。,特点：,a、在任意滑动速度和比压下均可能发生，只是程度不同。,b、磨损速度最小的磨损。可允许的磨损，其失效可认

9、为是正常失效。,c、是防止或降低其他磨损的终极环节,2、咬合磨损（第一类粘者磨损）,对偶件金属表面某些摩擦点处氧化膜遭到破坏，而形成金属结合点并逐渐被磨损的现象。如 结合点强度比金属基体高，金属基体遭到破坏，反之，结合点遭到破坏。,磨损量V与载荷F、滑动距离以及材料硬度HB有关：,K为粘着概率,防止粘着磨损的措施,1、合理选择配合表面的材料。,2、在金属表面覆以特殊的薄膜，改变表面的特性。,3、减小表面粗糙度。,4、提高材料的硬度。,3、热磨损（第二类粘着磨损）,定义：滑动摩擦时，当滑动速度大，比压也很大时，将产生大量摩擦热蚀的润滑油变质，并使得表层金属加热到熔化温度，在接触点处发生局部金属粘

10、着，出现金属质点的撕脱甚至熔化，这种现象称为热磨损。是高速重载机器发展中的重大阻碍。,防止措施：,（1）减小摩擦形成热和降低温度。如水冷却，或在表面造成S、P或者氯的非金属表面层。,（2）设法提高金属热稳定性和润滑油的热稳定性。如堆焊热稳定硬质合金,4、磨粒磨损,定义：硬质点在压力下划过或滚过一个表面，产生的磨损，称为磨粒磨损。,影响因素：,磨粒性质（硬度）、形状和大小,磨粒磨损的三种状态：,(1) 低磨损状态 HaHm,(2) 磨损转化状态 HaHm;,(3) 高磨损状态 HaHm,为了减小磨粒磨损，金属的硬度Hm应比磨粒Ha的硬度高0.3倍，即,Hm1.3Ha,5、接触疲劳,A、定义：零件表面在接触应力的反复作用下引起的表面疲劳破坏，称为接触疲劳。,B、接触疲劳的类型及行为特征,（1）裂纹源于次表层的麻点剥落。 （纯滚动源于次表层平行接触面的切应力作用）,（2）裂纹源于表层的麻点剥落。（滚动带有滑动场合）（表层的接触应力引起。）,（3）裂纹源于硬化层与心部交界处的表层剥落。（表面有强化场合）（在结合处，切应力与材料的剪切强度之比超过某