材料断口分析(第五-六章)

1、1第五章 环境断裂 1 应力腐蚀断裂 2 氢脆断裂 3 蠕变断裂 4 其它的环境断裂2概 述环境断裂：主要指金属材料在腐蚀介质、温度环境等条件 的影响下，产生的沿晶或穿晶低应力脆断现象常见的环境断裂：SCC、氢脆、蠕变断裂 液态或固态金属脆、中子脆 过热、过烧断裂静载延迟断裂：材料在特定的外界条件下，虽然所受的应力 低于材料的屈服强度，但服役一段时间，也 可以发生突然的低应力脆断，这类与时间有 关的低应力脆断现象。31、应力腐蚀断裂一、引言1、定义 由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。2、共同特征只有在拉应力作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残 余拉应力或工作应力。一般情况下，产

2、生SCC时拉应力都 很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。要有一定的腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐 蚀介质一般都是特定的（选择性）。一般只有合金才产生SCC，纯金属不会产生SCC。4应力腐蚀发生的条件及涉及的学科53、断裂过程 裂纹形成：占全部时间的90% 裂纹扩展：占全部时间的10%6引起表面膜局部破裂的因素：环境因素：可能存在破坏钝化膜的活性离子，如Cl-、 Br-等冶金因素：金属表面的缺陷，如夹杂物、位错露头等力学因素：在应力作用下产生的突出表面的滑移台阶机械破损7二、SCC机理1、保护膜破裂机理认为产生SCC是电化学反应起控制作用形成保护膜保护膜破裂阳极溶解重新形成

3、保护膜重新破坏新的阳极溶解82、应力吸附机理（氢致脆化机理） 认为H吸附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲 和力减弱，即表面能降低。 从Griffith缺口强度理论可知： c1/2 c 从而脆化金属，使材料产生早期断裂9三、SCC断口形貌特征1、宏观形貌特征呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚 稳扩展区呈暗色或灰黑色最终断裂区具有金属光泽，常有放射状花样或人字纹102、微观形貌典型断口：沿晶断口，晶面有撕裂脊；有时也可观察到 韧窝、腐蚀坑、二次裂纹，也可能有穿晶断 裂，断口有河流、扇形、泥状、块状花样等沿晶断口11穿晶断口泥纹状断口：在平坦面上分

4、布直线状裂纹（如河底干沽状）12四、SCC的影响因素与预防措施1、影响因素应力：拉应力环境介质：材料对介质具有选择性成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)2、预防措施降低应力表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力改变腐蚀介质选材 电化学保护132 氢脆断裂一、引言1、定义: 金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断2、类型内部氢脆：材料在熔炼、焊接、高温锻造、轧制和热处理等 过程中吸收了过量的氢气而造成的环境氢脆：在应力和含氢介质的联合作用下引起的一种低应 力脆断。如贮氢压力容器材料发生的断裂两者区别：氢的来源不同，而脆化本质

5、是否相同目前尚未 定论。14二、氢脆断口特征1、内部氢脆宏观特征：白点：是大型锻件和热轧钢坯中常见的缺陷 它是钢中氢与组织转变应力、热应力共同作用下产 生的细长裂纹，尺寸一般为几毫米到几十毫米。15发裂白点（不可逆白点）： 断口上呈现白点，呈银白色，轮廓分明，表面光亮 形状为圆形或椭圆形 实际上是一种内部微细裂纹16鱼眼型白点（可逆白点）： 是以材料内部的宏观缺陷（气孔、夹渣）为核心的银白 色斑点 形状为圆形或椭圆形 核心愈大，白色愈大，白色区齐平略为下凹17微观特征： 穿晶解理型或准解理型花样，以准解理较为多见浮云状波纹状条 状182、环境氢脆宏观形貌：与一般的脆性断口形态相似，有时可见到一

6、 些反光的小刻面、结晶状颗粒或放射状花样不锈钢螺栓氢脆断口螺钉氢脆断口19微观形貌：典型为沿晶断口与准解理断口，有时看到解 理及局部韧断。20在不同K值下高强钢的断裂形式氢脆的沿晶断口21四、SCC与氢脆的关系联系： 广义的SCC包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总 伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。 微观断口形貌也十分相似22区别：从电化学反应来看，SCC是阳极溶解控制过程 Fe - 2e Fe + 氢脆是阴极反应控制过程 H+ + e H 2H H223裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉 氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉SCC裂纹氢脆裂纹24五、影响氢脆的外部因素1、温度 氢脆多发生在温度

7、为-100150之间，一般最敏感 的温度是室温 温度太低，氢不易扩散和聚结 温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量2、H浓度 发生氢脆时不一定要求氢气氛或含氢介质有很高的浓度 如当H 1ppm时就能引起高强钢的氢脆。253、置放时间 对于内部可逆氢脆，能否出现白点还与置放时间有关。 置放时间太长或太短都不会出现白点。263 蠕变断裂一、引言1、定义 蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使 0.2 ，也会缓慢地产生塑性变形的现象 蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断2、发生条件 0KTm范围内都会产生蠕变，但只有高于0.3Tm时才较 显著273、蠕变曲线典型的蠕变曲线

8、28二、断裂过程 蠕变断裂主要是沿晶断裂，包括裂纹形成与扩展裂纹形成：楔形裂纹：通常萌生于三个晶粒相遇的晶界处，然后 沿晶进行传播。裂纹一般在垂直于应力方 向的晶界上各种楔形裂纹形成示意图29孔洞型裂纹： 空穴位于 与拉伸方向垂直且成大角度的晶界上， 在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑动，蠕 变断裂是由这些小空穴相互连接形成的。孔洞型裂纹形成示意图30显微空洞的形成31裂纹扩展在蠕变断裂中，很多情况下不存在非常明显的裂纹 扩展阶段的情况32三、蠕变断口形貌特征宏观形貌：断口附近有明显的塑性变形，表面有许多龟 裂，并被一层氧化膜覆盖高温镍基合金N-73833微观形貌研究得不广泛，因在高温下进行

9、，所以断面上附着一层很厚的氧化膜，遮盖着细节。有时断口上布有涟波条纹（滑移线）或沿晶断口耐热钢HK40的蠕变断口34高温合金蠕变断口，涟波条纹耐热钢蠕变断口，其上具有氧化膜显微特征354 其它的环境断裂一、液态或固态金属脆1、定义：某些高强钢或合金与一些液态金属或固态金属 接触时，使金属引起显著脆化。 如：铜合金与水银接触而产生的液态汞脆 铝合金被液体Na、Sn脆化 钢与Cd接触出现镉脆2、发生条件两种金属没有相互有效的溶解度 两种金属不能形成高熔点的金属化合物 固态金属表面能被液态金属所浸润363、裂纹形式多枝裂纹网状裂纹374、断口形貌特征 宏观形貌：两个区（缓慢断裂区、瞬断区） 微观形貌

10、：大多数为沿晶脆断，也有穿晶解理液态汞脆黄铜的Sn脆38二、过热断口与过烧断口过热断口1、定义 材料在热锻、热轧或热处理加热时在高温长时间停留 由于晶粒粗大而引起的低应力脆断2、断口形貌特征宏观形貌：过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽 石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重微观形貌：典型的延性沿晶断口39过烧断口1、过烧：材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。 过烧钢的显微组织特点： 晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及 魏氏组织2、断口形貌宏观形貌：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗 严重过烧出现豆腐渣状断口 铝合金过烧后，表面出现许多气泡，晶界 熔化成网络状熔化节40微观形貌：冰糖状，晶界局部熔

11、化出现孔洞，晶界面变宽，内有氧化物，晶粒失去棱边变成表面圆滑的颗粒2214铝合金的过烧断口(e)41 3、过烧断裂机理 在高温加热过程中，合金元素或夹杂物（P、S、Si、 Mn等）向晶界偏聚改变了晶界成分，使其熔点降低 温度继续升高，首先在三叉晶界处熔化，然后沿晶 界扩展，晶界的熔化孔洞相连形成熔化块，受外力 作用时沿晶界断开。42四、中子脆1、定义 中子辐照引起的延迟断裂。如核工业中反应堆锅炉 及锅炉覆盖材料2、断口形貌 典型的沿晶脆断断口43混 合 断 裂444546 第六章 疲劳断裂 1 引言 2 疲劳裂纹的萌生与扩展 3 疲劳断口形貌特征 4 影响疲劳断口形貌的因素 5 腐蚀疲劳471

12、 引言1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类：高周疲劳：材料在低应力（0.2）的作用下而寿命较高 （Nf 105）的疲劳低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材 料的局部应力往往超过0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf 102 105）的疲劳48接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象 （齿轮相互接触）热疲劳：由温度起伏（升高或降低）或热循环效应引起的疲

13、劳损坏。如热轧辊、热压模具表面出现的“龟裂”腐蚀疲劳：材料在循环应力与腐蚀介质共同作用下产生的失 效现象（腐蚀坑）49依载荷类型的特点，分为三类：1、弯曲疲劳（单向、双向、旋转）2、轴向疲劳（拉拉、拉压）3、扭转疲劳单向弯曲疲劳受力及断裂示意图50双向弯曲疲劳受力及断裂示意图旋转弯曲疲劳受力及断裂示意图51扭转疲劳受力示意图523、疲劳断裂的一般特征疲劳断裂的应力远比静载下材料的b低，甚至比0.2低很多，断 裂前无明显的塑性变形，是一种低应力脆断破坏现象疲劳断裂是损伤累积过程的结果，是与时间相关的破坏方式。它 包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段，不同阶段损伤方式和 损伤量不同工程构件对疲劳抗

14、力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关微观上，疲劳断裂一般为穿晶断裂，也属一种脆性穿晶534、疲劳断裂过程 疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）54第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展 范围较小，约25个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45角，裂纹扩展主要是由于 的作用 扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹552 疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）一、疲劳裂纹萌生机理

15、1、挤出挤入模型Wood模型56金属表面形成的挤出脊与挤入沟572、位错销毁模型藤田模型两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔（约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子面分离，形成孔洞583、空穴模型Mott模型由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动，结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源594、位错交叉滑移模型Cottrell和Hull模型60二、疲劳裂纹扩展模型1、连续扩展模型（塑性钝化模型）A、交变应力为0时，裂纹闭合B、当受拉应力时裂纹张开，尖角处由于 应力集中沿45方向产生滑移C、L max

16、，滑移区扩大，使裂纹 尖端变形成近似半圆，由锐钝D、当受压应力时，滑移沿相反方向进行 裂纹面被压近，裂纹尖端被弯折成 耳环状切口E、Y max ，裂纹表面被压合，尖 端由钝锐，形成一个尖角，裂纹向 前扩展一个条纹 612、不连续扩展模型A、裂纹尖端塑性区在疲劳过程中部分累积损伤，形成显微空穴B、裂纹在拉应力作用下变钝C、未裂开的裂纹与空穴之间的部分受拉应力作用而变细，最后 导致两部分连接，使裂纹扩展 a62疲劳断口形貌特征一、宏观形貌特征断口组成：裂源区、平滑区、瞬断区63三区特征：1、裂源区 位于材料表面、次表面或内部 光滑、细洁的扇形小区域 多源裂纹2、平滑区 贝纹线（conchoidal

17、、前沿线、年轮、海滩状） 产生：表示裂纹前沿在间歇扩展时的依次位置，它是机 器在开车、停车或负荷变动较大时造成的64形状：一条条同心的圆弧 若年轮绕裂源成为向外凸起的同心圆，表示材料 对缺口不敏感（如低碳钢） 若年轮绕裂纹源成凹杯或凹状，则材料对缺口敏感65变化规律：若年轮间距变化是规则的，则所受应力变化规则 若年轮间距较小时，则表示疲劳裂纹扩展较缓 慢，材料较韧颜色：黑色或褐色，因断口表面受到空气、水、水蒸汽或其 它介质作用而氧化或腐蚀磨光标记：由于机械零部件断口常常是在运行过程中形成的 因此两个匹配断口常互相磨擦，出现磨光的宏 观特征。特别是在裂源附近，其磨光程度更为 突 出，有时呈现一种

18、发亮的研磨面66 锯齿形断口或棘轮花样 轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用 多源裂纹 裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力棘轮花样 若为双向交变扭转应力锯齿状断口67锯齿形断口棘轮花样683、瞬断区形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面） 69瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小70二、疲劳断口显微形貌特征疲劳辉纹1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，

19、断口上细 小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的铝合金疲劳辉纹71Al-Mg-Sc合金疲劳辉纹72低碳低合金钢高温镍基合金4340钢铜合金732、辉纹四要素（特点） 辉纹相互平行并且垂直于局部裂纹扩展方向 辉纹间距随循环应力强度因子振幅而变化 S = C(K)n 辉纹个数等于负载循环次数 通常断面上一组辉纹是连续的，其长度大致平 行；相邻断面上的辉纹不连续3、辉纹形成机理 裂纹扩展的连续模型和不连续模型744、辉纹类型

20、韧性辉纹：塑性变形量较大，清晰、连续，fcc脆性辉纹：塑性变形量较小，较清晰、不连续，常见弧形 辉纹与河流花样相交，并互相垂直，bcc、hcp韧性辉纹脆性辉纹75韧性辉纹脆性辉纹765、疲劳辉纹存在的条件 一般说来，疲劳辉纹仅存在于裂纹扩展的第二阶段（Nf 103） 必要条件：裂纹尖端必须处于张开型的平面应变状态， 即正断时才出现 材质：延性材料比较容易形成疲劳辉纹，脆性材料困难 环境：真空中不出现辉纹77轮胎压痕（tire tracks）形貌：类似车胎的压痕，是疲劳断口上最 小的特征花样78形成机理：与第二相有关：在疲劳裂纹形成以后，由相互匹配的 断面上的突起或刀边，如断口上的第二相质点，反复 挤压或刻入而引起的压