失效分析基础知识

1、2022-4-2712 失效分析基础知识失效分析基础知识 材材 料料 知知 识识 力力 学学 知知 识识 化化 学学 知知 识识失效失效分析分析2022-4-2722.1 常见缺陷常见缺陷一一 铸造缺陷铸造缺陷2.1 金属构件中的常见缺陷金属构件中的常见缺陷一、铸态组织缺陷一、铸态组织缺陷1. 缩孔与疏松缩孔与疏松图图2-1 缩孔缺陷缩孔缺陷(a)低碳钼钢铸锭端部取样低碳钼钢铸锭端部取样 形形貌貌特特征征(b) Cr17铸钢锭下部取样铸钢锭下部取样2022-4-273图图2-2 疏松缺陷疏松缺陷(a) 45钢铸锭的严重疏松钢铸锭的严重疏松 (b) 2Cr13钢热轧后退火的中心疏松钢热轧后退火的

2、中心疏松晶间疏松晶间疏松 & 枝晶疏松枝晶疏松 缩孔与疏松的消除缩孔与疏松的消除合理选择合金成分合理选择合金成分 合理的铸造工艺合理的铸造工艺 合理的锻轧工艺合理的锻轧工艺 缩孔与疏松的危害缩孔与疏松的危害主要使力学性能、密封性能、表面粗糙度受影响主要使力学性能、密封性能、表面粗糙度受影响2022-4-2742.偏析偏析偏析偏析凝固形成的晶体凝固形成的晶体内部由于扩散不内部由于扩散不足引起的偏析。足引起的偏析。晶内偏析晶内偏析晶间偏析晶间偏析区域偏析区域偏析比重偏析比重偏析凝固形成的枝状凝固形成的枝状晶内由于扩散不晶内由于扩散不足引起的偏析。足引起的偏析。金属在凝固时由金属在凝固时由于

3、某些因素的影于某些因素的影响而生产的化学响而生产的化学成分不均匀现象成分不均匀现象先结晶区域的化先结晶区域的化学成分与后结晶学成分与后结晶区域间的偏析。区域间的偏析。先结晶区域的比先结晶区域的比重不同于后结晶重不同于后结晶区域间的偏析。区域间的偏析。2022-4-275偏析的预防偏析的预防 净化合金液净化合金液 改善凝固条件改善凝固条件 扩散退火处理扩散退火处理图图2-3 硫的区域偏析硫的区域偏析(硫印图硫印图)2022-4-2763. 气孔与白点气孔与白点气孔的类型：气孔的类型：侵入气孔、析出气孔和反应气孔侵入气孔、析出气孔和反应气孔 气孔的危害：气孔的危害：降低强度、气密性、耐蚀性和耐热性

4、降低强度、气密性、耐蚀性和耐热性气孔的预防：气孔的预防：合金液除气、合理的铸造工艺合金液除气、合理的铸造工艺图图2-4 气孔气孔2022-4-277白点：白点：合金液中的氢在凝固时析出形成气体氢，聚集于合金液中的氢在凝固时析出形成气体氢，聚集于合金内，在纵向断口上呈现为表面光滑、银白色的圆形合金内，在纵向断口上呈现为表面光滑、银白色的圆形或椭圆形的斑点。或椭圆形的斑点。白点的消除白点的消除：净化除气：净化除气易发钢种：易发钢种： 含含Cr、Ni、Mn的合金结的合金结构钢及低合金工具钢构钢及低合金工具钢提醒：提醒：含白点的钢材或含白点的钢材或其它材料不能使用！其它材料不能使用！图图2-5 白点白

5、点2022-4-278二二 锻轧件缺陷锻轧件缺陷二、锻轧件缺陷二、锻轧件缺陷1. 内部组织缺陷内部组织缺陷 危害危害: 脆性增加，强度下降脆性增加，强度下降!a. 粗大的魏氏组织粗大的魏氏组织提醒提醒: 重要件不允许有魏氏组织重要件不允许有魏氏组织图图2-6 魏氏组织魏氏组织2022-4-279b.网络状碳化物及带状组织网络状碳化物及带状组织提醒：提醒：常导致工、模具钢过早失效常导致工、模具钢过早失效危害：危害：使性能呈各向异性使性能呈各向异性!(a) (b)图图2-7 网络状碳化物网络状碳化物(a)及带状组织及带状组织(b)2022-4-2710c. 钢材表面脱碳钢材表面脱碳(a) (b)图

6、图2-8 锻制螺栓表面脱碳后的组织锻制螺栓表面脱碳后的组织(a)及强度降低而变形及强度降低而变形(b)2022-4-27112. 钢材表面缺陷钢材表面缺陷 a. 划痕划痕 b. 表面裂纹表面裂纹 c. 分层分层 d. 折叠折叠e. 结疤结疤 ：金属锭或型材表面的凹凸坑：金属锭或型材表面的凹凸坑(23mm)图图2-9 低碳钼钢管内壁的折叠和结疤低碳钼钢管内壁的折叠和结疤2022-4-2712三三 夹杂物对钢性能的影响夹杂物对钢性能的影响三、夹杂物对钢性能的影三、夹杂物对钢性能的影响响1. 夹杂物的类型夹杂物的类型构件失效中，构件失效中，90%是疲劳失效是疲劳失效(正常使用时正常使用时)。a. 脆

7、性夹杂物脆性夹杂物图图2-11 裂纹优先在较大夹杂物与钢基体交界处产生裂纹优先在较大夹杂物与钢基体交界处产生a. (OM像像)38CrMoAl疲劳试样表面裂纹疲劳试样表面裂纹b. (SEM像像)疲劳断口疲劳断口, 夹杂物与钢基体脱开夹杂物与钢基体脱开2022-4-2713b. 塑性夹杂物塑性夹杂物 图图2-12 串链状夹杂物串链状夹杂物 图图2-13 硫化锰塑性夹杂物硫化锰塑性夹杂物2022-4-2714c. 半塑性变形的夹杂物半塑性变形的夹杂物(a)球型铝酸钙与铝硅酸盐复合夹杂物球型铝酸钙与铝硅酸盐复合夹杂物 (b)尖晶石型双氧化物与铝硅酸盐复合夹杂物尖晶石型双氧化物与铝硅酸盐复合夹杂物 图

8、图2-14 复合夹杂物的变形复合夹杂物的变形2022-4-27152. 夹杂物对钢性能的影响夹杂物对钢性能的影响a. 夹杂物使钢产生微裂纹夹杂物使钢产生微裂纹b. 夹杂物易引起应力集中夹杂物易引起应力集中c. 夹杂物降低钢的韧性夹杂物降低钢的韧性主要是指对强度和韧性的影响。主要是指对强度和韧性的影响。2022-4-2716四 焊接组织缺陷四、焊接组织缺陷四、焊接组织缺陷1. 接头的形成与区域特征接头的形成与区域特征图图2-16 焊接接头区域、热影响区、焊缝结晶过程焊接接头区域、热影响区、焊缝结晶过程a. 接头组织区域划分接头组织区域划分热热影影响响区区b. 焊缝及热影响区的组织焊缝及热影响区的

9、组织 c.c. 焊缝结晶过程焊缝结晶过程2022-4-2717图图2-19 焊缝中的多边化裂纹焊缝中的多边化裂纹2. 焊接裂纹焊接裂纹a. 热裂纹热裂纹：有结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹：有结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹图图2-18 焊缝中的高温液化裂纹焊缝中的高温液化裂纹2022-4-2718b. 再热裂纹再热裂纹热处理过程中产生的裂纹，一般在热处理过程中产生的裂纹，一般在550650最为敏感。最为敏感。图图2-20 焊缝中的再热裂纹焊缝中的再热裂纹2022-4-2719c. 冷裂纹冷裂纹 较低温度下在热影较低温度下在热影响区产生的裂纹，是一响区产生的裂纹，是一种影响较大的缺陷。有种

10、影响较大的缺陷。有以下三种类型：以下三种类型：延迟裂纹延迟裂纹淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹 图图2-21 焊缝中的延迟裂纹焊缝中的延迟裂纹2022-4-2720图图2-22 焊缝中的淬硬脆化裂纹焊缝中的淬硬脆化裂纹2022-4-2721d. 层状撕裂层状撕裂层状撕裂温度不超过层状撕裂温度不超过400；常发生在装焊过程或结构完工之后，是一种难修复的结常发生在装焊过程或结构完工之后，是一种难修复的结 构破坏，甚至造成灾难性事故；构破坏，甚至造成灾难性事故；低合金高强钢或调质钢的厚板结构，如采油平台、厚壁低合金高强钢或调质钢的厚板结构，如采油平台、厚壁 容器、潜艇等，易发生层

11、状撕裂。容器、潜艇等，易发生层状撕裂。 图图2-23 T型接头的层状撕裂型接头的层状撕裂2022-4-2722五五 热处理组织缺陷热处理组织缺陷五、热处理组织缺陷五、热处理组织缺陷 零件在加热和冷却过程中，因热应力和组织零件在加热和冷却过程中，因热应力和组织应力而生产的缺陷，如淬裂。应力而生产的缺陷，如淬裂。原材料已有缺陷原材料已有缺陷原始组织不良原始组织不良有夹杂物有夹杂物淬火温度不当淬火温度不当淬火时冷却不当淬火时冷却不当有机械加工缺陷有机械加工缺陷淬火后回火不及时淬火后回火不及时淬裂原因：淬裂原因：2022-4-27232.2 力学计算基础力学计算基础一一 传统强度理论传统强度理论2.2

12、 力学计算基本概念力学计算基本概念一、传统强度理论一、传统强度理论强度理论：解释构件强度失效不同的决定性因素的理论。强度理论：解释构件强度失效不同的决定性因素的理论。断裂失效有：断裂失效有：最大拉应力理论最大拉应力理论、最大拉应变理论最大拉应变理论屈服失效有：屈服失效有：最大切应力理论最大切应力理论、形状改变比能理论形状改变比能理论 1. 强度理论强度理论a最大拉应力理论最大拉应力理论 (第一强度理论第一强度理论) 决定构件产生决定构件产生断裂失效断裂失效的主要因素是最大拉应力的主要因素是最大拉应力 。1适用适用 以拉伸为主的脆性材料，如铸铁、石料等；以拉伸为主的脆性材料，如铸铁、石料等；范围

13、范围 主应力均为拉应力的二向应力状态的脆性材料。主应力均为拉应力的二向应力状态的脆性材料。而而 ，K为安全系数为安全系数b k 强度条件强度条件:1 ，2022-4-2724 决定材料发生决定材料发生断裂失效断裂失效的主要因素是单元体中的最大的主要因素是单元体中的最大拉应变拉应变1。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体中的最大拉应变中的最大拉应变1 达到单向拉伸情况下发生断裂失效时的达到单向拉伸情况下发生断裂失效时的拉应变极限值拉应变极限值f 时，材料就将发生断裂失效。时，材料就将发生断裂失效。强度条件：强度条件：1 f 极限应变：极限应变：f

14、 b E广义虎克定律：广义虎克定律：1 1(23)1E即强度条件：即强度条件： 1(23) 当单向拉伸时，当单向拉伸时，11Ef bE，第二强度理论与第一强度理论完全一致。第二强度理论与第一强度理论完全一致。b最大拉应变理论最大拉应变理论 (第二强度理论第二强度理论)2022-4-2725 第二强度理论能很好地解释脆性材料受轴向压缩时，第二强度理论能很好地解释脆性材料受轴向压缩时，沿纵向发生的断裂失效现象；沿纵向发生的断裂失效现象； 脆性材料受一拉一压的二向应力状态，断裂试验结果脆性材料受一拉一压的二向应力状态，断裂试验结果与第二强度理论计算结果相近。与第二强度理论计算结果相近。 第二强度理论

15、对塑性材料不适用，因为第二强度理论对塑性材料不适用，因为是材料单是材料单向拉伸时沿横截面发生脆断失效的许用应力，像塑性材料向拉伸时沿横截面发生脆断失效的许用应力，像塑性材料(如低碳钢如低碳钢)是不可能通过单向拉伸试验得到材料在脆断时是不可能通过单向拉伸试验得到材料在脆断时的极限值的极限值f 的。的。2022-4-2726c最大切应力理论最大切应力理论 (第三强度理论第三强度理论)强度条件：强度条件：max s 即强度条件：即强度条件： 13 复杂应力状态下，复杂应力状态下，max (13)2其中其中s k单向应力时，单向应力时，s s2适用范围：适用范围： 该理论是塑性屈服判据，而不是断裂判据

16、；该理论是塑性屈服判据，而不是断裂判据； 结果偏于安全结果偏于安全(没考虑主应力没考虑主应力2的影响的影响)； 不能解释脆性材料的失效。不能解释脆性材料的失效。 决定材料塑性决定材料塑性屈服而失效屈服而失效的主要因素是单元体中的最的主要因素是单元体中的最大切应力。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元大切应力。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体中的最大切应力体中的最大切应力max 达到单向拉伸下发生塑性屈服时的达到单向拉伸下发生塑性屈服时的极限切应力极限切应力s 时，材料就发生塑性屈服而失效。时，材料就发生塑性屈服而失效。2022-4-2727d形状改变比能理论形状改变比能理论 (第

17、四强度理论第四强度理论)复杂应力下构件的形状改变比能为复杂应力下构件的形状改变比能为 f (12 )2 + (23 )2 + (31 )2 1+6E 强度条件：强度条件：f (2s2 )1+6E单向拉伸时材料与单向拉伸时材料与s 相应的形状改变比能为相应的形状改变比能为1+6E(2s2 ) 塑性材料，构件形状改变比能是引起塑性材料，构件形状改变比能是引起屈服屈服的主要因素。的主要因素。即无论构件处于何应力状态，只要形状改变比能即无论构件处于何应力状态，只要形状改变比能f 达到材达到材料在单向拉伸时发生屈服应力料在单向拉伸时发生屈服应力s 相应的形状改变比能，材相应的形状改变比能，材料就屈服引起

18、构件失效。料就屈服引起构件失效。 )()()(21213232221即即2022-4-2728形状改变比能理论又称为形状改变比能理论又称为均方根切应力理论均方根切应力理论适用范围适用范围 该理论是塑性屈服判据，而不是断裂判据；该理论是塑性屈服判据，而不是断裂判据； 常用于塑性好的材料如钢、铝、铜等；常用于塑性好的材料如钢、铝、铜等； 与试验结果吻合程度比第二强度理论更好。与试验结果吻合程度比第二强度理论更好。2. 各强度理论的适用范围各强度理论的适用范围 强度理论的强度条件统一式：强度理论的强度条件统一式： e (e : 相当应力相当应力) e-构件危险点处于三个主应力的某种组合。构件危险点处

19、于三个主应力的某种组合。2022-4-2729四个强度理论的四个强度理论的相当应力相当应力表达式如下：表达式如下： )()()(21 )4( )3()( )2( ) 1 (213232221313211eeee用用e 对构件进行强度校核，应清楚：对构件进行强度校核，应清楚： 所用强度理论应与在该种应力状态下的失效形式相适应；所用强度理论应与在该种应力状态下的失效形式相适应； 采用的采用的应与该失效形式的极限应力相符合。应与该失效形式的极限应力相符合。2022-4-2730受三向压应力受三向压应力(但但 不能用脆性材料的单不能用脆性材料的单向许用应力向许用应力)或塑性材料的薄壁圆筒受或塑性材料的

20、薄壁圆筒受单单/双向拉应力。双向拉应力。如钢梁如钢梁塑性材料：受单塑性材料：受单/双向拉应力双向拉应力(偏安全偏安全)。如钢制圆筒如钢制圆筒脆性材料：受单脆性材料：受单/双双/三向拉应力三向拉应力;塑性材料：受三向拉应力塑性材料：受三向拉应力( 不是单向不是单向拉伸时的许用应力拉伸时的许用应力)。第二类强第二类强度理论度理论(屈服失效屈服失效理论理论)第一类强第一类强度理论度理论(断裂失效断裂失效理论理论)强度理论名称及分类强度理论名称及分类4-形状改形状改变比能理论变比能理论3-最大切最大切应力理论应力理论2-最大拉最大拉应变理论应变理论1-最大拉最大拉应力理论应力理论适用范围适用范围脆性材

21、料：受轴向压缩或一拉一压的脆性材料：受轴向压缩或一拉一压的二向应力二向应力2022-4-27313. 对传统强度理论的评价对传统强度理论的评价 GBl50钢制压力容器钢制压力容器 、美国、美国ASME锅炉及压力锅炉及压力容器规范容器规范、英国、英国BS5500非直接火压力容器非直接火压力容器、日本的、日本的JIS B 8243压力容器构造压力容器构造等都采用传统强度理论。等都采用传统强度理论。 GBl50-1998钢制压力容器钢制压力容器 静载荷压力容器及其构件，设计压力为静载荷压力容器及其构件，设计压力为0.135MP； 容器中任一点应力按平面力系将其归结为单向屈服的关系，用弹性容器中任一点

22、应力按平面力系将其归结为单向屈服的关系，用弹性强度理论导出；强度理论导出； 总体一次薄膜应力用总体一次薄膜应力用最大拉应力理论最大拉应力理论，将其控制在许用应力之下；，将其控制在许用应力之下； 局部应力用局部应力用最大切应力理论最大切应力理论，以三个主应力的最大与最小的差值为，以三个主应力的最大与最小的差值为应力强度，将其限制在许用值之下。应力强度，将其限制在许用值之下。(1) 对工程实践仍起指导作用对工程实践仍起指导作用2022-4-2732(2) 计算结果不够准确计算结果不够准确传统强度计算假设材料均匀连续、无损伤传统强度计算假设材料均匀连续、无损伤 实际材料为非均匀连续的，存在微裂纹、微

23、孔洞、剪切实际材料为非均匀连续的，存在微裂纹、微孔洞、剪切带以及各种损伤基元的组合，这大大降低了承载能力。带以及各种损伤基元的组合，这大大降低了承载能力。传统强度计算采用较高的安全系数传统强度计算采用较高的安全系数 安全系数是一安全系数是一模糊概念模糊概念，它包容材料的实际情况、真实，它包容材料的实际情况、真实变形和制造、使用等过程变化；变形和制造、使用等过程变化； 安全系数是安全系数是经验取值经验取值，当它未能包含以经验取值的因素，当它未能包含以经验取值的因素时，事故就发生了。时，事故就发生了。 如如“泰坦尼克泰坦尼克”豪华游船的惨剧豪华游船的惨剧2022-4-2733二二 断裂力学知识断裂

24、力学知识二、断裂力学基本概念二、断裂力学基本概念 断裂力学研究宏观裂纹断裂力学研究宏观裂纹(0.1mm)的均匀连续基体的力学的均匀连续基体的力学行为，认为断裂主要是宏观裂纹的成长及其失稳扩展。行为，认为断裂主要是宏观裂纹的成长及其失稳扩展。 裂纹失稳扩展通常由裂纹端点开始，裂端区的应力应变场裂纹失稳扩展通常由裂纹端点开始，裂端区的应力应变场强度大小与裂纹的稳定性密切相关，当裂端表征应力应变场强度大小与裂纹的稳定性密切相关，当裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时，裂纹迅速扩展，使构件断裂。强度的参量达到临界值时，裂纹迅速扩展，使构件断裂。 两个问题两个问题 裂纹体在裂端区裂纹体在裂端区应力应

25、变场强度应力应变场强度的表征及变化规律；的表征及变化规律； 裂纹体发生失稳扩展的裂纹体发生失稳扩展的临界值临界值。定量关系定量关系 建立构件裂纹尺寸、工作应力与材料抵抗裂纹扩展能力建立构件裂纹尺寸、工作应力与材料抵抗裂纹扩展能力之间的定量关系是断裂力学研究的重点之间的定量关系是断裂力学研究的重点 。2022-4-2734图图2-26 材料断裂的载荷材料断裂的载荷-变形量关系变形量关系载荷载荷-变形量呈线性关系变形量呈线性关系(有很小一段非线性关系有很小一段非线性关系)载荷与变形量由线性载荷与变形量由线性关系变为非线性关系关系变为非线性关系线弹性断裂力学线弹性断裂力学弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学

26、断裂力学断裂力学2022-4-27351. 线弹性断裂力学线弹性断裂力学1. 线弹性断裂力学及其应用线弹性断裂力学及其应用图图2-27 裂纹扩展的三种基本类型裂纹扩展的三种基本类型 (1) 裂纹扩展的三种基本类型裂纹扩展的三种基本类型假假 设：设： 材料是线弹性的；材料是线弹性的； 忽略裂纹尖端出现的体积很小的忽略裂纹尖端出现的体积很小的塑性区塑性区的影响。的影响。2022-4-27362 a裂纹尖端引起的裂纹尖端引起的应应力集中力集中 图图2-28 无限大平板中心长为无限大平板中心长为2a 贯穿厚裂纹贯穿厚裂纹(2) 张开型裂纹尖端张开型裂纹尖端附近附近的二向应力场方程的二向应力场方程202

27、2-4-2737.(2-6a).(2-6b).(2-6c).(2-6d)K - 应力场强度因子应力场强度因子 aK )23sin2sin1 (2cos2 1rkx )23sin2sin1 (2cos2 1rky )23cos2cos2sin2 1rkxy在裂纹尖端扩展线在裂纹尖端扩展线(即即x轴轴) 上，上，=0, sin=0, 此时此时0 ,2 xyyxrk2022-4-2738裂纹尖端处于裂纹尖端处于平面应力平面应力(即二向应力即二向应力)状态，如状态，如薄板受力，薄板受力，z=0 。裂纹尖端处于裂纹尖端处于平面应变平面应变(即三即三向应力向应力)状态，如厚板受力，状态，如厚板受力，z=0

28、，z=(x+y) 。2022-4-2739(3) 应力场强度因子应力场强度因子K Y叫叫几何因子几何因子(或形状因子或形状因子)，它是和载荷无关，它是和载荷无关，而与裂纹形状、加载方式及其试样集合形状有关的量。而与裂纹形状、加载方式及其试样集合形状有关的量。 K叫叫应力场强度因子，它应力场强度因子，它控制了应力的大小。控制了应力的大小。对其它裂纹状态的张开型裂纹，对其它裂纹状态的张开型裂纹，(2-6)(2-6)式仍成立，但式仍成立，但akY1(2-8)2022-4-2740 当当K增大到某一临界值增大到某一临界值KC时时( (临界状态临界状态) ), , 裂纹突然裂纹突然扩展，材料快速断裂。扩

29、展，材料快速断裂。KC又叫断裂韧性。又叫断裂韧性。(4) 临界应力场强度因子临界应力场强度因子KC Y Y11CCCCakak或(2-8)C C-断裂应力，断裂应力，a C C-临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸 KC反映了有裂纹存在时材料抵抗脆性断裂的能力反映了有裂纹存在时材料抵抗脆性断裂的能力, ,是是强度和韧性的综合性能指标强度和韧性的综合性能指标, ,它测定方法参考它测定方法参考GB4161GB4161。 KC越大，其断裂韧性越好。越大，其断裂韧性越好。2022-4-2741某些工程用钢的屈服强度及其平面应变断裂韧度某些工程用钢的屈服强度及其平面应变断裂韧度KC524481011Cr18Ni92

30、58481961Cr18Ni9471500室温室温40CrNiMo97105475500室温室温15MnVR130149360室温室温16MnR8491260045KC SMPa 试验温度试验温度钢材牌号钢材牌号mMPa(5) 脆性断裂判据及工程应用脆性断裂判据及工程应用脆性断裂判据：脆性断裂判据： K KC (简称简称K判据判据)2022-4-2742解释低应力脆断失效的原因解释低应力脆断失效的原因(材料存在裂纹缺陷，服役期材料存在裂纹缺陷，服役期间，裂纹长大及失稳扩展间，裂纹长大及失稳扩展)；计算构件的最大裂纹容限，对构件做出安全评价；计算构件的最大裂纹容限，对构件做出安全评价； 根据裂纹

31、尺寸，确定构件最大工作应力或最大允许载荷；根据裂纹尺寸，确定构件最大工作应力或最大允许载荷；若能得出裂纹扩展速率，可计算构件的安全寿命，并制订若能得出裂纹扩展速率，可计算构件的安全寿命，并制订出合理的裂纹检测周期；出合理的裂纹检测周期；确立材料强韧化的设计思想，即高强度高韧性；确立材料强韧化的设计思想，即高强度高韧性；设计时选择设计时选择KC高的材料，或通过工艺处理提高其高的材料，或通过工艺处理提高其KC 。工程应用工程应用2022-4-2743(6) 裂纹尖端的裂纹尖端的塑性区塑性区及小范围屈服的及小范围屈服的修正修正 当当 r0(越靠近裂纹尖端越靠近裂纹尖端)，；而实际上，；而实际上， 是

32、不可能的，为什么？是不可能的，为什么？ 金属材料都有一定的塑性，当应力达到金属材料都有一定的塑性，当应力达到s 时，材料因屈时，材料因屈服而塑性变形。发生塑性变形的区域即塑性区。裂纹尖端的服而塑性变形。发生塑性变形的区域即塑性区。裂纹尖端的高应力是塑性区产生和扩大的真正原因。高应力是塑性区产生和扩大的真正原因。rk2 1二向应力场方程中有二向应力场方程中有 ， 张开型裂纹端部的塑性区大小表达式张开型裂纹端部的塑性区大小表达式)( 2sin32cos)21 (22 )( )2sin32(cos2 22222122221平面应变平面应力SSpkkprr(2-11)2022-4-2744 裂纹尖端塑

33、性区的大小和形状裂纹尖端塑性区的大小和形状 )21 (21 21220 ,20 ,spspkkrr= 0，即在，即在x轴上时，有轴上时，有 金属材料在平面应变状态金属材料在平面应变状态下的塑性区在下的塑性区在 x 轴上的宽度轴上的宽度比在平面应力下时小很多。比在平面应力下时小很多。2022-4-2745 实际上，构件从表面实际上，构件从表面到中心的约束不一样，即到中心的约束不一样，即使内部呈平面应变状态，使内部呈平面应变状态，其表面也总是处于平面应其表面也总是处于平面应力状态。力状态。如如穿透厚板的裂纹，穿透厚板的裂纹， 内内-平面应变状态，裂平面应变状态，裂尖塑性区比较小；尖塑性区比较小；

34、表表-平面应力状态，裂平面应力状态，裂尖塑性区比较大。尖塑性区比较大。 rpa非常小，用线弹性断裂判据，塑性区为非常小，用线弹性断裂判据，塑性区为小范围屈服时，对其修正后仍可用线弹性断裂判据。小范围屈服时，对其修正后仍可用线弹性断裂判据。2022-4-2746 对厚板穿透裂纹尖塑性区的修正对厚板穿透裂纹尖塑性区的修正 裂纹尖端塑性变形相当于裂纹长度增长，其等裂纹尖端塑性变形相当于裂纹长度增长，其等效裂纹长度为效裂纹长度为ae= a +a， 即即ae= a + rp，0。 )21(21 21222sesekkaaaa平面平面应力应力平面平面应变应变eakY12022-4-27472. 弹塑性断裂

35、力学2. 弹塑性断裂力学简介弹塑性断裂力学简介a. 裂纹张开位移理论裂纹张开位移理论(COD理论理论) 裂纹体受力后裂纹尖端裂纹体受力后裂纹尖端附近存在高应力附近存在高应力(s)的塑性的塑性区使裂纹面分离，裂纹尖有区使裂纹面分离，裂纹尖有张开的位移张开的位移，当张开位移，当张开位移达到材料的临界达到材料的临界c值时值时, 裂纹裂纹就失稳扩展发生断裂，其判就失稳扩展发生断裂，其判据为：据为：)( 2secln8 15)-(2 较小时的近似值SSSEaEa c(c 可按可按GB 2358测出测出 )2022-4-2748(1) 与与K的关系：的关系：S2EK 线弹性断裂理论与裂纹张开位移理论的关系

36、线弹性断裂理论与裂纹张开位移理论的关系(2) C与与KC的关系：的关系：)( 1)( 222平面应变状态平面应力状态SCSCEKEK2022-4-2749b. J积分理论积分理论 从能量守恒分析裂纹尖端二向应力应变行为，裂纹扩展从能量守恒分析裂纹尖端二向应力应变行为，裂纹扩展时外力所做的功时外力所做的功用于裂纹扩展所需的能量，用于裂纹扩展所需的能量，增加体系的增加体系的弹性能。能量用围绕裂纹尖端的任意封闭回路弹性能。能量用围绕裂纹尖端的任意封闭回路的线积分求的线积分求得。得。 ),(dsxuTdyyxwJT-积分路线外边界上的张力积分路线外边界上的张力u-边界上的位移边界上的位移裂纹体的裂纹体

37、的总应变能总应变能张力张力 T 产产生的位能生的位能失效判据：失效判据： J JcJ积分理论的应用积分理论的应用: 不及不及COD广泛广泛2022-4-27502.3环境作用机理环境作用机理一一 化学反应化学反应2.3 环环 境境 作作 用用 机机 理理一、化学反应一、化学反应 金属构件与环境的作用主要是腐蚀，即金属构件与环境的作用主要是腐蚀，即化学反应和电化学反应化学反应和电化学反应 。1. 氧化原理与规律氧化原理与规律a氧化条件氧化条件氧分压：即金属氧化物的分解压氧分压：即金属氧化物的分解压PMO 。 PMO越小，金属越稳定。越小，金属越稳定。MOO212 MOOM2PP，2022-4-2

38、751b氧化膜的保护性氧化膜的保护性 氧化膜应致密和完整：氧化膜应致密和完整： r VMO VMO 1 ( 必要条件必要条件) ；r 并非越高越好并非越高越好( 如如W ), 一般一般r 1.32.0较好。较好。氧化物氧化物-金属体积比金属体积比r3.18V1.95Ti1.16Ce1.79Mn2.33Ta1.21Cd1.40Pb1.99Cr3.40W1.59Ag1.60Pd2.27Si2.35Sb0.45K1.52Ni1.28Al2.613.400.570.571.991.771.681.59NbNaCoCuMoLiFeBe非非保护性氧化膜保护性氧化膜保护性氧化膜保护性氧化膜2022-4-27

39、52 氧化物稳定、难熔、不挥发氧化物稳定、难熔、不挥发, 不易与介质作不易与介质作用而被破坏；用而被破坏； 氧化膜与基体结合良好，有相近的热膨胀氧化膜与基体结合良好，有相近的热膨胀系数，不会自行或受外界作用而剥离脱落；系数，不会自行或受外界作用而剥离脱落； 氧化膜有足够的强度和塑性以承受一定的氧化膜有足够的强度和塑性以承受一定的应力、应变。应力、应变。2022-4-2753c氧化膜的生长规律氧化膜的生长规律y = Kt + C y - 膜厚膜厚, t - 氧化时间氧化时间 如如 K、Na、Ca、Ba、Mg、W、Mo、V、Ta、Nb等，等，氧化氧化膜对基体金属膜对基体金属无保护无保护作用作用。

40、直线规律直线规律2022-4-2754 抛物线规律抛物线规律CtCKyKyOCD222 如如 Fe、Co、Cu、Ni、Mn、Zn、Ti等，氧化膜对等，氧化膜对基体金属有基体金属有一定保护性一定保护性。2022-4-2755 以上三种规律在氧化膜不破裂时是最常见的，以上三种规律在氧化膜不破裂时是最常见的，此外还有其它规律。此外还有其它规律。Fe在温度不高空气中的氧化曲线在温度不高空气中的氧化曲线 对对 数数 规规 律律 如如Cr和和Zn在在25225, Ni在在650 以下，以下，Fe在在375以下以下,膜生长服从对膜生长服从对数规律数规律, 氧化膜氧化膜有保护性有保护性。y = ln( Kt

41、) + C2022-4-2756膜层破裂的影响膜层破裂的影响温度的影响温度的影响影响金属的氧化速度；影响金属的氧化速度；影响氧化反应规律。影响氧化反应规律。2022-4-27572. 钢铁的高温氧化腐蚀钢铁的高温氧化腐蚀室温干燥空气中：室温干燥空气中：氧化速度较慢；氧化速度较慢；200300：表面出现可见的氧化膜；表面出现可见的氧化膜； 570：生成生成Fe3O4和和Fe2O3，膜保护性较好；，膜保护性较好；570：生成生成FeO、Fe3O4和和Fe2O3，FeO疏松，保护性差。疏松，保护性差。图图2-38 铁在空气中加热时表面氧化膜组成示意图铁在空气中加热时表面氧化膜组成示意图2022-4-

42、2758 气体组成对钢铁的高温腐蚀有强烈的影响，气体组成对钢铁的高温腐蚀有强烈的影响，特别是水蒸气和硫化物的影响最大。特别是水蒸气和硫化物的影响最大。276空气空气5%H2O2%SO2118空气空气2%SO2135空气空气5%H2O100单纯空气单纯空气相对腐蚀量相对腐蚀量/%气体组成气体组成相对腐蚀量相对腐蚀量/%气体组成气体组成工业气体成分对碳钢气体腐蚀的影响工业气体成分对碳钢气体腐蚀的影响 2022-4-2759二、电化学反应二、电化学反应二、电化学反应二、电化学反应1. 电化学腐蚀的原因和发生条件电化学腐蚀的原因和发生条件(1)电化学腐蚀模型电化学腐蚀模型a. 腐蚀原电池模型腐蚀原电池

43、模型2022-4-2760 电化学腐蚀历程电化学腐蚀历程 金属腐蚀过程：金属腐蚀过程： 如锌在含氧的中性水溶液中的腐蚀如锌在含氧的中性水溶液中的腐蚀: : 氧化还原反应氧化还原反应(氧化反应氧化反应/还原反应还原反应)2022-4-2761)氧化还原反应( 222Zn(OH) OH O21 Zn ) )( ( 2 2e eZ Zn n Z Zn n 2 2金属原子被氧化氧化反应 :):( 氧化剂被还原还原反应- - 2 22 22 2O OH H2 2O OH HO O2 21 1e）（合成反应氧化还原反应:22 2Zn(OH) - OHZn 过过 程程2022-4-2762 金属腐蚀的实质金

44、属腐蚀的实质电化学腐蚀电化学腐蚀 阳极反应阳极反应：M Mn+ne 也即氧化反应也即氧化反应 阴极反应阴极反应： D ne Dne 也即还原反应也即还原反应发生地：阳极区发生地：阳极区如：如：Zn Zn2+ 2e 发生地：阴极区发生地：阴极区 如：如：O2+H2O+2e2OH2022-4-2763b. 腐蚀原电池的类型腐蚀原电池的类型腐蚀原电池成因：腐蚀原电池成因：是因电极是因电极(阳极和阴极阳极和阴极)表面的表面的电化学不均匀性造成的。电化学不均匀性造成的。电化学不均匀性有：电化学不均匀性有： 金属材料的不均匀性：化学成分、组织结构、表面膜金属材料的不均匀性：化学成分、组织结构、表面膜完整性

45、、受力情况等差异；完整性、受力情况等差异； 环境的差异：成分、浓度、温度、充气等不同环境的差异：成分、浓度、温度、充气等不同 。 2022-4-2764b. 腐蚀原电池的类型腐蚀原电池的类型 依据阳极区和阴极区的大小，腐蚀原电池分为依据阳极区和阴极区的大小，腐蚀原电池分为宏观腐蚀原电池宏观腐蚀原电池和和微观腐蚀原电池微观腐蚀原电池两大类。两大类。宏观腐蚀原电池：宏观腐蚀原电池：宏观腐蚀电池的阴、阳极可用内宏观腐蚀电池的阴、阳极可用内眼或不大于眼或不大于1010倍的放大镜分辨出。倍的放大镜分辨出。微观腐蚀原电池：微观腐蚀原电池：微观腐蚀电池电极不仅很小微观腐蚀电池电极不仅很小, ,并且并且它们的分布以及阴极、阳极面积比都无一定规律。它们的分布以及阴极、阳极面积比都无一定规律。2022-4