金属材料的裂纹与断口分析PPT课件

.1，金属材料故障分析，河海大学力学与材料大学硕士课程，第二讲裂纹与断裂分析，(failure analysisoft metallic cmaterials)，编辑：江景华，2，2，2钢的裂纹和断裂分析，第一节裂纹和断裂分析第三节断裂分析，3，3，第一节裂纹和断裂，在应力作用下，整个金属的一些薄弱部分部分部分破裂形成的不稳定缺陷。直接断裂材料的连续应力集中(大部分裂纹尖端更尖锐)金属的低应力导致了断裂、裂纹(裂纹)，实际金属零件中的各种微裂纹是不可避免的。在过程或使用过程中，在特定载荷或环境条件下逐渐生成和增长，扩展到重要大小时，零件完全被破坏-断裂！通过无损检测，如果内部有裂纹或有缺陷的零件超过破坏力学计算的临界尺寸，则必须销毁！1.1裂纹和断裂的本质，4，4，4，金属元件在应力下被分离为两个或多个不相互连接的部分，在断裂中暴露的自然表面(即，裂缝席卷的区域)称为断裂。形态特征裂纹扩展的痕迹。销毁过程相关信息的直接记录(忠实的记录者和证词者)判断失败原因的有利证据(根据破坏的主裂缝确定裂缝来源)，5，5，金属材料的破坏过程第三阶段：-裂纹萌生；-裂纹亚稳扩展和不稳定性扩展；-挂掉。低速稳态扩展： 5m/s异常快速扩展： 1km/s，声速：空气(25)346m/s，6，金属部件在制造、成型或使用阶段发生裂纹，受不同环境因素和搬运状态的影响，可以延伸到裂纹破裂为止。不同特征的不同类型的断裂！a .根据断裂前变形程度的完全脆性断裂和完全韧性破坏很少，一般是具有脆性和韧性的混合断裂。撕裂固件和剪切固件，混合，1.2破坏失败形式？7，7，延性断裂和破坏特性，(屈服强度)，机理，8，8、(微)、(宏)、9，9，脆性破坏和破坏特性，问：什么样的晶体结构材料容易发生脆性断裂？(宏)，10，10，薄板表面，薄板侧面-破坏，11，11，b .根据裂纹扩展路径分类，根据晶体，晶体穿透，混合晶体，12，12，c .根据裂纹机制分类，13，13，纯剪切，微孔絮凝破坏，14，14，d .根据力状态分类，e .根据环境介质分类，15，15，f .根据服务条件分类，16，16，1.3裂纹和破坏分析手段，宏观观察(肉眼，放大镜)显微裂纹(OMSEMTEM)磁检测，荧光探伤，超声波探伤x射线探伤和低倍率侵蚀等产品分析，万能轧机双排人字齿轮轴分割形式，(无损检测)，17，17，破坏形态观测工具的特性比较，18，18，第二次裂纹分析，各种加工过程中金属零件产生的裂纹，如：铸造裂纹，焊接裂纹，白点，热处理裂纹等，往往是零件的断裂。工艺裂纹、应力腐蚀裂纹(包括氢脆裂纹)、疲劳裂纹和蠕变裂纹等使用过程中金属部件产生的裂纹。使用裂纹，拉伸，扭转，19，2.1裂缝分析思路和内容，残骸合并，恢复，事故判断，主要裂纹判断，裂纹源位置，裂纹源附近的条件。20，20，2.2主要裂纹和裂纹源位置确定，裂纹源通常衍生自零件的应力集中或材料缺陷(裂纹位置)。一般来说，主裂纹比二次裂纹宽，长。裂缝源区应位于主裂缝中，并沿二次裂缝进行的相反方向上升(图-多分枝法)。后生裂纹不能通过原始裂纹，它可以确定相遇裂纹中的哪个主要裂纹-t-定律。，多分支图，t方法图，21，21，3节断裂分析，断裂分析思路和步骤1。销毁样品的制备和保存2。断裂的宏观观测(确定裂纹圆)3。毁灭的显微镜观察4。断裂剖面分析(确定破坏路径和组织的关系)5。故障类型确定和故障原因判断，22，22，3.1销毁样品的制造和保存，a .销毁样品的选择，b .销毁样品的切割，23，23，23，确定主要裂纹的方法，骨折检查，最严重的氧化区是第一个断裂区(主要裂纹形成)，合并零散裂纹，测量形状的变化，最大变形的主要裂纹。24，24，25，25，25，确定裂纹源的方法，碎片拟合方法，最小应变方法，十字型方法，射线标记法，切割唇法，夹纹法，构件形成裂纹，逐渐裂开后，有效截面变得越来越小，宏观变形变得越来越大，一般来说，源区域几乎不变。26，26，根据碎片整理方法、碎片拟合的大小或结合程度，可以看出这是第一位的。(a裂纹紧密度不好，先分离)。当表面没有应力集中时，裂纹源区域是两个“人”字形集的合集，即“人”的上部指向裂纹源。如果表面有应力集中(存在间隙)，则“人”的下部指向裂纹的来源。希灵本法，27，27，美国纯纳德球形储氢压力容器碎片相结合的一个视图，根据碎人字条纹矢量方向，聚集在清洁孔a，b，c中，得出裂纹来自清洁孔的结论。28，28，辐射指示法，剪切唇法，非不完全脆性断裂有剪切唇。如果断裂只有纤维区域，并且修剪裂缝，则裂纹在样本中心的纤维区域内外延伸，在这种情况下材料塑性更好。如果断裂同时具有纤维区域、辐射区域和剪切裂缝，则塑料变形将限制在裂纹尖端区域。对于断裂有疲劳的倒角，以疲劳条纹的圆弧为基准确定疲劳源。贝氏图案法，疲劳破坏贝氏线，径向，源区，从裂纹源。29，29，c .销毁样品清洗和保存，有灰尘或其他附件的销毁，30，30，清洁破坏，石油污染破坏。31，31，腐蚀严重破坏，32，32，腐蚀环境中的破坏破坏，33，33，3.2宏观破坏分析，破坏宏观分析是破坏失败分析的基础。通过宏观分析，可以直接确定缺陷的宏观表示和特性、断裂源区的位置、数量和裂纹扩展方向。34，34，金属断裂的宏观分析主要基于断裂的颜色、花纹、粗糙程度、边缘情况、位置等。纤维区域，金属光泽损失，静态负载拉伸断裂，35，35，拉伸试样的破坏比较，脆性破坏，延性破坏，点破裂，韧性，好，36，36，36，可以根据破坏表面粗糙度和反射粗略地判断破坏特性。破坏前塑料变形的大小和破坏形式特性通常可以确定破坏类型是延性、脆性还是疲劳断裂。裂纹形状决定了断裂圆和裂纹扩展方向、断裂三要素、工程构件中通常发生的两种延性断裂宏观形式，在滑移变形不受限制或约束较少的情况下经常发生。如果：板具有拉伸载荷，则薄壁容器过载，并且装置壁具有双向拉伸载荷。在直径大、没有缺陷和槽口的光滑圆杆样品慢变形拉伸测试中，如果材料韧性好，通常会发生韧性断裂。杯锥形断裂，纯剪切破坏，单滑系统启动，37，37，37，韧性断裂宏形态非杯锥外周槽口圆杆样品，板材，厚板，辐射面积增加，38，38，38，38，脆性断裂宏观形态，大部分通过晶界分解结构，断裂的宏观形态两个明显的特性：小刻面因为每个粒子分离面和波前不相同，所以如果将断裂在手里旋转，就会像有很多部分镜子一样闪闪发光。人字条纹或算子条纹随着裂纹的进行，断裂源点形成的人字“或算子图案”变粗(图中箭头指示方向是裂纹扩展方向)。39，39，由于晶相断裂或分析相断裂通常是脆性断裂，因此在断裂中经常可以观测到径向特征，在纯轴向或纯分析相断裂中不存在纤维区域和剪切裂缝区域。，在一些具有很厚模具的材料中，沿晶体断裂的宏观断裂显示出“冰糖”特征。如果粒子很细，就要用电子显微镜识别。分解断裂的宏观形式不仅显示径向条纹，还显示结晶形态，有很多强反射面(或刻面)。一些纯分裂断裂只有晶型，看不到辐射模式。40，40，40，疲劳破坏的宏形式必须根据疲劳条纹的密度、疲劳源区域的强度和相位情况确定疲劳源的起始顺序。原疲劳源地经历交变载荷作用的时间长，疲劳条纹密度高，同时光泽更亮。原始疲劳源区域，41，41，41，槽口敏感性对疲劳破坏形态的影响，如果对槽口不敏感疲劳条纹包围裂纹源或向外突出的同心形状，槽口敏感疲劳条纹围绕裂纹源周围开始相对平坦，向前延伸一定距离，向前展开半圆弧。42，42，42，负载类型、应力集中度和负载大小对疲劳破坏形式影响的图表，中断区域，延伸区域，43，43，几个重要断裂方法的断裂特征，44，44，45，45，冲击破坏断裂三要素分布图，如果材料足够好，辐射区域完全消失，一般在槽口附近先形成纤维区域，然后沿着没有切割的其他三面分布剪切嘴唇。在单摆冲击下，槽口一面受到拉应力，另一面受到压缩应力。由于整个横截面上力的方向不同，拉伸应力的辐射区域进入压缩后，可能会消失，纤维区域会重新出现，如下图所示。剪切裂缝，纤维区域，辐射区域，46，46，应变速率，温度时，绝大多数材料更强，更脆。温度越低，剪切裂缝的数量越少。高应变率的样品具有较小的坡度破坏(剪切裂缝)。冲击破坏表面上复盖的剪切裂缝(倾斜断裂面)的百分比，剪切裂缝，47，47，47，应力腐蚀和氢脆破坏的宏观形式，应力腐蚀开裂的原因经常发生在构件表面，破坏的裂纹圆和亚临界扩展区因介质腐蚀而产生黑色或灰色黑色。在氢脆断裂熔炼过程中形成氢分子的情况下，钢水冷却往往在夹杂等缺陷中析出或聚集，形成断裂的“白点”或“鱼眼”特征。在外部环境中(例如酸洗液、电镀液等)，氢侵入材料而产生的晶相破坏具有放射性或结晶性等脆性特性。鱼眼、48，48，白点，白点是由于钢中氢含量超标造成的缺陷。49、49、50，50，3.3显微断裂分析，根据断裂显微形态特征确定断裂类型，从裂缝源中找出断裂原因。此外，还可以进行韧性的定量测量、裂缝增长率分析、破坏过程和影响因素之间的定量关系等破坏失败的定量分析。断裂微结构、固件、分解模式、疲劳辉光等分别是判断金属韧性断裂、分解破坏和疲劳破坏的主要依据，分析内容：产品分析形态分析、51，51，疲劳条纹沿着脆性破坏(500)进行破坏(1000)，基本破坏机制的一般微观形态，准分解破坏(2000)固件破坏(2000)，52，52，光学显微镜分析，波段直接通过显微镜进行OM分析中断的特殊技术：不适合进入实验室现场观察的大型中断部件或中断起伏太大，妨碍拍摄照片的中断，提供中断部件中断的永久记录。常用的复杂类型较厚，因此产生的次数较少，形成崩塌。一般准备过程是将薄层粘着性丙酮溶液滴在断口上，然后用手将厚醋酸酯带(厚度0.25-0.40毫米)压入涂层，干燥约1分钟，然后从断裂中取出复模。为了增加对比度，碳或金的气相沉积；要获得定型，涂环氧树脂，用丙酮溶解原生质。，a .主要分析设备，53，53，切片和断裂剖面的研究破坏附近的切片研究，决定断裂和断裂微观结构之间的关系，确定裂纹增长方向是晶体还是晶体，充分显示裂纹发生部分的微观结构和裂纹之间的关系，有助于分析零件故障的原因。观察时为了保存断裂的边缘，经常使用镶嵌方法。雕刻镶嵌前在样品断口上镀镍，有助于保持断裂边完好无损。氨管道腐蚀失效截面破坏段试样腐蚀开裂(80)，54，54，镀镍，镍，镍，薄板，低碳钢管接头应力腐蚀破坏边缘镀镍金属相保护观察，纯铁低温冲击试验破坏剖面边缘镀镍金属相保护观察，55，55，TEM分析方法，一次碳复合物通常在实验室用于实验断裂，或用于对破坏的二次粒子或夹杂物进行电子衍射分析。二次复合使用交流纸作为开关，可以多次重复，而不会损坏中断，因此在故障中断分析中应用更广。断裂复合图、一次碳复合、二次复合、交流纸、56，56，SEM分析方法，优点：景深，直接可观察断裂，不需要复合准备，从低到高比例连续不动点可观察，样品准备样品大小较小，可以装入样品室。切割时波状及腐蚀沉积金属不应增加二次电子图像清晰度。57，57，58，58，欧氏电子光谱仪分析断裂的最有效方法是检测暴露在单晶界面上的锑、铋、砷、硫、磷等有害因素，研究沿晶体断口进行脆脆脆断的原因。通过对破坏表面元素的检测，研究腐蚀引起的故障。59，59，通过离子探针断裂表面分析，分析断裂表面的元素分布具有检测所有元素的优点，检测灵敏度很高(含100 ppm)沿晶界元素进行偏析氢脆性断裂的氢含量分析，60，60，分析学断裂，分解是指在特定条件下，因拉伸应力而沿特定晶体学平面分离金属的过程。大多数分解面是原子高密度排水面。FCC金属几乎没有分裂破坏。低温、高应变率、槽口、裂纹尖端等三向应力状态的存在，在腐蚀环境中活性介质吸附凹陷有助于产生分解断裂。b .金属断裂的基本微结构，61，61，观察分析破坏的微观结构经常会发现一些固件特征。两个解决方案裂纹连接图，分析阶段，在特定晶面上延伸的分裂裂纹遇到电位等缺陷后，切断，继续向具有高水平和低水平差异的相邻晶面延伸。基本上，在平行、高低不同的分析面上，裂缝相互连接，形成楼梯。楼梯表面是解析表面或双胞胎和矩阵的介面。62，62、江面图案，多解相组合，合成条纹，江面形状的地图，因此称为河面图案。上游支流合成下游主流。河流的流向是裂缝扩展的方向，裂缝源位于河流的上游，沿着河流逆流而上，可以确定断裂源。从分解阶段可以看出，河流的下游往往较大，上游较小，这是解释断裂最特征的微观形态。63，63，作为钢模式分解顺序的特征，支流分解顺序的汇流方向指示了断裂扩展方向。收敛角的大小与材料的塑性有关，但解析器的分布面积和解析器的高度与材料的位错密度和位错组态有关。分析钢模式分解顺序有助于找到主要断裂源的位置，判断金属的脆性，确定晶体的位错密度和位错容量。64，64、