静载荷作用下的断裂失效分析.ppt

定义和特征、4.1.1过载断裂故障的定义和断口的一般特征、4.1过载断裂故障的分析、1、过载断裂故障的定义当工作负荷超过能承受金属构件危险负荷面的极限负荷时，构件的断裂称为过载断裂。 1 :构件断裂初期阶段是否超载性质的断裂；2 :工作应力是否超过构件的实际承载能力，明确地表现出平滑断裂、2、超载断裂断裂的常见特征金属构件超载断裂故障时，通常一次出现负载断裂的特征。 那个宏观的切口和拉伸试验的切口非常相似。 4.1过载断裂失效分析，1-纤维区，2-辐射区，3-剪切裂纹，影响因素，4.1.2过载断裂失效特性的因素，4.1过载断裂失效分析，1，材料特性的影响，2，零件形状和几何尺寸的影响，3，负载特性的影响，4，环境因素的影响，影响因素，4.1.2过载断裂失效特性的因素， 4.1过载断裂故障分析，(1)许多单相金属、低碳钢和珠光体状态的钢，其过载断裂口有，1、材料性质的影响，(2)高强度材料、复杂的工业合金和马氏体时效钢等，其断裂的纤维区域有环状花纹，其中心为喷火口状，在“喷火口”的中心必须有夹杂物此外，具有辐射源细、剪切唇也小等特点。 影响因素，影响4.1.2过载断裂特点的因素，4.1过载断裂分析，(3)中碳钢和中碳合金钢的调质状态，断裂的主要特点有粗大的辐射剪切图案，纤维区和剪切唇几乎没有。 辐射剪切是典型的剪切脊。 这是发生断裂后进展时，在最大剪应力方向发生剪切变形的结果。 其另一个特征是辐射元素不是直线的。 这是变形约束小，裂纹钝化，传播速度慢等。 1、材料性质的影响，影响因素，4.1过载断裂失效分析，(4)塑性好的材料由于变形约束小，切口可能只有纤维区和剪切唇没有放射区。 切割部的纤维区域大的话，可以说材料的塑性好，相反，放射区变大的话，材料的塑性降低，脆性变大。 (5)纯金属也有可能形成全纤维的切断口和45角的滑动切断口。 (6)脆性材料的过载破坏，其切口可能完全没有出现“三要素”的特征，呈现出细致的瓷状、结晶状、镜面反射状等特征。形状尺寸、2、零件形状和几何尺寸的影响、4.1过载断裂故障分析、(1)圆形试样、缺口圆形试样过载断裂形态示意图1-缺口、2-纤维区、3-辐射区、4-最终断裂区、裂纹非对称扩张断裂形态示意图1-初始阶段、2-第二阶段、3-最终断裂区、4-裂纹扩展方向、几何尺寸、(3) 几何尺寸的影响4.1过载断裂故障分析、冲击断裂、3、载荷特性的影响、4.1过载断裂故障分析、环境影响、4.1过载断裂故障分析、环境影响、4.1过载断裂故障分析、扭转断裂、4.1.3扭转和弯曲过载断裂特性、4.1过载断裂故障分析、 韧性扭转过载断裂断面和轴向垂直断口可见明显的“涡状”，脆性扭转过载断裂断面和轴向为45，断裂以轴的台阶根部硬化层开始，弯曲断裂，4.1过载断裂故障分析，4.1.3扭转和弯曲过载断裂特征，弯曲过载断裂的十字轴，十字轴根部有明显的加工刀痕， 回火脆性现象、4.2.1回火脆性断裂故障、4.2材料脆性断裂故障1、回火脆性现象、回火温度对钢冲击韧性的影响、4340钢切口试样的冲击值与回火温度的关系、回火脆性特征、2、回火脆性断裂特征、4.2材料脆性断裂故障、宏观形态特征：断面结构粗糙、切口形态特征脆化程度不严重，切口也会出现剪切唇。 2Cr13对焊叶片切割形态，典型微观形态：沿奥氏体晶界分离形成的冰糖块。晶粒界面一般没有异常沉淀物，因此沿着其他种类的晶体被切断。 但是，马氏体回火脆性破坏的劈开界面可能会出现碳化物第二相质点和细韧窝图案。 破裂口一般可见二次破裂。 回火脆性分析，3，回火脆性破坏的分析，4.2材料脆性破坏故障，a室温冲击试验法b系列冲击试验法c低温拉伸试验法d破坏韧性法e破坏特性的比较分析，判别可能出现回火脆性的条件，具有回火脆性破坏的宏观、微观特性，验证材料的脆性，回火脆性分析，3， 回火脆性破坏的分析，4.2材料脆性破坏故障16尼科尼钢回火温度与力学性能的关系，室温拉伸试验中回火脆性，冷脆性金属，4.2.2冷脆性金属的低温脆性破坏，4.2材料的脆性破坏，4.2材料的脆性破坏，1、随着冷脆性金属及其特征、温度的降低，破坏形式的变化和塑性除面心立方之外的所有金属材料都是冷脆金属，低碳钢是典型的冷脆金属。 随着温度对低碳钢拉伸性能的影响、冷脆特征和温度的降低，低碳钢的破坏行为发生了如下变化：4.2材料引起的脆性破坏故障，(1)屈服极限和破坏应力随温度的降低显着上升，塑性指标f逐渐降低。 (2)在较低温度下破坏形态的变化，即从细孔型破坏变为劈开破坏。 (3)在更低的温度下发生塑性脆性的转移，即从宏观塑性的劈开断裂向宏观脆性的劈开断裂的转移，此时的极限塑性接近零。 这种过渡临界温度称为脆性转换温度。 冷脆特征，2、冷脆金属低温脆性破坏特征，4.2材料脆性破坏故障，(1)冷脆金属低温脆性破坏宏观特征典型破坏宏观特征为晶状，具有明显的镜面反射现象。 断口垂直于正应力轴，断口齐平，近无缩径现象，无剪切唇。 切口中的光反射小平面(小平面)相当于晶粒尺寸。 马氏体系高强度材料切口有时呈放射状撕裂的阶梯图案。 (2)冷脆金属低温断口的微观形态冷脆金属低温断口的微观形态具有典型的劈开断裂特征，有河流花纹、台阶、舌状花纹、鱼骨花纹、羽毛状花纹、扇形花纹等。 在一般工程结构用钢中，一般所说的解理断裂主要发生在冷脆状态下。 脆性特点，4.2材料脆性断裂故障，3 .分析金属脆性断裂，判断可能发生脆性断裂的条件，具有脆性断裂的宏观微观特征，验证材料脆性断裂温度系列的冲击实验方法，确定金属实际情况的脆性断裂温度是非常重要的，第二质点， 4.2.3第二相质点达到脆性破坏，4.2材料达到脆性破坏，1、第二相质点达到脆性破坏类型的第二相质点达到脆性破坏是由第二相质点沿晶界析出引起的晶界脆化或弱化所引起的一种晶体破坏。 脆性的第二相质点优先沿原奥氏体晶界析出而引起的晶界脆化。 一些杂质元素沿晶界富集导致晶界弱化。应力腐蚀、4.3.1应力腐蚀裂纹、4.3环境引起的脆性破坏故障、1、应力腐蚀裂纹的定义应力腐蚀裂纹(StressCorrosionCracking，SCC )类金属在应力(残馀应力、热应力、功应力等)与腐蚀介质的共同作用下引起的破坏形式。 应力腐蚀、4.3.1应力腐蚀裂纹、4.3环境引起的脆性破坏故障、静拉应力引起的金属腐蚀破坏，一般称为应力腐蚀裂纹的交变应力使金属腐蚀破坏称为腐蚀疲劳。 在延性材料中，应力腐蚀裂纹(断裂)也是脆性形状的断裂。 应力腐蚀是局部腐蚀，形成的裂缝常被腐蚀产物复盖，不易发现，破坏是突发性的。 应力腐蚀裂纹的发展速度一般介于均匀腐蚀速度和快速机械破坏速度之间。应力腐蚀，2，应力腐蚀裂纹的条件及其影响因素，4.3环境引起的脆性破坏故障，(1)弱腐蚀介质仅在金属表面形成不稳定的“保护膜”时，可能发生应力腐蚀裂纹。 (2)一定的拉伸应力和应变，压缩应力一般不发生应力腐蚀。 (3)每个金属或合金都有其特定的腐蚀介质系，即容易引起应力腐蚀破坏的金属-介质系。 (4)材料成分、组织、应力状态的影响。 (5)一般来说，介质的浓度和环境温度越高，应力腐蚀越容易发生。 应力腐蚀，SCC临界应力和应力强度因子示意图，4.3环境引起的脆性破坏故障，应力腐蚀，常见应力腐蚀发生的材料-电介质系统，4.3环境引起的脆性破坏故障，2， 4.3环境引起脆性破坏故障，4340钢强度对KISCC的影响，奥氏体不锈钢SCC时间与铁素体含量的关系，42%沸石MgCl2中，2，2，应力腐蚀裂纹的切口和裂纹特征，4.3环境引起的脆性破坏故障，1 )切口的宏观形态一般为脆性破坏2，2，应力腐蚀裂纹的切口和裂纹特征，4.3环境引起的脆性破坏故障，(2)应力腐蚀裂纹来源于表面，呈不连续状，裂纹具有分支多、尾部尖锐(呈树枝状)的特征。 2、2、应力腐蚀裂纹的切口和裂纹特征，4.3环境引起的脆性破坏故障，一般应力小，腐蚀介质弱，应力腐蚀裂纹多沿晶体扩展，相反应力大，腐蚀介质强，应力腐蚀裂纹通常是贯通晶体的进展。 应力腐蚀裂纹通常可以是贯穿晶体和晶体的混合型。 第二相质点沿晶界析出，容易促进裂纹沿晶体的扩展。 2，4.3环境引起的脆性破坏故障，2，(4)应力腐蚀破坏口的微观形态为岩石状，岩石表面有腐蚀痕迹。 严重的情况下，整体被腐蚀产物复盖。 在这种情况下，切口呈泥纹状或龟板状图案。 深入了解4.3环境引起的脆性破坏故障、泥纹图案、混合破坏、岩石图案、2、3、应力腐蚀裂纹故障分析、4.3环境引起的脆性破坏故障、(1)材料生产过程和处理技术，掌握材料成分、组织状态以及杂质(夹杂物)的含量和分布。 深入了解硫化物、(2)设备和部件的结构特点、加工、制造、组装过程。 如果需要，可对设备或组件进行应力分析和测试，以确定材料的应力状态和大小。 注意加工、组装等过程中产生的残馀应力及其分布。 2、3、应力腐蚀裂纹故障分析、4.3环境脆性破坏故障、(5)根据需要，在实际使用条件下进行反复试验，在实验室内进行模拟现场产生应力腐蚀裂纹的条件(介质、应力、温度等)，采用能够在实际条件下预测应力腐蚀裂纹倾向的加速试验方法，验证产生的应力腐蚀裂纹详细了解局部浓缩状况、(3)设备和部件的使用环境特征、介质的种类、使用温度等。 针对不同材料，重点分析引起应力腐蚀裂纹的敏感介质。 (4)确定断口和裂缝形态的宏观、微观分析、断裂特征。 2，4.3.2氢致脆性破坏故障Hydrogen-embrittlement，4.3环境致脆性破坏故障，氢致金属材料在低应力静载下的脆性破坏，又称氢致破坏，又称氢致脆性。 氢不仅使材料变脆，在某些条件下还会引起表面起泡等其他损伤，但由于这种损伤与材料本身的脆性关系不大，因此在很多资料中将使金属变脆的过程统称为氢损伤。2、4.3环境引起的脆性破坏故障，氢作用引起的早期故障或裂纹引起的金属强度和塑性降低引起的焊接接头冷裂纹腐蚀环境的延迟破坏会促进应力腐蚀和腐蚀疲劳，氢破坏氢的含量极低，还会在1ppm以下给材料组织带来极其敏感的特有破坏特性吗？ 断裂时间为天，months，更长，2， 1、氢进入金属材料路径，4.3环境达到脆性破坏，(4)金属部件在运转中，环境也能够供给氢，(1)金属材料的基体内残留的氢冶炼、焊接、熔融铸造，(2)金属材料在含氢的高温气氛下加热时，进入金属内部的氢，(3) 金属材料在化学和电化学处理中进入金属内部的氢、2、2、氢变脆的类型(1)溶解在金属基质中的氢原子析出，通过与金属内部的缺陷分子状态结合而产生的高压，材料变脆。 钢中的“白点”属于这一类型。 4.3环境引起的脆性破坏故障，(2)环境气氛中的氢在高温下进入金属内部，夺取钢中的碳形成甲烷，使钢脆性化。 (3)固溶氢致可逆氢脆机械部件通常产生的氢诱发破坏一般属于该氢脆。 2，2，氢致脆性破坏的类型，4.3环境致脆性破坏故障，固溶状态的氢不经过化学反应，只含少量氢就会引起氢脆。 这种氢脆具有明显的延迟破坏性质。 只在一定的温度范围(-100150C )出现，在室温附近最敏感。 对材料强度极限、屈服极限、伸长率及冲击韧性的影响较小，但对材料极限截面收缩率的影响较大。 由于、2、3、氢致脆性破坏切断形态的特征、4.3环境致脆性破坏故障、(1)宏观切断面共面、脆性结晶状、表面呈清洁明亮灰色的实际构件的氢致脆性破坏多与机械破坏同时出现，因此应将这两个破坏特征纳入切口氢脆破坏的源区形态、大小分析有助于正确判断氢的来源和破坏的原因。 2、3、氢脆断裂的切口形态特征、4.3环境脆断裂；(2)微切口沿晶体分离，晶粒轮廓清晰，晶界可见变形线的应力大时，也可能发生微孔型穿孔裂纹。 (4)应力集中的部分产生裂纹时，微裂纹起因于表面或接近缺口的底部。 应力集中较小时，微裂纹多起因于二次表面，而且多远离缺口底部(渗碳等表面硬化材料出现的氢脆多起因于二次表面)。 2、研究：相同材料的氢脆断裂形态在氢含量和钢的原始组织形态不同时发生变化。 高合金二次硬化钢氢脆性敏感性的研究结果表明，450的回火试样缓慢折断，填充氢，对05h、裂纹起点为结晶准劈开的氢充电4h，裂纹起点以沿着结晶破坏为主，对存在少量准劈开的氢充电10h，裂纹起点沿着结晶和贯通准劈开断裂482回火氢填充0.5h，裂纹开始区为准劈开，厚度约为25m的氢填充4h和10h，试样裂纹的起点全部为准劈开，厚度分别为7m和11m，随着没有出现沿晶体的破坏特性的氢填充时间变长，试样放射区的韧带变浅。 氢填充对600回火试样的破坏形态没有影响，氢填充为10h，还是韧性破坏。4.3环境引起脆性破坏故障、2，4.3环境引起的脆性破坏故障、2，4.3环境引起的脆性破坏故障、2，4.3.6高温下的脆性破坏(热脆性)故障、4.3环境引起的脆性破坏故障、(1)呈现热脆性的钢材在高温下的冲击韧性不低，但室温冲击韧性比通常值降低5060%，进而降低80%以上奥氏体钢因热脆性的情况而异，在发生热脆性的同时，多发生强度和塑性等指标的变化。 1、热脆性破坏的特征，(2)破坏的宏观表现为脆性，切口呈粗晶状。 微观上沿着晶体的正向断裂。2、4.3.6高温加长后，脆性破坏(热脆性)故障、4.3环境脆性破坏故障、(3)具有热脆性的金属在金相组织中可见黑色网状特征，析出第二相质点。 这是判断金属高温脆性发生的重要依据，其金