金属--断裂与失效分析 刘尚慈

金属断裂与失效分析金属断裂与失效分析 刘尚慈 编 第一章 概述 失效 机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象 失效类型 表面损伤 断裂 变形 材质变化失效等 第二章 金属断裂失效分析的基本思路 2 1 断裂失效分析的基本程序 一 现场调查 二 残骸分析 三 实验研究 一 零件结构 制作工艺及受力状况的分析 二 无损检测 三 材质分析 包括成分 性能和微观组织结构分析 四 断口分析 五 断裂力学分析 以线弹性理学为基础 分析裂纹前沿附近的受力状态 以应 力强度因子 K 作为应力场的主要参量 KI Y 1 2 脆性断裂时 裂纹不发生失稳扩展的条件 KI KIC 对一定尺寸裂纹 其失稳的 临界应力 为 c KIC Y 1 2 应力不变 裂纹失稳的 临界裂纹尺寸 为 c KIC Y 2 中低强度材料 当断裂前发生大范围屈服时 按弹塑性断裂 力学提出的裂纹顶端张开位移 COD 作为材料的断裂韧性 参量 当工作应力小于屈服极限时 8 s E lnsec 2 s 不发生断裂的条件为 C 临界张开位移 J 积分判据 对一定材料在大范围屈服的情况下 裂纹尖端 应力应变场强度由形变功差率 J 来描述 张开型裂纹不断裂的判 2 据为 J JIC KIC 断裂韧性 KISCC 应力腐蚀门槛值 六 模拟试验 四 综合分析 分析报告的内涵 失效零部件的描述 失效零部件的服 役条件 失效前的使用记录 零部件的制造及处理工艺 零件的力学分析 材料质量的评价 失效的主要原因及其影 响因素 预防措施及改进建议等 五 回访与促进建议的贯彻 2 2 实效分析的基本思路 一 强度分析思路 二 断裂失效的统计分析 三 断裂失效分析的故障树技术 第三章 金属的裂纹 3 1 裂纹的形态与分类 裂纹 两侧凹凸不平 偶合自然 裂纹经变形后 局部磨钝 是偶合特征不明显 在氧化或腐蚀环境下 裂缝的两侧耦合特征 也可能降低 发纹 钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中 沿 锻轧方向延伸所形成的细小纹缕 发纹的两侧没有耦合特征 两 侧及尾端常有较多夹杂物 裂纹一般是以钢中的缺陷 发纹 划痕 折叠等 为源发展 起来的 一 按宏观形态分为 1 网状裂纹网状裂纹 龟裂纹 属于表面裂纹 产生的原因 主 要是材料表面的化学成分 金相组织 力学性能 应力状态等与 中心不一致 或者在加工过程中发生过热与过烧 晶界性能降低 等 导致裂纹沿晶界扩展 如 3 铸件表面裂纹 在 1250 1450 形成的裂纹 沿晶界延 伸 周围有严重的氧化和脱碳 锻造 轧制网状裂纹 由过烧 渗铜 含硫量高等引起 锻件加热温度过高 时间过长 引起晶粒粗化 脆性增加 如过烧晶界氧化使晶界强度降低 锻造时沿晶界开裂出现网状裂 纹 当钢中含铜量过高 0 2 时 在热锻过程中 表面发 生选择性氧化 铁先氧化 使铜的含量相对增加 从而使晶界 形成富铜相的网络 富铜相熔点低于基体引起开裂 同样 锻造 时如铜附着在表面 借高温沿晶界渗入导致铜脆 在显微镜下可 看到游离的铜沿晶界分布 当硫量较高时 低熔点的 FeS 或 FeS 与 Fe 的共晶体存在于晶界 高温锻造时 晶界结合强度低 使 塑性变形能力下降 导致锻造开裂 热处理表面裂纹 淬火加热温度过高 奥氏体晶粒显著 长大 淬火冷却中热应力和组织应力共同作用引起裂纹 如发生 过烧现象就更容易引起龟裂 表面脱碳使工件表里不同含碳量奥 氏体的马氏体开始转变温度 MS 不同 冷却先后有差异 扩大 了组织转变的不同时性和体积转变的不均匀性 使得淬火组织应 力增加 使表面产生大的多向应力 产生网状裂纹 电弧焊起弧电流过大时 局部热量过高 形成 火字形 裂纹 淬火后或渗碳后的部件在机加工过程中 表面应力可导 致表面裂纹 耐热钢受表面热应力作用产生腐蚀性疲劳裂纹 不 锈钢发生晶界腐蚀裂纹 2 直线型裂纹 常由发纹或其他非金属夹杂物在后续工 序中扩展而形成 沿材料纵向分布 裂纹两侧和金属基体上 一 般有氧化夹杂物和其他非金属夹杂物 细长零件在淬火中 在表 面冷却比较均匀一致 心部淬透时 淬火应力 组织应力和热应 力 超过材料抗拉强度极限 产生纵向直裂纹 由于心部淬透的 细长工件的表层切向应力总是大于轴向应力 因此淬火裂纹总是 4 纵向直线型 高温高压的蒸汽管道弯管中产生的蠕变裂纹是一些平行的直高温高压的蒸汽管道弯管中产生的蠕变裂纹是一些平行的直 线性裂纹 线性裂纹 3 树枝型裂纹 零件中应力腐蚀裂纹 应力集中的焊接 结构产生的热裂纹有时也呈树枝型 4 其他裂纹 圆周裂纹 部件变径处由于热应力和组织应力引起的裂纹 辐射状裂纹 有内孔的零件 淬火时 内孔处冷速慢 使内 孔表面常处于拉应力状态 产生辐射状裂纹 锅炉铆钉孔处产生 的碱脆裂纹 也是辐射状 二 按微观形态分为 1 沿晶裂纹 晶界腐蚀裂纹 苛性脆化裂纹 氢脆裂纹 蠕变裂纹 回火脆性开裂 磨削裂纹 焊接热裂纹 铸造裂纹 过烧引起的锻造裂纹 热处理裂纹和热脆裂纹等 热疲劳裂纹和 应力腐蚀裂纹有时也是沿晶裂纹 2 穿晶裂纹 疲劳裂纹 解理断裂裂纹 韧性断裂裂纹 淬火冷裂纹 焊接冷裂纹等 热疲劳裂纹 应力腐蚀裂纹等有时 也是穿晶的 3 混合裂纹 有沿晶的 也有穿晶的 如淬火裂纹 三 按形成原因分 1 工艺裂纹 铸造 锻造 热处理 磨削 焊接裂纹等 2 使用裂纹 机械冷应力裂纹 疲劳裂纹 应力腐蚀裂 纹 蠕变裂纹等 四 按断裂力学的观点分 1 稳定性裂纹 零件在服役中裂纹的扩展速率非常缓慢 2 过渡性裂纹 亚临界扩展裂纹 裂纹产生后 开始 发展缓慢 到一定尺寸 发展加速 造成零件断裂失效 过渡性裂纹和零件的受力条件 裂纹的形状及裂纹处的受力 5 状态有关 其尺寸满足裂纹的强度因子 K KIC 对于张开型裂 纹有 KI 1 2Y W KIC 上述 是特征应力 是特征裂纹长度 W 是特征尺寸 Y W 物体 KI的标定函数 3 危险性裂纹 临界扩展前夕的裂纹 这类裂纹发展甚 为迅速 在很短的时间内导致零件失效 定量 裂纹应力强度因子 K 接近材料的断裂韧性 KC 或裂 纹扩展速度 d dt 超过一定数值 3 2 裂纹的起源位置 裂纹的起源位置取决于应力集中值的大小及材料强度值的高 低 一 应力集中与破断起源的关系 按位错理论 对于延性或半脆性材料 形变和破断两个过程 的必要条件是使金属发生屈服屈服 当金属发生屈服后 大量的位错 在其运动过程中由于受到障碍物作用而堆积起来 就造成了应力 集中 应力集中被变形松弛 破断过程则被抑制 反之 若裂纹 的发生与发展使应力松弛 则材料会发生破断 服役的零件 形状和材料急剧改变的地方 会产生局部的高 应力 其附近的应力状态 分布 也不均匀 这种局部应力高于局部应力高于 平均应力的现象就是应力集中 平均应力的现象就是应力集中 应力集中系数 K max cp 应力集中处的最大应力和平均应力 或公称名义应力之比 应力集中发生在缺口的尾端 应力集中程度 K 与缺口深 度 t 缺口尖端半径 rH有关 单边缺口部件应力集中系数 K 1 t rH 1 2 t rH 1 2 多缺口 缺口间距 b 部件 K t rH b t coth b t 1 2 材料的强度愈高 塑性愈低 应力集中系数也愈大 6 缺口顶端还会由于形变约束而引起三向应力 在平面应变条 件下 在缺口前端一段距离处 出现最大三向拉应力区 二 材料缺陷所引起的裂纹 疲劳裂纹起始于驻留滑移带 而材料表面和内部的缺陷常是 引起驻留滑移带的原因 因此 有缺陷的金属材料 往往疲劳极 限比较低 三 零件的形状因素引起的裂纹 零件的尖锐的凹角 凸边或缺口部位在制造和使用过程中 产 生较大应力集中或开裂 3 3 裂纹的扩展方向 一 裂纹的走向 由应力原则或强度原则应力原则或强度原则确定 应力原则 在金属脆断 疲劳脆断和应力腐蚀断裂情况下 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应力的作用下 其裂纹的扩展方向一 般平行于剪切应力的方向 上述两种情况可以说明裂纹走向由零 件的最大应力确定 强度原则 裂纹总是要沿着最小阻力路线 即材料的薄弱 环节或缺陷处 扩展 缺陷是薄弱点 常引起裂纹的转折扩展 材质符合要求的条件下 应力原则起主导作用 材质不符合要求 时 强度原则起主导作用 二 裂纹源与裂纹方向的判定 裂纹通常起源于零件的应力集中处 材料缺陷处形成应力集 中常引起裂纹 有时在扩展中裂纹常常会出现分支 称为支裂纹或次生裂纹 支裂纹源区一定在主裂纹中 且裂纹源的方向通常与支裂纹扩展 方向相反 也就是说分叉或分支裂纹 汇合为主裂纹 随着裂纹的扩展 零件的有效截面不断减少 即有效载荷也 随之不断加大 因此 韧性材料随着裂纹的扩展 破断侧面残留 的范性变形也有所增加 7 主裂纹产生最早 扩展速度最大 主裂纹产生后 在裂纹附 近 应力得到松弛 因此 二次裂纹扩展速度小 尺寸总小于主 裂纹的尺寸 二次裂纹并不是 主 裂纹的分支 而是产生于 主 裂纹 后期 扩展至 主 裂纹后受到其阻止 二者相遇角度近 900 3 4 裂纹周围及裂纹前端情况 金属表面或内部缺陷为裂纹源的 一般能找到作为裂纹源的 缺陷 裂纹转折处一般能找到引起转折的缺陷 高温下产生的裂 纹或室温下产生又随加工工序加热至高温的裂纹 其周围将存在 氧化和碳化的现象氧化和碳化的现象 碳钢和低合金钢在 250 低温回火的范围 时 裂纹周 围的氧化层很薄 从金相上难以看到 650 时 可看到裂纹 内填充着浅灰色的氧化铁 而两侧无显著的氧化脱碳现象 650 AC1时 除裂纹中被氧化物所填充外 氧化物的颜色随加 热的介质不同而不同 裂纹两侧还发生脱碳现象脱碳现象 加热以前热 处理状态不同 加热后脱碳层中的铁素体状态也不同 如加热前 是淬火状态 脱碳层中的铁素体仍保持原马氏体的针状方向 如 加热前是退火或其他状态 则脱碳层中铁素体成多边形或块状 裂纹前端的情况 一般机械冷应力裂纹 淬火裂纹 铸造冷 应力裂纹 锻后冷却不当裂纹等前端是尖锐的 使用裂纹的疲劳 应力腐蚀裂纹前端是尖锐的 各种热裂纹的前端是圆钝的 蠕变蠕变 裂纹 热疲劳裂纹等的前端也是圆钝的裂纹 热疲劳裂纹等的前端也是圆钝的 尖锐的裂纹经过高温加 热 如回火 其前端也是圆钝的 第四章 金属的断口分析技术 4 1 金属断口的基本类型 按断裂微观形貌分类 沿晶脆性断裂 解理断裂 准 解理断裂 疲劳断裂 应力腐蚀断裂 氢脆断裂 韧窝 断裂 滑移面分离 蠕变断裂 断口的形貌是由断裂机理所决定的 不同的断裂机理 断口 的微观形貌也不同 8 按断口微观形态分类中 韧窝断裂 滑移面分离和 蠕变断裂属于延性断裂延性断裂 其余属于脆性断裂脆性断裂 4 2 断口试样的制备和保存 铁 钢 合金钢清洗断口可用的溶剂 丙酮 氯仿 1 碱 溶液等 断口保存 可在表面涂一层保护材料 如醋酸纤维 10 的 醋酸纤维丙酮或醋酸甲脂 也可放在真空干燥器里 4 3 断口的宏观分析试样的制备和保存 1 100 4 4 断裂源区宏观位置的确定 光滑圆柱试样的拉伸断口由纤维区 放射区 剪切唇三个区 域组成 在通常情况下 金属材料的断口均出现断口三要素断口三要素形貌 特征 只是它们的区域大小 分部位置 出现的形状不同而已 但有时在断口上只出现一种或二种要素 一 纤维状区域中心处为裂源 如果断口的三要素齐全 裂源一定位于纤维区域中心处 如 果纤维状区域的形状是圆形或椭圆形时 则它们的圆心为裂源部 位 如果纤维状区的形状是半圆 例如冲击断口 或弧形条带 如缺口圆柱拉伸试样断口 时 裂源在试样表面处萌生 二 放射条纹或人字条纹的收敛处为裂源 无缺口件 放射条纹或人字条纹是裂纹在平面应变条件下 发生低能量 快速断裂时形成的 如果试样上原来开始缺口 则由于裂纹首先在缺口处形成 且由于应力集中的原因 裂纹沿缺口处的扩展速度较快 而中心 较慢 故形成的人字条纹收敛方向与无缺口时相反 三 裂源位于零件表面的无剪切唇部位 一些机械构件如厚 板 容器 轴类等 四 裂源位于断口的平坦区域 断裂件的宏观断口形貌 通常呈现平坦区和凹凸区两部分 后者通常是裂纹失稳扩展的形貌特征 平坦区是裂纹亚稳态缓慢 9 扩展区 裂源也位于平坦区内 五 疲劳前沿线曲率半径最小处为裂源 当断口上具有明显的疲劳断裂宏观形貌特征 即贝壳状条纹 时 则疲劳源位于疲劳前沿曲率半径最小处 如断口上有与贝壳 条纹相垂直的放射状条纹 则疲劳源在放射状条纹的汇集处 六 环境断裂件腐蚀或氧化最明显处为裂源环境断裂件腐蚀或氧化最明显处为裂源 由于环境因素引起的断裂有 腐蚀疲劳 热疲劳 氢脆 蠕 变断裂等 其断裂源部位受环境介质 温度等条件的影响最大 因此这类断口的裂源区被腐蚀或氧化也最明显 七 断裂源处往往有缺陷 断裂源往往在零件的自由表面 铸件例外 断裂萌生的部 位有产生应力集中作用的缺陷 材料缺陷和加工缺陷 和结构因 素 4 5 光学显微镜断口分析技术 光学显微镜的有效放大倍数低 焦点深度浅 物镜的垂直鉴 别率 景深 不适于作断口观察 一 直接观察 二 断口剖面观察 4 6 电子显微镜断口分析技术 透射电镜 TEM 扫描电镜 SEM 4 7 断口腐蚀坑技术 金属材料的腐蚀坑 通常可分为位错腐蚀坑与位向腐蚀坑 失效分析中的腐蚀坑技术就是利用不同的晶体在一定的浸蚀介质 下产生的位向腐蚀坑来分析和判断断裂的晶体取向 金属材料在一定的腐蚀介质作用下 晶体会发生溶解 这种 溶解一般是不均匀的 有些晶面的溶解速度大 这些易溶晶面一 般为晶体的低晶面指数面 同时 腐蚀溶解不是各向同性 而是 各向异性 如是各向同性 蚀坑将呈现一个圆锥体 如是各向异 性 蚀坑将呈现一个角锥体 这个角锥体是多面体几何形状的一 10 部分 蚀坑在特定的晶面上产生 具有特定的形状 利用蚀坑的 几何参数与晶面指数之间的关系 十分析研究断裂面晶体取向的 一种简单的测试技术 一 多面体蚀坑 二 多边形腐蚀坑 是在不同的晶面上 失效分析时被研究 的断面 浸蚀低晶面指数晶面得到的腐蚀坑 4 8 断口定量分析 定量分析主要是断口的特征花样的定量分析 第五章金属的延性和脆性破坏断口特征 5 1 延性破坏的断口特征 一 延性破坏的断口宏观特征 延性断裂的表现形式 一种是切变断裂 对于单晶体 某一 滑移面在做大量滑移后断裂 断裂是沿滑移面发生 断裂面就是 滑移面 另一种是试样经塑性变形后产生缩颈 其断面收缩率为 100 一般金属断裂断面收缩率达不到 100 断裂过程中在缩 颈区中心部位形成大量空洞且不断长大和联结 最后发生断裂 断裂的断口由纤维区 放射区和剪切唇纤维区 放射区和剪切唇组成 一般情况 延性断口宏观形态的基本特征是延性断口宏观形态的基本特征是 断口有明显的 纤维区 断口颜色灰暗 边缘有剪切唇 断口附近有明显的塑性 变形 另一种延性断口的宏观特征是 切断韧性断口 又称倾斜断 口 断口平面与拉伸轴线成 450角 附近有明显的宏观塑性变形 形成这种断口 是当材料 如镁合金 变形铝合金 冷加工钢 材料在高温下 抗剪强度极限较低或断口分离过程是在平面应力 状态作用下发生的 是由切应力引起的延性断裂 利用断口的剪切唇估计 KIC 平面应变条件下 小范围屈服 的断裂 断裂的剪切唇宽 S 与断裂韧性断裂韧性 KIC 的关系 11 S f n KIC s 2 s 屈服强度 f n 与硬化指数 n 有关的函数 20Cr2MoV 为 0 18 30Cr2MoV 为 0 16 试件厚度 B 应满足 B KS 对中强度钢 K 5 高强度钢 K 6 二 延性破坏断口的微观特征 延性破坏断口的纤维状区和剪切唇区的电镜相貌上 有大量 韧窝韧窝 大多数材料 韧窝内有夹杂物或第二相粒子 由于工程金 属材料中存在大量的夹杂物和第二相粒子 因此只能发生不完全 延性断裂 断裂过程中 在第二相粒子周围产生空洞 这个过程 在缩颈开始形成后更加明显 通过空洞长大 联接 发生韧窝断 裂 韧窝的存在 说明材料至少在局部微小区域内曾发生过强烈 的塑性变形 但宏观是否出现很大的延性还不能确定 如宏观判 断是延性破坏 其微观形貌一定有韧窝 此时材料是在普遍屈服 的情况下发生断裂的 如果材料满足平面应变条件作快速的不稳 定低能量扩展 就整个构件来说 宏观塑性变形不大 破坏是脆 性的 材料未曾发生过普遍屈服 但在断口两侧的微观区域内 仍然发生过很大的剪切变形 其断裂是微孔型的的能量撕裂 假 定此时不发生解理 断口也是韧窝花样 所以 韧窝花样只说 明断裂过程是按微孔聚集型的方式进行的 而不一定说明是延性 的 韧窝不仅在晶内 而且在晶界也能形成 晶界韧窝 不一定 以第二相粒子为核心 耐热钢高温低应力蠕变断裂蠕变断裂是微孔聚集型的沿晶断裂 沿晶 型的韧窝断裂 无明显的宏观塑性变形 属脆性断口 蠕变断裂 一般是延性的 韧窝的形态受应力状态的影响较大 韧窝密度与第二相质点 近似为线性关系 韧窝大小也与第二相质点的间距有关 韧窝的 深浅可以判断材料的塑性变形能力 12 三 蛇形滑移花样 一般纯金属或韧性较好的合金或材料缺口的底部 都在较大 的塑性变形后以滑移面分离形式断裂 金属的完全延性断裂也是 一种沿滑移面不断滑移造成的断裂 大多数工程材料滑移不是在 单一的滑移面上进行 但由于晶粒位向不同 相互约束牵制 不 能只沿一个滑移面滑移而分离 而形成起伏弯曲的条纹形貌 一 般称之为蛇形滑移花样 一些高延性金属 滑移可不断进行下去 形成涟波状花样 或拉伸痕迹区 或者无特征的平滑区域 无 特征区宽度与 KIC有关 5 2 解理断裂的断口特征 解理断裂是脆性的穿晶断裂 通常发生在非面心立方晶格中 沿特定的低晶面指数的原子面进行 发生原子尺度范围的拉伸分 离 几乎不发生塑性变形 一 解理断口的宏观特征 解理断口通常呈脆性断口特征 没有明显塑性变形 断口与 正应力垂直 断口表面平齐 断口的颜色比较光亮 其最突出的 宏观特征是有小刻画面放射状条纹 或人字条纹 小刻画面在 强光下转动时可以看到很亮的反光小平面 小刻面即为解理刻面 许多小刻面组成解理断口 二 解理断口的微观特征 解理断裂的微观特征 有解理台阶与河流花样 解理舌 解 理扇以及鱼骨装花样等 最常见的微观特征是河流花样河流花样 河流花 样通过晶界时 形貌发生变化 解理舌是其典型特征之一 5 3 准解理断裂的断口特征 一 准解理断裂断口的宏观特征 准解理断口是一种脆性断口 其宏观特征与解理断口类似 也具有小刻面与放射装花样等特征 二 准解理断裂的微观特征 准解理断裂是一种穿晶断裂 断口有解理断裂的形貌 又伴 随很多的局部塑性变形痕迹 其小断面尺度相当于淬火前原奥氏 13 体晶粒度大小 不像解理断口那么平整并稍有凹陷 河流起源于 晶内 形状短而弯曲 支流少 形成大量高密度撕裂棱 有时也 有舌状花样 常发生在回火马市体或贝氏体组织中 准解理小断 面位向与铁素体基本的解理面 100 并不严格对应 5 4 沿晶断裂的断口特征 主要讨论沿晶脆性断裂 一 沿晶断裂通常是脆性断口 蠕变是吗 沿晶断裂通常是脆性断口 断裂前无明显塑变 断口一般与 正应力垂直 断口表面平齐 断口边缘往往没有剪切唇 表面呈 颗粒状 通常呈现出晶粒的外形 断口的颜色有时比较光亮 有 时却比较灰暗 有时也有放射装花纹或人字花条纹 暗灰色的脆性断口大多是钢的热脆 回火脆性 时效脆性 过热 应力腐蚀 热疲劳断裂 焊接热裂 蠕变断裂等沿晶脆断 断口 氢脆断裂的断口颜色比较光亮 二 沿晶断裂断口的微观特征 晶粒是多面体 沿晶断裂的微观形貌反映出这种多面体的特 征 沿晶断裂的原因通常有三种情况 晶界上存在脆性沉淀相 晶间弱化 晶界受环境因素作用 沿晶断裂按断裂的性质可分为 沿晶脆性断裂 沿晶延 性断裂 沿晶蠕变断裂 沿晶疲劳断裂 高温疲劳断裂 1 晶界沉淀相引起的沿晶脆断 一类是沉淀相连续 当晶界上的沉淀相粒子覆盖率为 100 形成脆性网状薄膜时 以脆性薄膜分裂发生断裂 奥氏 体 Cr Ni 钢中碳化物沿晶界呈网状分布 就引起沿晶脆断 另一类是沉淀相不连续 但有相当的晶界覆盖率 当外力作 用于沉淀相位置时 围绕晶界沉淀相首先形成显微孔洞 这些空 洞长大 最后连续起来 引起沿晶裂纹 导致沿晶断裂 2 晶界上杂物引起的晶界脆断 某些固溶杂质的晶界偏聚 是沿晶脆断的主要原因之一 高强度低合金钢中的第一类回火脆性 又称 350 脆性 不 14 但是伴随马氏体回火的显微组织转变所引起的 碳化物或氮化物 的沉淀也是第一类回火脆性的原因 杂质的存在 是第一类回火 脆性发生的必要条件 杂质元素向晶界偏聚引起第二类回火脆性和沿晶断裂已为大 量事实所证明 这类脆性常是当合金钢在 375 560 温度范围等 温时效时被观察到 也可能在回火后缓慢冷却时产生 晶界的杂质偏聚也对结构钢的延性 脆性转变温度有影响 第六章 疲劳断裂特征 6 1 疲劳断口的宏观形貌特征 疲劳断裂在宏观上是垂至于最大拉应力方向发生的 在具有 各种缺口的构件中 断裂方向可能有局部变化 表面部显示塑性 变形 除了低循环强度范围的断裂以外 都是脆性断口 其断口 由平滑的疲劳断裂区和凹凸不平的最终断裂区所组成 疲劳断裂 区有时呈现一种发亮的平滑区 最终断裂区在韧性金属中为纤维 状断口 而脆性金属中则为人字花样或结晶状等 平滑区主要为 疲劳裂纹的稳定扩展区域 通常呈脆性断口特征 在平滑区中可 观察到 年轮年轮 这是疲劳断口突出的宏观特征 年轮是裂纹前沿线扩展时留下的痕迹 是裂纹前沿间歇扩展 的依次位置 年轮的间距反映零件所收应力的变化规律 韧性材 料疲劳裂纹扩展缓慢 年轮间距小 硬的材料往往不出现年轮 疲劳断裂过程中 先发生微裂纹 然后一些微裂纹合并导致 主裂纹扩展 疲劳裂纹扩展区常与外界相通 断口表面受到各种介质的氧 化或腐蚀 常呈黑色或褐色 疲劳断口的瞬断区由纤维状 放射状及剪切唇三部分所组成 6 2 疲劳断口的微观形貌特征 一 疲劳裂纹第一阶段的微观形貌 在疲劳断裂的初始阶段 显微裂纹的扩展主要以滑移方式进 行 只有 2 5 个晶粒范围 与拉伸方向成 450角 15 二 疲劳裂纹扩展第二阶段的微观特征 1 疲劳纹的一般特点与存在条件 第二阶段其断口主要特征是疲劳纹 辉纹 平行条纹 的存 在 在疲劳断口的微观范围内 通常由许多大小不同 高低不同 的小断块组成 疲劳纹是一系列基本上互相平行的条纹 略带弯曲呈波浪形 并与裂纹局部扩展方向垂直 每一条辉纹代表一次载荷循环 并与裂纹局部扩展方向垂直 每一条辉纹代表一次载荷循环 形成疲劳条纹的条件之一是至少 1000 次以上的循环寿命 必要条件是疲劳裂纹前端必须处于张开型的平面应变状态 2 疲劳纹的类型及其形态 通常把疲劳分成延性疲劳和脆性疲劳 延性疲劳纹可分为 非晶体学的延性疲劳裂纹 其形态与 1 金属的晶体结构 组织无关 在疲劳纹花样中 看不到晶界 显 微组织的痕迹 在高应力强度因子幅 K 下形成的延性疲劳纹大 多是非晶体学的延性疲劳纹 高分子聚合物 体心立方金属等材 料 即使在低应力强度因子幅下也形成非晶体学的延性疲劳纹 晶体学延性疲劳纹 具有晶体学特性 2 6 3 疲劳断口的定量分析 略 第七章 应力腐蚀破裂 金属在拉应力和特定的腐蚀环境的共同作用下发生的脆性断 裂称为应力腐蚀破裂 SCC 7 1 应力腐蚀破裂的特征 一 应力特征 1 拉应力引起的 SCC 残余应力的影响大于工作应力 残余应力的影响大于工作应力 缝隙中的腐蚀产物体积大于生成他的金属 可以产生很高的 应力 足以引起 SCC 2 存在一临界应力 SCC 当工作应力低于 SCC时将不产生 SCC 二 环境因素 16 1 合金 环境 组合的特性 2 溶液的温度和浓度 3 能使金属钝化 合金的均匀腐蚀率超过 0 12 0 25mm a 便很少发生 SCC 三 SCC裂纹扩展的速度 7 2 应力腐蚀破裂的机理 活性通路 电化学理论认为 在合金中存在易腐蚀 活性通 路 电化学腐蚀沿 活性通路 进行 应力撕破金属活性通路 的表面膜 电解液进入裂纹尖端 迅速产生电化学腐蚀 活性通路产生的原因 晶界和晶界的析出相 产生沿晶 SCC 的材料晶界电位低于晶内 塑性变形引起的阳极区或阳极晶界区 等 对于低碳钢 晶界析出的碳化物会引起晶界处铁素体的变形 成为连续的活性通路 引起晶界 SCC 奥氏体不锈钢在敏化温度 范围内于晶界析出碳化铬 构成晶间破断的通路 机械化学效应理论认为 在拉应力和腐蚀介质的联合作用下 金属表面产生微裂纹 裂纹前端快速溶解 应力腐蚀电池的阴极 区是金属的表面 阳极区是裂纹两侧和尖端 两侧被氧化膜覆盖 使腐蚀极为缓慢 尖端因受应力集中的作用产生局部塑性变形 使其阳极溶解加速 形变屈服的金属可达高的屈服速度 证明了 机械化学效应 对阳极溶解型 SCC一般以表面膜破裂理论解释 腐蚀产物楔入理论阐明固体腐蚀产物的楔入是产生拉应力的 来源 腐蚀的阴极反应产生氢 氢脆理论认为所有 SCC都是氢引起 的 在应力作用下腐蚀反应生成的氢扩散到裂纹前缘 在三向应 力区富集导致开裂 7 3 应力腐蚀裂纹形态及断口形貌 一 应力腐蚀裂纹的起源 应力腐蚀裂纹起源于与腐蚀介质相接触的表面 17 二 裂纹的形态特征 应力腐蚀裂纹宏观上垂直于拉应力 形态呈树枝状 裂纹有 晶间型 穿晶型和混合型 混合型是以一种形态为 主 支缝中出现另一种形态 三 应力腐蚀断口形貌特征 1 宏观特征 SCCSCC 破断宏观断口为脆性断口 没有明显塑性变形 断口与破断宏观断口为脆性断口 没有明显塑性变形 断口与 拉应力方向垂直 断口表面无金属光泽 为褐色或暗色 发生腐拉应力方向垂直 断口表面无金属光泽 为褐色或暗色 发生腐 蚀或氧化 氧化物或腐蚀产物分布不均匀 在裂源处最多 蚀或氧化 氧化物或腐蚀产物分布不均匀 在裂源处最多 2 微观特征 碳钢和低合金钢的应力腐蚀断口大多是沿晶开裂 在含 Cl 介质中铬不锈钢呈沿晶断裂 奥氏体不锈钢在 Cl 介质常为穿晶 断裂 穿晶型的应力腐蚀断口 往往具有 块状花样 泥状 花样 及 河流花样 扇形花样 等形貌特征 应力腐蚀的微观断口还具有腐蚀坑及二次裂纹等形貌特征 高强度钢 断口形态随 K 值变化 第八章 金属的氢损伤 8 1 钢中的氢 一 氢的来源 氢来源于 金属的冶炼及热加工过程中 可能吸氢 酸 洗 电镀时有部分氢进入金属 工作介质中含有氢 放氢型 腐蚀阴极反应生成的氢进入金属 二 氢在钢中存在的形式 氢在钢种存在的形式有如下几种 以氢原子的形式固溶于钢中 在高强度钢中 氢主要是以 原子状态溶入金属晶格中 形成间隙固溶体 氢原子在铁中扩散 激活能很低 很容易在钢种扩散 是产生氢脆的主要作用者 氢以离子 H 形式存在 进入金属中的氢有一部分可离解 18 成 H 和电子 离子 H 被电子所束缚 活动能力降低 生成 H2 金属中氢含量超过其在固体中的溶解度时 便从 过饱和固溶体中析出成为 H2 H2易于在金属内部缺陷如晶界 相界 微裂纹 硫化物等夹杂物处析出 使金属产生白点 生成氢化物 氢与某些元素生成氢化物 钛合金中 当 H 含量超过固溶度时生成 TiHx x 1 53 1 99 使韧性下降 钢 中的 Fe3C 和 H2反映生成 C H4 使钢产生裂纹 氢在应力梯度作用下 向缺口尖端及裂纹尖端的三向应力区 偏聚 引起氢脆 8 2 氢脆的类型 金属与合金在应力作用下 纯粹由于氢的缘故 经一定时间 后破坏 称为氢脆 氢脆是一种延性破坏 一 第一类氢脆 第一类氢脆为内部氢脆 是金属在冶炼和各种加工过程中吸 收过量的氢而造成的 对于钢 氢含量 3ppm 就可出现 这种氢 脆裂纹在材料受载之前已经存在 再除氢已无济于事 是不可逆 的 第一类氢脆包括 氢腐蚀 钢中白点引起的氢脆 氧化物氢 脆等 1 氢腐蚀 氢腐蚀是氢在高温高压下 与钢中的碳及 Fe3C 发生化学反 应 生成 CH4 在钢中生成裂纹和鼓泡 使钢的性能下降或破坏 氢腐蚀主要发生在高温 一般高于 220 故也称高温氢腐蚀 也是一种不可逆的脆性 当氢进入钢中 在高温下引起钢的组织 和成分发生变化 致使钢内部脱碳并产生裂纹 氢腐蚀可发生于钢在氢环境工作条件下 也可发生在高温 高于 350 下蒸汽管道中 4H2O 3Fe Fe3O4 8 H 就会 造成氢腐蚀 氢腐蚀的过程是一种脱碳过程 Fe3C 4 H 3Fe CH4 或 者 C 4 H CH4 甲烷在钢中的扩散能力很低 聚集在晶界原 有的微观空隙内 该区域的碳浓度降低了 要通过扩散来补充 19 这样 CH4 量不断增大形成局部高压 产生裂纹 钢产生氢腐蚀 后 在钢表面发生严重的脱碳 特别是在温度较高 氢压较低时 在钢的表面下 裂纹在铁素体和珠光体界面上形核 裂纹长大过 程中 珠光体中的渗碳体逐渐消失 在杂质处 特别是硫化锰处 也可形成裂纹 提高温度 氢蚀加快 2 白点 冶炼等加工过程中吸收过量的氢 在冷却中未及时逸出 氢 原子将从固溶体中析出并存留在某些显微空隙处结合为分子状态 产生高压力 氢分子析出造成的内应力可与相变应力共同作用造 成脆性开裂 钢中的白点在纵向断口上为椭圆形的白色斑点 二 第二类氢脆 第二类氢脆是在应力和含氢介质作用下引起的脆性断裂 高 速变形不发生第二类氢脆 变形速度降低 金属的氢脆敏感性增 加 裂纹源是应力和氢脆交互作用下逐步形成的 这类氢脆通常 是可逆的 钛合金可出现不可逆氢脆 8 3 氢脆断裂的形态特征 氢脆不是一种独立的断裂机制 氢的加入只是有助于某种断 裂机制 其断裂方式可能是沿晶的也可能是穿晶的 一 宏观特征 钢出现氢脆时 由于延性和塑性下降 故为脆性断口 断口 比较平齐 大型铸件因白点发生断裂 在断口上可观察到白点 在纵向断口上 白点多椭圆形 直径从零点几毫米至十几毫米 亦有大至几十毫米者 在横剖面上白点为一细小的裂纹 发纹 高强度钢的氢脆断口比较平齐 裂纹源大多在皮下 对于缺口试 样 缺口半径大时 裂源远离缺口 半径小时 则靠近缺口 氢脆断口上存在放射状条纹 或是呈颗粒状 二 显微特征 白点裂纹大多数情况下是穿晶裂纹 白点裂纹的边缘呈锯齿 状 裂纹附近未发现氧化脱碳现象 20 高强度钢氢脆断口无固定的特征 低合金钢氢致开裂断口的不同部位 相对不同的 KI值 随 着裂纹的扩展方向 断口形貌从沿晶断裂到韧窝断裂呈规律性变 化 第九章 金属的蠕变断裂 蠕变是金属在恒定应力 在一定温度下 晶粒表面或近表面 物质有一定活度 逐渐由高势能态向低势能态转变 即晶体表面 张力作用下 表面积缩小的过程就是蠕变 其不过只是受外界应 力的影响而已 下发生缓慢而又连续的塑性变形现象 蠕变断裂 是一种独立的断裂机制 蠕变后金属不到屈服点就有可能屈服或断裂 碳素钢在 300 500 以上才会出现蠕变现象 合金钢在合金钢在 400 以上才会出以上才会出 现蠕变现象 现蠕变现象 蠕变失效 由蠕变导致的失效蠕变失效 分为两类 蠕变变 形失效和蠕变断裂失效 9 1 蠕变曲线 典型的蠕变曲线有四个阶段 如 图所示 oa 为瞬时蠕变阶段 ab 为 蠕变第 阶段 称为蠕变减速阶段 bc 为蠕变第 阶段 其特点是蠕变速 度为常数 在整个蠕变阶段中 这部 分的蠕变速度最小 cd 为蠕变加速阶段 至 d 点试样发生蠕变断 裂 蠕变的第 阶段可占整个过程时间的 40 45 蠕变第 阶段 低温时其蠕变曲线可用如下经验公式表示 1 lg 式中 与 1均为常数 故又称为对数蠕变或 蠕变 高温时 蠕变第 阶段可写成 2 1 2 蠕变伸长 a o d 时间 c b 21 式中 与 2均为常数 故又称为 蠕变 在其中间温度时采 取 lg 1 2 恒速的蠕变第 阶段是蠕变量 和时间 呈线性关系 即 3 K 式中 3与 K 均为常数 蠕变加速的第 阶段是蠕变裂纹大量萌生和扩展至断裂的阶 段 这一阶段无公认的表达式 一般称为 蠕变阶段 9 2 蠕变与温度和应力的关系 一 蠕变速度与温度和应力的关系 1 蠕变速度与应力的关系 在给定温度下 第 阶段蠕变速度和应力之间的关系 2 蠕变速度与温度的关系 温度对蠕变的影响表现在两个方面 一是直接影响材料 常数 一是影响材料的变形机制 当温度小于 0 4Tm 时 滑移机 制起主导作用 0 4 0 5Tm 时位错可以发生角滑移 出现回复蠕 变 0 5Tm 以上时为攀移蠕变 更高好的温度为扩散蠕变 二 断裂时间与温度和应力的关系 1 断裂时间与应力的关系 2 断裂时间与温度的关系 9 3 蠕变过程中金属内部组织结构的变化 一 晶界滑动 在温度超过材料的等强温度 由于晶界强度下降 在负荷作 用下晶界将产生滑动和迁移 进而对蠕变伸长作出贡献 温度升 高和形变速度下降 晶粒细小的时候对蠕变伸长贡献大 但相对 晶内形变造成的蠕变来说 只是蠕变量的一小部分 二 滑移 在蠕变整个过程中 通常都有滑移产生 所以滑移是整个蠕 变过程中的重要机制 滑移时蠕变伸长量的贡献比由晶界滑动和 22 迁移所做的贡献大 温度升高 滑移带不明显 这是由于滑移带加宽 在显微镜 下看不到 滑移带之间充满了精细滑移 蠕变伸长量绝大部分来 自精细滑移 常称之为无滑移流变式损失蠕变 精细滑移对蠕变 变形的贡献有时比粗滑移所引起的蠕变量要大 三 亚晶的形成 亚晶的形成也是蠕变过程中重要的结构变化 在高温下形变 往往不均匀 滑移比较集中 同时也产生许多形变带和扭折带 以及点阵弯折 这些将有利于多边化的进行 从而形成亚结构 形成完整和稳定的亚结构主要在 阶段 亚晶界就是位错墙 是位错密度很高的位错胞壁 亚晶界的 内部还有位错 亚晶的形成过程相当于在应力作用下的多边化过程 需要位 错的交滑移和攀移 亚晶本身是比较稳定的 但是亚晶粒的相对 旋转会引起蠕变 所以就整个材料来说 含有亚晶的材料容易变 形 曾错能低的金属如 Cu Fe 在蠕变中可出现再结晶现象 再结晶温度比静态再结晶温度要低 而且不一定要在回复过程完 成之后才开始结晶 更倾向于以再结晶软化 再结晶现象一般出 现在第 阶段和第 阶段 高层错能金属不易发生再结晶 在高温和应力的作用下 合金及耐热钢的蠕变过程中还会发 生与析出相有关的复杂变化 促进新相的形核与长大 加速第二 相质点的聚集 合金元素在基体和析出相间重新分配 9 4 蠕变理论 一 蠕变形变机制图 略 高温下材料的蠕变变形在不同的条件下由不同的机制控制 大致分为两类 位错蠕变和扩散蠕变 二 蠕变理论 一金属熔点 Tm为准 按照温度不同 可分为三类 当 T 0 25Tm时为低温蠕变 此时基本上不产生回复 当 0 25Tm T 0 5 Tm时称为中温蠕变 此时动态回复可显著进行 23 但扩散并不见明显 当 T 0 5Tm时称为高温蠕变 此时扩散过 程能显著进行 回复通过位错的攀移来实现 一 低温蠕变 低温蠕变是对数蠕变 可以用 9 1 是来描述其变形的时 间和规律 最早的低温蠕变理论是位错耗竭理论 目前低温蠕变 比较合适的是林位错理论 加工硬化的第 阶段 线性硬化区 开始时 原滑移系统中 位错塞积产生的长程应力导致次滑移系统的激活 于是产生大量 林位错 林位错是穿过滑移面的位错 它可以是原生网格中的位 错 也可以是次滑移系统中的位错 林位错理论认为 低温时没 有回复 滑移位错受到林位错交截时的阻碍 林位错的钉札作 用 和林位错的弹性交互作用 形成割阶等 滑移位错和林 位错相遇时 可通过位错反应形成一个相互吸引的交结 滑移位 错要越过去 必须破坏这个交结 这需要外力做功来供给所需要 的能量 有效交结激活能等于没有外力时激活能克服林位错产生 的弹性内应力后对位错移动所做的功 但在恒应力蠕变时 由于 原滑移面中位错和林位错的增加所造成的加工硬化 要使作用在 位错上的力不断增加才能克服弹性内应力 因此有效的应力不断 减少 从而蠕变变形不断减少 根据林位错理论得出的蠕变变形 时间公式与 9 1 式经验公式一致 二 中温蠕变理论 中温蠕变时 其蠕变曲线可用式 9 3 所示的混合形式表 示 对蠕变激活能的研究发现 在中温范围蠕变激活能与交滑移 激活能很接近 因此中温回复蠕变机制是螺位错交滑移机制 螺 位错可以沿着通过位错线的任何平面运动 但它的滑移的平面应 是阻力最小而且应力又最大的平面 若在这个平面上的运动受阻 可以在热激活的帮助下沿其他平面滑移 不论是高层错能材料还 是低层错能材料 螺位错若分解为扩展位错 则在交滑移之前必 须事先束集 而且束集的长度要达到一个临界值 如果束集太短 位错有可能重新分解回到原来的滑移面上 不能实现交滑移 束 24 集的能量需要热激活来提供 不论金属层错能的高低 只要应力 和温度达到要求 交滑移就可以通过一次激活完成 交滑移的产生 之多导致位错螺型部分的销毁 故随着蠕变 的进行 位错密度不断增加 因此蠕变速率总有下降趋势而达不 到稳定 所以 位错交滑移的蠕变机制是一种不能完全消除硬化 的回复过程 它主要反映蠕变第 阶段过渡到第 阶段是的一种 低温回复 三 高温蠕变 1 位错蠕变 温度较高时 蠕变第 阶段和第 阶段重叠 故这时总蠕变 可写为 1 3 K 高温位错蠕变由 蠕变与稳态蠕变两部分组成 不考虑蠕 变第 阶段 蠕变由于在形变中发生位错塞集 在热激活的帮助下 位 错通过攀移不断地进行多边化 使蠕变不断发生 在 蠕变时 温度较高 可以发生一些回复 但回复软化还不足以与加工硬化 相平衡 因而蠕变速率逐步下降 当回复与应变硬化达到平衡时 就进入蠕变稳态阶段 高温蠕变激活能与自扩散激活能一致 在位错蠕变中 自扩 散与位错攀移过程中的空位扩散有关 在稳态蠕变过程中 Weertman 理论时稳态蠕变的位错攀移理论 其具体出发点是稳 态蠕变由位错的攀移所决定 位错不断增殖 同时又不断通过攀 移而消失 增殖与攀移处于平衡时就达到稳态蠕变 位错攀移有 多种形式 a 越过 Lomer Contrell 位错 b 临近滑移面上异号 刃位错相消 c 位错通过攀移形成小角度晶界或加入已存的小角 度晶界 d 在晶界前塞集的位错沿晶界攀移 e 塞集在第二相质 点前的位错 将攀移越过第二相质点 可见 稳态蠕变 若某一 个位错被激活发生了攀移 为了使应力状态平衡 位错源必须再 放出一个新的位错以恢复原有的位错排列 另一方面攀移上来的 25 位错或者与异号位错遭遇而消失 或者被晶界 亚晶界所吸收 这样蠕变不断地进行 内部又形成了亚晶 亚晶界上的位错密度 不断增加 但晶内的位错密度大体不变 稳态蠕变速度和位错攀 移速度成正比 位错攀移必然导致局部空位浓度的变化 位错的 攀移速度取决于位错线周围空位的浓度梯度 由扩散方程考虑空 位的流动可得出稳态蠕变的速率 2 扩散蠕变 扩散蠕变是高温低应力下的一种蠕变机制 其发生的温度范 围为 0 85 1 Tm 是以大量空位沿一定的方向扩散 从而引起蠕 变 这种机制的蠕变速率既与外加应力成正比 也与金属的自扩 散速率成正比 9 5 蠕变断裂理论 一 蠕变断裂类型与蠕变断裂机制图 蠕变断裂可以是穿晶的 也可以是沿晶的 蠕变断裂可以是穿晶的 也可以是沿晶的 当发生高温断裂 时的温度低于等强温度时 由于材料的晶内强度低于晶界强度 这时发生穿晶型蠕变断裂 高温下发生快速断裂时 由于等强度 温度升高也会发生穿晶型蠕变断裂 高温低应力蠕变是工程上常 见的蠕变类型 而高温低应力蠕变的断裂方式通常是沿晶蠕变断 裂 沿晶蠕变裂纹有楔型裂纹 W 型 和空穴型裂纹 R 型 两 种 他们导致的蠕变断裂有所不同 不同的蠕变断裂的发生取决 于蠕变的条件 不同的应力和温度将导致在不同的时间发生断裂 并且发生的蠕变断裂的类型也是不同的 在一定的应力条件下 断裂时间是由试验温度或或工作温度所决定的 发生穿晶蠕变断 裂的时间最短 而沿晶蠕变断裂的的时间较长 发生空穴型蠕变 断裂是在较低的应力条件下 其断裂时间最长 二 楔型蠕变裂纹的形成机理 一般较低的试验温度 较高的应力以及较高的蠕变速率有利 于楔型裂纹的形成 楔型裂纹较早在 Al 合金中 继而在 NIMONIC 型合金中发现 锅炉内过热器发生蠕变爆管的管子中经常发现 W 型裂纹 W 型蠕变裂纹萌生于三晶粒交界处 然后沿晶界扩展 26 形成楔型裂纹的理论称之为应力集中理论 当晶界位错塞积 发生 W 型晶界裂纹时 形成裂纹所需的切 应力 9 19 式中 切应力 G 剪切模量 表面能 d 滑移带长度 此处可视为晶粒直径 若单位时间楔型裂纹高度 h 的变化等于晶界滑动的平均值 则楔型裂纹高度的变化率将近似等于晶界滑移所造成的形变率 即 dh dt d 9 20 假定蠕变时仅仅考虑晶界滑移 形成裂纹的条件 tfd 2 9 21 或 h 2 9 22 式中 外加应力 tf 断裂时间 g 滑移 根据式 9 21 和 9 22 可以导出蠕变断裂时间为 tf 2 d 9 23 在楔型裂纹的形成过程中 晶界上杂质的偏析和晶粒大小对 其影响很大 若杂质偏聚在晶界上 或有弱化晶界的第二相沉淀 此时将使表面能 下降 则由式 9 19 和 9 23 裂纹形核 所需的外力和断裂时间均下降 即楔型裂纹容易形成 若材料经 热处理后晶界的延性降低 易形成裂纹 如在三晶粒交界处形成 较大的碳化物 蠕变抗力将下降 如碳化物沿晶界均匀分布 晶 界滑移阻力增加 则不易形成裂纹 蠕变断裂抗力将提高 晶粒大小对蠕变抗力有较大的影响 在多晶粒金属中 晶粒 粗大 配合晶界滑移产生相应变形将变得困难 从而使三晶粒交 27 界处的应力集中不易松弛 容易形成裂纹 三 空穴型蠕变裂纹的形成机理 孔穴型蠕变裂纹易于形成在较高温度和低应力的条件下 其 裂纹的早期形态是孔洞 孔洞主要分布在与拉应力相垂直的横晶 界上 空洞的位置并不择优分布于三晶粒交汇处 孔洞如继续长 大就连接形成沿晶蠕变裂纹 孔洞的形成主要有下属两种假说 1 微空型蠕变裂纹形成的晶界滑移理论 蠕变微孔主要分布于与拉伸应力垂直的横晶界上 微孔的形 核位置通常有 滑移带与横晶界相交处 滑移带与滑移晶界相 交产生弯折 铜晶界微孔的间距与滑移带的间距相一致证明了这 种机制 亚晶界与滑移境界的的相交处 晶界上的第二相粒 子处 晶界原有的台阶 坎 处 裂纹形成与晶界滑移是不可分的 由于滑移在微孔形核位置 处发生应力集中 形成微孔 晶内滑移在滑移带和晶界处形成微孔 晶界滑移与晶内滑移 带在晶界上相交割 在交割处位错积塞或晶界滑移受阻而产生应 力集中 以致形成孔洞 微空形成之后 在应力集中的作用下 或空位的流入 微孔可以不断长大 同样 在晶界滑移过程中 当晶界割阶或弯折处也产生微孔 依据 坎 所受剪应力的方向不同有张开型和压缩型两种 张开 型的 坎 在晶界滑动过程中形成微孔 然而由于晶内不止一个 滑移系被激活 故两种 坎 都能成为微孔的形核处 微孔的形 成与晶界的滑移是不可分的 2 孔穴型蠕变裂纹的空位理论 孔穴型蠕变裂纹的空位理论认为 R 型孔洞的形成和长大是 由空位凝聚而产生的 空位的来源可以是晶体中的空位在热起伏 和拉力的作用下向横晶界迁移 当迁移至晶界的空位达到足够的 浓度时 形成微孔 空位的产生也可以是由于蠕变过程中位错的 切割和攀移 空位向晶界迁移而聚集形成微孔 如忽略形成孔洞附近弹性形变能的变化 则产生一孔洞所需 28 的能量为 W 4 R2 4 R3 3 式中 拉应力 R 微孔半径 表面能 若 dW dR 为极小值时 则可求得微孔的临界半径 R 2 若微孔小于临界尺寸 则将被分解而消失 若大于临界尺寸 则随空位的流入凝聚为孔洞 在高温蠕变条件