金属材料的断裂分析

1、金属材料的断裂分析金属材料的断裂分析曾振鹏曾振鹏上海交通大学上海交通大学2008.10.171 金属断裂的基本概念n定义定义n过程：裂纹萌生、裂纹扩展过程：裂纹萌生、裂纹扩展n断裂分类断裂分类n 冷、热加工缺陷：刀痕，淬火、焊接冷、热加工缺陷：刀痕，淬火、焊接微裂纹，锻造裂纹微裂纹，锻造裂纹n 冶炼，铸造冶炼，铸造n 设计设计n 装配装配n 服役：环境，过程服役：环境，过程裂纹萌生：裂纹核心（源）裂纹萌生：裂纹核心（源）裂纹扩展：应力、环境裂纹扩展：应力、环境or应力应力+环境作用环境作用三种形式三种形式韧韧-脆转折温度脆转折温度TK的判定的判定Tk的评定：的评定：1.对应某一值的温度，对应某

2、一值的温度，如如15fb记作记作V15TT2.断口形貌：记作断口形貌：记作50%FATT3. (Akvmax-Akvmin)4.0.4 kmaxTAkv(k)Tk上平台下平台断口的纤维百分数 %2 断裂分类裂纹走向宏观变形量断裂机理穿晶断裂延性断裂微孔聚集型断裂剪切断裂混合断裂脆性断裂解理断裂准解理断裂疲劳断裂静载延滞断裂沿晶断裂延性断裂混合断裂脆性断裂微孔聚集型断裂静载延滞断裂晶间断裂3 脆性断裂n脆性断裂现象n自由号T2油轮的断裂n装密球罐的断裂 止裂作用消失n原因：焊接代替铆接焊接残余应力强度越来越高焊接缺陷构件大型化、复杂化、应力约束严重应力很低，温度很低应力很低，温度很低n脆性断裂特

3、征n应力低：fbn温度低：TfTrn速度快：裂纹传播速度V音n断口碎片多，平坦，无塑变，断面应力轴。形态：放射状，人字纹n裂纹源多为自身存在的缺陷n尺寸效应n加载速度效应脆性断裂解理断裂n定义n解理面：BCC-（100），HCP-（0001）n断口微观形态n解理台阶，河流花样，二次裂纹，羽毛状花样，舌状花样4 疲劳断裂n疲劳断裂的分类n低周疲劳断裂Nf105大应力应变引诱低应力应力引诱疲劳断裂n疲劳断裂的特征（高周疲劳）n断裂应力低 max105)，有三个阶段n裂纹萌生阶段：产生裂源，包含裂纹萌生、疲劳裂纹微观扩展-In裂纹稳定（亚临界）扩展：a acn裂纹快速扩展：aac（即K1K1C）或F

4、剩不足承受载荷n裂纹源多为自身缺陷处，多在外表n裂纹扩展速率da/dN取决于裂纹前端应力强度因子幅Kn存在一个裂纹不扩展门槛值： Kth （单位 MPam-1/2)疲劳断裂da/dN=f(K)=f(Kmax-Kmin)第二阶段：Paris公式：da/dN=C(K)n裂纹扩展速率da/dN单位mm/次C，n：与材料有关的常数疲劳断裂n疲劳断口形态和特征n宏观：贝纹线 凸向 C.Pn微观：疲劳辉纹a.凸向 C.Pb.每一次应力循环对应一条疲劳辉纹c.辉纹距离f(K)(贝纹区）(Striation)5 静载延滞断裂n应力腐蚀开裂SCC（Stress Corrosion Cracking)n氢脆（Hy

5、drogen Embrittlement)应力腐蚀开裂n现象和特征nSCC是指合金在静拉伸应力（或残余应力）和腐蚀介质联合作用下引起的一种低应力脆性断裂。n特征1. 与介质联合作用2. 只有拉应力起作用3. 介质与金属有一定的组合4. 介质浓度不一定很高5. 只有合金才出现SCC应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂n判据K1SCC概念K1K1SCC裂纹扩展速率da/dt=f(K)氢脆-内部HE和环境HEn环境HE的特征nK1 ， ，k1 Kth， nb越高，敏感性越大，越短，或kth越低nda/dt=f(K1)nHE断口特征n宏观：断口平齐n微观：大多为沿A晶界，晶界上有撕裂岭，很少有二次裂纹氢脆6 断裂分析的基本方法n断裂件服役状况分析：环境、应力状态、服役时间、工况n断口分析，可解决：断裂性质、裂纹起源位置、裂纹源