静载荷作用下的断裂失效分析.ppt

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1、第五章 静载荷作用下的断裂失效分析,5.1 过载断裂失效5.2 材料致脆断裂5.3 环境致脆断裂,定义与特征,5.1.1 过载断裂失效的定义及断口的一般特征,5.1 过载断裂失效分析,1、过载断裂失效的定义 当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时，构件发生的断裂称为过载断裂。,1：构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂,2：工作应力是否超过构件的实际承载能力而非名义能力,明确,0.2一定是构件材料的实际屈服强度,光滑断口,2、过载断裂失效断口的一般特征金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征。其宏观断口与拉伸试验断口极为相似。,5.1 过载断裂失效分析,1-纤维区，2

2、-放射区，3-剪切唇,（1）宏观塑性断裂失效：纤维区，放射区，剪切唇,纤维区：位于断裂的起始部位，在三向拉应力作用下，裂纹作缓慢扩展而形成。该区微观断裂机制是等轴微孔聚集型，断面与应力轴垂直。,放射区：裂纹的快速扩展区，宏观上可见放射状条纹或人字纹。微观断裂机制是撕裂微孔聚集型，也可能是微孔与解理的混合断裂机制，断面与应力轴垂直。,剪切唇：最后断裂区，由切应力引起，微观断裂机制为剪切（滑开）微孔聚集型，断面与应力轴呈45。,光滑断口,2、过载断裂失效断口的一般特征,5.1 过载断裂失效分析,（2）拉伸脆性材料的宏观脆性过载：无三要素特征，端口为瓷状、结晶状或具有镜面反光特征；在微观上分别为等轴

3、微孔、沿晶正断及解理断裂。,（3）拉伸塑性材料的宏观脆性过载：因其尺寸过大或有裂纹存在时发生的脆性断裂，其断口中的纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几乎不出现剪切唇，其微观断裂机制为微孔聚集型并兼有解理的混合断裂。,影响因素,5.1.2 影响过载断裂失效特征的因素,5.1 过载断裂失效分析,1、材料性质的影响,2、零件形状与几何尺寸的影响,3、载荷性质的影响,4、环境因素的影响,影响因素,5.1.2 影响过载断裂失效特征的因素,5.1 过载断裂失效分析,（1）大多数的单相金属、低碳钢及珠光体状态的钢，其过载断裂断口上，具有典型“三要素”的特征。,1、材料性质的影响,（2）高强度材料、复杂的工

4、业合金及马氏体时效钢等，其断口的纤维区内有环形花样，其中心象火山口状，“火山口”中心必有夹杂物，此为裂纹源。另外，尚有放射区细小及剪切唇也较小等特点。,影响因素,5.1.2 影响过载断裂失效特征的因素,5.1 过载断裂失效分析,（3）中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的主要特征是具有粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切唇。放射剪切是一种典型的剪切脊。这是在断裂起裂后扩展时，沿最大切应力方向发生剪切变形的结果。其另一特点是放射元不是直线的，这是因为变形约束小，裂纹钝化，致使扩展速度较慢等。,1、材料性质的影响,影响因素,5.1 过载断裂失效分析,（4）塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可

5、能只有纤维区和剪切唇而无放射区。可以说，断口上的纤维区较大，则材料的塑性较好；反之，放射区增大，则表示材料的塑性降低，脆性增大。,（5）纯金属还可能出现一种全纤维的断口或45角的滑开断口。,（6）脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现“三要素”的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。,典型特征,过载断裂断口的几种典型特征,5.1 过载断裂失效分析,高塑性材料 的拉伸断口（只有纤维区，没有放射区）,中碳钢调制状态拉伸断口（粗大的发射剪切花样）,铸铁的拉伸断口（瓷状）,回火脆性状态的中碳钢拉伸断口（端口齐平，沿晶型）,形状尺寸,2、零件形状与几何尺寸的影响,5.1 过载断裂失效分析,

6、（1）圆形试件,缺口圆形试件过载断裂形貌示意图1-缺口，2-纤维区，3-放射，4-最后断裂区,裂纹不对称扩展断口形貌示意图1-初始阶段，2-第二阶段，3-最后断裂区，4-裂纹扩展方向,光滑试件拉伸延性过载断裂,形状尺寸,（2）矩形试件：人字纹,5.1 过载断裂失效分析,人字纹的形状和走向是寻找断裂源和判断失效性质的重要依据，表面光滑的零件人字纹尖部总是指向裂纹源的方向，而周边有缺口时正好相反。,（a）侧面缺口试件（b）去缺口试件表面起裂（c）无缺口试件中心起裂（d）周边缺口试件,断口上的人字纹花样,几何尺寸,（3）几何尺寸的影响：无论何种形状的零件，其几何尺寸越大，放射区的尺寸越大，纤维区和剪

7、切唇的尺寸也有所增大，但变化幅度较小，在很薄的试样上，可能出现全剪切的断口。,5.1 过载断裂失效分析,3、载荷性质的影响,5.1 过载断裂失效分析,（1）应力状态的柔性对三要素的相对大小有较大影响。三向拉应力为硬状态，三向压缩为柔性状态；快速加载为硬状态，慢速加载为柔性状态，由于材料在硬状态应力作用下表现为较大脆性，所以放射区加大，纤维区缩小，剪切唇变化不大。,（2）拉伸塑性断口与冲击塑性断口，其形貌有所不同。,冲击断口形貌,一般情况,材料塑性较好,材料脆性较大,脆性断口,环境影响,4、环境因素的影响,5.1 过载断裂失效分析,(1)温度越高，一般是材料的塑性增加，因而纤维区加大，剪切唇也有

8、所增加，放射区相对变小。,（2）腐蚀介质可能使通常的延性断裂变为脆性断裂。,扭转断裂,5.1.3 扭转和弯曲过载断裂断口特征,5.1 过载断裂失效分析,传动轴（40Cr调质后表面感应加热淬火）轴的台阶过度处没有淬火韧性扭转过载断口断面与轴向垂直（最大切应力方向），在断口上可见到明显的“漩涡”状,压路机扭力轴（表面硬化处理）脆性扭转过载断口断面与轴向呈45（最大正应力方向）断裂起源于轴的台阶根部硬化层处,弯曲断裂,5.1 过载断裂失效分析,5.1.3 扭转和弯曲过载断裂断口特征,弯曲过载断裂的十字轴，断面上有放射状花样，在十字轴根部有明显的加工刀痕，其断裂原因为根部加工缺陷所致,弯曲过载断裂断口

9、特征总体上来说与拉伸断裂断口相似，可以观察到明显的放射线或人字纹花样。,弯曲断裂,5.1 过载断裂失效分析,5.1.4 过载断裂的微观特征,常温下，有明显的塑性变形痕迹（材料经受过屈服阶段而后发生断裂）以及穿晶开裂的特征，电子显微镜下的微观形态为各种各样的韧窝状形貌，在正应力作用下韧窝是等轴的，而在切应力和弯曲应力作用下，剪切断裂和撕裂形成的韧窝将沿一定方向伸长变形。因此，当宏观上难以判断是正向拉断还是弯曲作用发生的断裂时，韧窝的形态可以帮助确定载荷性质。,5.2 材料致脆断裂失效,材料选用不当制造过程中工艺不正确 回火脆性 过热和过烧 石墨化析出 第二相脆性质点析出不正确的环境条件 冷脆金属

10、低温脆断 腐蚀脆断等,（韧塑性不足）,回火脆现象,5.2.1 回火脆性断裂失效,5.2 材料致脆断裂失效,1、回火脆化现象,回火温度对钢的冲击韧性的影响,低温回火脆性：350左右，又叫回火马氏体脆性（TEM）、第一类回火脆性、不可逆回火脆性，一般发生在高纯度钢中，与杂质偏聚无关，断裂为穿晶型准解理。产生原因是有碳化物转变（相（Fe2C）渗碳体（Fe3C），或者由于板条间残余奥氏体向碳化物转变。,高温回火脆性：500左右，又叫回火脆性（TE）、第二类回火脆性，与材料合金元素和杂质元素含量及热处理温度有关，断裂为沿晶断裂。发生在纯度较低的钢中，可由杂质元素向奥氏体偏聚引起，或者由在原始奥氏体晶界形

11、成Fe3C薄壳引起，或者两者共同作用。具有可逆性，重新回火时仍会表现出来。,回火脆特征,2、回火致脆断裂的特征,5.2 材料致脆断裂失效,宏观形貌特征：断面结构粗糙，断口呈银白色的结晶状，一般为宏观脆断。脆化程度不严重时，断口上也会出现剪切唇。,2Cr13对接焊叶片断口形貌,典型微观形貌：沿奥氏体晶界分离形成的冰糖块状。晶粒界面上一般无异常沉淀物，因而有别于其它类型的沿晶断裂。但马氏体回火致脆断裂的解理界面上可能出现碳化物第二相质点及细小的韧窝花样。在断口上一般可见二次断裂裂纹。,回火脆分析,3、回火致脆断裂的分析,5.2 材料致脆断裂失效,a 室温冲击试验法：将待测钢材加工成缺口冲击试样，淬

12、火并经不同温度回火后，在室温下测试其ak，由此可确定材料的回火脆性温度范围和脆化程度。b 系列冲击试验法：将待测钢材加工成缺口冲击试样，在不同温度下测试其ak，由此确定脆性转折温度，与同一材料未脆化的脆性转折温度比较，即可确定是否存在回火脆性及其严重程度，脆性转折温度上移越多，回火脆性越严重。,判别存在可能出现回火脆性的条件,具有回火致脆断裂的宏观、微观特征,验证材料的脆性,回火脆分析,3、回火致脆断裂的分析,5.2 材料致脆断裂失效,c 低温拉伸试验法：利用低温拉伸法，测量式样的Sf及f，与未脆化材料的同类指标对比，则可确定材料的回火脆性状态。d 断裂韧度法：测出材料的KIC及asc（临界裂

13、纹尺寸），裂纹失稳扩展时的特征参量asc值对回火脆性极为敏感。e 断口特征的对比分析：将同一材料相同构件的未断裂件做成拉伸断口，进行断口特征的对比分析。,回火脆分析,3、回火致脆断裂的分析,5.2 材料致脆断裂失效,例：对试机过程中断裂的20CrMnMo钢紧固螺钉进行断口对比分析拉伸断口：呈暗灰色纤维状，中心平整，四周有45剪切唇，呈韧性断裂形态，断口微观特征主要由韧窝组成，有少许准解理小平台，有较大的塑性变形。实际断裂断口：呈浅灰色，整个断面平直，放射线极细，有少量台阶，四周无45剪切唇，呈明显的脆性断裂形态。微观特征可见裂纹沿晶界扩展，晶面有细小解理条纹，主要为准解理河流花样，表明该试样断

14、裂前无明显塑性变形。断裂的螺钉硬度高，显微组织不均匀，有明显的板条马氏体束痕迹，说明该试样回火温度偏低，处于低温回火脆性区。由此确定断裂失效是由于热处理操作不规范，出现低温回火脆性。对尚未装机的螺钉重新进行回火热处理，解决问题。,回火脆分析,3、回火致脆断裂的分析,5.2 材料致脆断裂失效,16NiCo钢回火温度与力学性能的关系,因此，室温拉伸试验无法检验回火脆性,强度、延伸率和断面收缩率在回火脆性区都没有明显的变化，因此从拉伸性能难以判断钢的脆性，而冲击韧度ak对440和550左右的脆性区显示得非常清楚。,通常的室温拉伸实验不能显示回火脆性,上节课内容回顾,4.3 痕迹分析痕迹分析程序痕迹的

15、发现和显现技术痕迹的鉴定痕迹的种类痕迹分析的主要内容痕迹的综合分析-痕迹性质及痕迹来源痕迹的模拟再现,上节课内容回顾,5.1 过载断裂失效分析5.1.1 过载断裂失效的定义及断口的一般特征拉伸塑性断裂三要素特征脆性材料的拉伸脆性断裂瓷状、结晶状或具有镜面反光特征塑性材料的拉伸脆性断裂纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几 乎不出现剪切唇5.1.2 影响过载断裂失效特征的因素材料性质、零件形状及几何尺寸、载荷性质、环境因素5.1.3 扭转和弯曲过载断裂断口特征塑性材料扭转断面与轴向垂直，断口有明显“漩涡”脆性材料扭转断面与轴向成45弯曲断口宏观上与拉伸相似，微观上成撕裂韧窝,上节课内容回顾,5.

16、2 材料致脆断裂失效 5.2.1 回火脆性断裂失效低温回火脆性高温回火脆性材料回火脆性的验证方法室温冲击试验法系列冲击试验法低温拉伸实验法断裂韧度法断口特征对比分析法注意：室温拉伸实验不能验证回火脆性,冷脆金属,5.2.2 冷脆金属的低温脆断,5.2 材料致脆断裂失效,1、冷脆金属及其特点,随着温度的降低，发生断裂形式转化及塑脆过渡的金属，称为冷脆金属。除面心立方以外的所有金属材料均属于冷脆金属，低碳钢是典型的冷脆金属。,温度对低碳钢拉伸性能的影响,A：典型的宏观延性断裂B：心部微孔型和周边解理型的混合断裂，仍为宏观延性断裂C：断口为百分之百的解理断裂，但也为宏观延性断裂，不形成缩颈D：宏观脆

17、性解理断裂E：宏观脆性解理断裂，断口附近的晶粒内可见形变孪晶。,冷脆特征,随着温度的降低，低碳钢的断裂行为发生如下变化：,5.2 材料致脆断裂失效,（1）屈服极限和断裂正应力随温度降低而显著升高，而塑性指标f逐渐降低。,（2）在较低的温度下发生断裂形式的变化，即由微孔型断裂向解理断裂转化。,（3）在更低的温度下发生塑脆过渡，即由宏观塑性的解理断裂向宏观脆性的解理断裂的过渡，在此时的极限塑性趋近于零。这种过渡的临界温度称为脆性转折温度。,冷脆特征,2、冷脆金属低温脆断的特征,5.2 材料致脆断裂失效,（1）冷脆金属低温脆断断口的宏观特征 典型断口宏观特征为结晶状，并有明显的镜面反光现象。断口与正

18、应力轴垂直，断口齐平，附近无颈缩现象，无剪切唇。断口中的反光小平面（小刻面）与晶粒尺寸相当。马氏体基高强度材料断口有时呈放射状撕裂棱台阶花样。,（2）冷脆金属低温断裂断口的微观形貌 冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征，河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。对于一般工程结构用钢，通常所说的解理断裂，主要是在冷脆状态下产生。,冷脆特征,5.2 材料致脆断裂失效,3.金属冷脆断裂的分析,判别存在可能出现冷脆断裂的条件,具有冷脆断裂的宏观、微观特征,是否是冷脆金属 绝大多数体心立方金属，面心立方金属不是冷脆金属。环境温度低于材料脆性转折温度 材料中的缺陷及晶粒粗

19、大将使脆性转折温度提高。因此，确定金属实际 状况的冷脆转折温度是十分重要的！验证材料的冷脆转折温度的方法：系列冲击实验法构件几何尺寸较大，构件处于平面应力状态。,第二相质点,5.2.3 第二相质点致脆断裂失效,5.2 材料致脆断裂失效,1、第二相质点致脆断裂的类型第二相质点致脆断裂是指由第二相质点沿晶粒间界析出引起晶界的脆化或弱化而导致的一种沿晶断裂。,脆性的第二相质点沿原奥氏体晶界择优析出引起的晶界脆化。（例如渗碳层中渗碳体沿晶界分布形成网状骨架）某些杂质元素沿晶界富集引起的晶界弱化。（硫、磷、氧、铅）特定温度下发生相变。,有以下几种情况：,第二相质点,5.2 材料致脆断裂失效,断口特征：宏

20、观断口为脆性的晶粒状。高倍观察可见第二相质点及其微孔形貌。,应力腐蚀,5.3 环境致脆断裂失效,环境致脆断裂是指金属材料与某种特殊的环境因素发生交互作用而导致的具有一定环境特征的脆性断裂。包括：应力腐蚀开裂氢致断裂腐蚀疲劳热疲劳低熔点金属致脆断裂,应力腐蚀,5.3.1 应力腐蚀开裂,5.3 环境致脆断裂失效,在静拉应力作用下金属的腐蚀破坏，一般称为应力腐蚀开裂；而在交变应力作用下金属的腐蚀破坏，则称为腐蚀疲劳。即使是延性材料，应力腐蚀开裂（断裂）也是脆性形式的断裂。,应力腐蚀是一种局部腐蚀，形成的裂纹常被腐蚀产物覆盖，不易被发觉，导致的断裂具有突发性。应力腐蚀裂纹扩展的速率一般介于均匀腐蚀速率

21、和快速机械断裂速率之间。,1、应力腐蚀开裂的定义 应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking,SCC）是金属在应力（残余应力、热应力、工作应力等）和腐蚀介质共同作用下，而引起的一种破坏形式。,应力腐蚀,2、应力腐蚀开裂的条件及其影响因素,5.3 环境致脆断裂失效,（1）仅当弱的腐蚀介质，在金属表面形成一层不稳定的“保护膜”时，才有可能发生应力腐蚀开裂。强腐蚀介质将引起全面腐蚀破坏而不是应力腐蚀。,（2）一定的拉应力和应变，压应力一般不产生应力腐蚀。,（3）对于每一种金属或合金来说，有其特定的腐蚀介质系统，即易于发生应力腐蚀破坏的金属-介质系统。,（4）材料的成分、组织和应

22、力状态的影响。杂质元素、材料的不均匀性，晶粒尺寸等。,（5）一般来说，介质的浓度和环境温度越高则较易发生应力腐蚀。,应力腐蚀,常见发生应力腐蚀的材料-介质系统,5.3 环境致脆断裂失效,2、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征,5.3 环境致脆断裂失效,（1）断口的宏观形态一般为脆性断裂，断口截面基本上垂直于拉应力方向。断口上有断裂源区、裂纹扩展区和最后断裂区。,2、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征,5.3 环境致脆断裂失效,（2）应力腐蚀裂纹源于表面，并呈不连续状，裂纹具有分叉较多、尾部较尖锐（呈树枝状）的特征。,2、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征,5.3 环境致脆断裂失效,在一般情况下，当应力较小、腐蚀

23、介质较弱时，应力腐蚀裂纹多呈沿晶扩展；相反，当应力较大、腐蚀介质较强时应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。,（3）裂纹走向可以是穿晶也可以是沿晶。面心立方金属易引起穿晶型，而体心立方金属以沿晶为主。许多情况下，应力腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合型。,第二相质点沿晶界析出易促使裂纹的沿晶扩展。,（4）应力腐蚀断口的微观形貌可为岩石状，岩石表面有腐蚀痕迹。严重时整个都为腐蚀产物所覆盖，此时断口则呈泥纹状或龟板状花样。,5.3 环境致脆断裂失效,泥纹状花样,凹槽、扇形、台阶及河流花样，穿晶为主（电镜）,岩石状花样,3、应力腐蚀开裂失效分析,5.3 环境致脆断裂失效,（1）详细了解材料的生产过程与处理工艺，

24、掌握材料的成分、组织状态以及杂质（夹杂物）含量与分布。,硫化物提高应力腐蚀敏感性,（2）详细了解设备或部件的结构特点，加工、制造、装配过程。必要时对设备或部件进行应力分析和测试，以确定材料所处的应力状态与大小。注意加工、装配等过程中造成的残余应力及其分布。,3、应力腐蚀开裂失效分析,5.3 环境致脆断裂失效,（5）必要时，可在实际使用条件下进行重复试验或在实验室内进行模拟现场产生应力腐蚀破裂的条件（介质、应力、温度等），也可采用能够预示实际条件下应力腐蚀破裂趋势的加速试验方法，对所出现的应力腐蚀开裂加以验证和模拟。,局部浓缩情况,（3）详细了解设备或部件使用环境特点，介质种类、使用温度等。对于

25、不同的材料，重点分析能够引起应力腐蚀开裂的敏感介质。,（4）断口和裂纹形态的宏观、微观分析，确定断裂的特征。,实验室试验 应力腐蚀试验可以采用恒载荷法和恒变形法,5.3 环境致脆断裂失效,实验室试验 应力腐蚀试验可以采用恒载荷法和恒变形法,5.3 环境致脆断裂失效,特别注意：应力腐蚀试验断口要与实际断口对比分析，要一致。,5.3.2 氢致脆断失效 Hydrogen-embrittlement,5.3 环境致脆断裂失效,由于氢而导致金属材料在低应力静载荷下的脆性断裂，称为氢致断裂，又称氢脆。,氢除了可使材料变脆外，在某些条件下还会造成表面起泡等其它损伤，而这类损伤与材料本身的脆性关系不大，故许多

26、资料上将其连同使金属变脆的过程统称为氢损伤。,5.3 环境致脆断裂失效,氢的作用导致早期失效或开裂降低金属强度和塑性导致焊接接头冷裂腐蚀环境的延迟断裂促进应力腐蚀和腐蚀疲劳,氢致失效氢的含量极低，甚至低于1ppm对材料组织极其敏感特有的断口特征断裂时间延长day,months,甚或更长,1、氢进入金属材料的途径,5.3 环境致脆断裂失效,（4）金属构件在运行过程中，环境也可提供氢,（1）金属材料基体内残留的氢：冶炼、焊接、熔铸,（2）金属材料在含氢的高温气氛中加热时，进金属内部的氢,（3）金属材料在化学及电化学处理过程中，进入金属内部的氢（电镀、酸洗）,2、氢致脆断的类型（1）溶解在金属基体中

27、的氢原子析出并在金属内部的缺陷 处结合成分子状态，由此产生的高压，使材料变脆。钢中的“白点”即属于此种类型。,5.3 环境致脆断裂失效,（2）由环境气氛中的氢在高温下进入金属内部，并夺取钢 中的碳形成甲烷，使钢变脆。,（3）固溶氢引起的可逆性氢脆，即进入金属内部的氢，以间隙固溶体的形式存在，当金属材料受到缓慢加载的附加应力时（包括残余应力），原子氢由固溶体中析出并结合成分子状态，使钢材变脆（延迟性）。机械零件通常发生的氢致断裂，一般属于此种氢脆。,5.3 环境致脆断裂失效,固溶状态的氢不经任何化学反应，仅含少量的氢即可引起氢脆。此类氢脆具有明显的延迟断裂的性质。仅在一定的温度范围内（-1001

28、50C）出现，在室温附近最敏感。对材料的强度极限、屈服极限、延伸率及冲击韧性影响较小，而对材料的极限断面收缩率影响较大。,3、氢致脆断的断口形貌特征,5.3 环境致脆断裂失效,（1）宏观断口齐平，为脆性的结晶状，表面洁净呈亮灰色；实际构件的氢脆断裂又往往与机械断裂同时出现，因此断口上常常包括这两种断裂的特征。对于延迟断裂断口，通常有两个区域，一是氢脆裂纹的亚临界扩展区（齐平），二是机械撕裂区（斜面，粗糙，有放射线花样）,（2）微观断口沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶界有时可看到变形线（呈发纹或鸡爪痕花样）；应力较大时也可能出现微孔型的穿晶断裂。,3、氢致脆断的断口形貌特征,5.3 环境致脆断裂失效,

29、（3）显微裂纹呈断续而弯曲的锯齿状。,（4）在应力集中较大的部位起裂时，微裂纹源于表面或靠近缺口底部。应力集中比较小时，微裂纹多源于次表面或远离缺口底部（渗碳等表面硬化件出现的氢脆多源于次表面）。,（5）对于在高温下氢与钢中的碳形成CH4气泡导致的脆性断裂，其断口表面具有氧化色及晶粒状。微观断口可见晶界明显加宽及沿晶型的断裂特征，裂纹附近珠光体有脱碳现象。（6）氢化物致脆断裂，沿晶型，只有在高速变形（如冲击载荷）时才表现出来，微观断口上可见到氢化物第二相质点。,5.3 环境致脆断裂失效,20钢水冷壁管氢脆爆破爆口和裂纹形貌,较长时间处于pH值低的给水状态运行，爆口附近氢含量为6.10mL/10

30、0g，爆口呈窗口状，管壁未减薄，为脆性断裂，管内壁腐蚀坑处可见多道宏观裂纹。微观裂纹沿晶扩展裂纹两侧有脱碳现象。（氢夺取钢中的碳形成气态CH4）,5.3 环境致脆断裂失效,铁素体钢氢脆断口形貌,5.3 环境致脆断裂失效,氢脆断口微观形貌,氢脆裂纹的走向形态断续而弯曲的锯齿状,沿晶，晶界有变形线（发纹或鸡爪痕）,5.3 环境致脆断裂失效,Tritium autoradiograph of deformed iron,5.3.3 低熔点金属的接触致脆断裂失效,5.3 环境致脆断裂失效,1产生的条件,与低熔点金属相接触的金属零件，在一定的温度和拉应力下，低熔点金属从零件表面沿晶界内部扩散，引起材料脆

31、化并由此导致构件断裂,（1）金属零件与低熔点金属长时间接触。（2）存在拉应力和较高的温度条件（低熔点金属随裂纹的扩展而扩散并使裂纹顶端金属发生合金化）。（3）基体金属与低熔点金属存在一定的环境体系（润湿性）。（4）只有在低速加载的条件下才能发生（保证裂纹的扩展速度低于低熔点金属的浸润能力）。,5.3.3 低熔点金属的接触致脆断裂失效,5.3 环境致脆断裂失效,2断口特点及断口形貌,（1）裂纹源于表面。（低熔点金属沿表面金属的晶粒间界选择性扩展）（2）裂纹的走向为沿晶型，宏观上为脆性断裂，断裂界面与拉应力垂直。（3）主裂纹明显，其周围有许多支裂纹。（4）断口表面通常有低熔点金属留下的特殊色泽及堆

32、积物。,5.3.3 低熔点金属的接触致脆断裂失效,5.3 环境致脆断裂失效,3常见的低熔点金属致脆断裂,（1）金属镉致脆断裂（镉具有较好的电化学保护性能，镀镉）宏观断口上通常明显地分为蓝黑色和银灰色两部分。前者为镉脆区，后者为基体金属的瞬时断裂区。在镉脆区，断口边缘的黑色堆积物为金属镉，其余呈蓝色或蓝绿色部分为合金化区，微观断口为沿晶型。为了防止镉脆，镀镉前先镀一层镍以阻止镉向基体金属内部扩散。（2）金属焊锡致脆断裂（锡封装黄铜组合件）锡致黄铜脆性断裂的宏观断口为银白色的脆性断裂，温度区间为170350，断口为正常的金黄色的韧性断裂。单相黄铜为沿晶型断裂；双相黄铜为穿晶型断裂。断口表面及附近区

33、域可见锡的合金化特征及锡的富集现象。,5.3.4 高温长时致脆断裂（热脆）失效,5.3 环境致脆断裂失效,（1）呈现热脆性的钢材，在高温下的冲击韧性并不低，而室温冲击韧性一般比正常值降低5060，甚至降低80以上，其它强度指标及塑性指标均不发生明显变化。奥氏体钢的热脆性有所不同，在热脆发生的同时还往往发生强度和塑性等指标的变化。,1、热脆断裂的特点,（2）断裂的宏观表现是脆性的，断口呈粗晶状。微观上为沿晶的正向断裂。,金属材料在较高的温度（400500）下长时间工作而引起韧度显著降低的现象。,5.3.4 高温长时致脆断裂（热脆）失效,5.3 环境致脆断裂失效,（3）具有热脆性的金属，其金相组织

34、上可以看到黑色的网状特征，并有第二相质点析出。这是判定金属高温脆性发生的重要依据，其金相组织中的黑色网状如图所示。,（4）几乎所有的钢材都有产生热脆性的倾向。,5.3 环境致脆断裂失效,石墨化显微组织,5.3.4 高温长时致脆断裂（热脆）失效,5.3 环境致脆断裂失效,金属材料在高温下长时间受到拉应力的作用下将发生一系列的组织结构变化。例如，珠光体耐热钢中可能发生珠光体的球化，晶粒长大，碳化物析出，石墨化及微量元素的偏聚等。,2、热脆断裂的一般解释,对于热脆性程度不严重的零件，可以通过返修热处理，如600-650回火或正火（淬火）回火并快冷。,5.3.5 蠕变断裂失效,5.3 环境致脆断裂失效

35、,（1）对数蠕变断裂 在（00.15）Tm（Tm为金属材料的熔点K）的温度范围内，材料的变形引起的加工硬化，因温度低，不能发生回复再结晶，因此蠕变率随时间的延续一直在下降，故称之为对数蠕变。,金属材料在外力作用下，缓慢而连续地发生塑性变形，称为蠕变，所发生的变形称为蠕变变形，由此而导致的断裂，则称为蠕变断裂。,1蠕变断裂的类型,5.3.5 蠕变断裂失效,5.3 环境致脆断裂失效,（2）回复蠕变断裂 在（0.150.85）Tm的温度范围内，由于温度高，材料足以进行回复再结晶，蠕变率基本上是个定值，此时发生的断裂称为回复蠕变断裂。,在工程上最常出现的蠕变断裂是回复蠕变断裂或称高温蠕变断裂。,蠕变曲

36、线：描述在恒定温度、恒定拉应力下金属的变形随时间的变化规律曲线。,5.3 环境致脆断裂失效,蠕变第二阶段（第二期蠕变，）：稳定蠕变阶段，蠕变以固定的，对于该应力和温度下最小的蠕变速度进行，蠕变曲线为一固定斜率的近乎直线段，又称为蠕变的等速阶段或恒速阶段。这一段越长，则金属在该温度、应力下蠕变变形持续时间就越长，直到B点进入第三阶段。蠕变第三阶段（第三期蠕变，）：失稳蠕变阶段，蠕变以迅速增大的速度进行，直到C点断裂，又称为蠕变的加速阶段。,三个部分：,典型蠕变曲线,蠕变第一阶段（初期蠕变，）：非稳定的蠕变阶段，开始蠕变速度较大，随着时间的延长，蠕变速度逐渐减小，直到达到最小值A点进入第二阶段。,

37、5.3 环境致脆断裂失效,蠕变曲线的形状会随金属的温度和应力不同而有所变化，在实际断裂分析时应根据不同条件进行判断。,不同条件下的蠕变曲线,温度固定，应力 1 2 3 4,应力固定，温度 t 1 t 2 t 3 t 4,温度固定，应力越大，稳定蠕变阶段越短；应力固定，温度越高，稳定蠕变阶段越短。,2、蠕变断裂的特征（1）宏观特征 明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征。在断口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。蠕变断裂的另一个特征是高温氧化现象，在断口表面形成一层氧化膜。,5.3 环境致脆断裂失效,2、蠕变断裂的特征（2）微观特征 大多数的金属构件发生的蠕变断裂是沿晶型断裂，但当温度比较

38、低时（在等强温度以下），也可能出现与常温断裂相似的穿晶断裂。,5.3 环境致脆断裂失效,断口上存在与高温氧化及环境因素相对应的产物。,沿晶蠕变断裂的截面上可以清楚地看到局部地区晶间的脱开及空洞现象。特点,3、蠕变断裂失效分析,5.3 环境致脆断裂失效,蠕变导致的宏观脆性的蒸汽管爆管,断口形态（宏观上无明显塑性变形，管壁没有减薄，表面严重氧化，氧化层致密,金属组织（珠光体完全球化，碳化物在晶内和晶界上聚集，晶界上已形成蠕变裂纹）,珠光体类耐热钢，在一定温度和工作应力下长期运行，出现珠光体分解，即原为层片状的珠光体逐步分解为粒状珠光体。随着时间的延长，珠光体中的碳化物分解，并进一步聚集长大，形成球状碳化物。由于晶界上具有更适宜碳化物分解、聚集、长大的条件，所以沿晶界分布的球状碳化物多于晶内。进一步在晶界上可能形成空洞或微裂纹，材料变脆，最后造成脆性的断裂。,