失效分析第四章.ppt

第第 四四 章章静载荷作用下的断裂失效分析静载荷作用下的断裂失效分析4 41 11 1过载过载断裂失效的定断裂失效的定义义及断口的一般特征及断口的一般特征1 1过载过载断裂失效的定断裂失效的定义义 当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时，构件当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时，构件发生的断裂称为过载断裂。发生的断裂称为过载断裂。为了安全起见，在设计时，将材料的屈服极限除以一个大于为了安全起见，在设计时，将材料的屈服极限除以一个大于1 1的的安全系数凡后，作为材料的许用应力即安全系数凡后，作为材料的许用应力即构件的工作应力应小于或等于构件的工作应力应小于或等于 明确明确：构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂：构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂 过载过载：工作应力超过构件的实际承载能力：工作应力超过构件的实际承载能力4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析2 2过载断裂失效断口的一般特征过载断裂失效断口的一般特征 金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征。金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征。其宏观断口与拉伸试验断口极为相似其宏观断口与拉伸试验断口极为相似.宏观塑性的过载断裂失效宏观塑性的过载断裂失效:断口上一般可以看到三个特征区，纤断口上一般可以看到三个特征区，纤维区、放射区及剪切唇，即通常称为断口的维区、放射区及剪切唇，即通常称为断口的“三要素三要素”。宏观脆性过载断裂失效的断口特征有两种情况：宏观脆性过载断裂失效的断口特征有两种情况：拉伸脆性材料拉伸脆性材料:过载断裂的断口为瓷状、结晶状或具有镜面反光过载断裂的断口为瓷状、结晶状或具有镜面反光特征；在微观上分别为等轴微孔、沿晶正断及解理断裂特征；在微观上分别为等轴微孔、沿晶正断及解理断裂.拉伸塑性材料拉伸塑性材料 :因其尺寸较大，或有裂纹存在时发生的脆性断因其尺寸较大，或有裂纹存在时发生的脆性断裂，其断口中的纤维区很小，放射区占有极大的比例，周边几乎不裂，其断口中的纤维区很小，放射区占有极大的比例，周边几乎不出现剪切唇，其微观断裂机制为微孔聚集型并兼有解理能混合断裂。出现剪切唇，其微观断裂机制为微孔聚集型并兼有解理能混合断裂。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析 宏观塑性的过载断裂断口的宏观塑性的过载断裂断口的“三要素三要素”：断口上的断口上的“三要素三要素”是塑性过载断裂的基本特征。断口上三个是塑性过载断裂的基本特征。断口上三个特特征区，纤维区、放射区及剪切唇。纤维区位于断裂的起始部位，放征区，纤维区、放射区及剪切唇。纤维区位于断裂的起始部位，放射区是裂纹的快速扩展区，剪切唇是最后断裂区。射区是裂纹的快速扩展区，剪切唇是最后断裂区。4 41 12 2影响影响过载过载断裂失效特征的因素断裂失效特征的因素1 1材料性材料性质质的影响的影响 材料的性质对材料的性质对过载过载断裂失效特征断裂失效特征具有很大的影响。不同性质的具有很大的影响。不同性质的材料虽然发生的同是过载断裂，但其断口形貌却有很大的差异。材料虽然发生的同是过载断裂，但其断口形貌却有很大的差异。(1)(1)大多数的大多数的单单相金属、低碳相金属、低碳钢钢及珠光体状及珠光体状态态的的钢钢，其，其过载过载断裂断裂断口上，具有典型断口上，具有典型“三要素三要素”的特征。的特征。(2)(2)高高强强度材料、复度材料、复杂杂的工的工业业合金及合金及马马氏体氏体时时效效钢钢等，其断口的等，其断口的纤维纤维区内有区内有环环形花形花样样，其中心像火山口状，其中心像火山口状，“火山口火山口”中心必有中心必有夹杂夹杂物，此物，此为为裂裂纹纹源。另外，尚有放射区源。另外，尚有放射区细细小及小及剪切唇也较小等特点。剪切唇也较小等特点。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析 (3)(3)中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的主要特征是具中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的主要特征是具有粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切唇。放射剪切有粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切唇。放射剪切是一种典型的剪切脊。另一特点是放射线不是直线的。是一种典型的剪切脊。另一特点是放射线不是直线的。(4)4)塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可能只有纤塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可能只有纤维区和剪切唇而无放射区。可以说，断口上的纤维区较大，则维区和剪切唇而无放射区。可以说，断口上的纤维区较大，则材料的塑性较好；反之，放射区增大，则表示材料的塑性降低材料的塑性较好；反之，放射区增大，则表示材料的塑性降低脆性增大。脆性增大。(5)(5)纯金属还可能出现一种全纤维的断口或角的滑开断口。纯金属还可能出现一种全纤维的断口或角的滑开断口。(6)(6)脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现“三三要素要素”的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析几种拉伸断裂断口形几种拉伸断裂断口形态态a)a)高塑性材料的拉伸断口（只有高塑性材料的拉伸断口（只有纤维纤维区，没有放射区）区，没有放射区）b)b)中碳中碳钢调质钢调质状状态态拉伸断口（粗大的放射剪切花拉伸断口（粗大的放射剪切花样样）c)c)回火脆性状回火脆性状态态的碳的碳钢钢拉伸断口（断口拉伸断口（断口齐齐平，沿晶型）平，沿晶型）a b c4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析2 2零件形状与几何尺寸的影晌零件形状与几何尺寸的影晌 零件的几何形状与结构特点对过载断裂，特别是对宏观塑性过零件的几何形状与结构特点对过载断裂，特别是对宏观塑性过载断裂的断口特征会产生一定的影响。载断裂的断口特征会产生一定的影响。(1)(1)圆圆形形试试件件 圆形试件拉仲延性断圆形试件拉仲延性断裂的断口特征，光滑试件裂的断口特征，光滑试件通常有如左图所示的形貌通常有如左图所示的形貌特征。缺口试件断口上三特征。缺口试件断口上三要素的宏观位置与光滑试要素的宏观位置与光滑试件有很大的差异，如右图件有很大的差异，如右图所示。所示。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析 (1)(1)圆圆形形试试件件 对于圆形或近圆形截面的零部件，断裂时可根据断口上的对于圆形或近圆形截面的零部件，断裂时可根据断口上的“三要三要素素”位置判断断裂的起始点即断裂源。在实际分析时，难以得到完位置判断断裂的起始点即断裂源。在实际分析时，难以得到完整整的的“三要素三要素”时，放射区即放射线的方向是判断断裂过程的重要依时，放射区即放射线的方向是判断断裂过程的重要依据。据。由于应力状态的关系，通常的过载断裂源即纤维区总是在断面的近由于应力状态的关系，通常的过载断裂源即纤维区总是在断面的近中心部位；但一旦发现相反的放射线走向，亦即断裂源不在零部件中心部位；但一旦发现相反的放射线走向，亦即断裂源不在零部件的中心区域，而是在表面或近表面某一位置，则可以确定为构件表的中心区域，而是在表面或近表面某一位置，则可以确定为构件表面存在较严重缺陷。面存在较严重缺陷。若缺口试件的裂纹以不对称的方式由缺口向内部扩展，断口形若缺口试件的裂纹以不对称的方式由缺口向内部扩展，断口形态较为复杂，其断裂过程与零件的应力状态有关。态较为复杂，其断裂过程与零件的应力状态有关。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析 (1)(1)圆圆形形试试件件 裂纹以不对称方式的缺口试裂纹以不对称方式的缺口试件的初始阶段可能是纤维状的，件的初始阶段可能是纤维状的，第二阶段则可能是放射状的。当第二阶段则可能是放射状的。当第一阶段和第二阶段相交截，裂第一阶段和第二阶段相交截，裂纹停止扩展，形成最后断裂区。纹停止扩展，形成最后断裂区。如右图所示：如右图所示：4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析(2)(2)矩形试件矩形试件 矩形截面零件矩形截面零件(试件试件)过载断口也有三要素的特征，不过断口上过载断口也有三要素的特征，不过断口上“三要素三要素”的相对位置，因其结构方面的影响有下图四种情况。的相对位置，因其结构方面的影响有下图四种情况。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析(2)(2)矩形试件矩形试件 矩形试件断口上的主要特征是裂纹快速扩展区的矩形试件断口上的主要特征是裂纹快速扩展区的“人字纹人字纹”花花样，如下图。对于矩形或类似形状截面零部件断裂的分析，人字纹样，如下图。对于矩形或类似形状截面零部件断裂的分析，人字纹形状和走向是寻找断裂源和判断失效性质的重要依据。形状和走向是寻找断裂源和判断失效性质的重要依据。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析(3)(3)几何尺寸的影响几何尺寸的影响 无论何种形状的零件，其几何尺寸越大，放射区的尺寸越大，无论何种形状的零件，其几何尺寸越大，放射区的尺寸越大，纤维区和剪切唇的尺寸一般也有所增大，但变化幅度较小，如下图纤维区和剪切唇的尺寸一般也有所增大，但变化幅度较小，如下图所示。在很薄的试样上，可能出现全剪切的断口。所示。在很薄的试样上，可能出现全剪切的断口。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析3 3载载荷性荷性质质的影响的影响 载荷性质不仅对断口中载荷性质不仅对断口中“三要素三要素”的相对：赶小有影响，而且有的相对：赶小有影响，而且有时会使，其断裂的性质发生很大的变化。时会使，其断裂的性质发生很大的变化。(1)(1)断口中三要素相断口中三要素相对对大小的大小的变变化化 应力状态的柔性对三要素的相对大小有较大的影响。三向拉应应力状态的柔性对三要素的相对大小有较大的影响。三向拉应力为硬状态，三向压缩为柔性状态；快速加载为硬状态，慢速加载力为硬状态，三向压缩为柔性状态；快速加载为硬状态，慢速加载为柔性状态。为柔性状态。(2)(2)断口形貌的断口形貌的变变化化 对于同一种材料及尺寸相同的零件，拉伸塑性断口与冲击塑性对于同一种材料及尺寸相同的零件，拉伸塑性断口与冲击塑性断口，其形貌有所不同。断口，其形貌有所不同。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析 (2)(2)断口形貌的断口形貌的变变化化 冲击断口形貌一般如下图所示：冲击断口形貌一般如下图所示：4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析4 4环环境因素的影响境因素的影响 温度的变化及介质的性质温度的变化及介质的性质对过载断裂的断口也有影响。腐对过载断裂的断口也有影响。腐蚀介质可能使通常的延性断裂变蚀介质可能使通常的延性断裂变为脆性断裂。为脆性断裂。温度升高，一般使材料的温度升高，一般使材料的塑性增大，因而纤维区加大，剪塑性增大，因而纤维区加大，剪切唇也有所增加，放射区相对变切唇也有所增加，放射区相对变小，如右图所示小，如右图所示:4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析4.1.34.1.3扭转和弯曲过载断裂裂口特征扭转和弯曲过载断裂裂口特征1.1.扭转过载断裂断口特征扭转过载断裂断口特征 此类断裂的断口表面往往有疲劳断裂的特征或有小的疲劳断裂此类断裂的断口表面往往有疲劳断裂的特征或有小的疲劳断裂裂纹，而且小的疲劳裂纹往往是扭转断裂的断裂源区，但在发生扭裂纹，而且小的疲劳裂纹往往是扭转断裂的断裂源区，但在发生扭转过载断裂前，这些疲劳裂纹扩展很小，整个断裂表现出扭转过载转过载断裂前，这些疲劳裂纹扩展很小，整个断裂表现出扭转过载的特征的特征。2 2弯曲弯曲过载过载断裂断口特征断裂断口特征 弯曲过载断裂断口特征总体上来说与拉伸断裂断口相似。在弯弯曲过载断裂断口特征总体上来说与拉伸断裂断口相似。在弯曲断口上可以观察到明显的放射线或人字纹花样，借此可以判断断曲断口上可以观察到明显的放射线或人字纹花样，借此可以判断断裂源区，确定断裂的原因。裂源区，确定断裂的原因。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析1.1.扭转过载断裂断口特征扭转过载断裂断口特征 扭转过载断裂实物图扭转过载断裂实物图:4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析4 41 14 4过载过载断裂的微断裂的微观观特征特征 常温下，过载断裂的微观特征是有明显的塑性变形痕迹以及穿常温下，过载断裂的微观特征是有明显的塑性变形痕迹以及穿晶开裂的特征。当发生过载断裂时，材料经受过屈服阶段而后发生晶开裂的特征。当发生过载断裂时，材料经受过屈服阶段而后发生断裂。在电子显微镜下，过载断裂断口的微观形态为各种形式的韧断裂。在电子显微镜下，过载断裂断口的微观形态为各种形式的韧窝状形貌。窝状形貌。断面上韧窝的大小、形状、方向及分布可进一步提供金属构件断面上韧窝的大小、形状、方向及分布可进一步提供金属构件材料及应力情况的信息。因此，显微断口上的韧窝形态对断裂失效材料及应力情况的信息。因此，显微断口上的韧窝形态对断裂失效的分析是相当重要的。的分析是相当重要的。4 41 1过载过载断裂失效分析断裂失效分析4.2 4.2 材料致脆断裂失效分析材料致脆断裂失效分析 4.2.1 4.2.1 回火脆性断裂失效回火脆性断裂失效 1.1.回火脆化回火脆化现现象象 如右图所示，在两个回火温度区间会出如右图所示，在两个回火温度区间会出现冲击韧度明显降低的现象，断裂时常出现现冲击韧度明显降低的现象，断裂时常出现脆性，发生在较低温度脆性，发生在较低温度(约约350350)的脆性称的脆性称为低温回火脆性或回火马氏体脆性为低温回火脆性或回火马氏体脆性(TEM)(TEM)又叫又叫第一类回火脆性第一类回火脆性，或不可逆回火脆性，或不可逆回火脆性，即重复回火时不再出现。即重复回火时不再出现。一般发生在高纯度的钢中，与杂质的偏一般发生在高纯度的钢中，与杂质的偏聚无关，断裂为穿晶型准解理聚无关，断裂为穿晶型准解理。1.1.回火脆化现象回火脆化现象 发生在较高温度发生在较高温度(约约500)500)的脆性称作的脆性称作高温回火脆性，或简称为回火脆性高温回火脆性，或简称为回火脆性(TE)(TE)，又叫又叫第二类回火脆性第二类回火脆性。第二类回火脆性与材料的合金元素第二类回火脆性与材料的合金元素(Cr(Cr，MnMn，M0M0，NiNi，Si)Si)和杂质元素含量和杂质元素含量(S(S，P P，SbSb，SnSn，As)As)及处理的温度有关，及处理的温度有关，断裂为沿晶断裂。这种脆性发生在纯度较断裂为沿晶断裂。这种脆性发生在纯度较低的钢中，与杂质元素向原奥氏体晶界偏低的钢中，与杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。聚有关。4.2 4.2 材料致脆断裂失效分析材料致脆断裂失效分析 2 2回火致脆断裂的特征回火致脆断裂的特征 宏观形貌特征：断面结构粗糙，断口呈银白宏观形貌特征：断面结构粗糙，断口呈银白色的结晶状，一般为宏观脆断。但在脆化程度色的结晶状，一般为宏观脆断。但在脆化程度不严重时，断口上也会出现剪切唇。不严重时，断口上也会出现剪切唇。典型微观形貌：沿奥氏体晶界分离形成的冰典型微观形貌：沿奥氏体晶界分离形成的冰糖块状，如右图所示。晶粒界面上一般无异常糖块状，如右图所示。晶粒界面上一般无异常沉淀物，因而有别于其他类型的沿晶断裂。但沉淀物，因而有别于其他类型的沿晶断裂。但马氏体回火致脆断裂的解理界面上可能出现碳马氏体回火致脆断裂的解理界面上可能出现碳化物第二相质点及细小的韧窝花样。除此之外化物第二相质点及细小的韧窝花样。除此之外在断口上一般可见二次断裂裂纹。在断口上一般可见二次断裂裂纹。4.2 4.2 材料致脆断裂失效分析材料致脆断裂失效分析 3 3回火致脆断裂的分析回火致脆断裂的分析 在失效分析时，对于具有产生回在失效分析时，对于具有产生回火脆性条件，怀疑可能是回火脆性断火脆性条件，怀疑可能是回火脆性断裂的构件，可取样进行材料回火脆性裂的构件，可取样进行材料回火脆性检验。检验。试验方法有：试验方法有：a a 室温冲室温冲击试验击试验法法 b b 系列冲系列冲击试验击试验法法 c c 低温拉伸低温拉伸试验试验法法 d d 断裂断裂韧韧性法性法 e e断口特征的断口特征的对对比分析比分析4.2 4.2 材料致脆断裂失效分析材料致脆断裂失效分析 1 1冷脆金属及其特点冷脆金属及其特点 温度对低碳钢力学性能指标及断裂温度对低碳钢力学性能指标及断裂特征的影响如右图所示。随着温度的降特征的影响如右图所示。随着温度的降低，低碳钢的断裂行为发生如下变化低，低碳钢的断裂行为发生如下变化：(1)(1)屈服点和断裂正屈服点和断裂正应应力随温度降低而力随温度降低而显显著升高，而塑性指著升高，而塑性指标标 f f逐逐渐渐降低。降低。(2)(2)在在较较低的温度下低的温度下发发生断裂形式的生断裂形式的变变化，即由微孔型断裂向解理断裂化，即由微孔型断裂向解理断裂转转化。化。(3)(3)在更低的温度下在更低的温度下发发生塑脆生塑脆过过渡，即渡，即由宏由宏观观塑性的解理断裂向宏塑性的解理断裂向宏观观脆性的解脆性的解理断裂理断裂过过渡，在此渡，在此时时的极限塑性的极限塑性趋趋近零。近零。4.2 4.2 材料致脆断裂失效分析材料致脆断裂失效分析 2 2冷脆金属低温脆断的特征冷脆金属低温脆断的特征 冷脆金属在冷脆转折温度以下发生的脆性断裂称为低温脆断。冷脆金属在冷脆转折温度以下发生的脆性断裂称为低温脆断。在脆性转折温度以上，材料断裂时为翅性的；在脆性转折温度以在脆性转折温度以上，材料断裂时为翅性的；在脆性转折温度以下，材料断裂时为脆性的。下，材料断裂时为脆性的。(1)(1)冷脆金属低温脆断断口的宏冷脆金属低温脆断断口的宏观观特征特征:为结为结晶状，并有明晶状，并有明显显的的镜镜面反光面反光现现象。断口与正象。断口与正应应力力轴轴垂直，断口垂直，断口齐齐平，附近无平，附近无缩颈现缩颈现象，无剪切唇。断口中的反光小平面象，无剪切唇。断口中的反光小平面(小刻面小刻面)与晶粒尺寸相当。与晶粒尺寸相当。(2)(2)冷脆金属低温断裂断口的微冷脆金属低温断裂断口的微观观形貌形貌:具有典型的具有典型的解理断裂特解理断裂特征征,河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。花样等。4.2 4.2 材料致脆断裂失效分析材料致脆断裂失效分析 3 3低温脆断的条件及影响因素低温脆断的条件及影响因素(1)(1)只有冷脆金属才会只有冷脆金属才会发发生低温脆断。生低温脆断。绝绝大多数的体心立方金属都属于冷脆金属，都具有大多数的体心立方金属都属于冷脆金属，都具有发发生冷生冷脆断裂的可能性。而面心立方金属不是冷脆金属，不具有冷脆脆断裂的可能性。而面心立方金属不是冷脆金属，不具有冷脆转转折的特点，不折的特点，不发发生冷脆断裂。生冷脆断裂。(2)(2)环环境温度低于材料脆性境温度低于材料脆性转转折温度。折温度。(3)(3)构件几何尺寸构件几何尺寸较较大，构件大，构件处处于平面于平面应变应变状状态态。材料的脆性转折温度并不是一个固定的值，材料中的缺陷材料的脆性转折温度并不是一个固定的值，材料中的缺陷(微裂纹、缺口、大块夹杂等微裂纹、缺口、大块夹杂等)、晶粒粗大使脆性转折温度提高。、晶粒粗大使脆性转折温度提高。4 4低温脆断断裂的分析低温脆断断裂的分析常用的方法是采用系列冲击试验确定材料的实际脆性转折温度。常用的方法是采用系列冲击试验确定材料的实际脆性转折温度。4.2 4.2 材料致脆断裂失效分析材料致脆断裂失效分析 4 42 23 3第二相第二相质质点致脆断裂失效点致脆断裂失效 第二相质点致脆断裂是指由第二相质点沿晶粒问界析出引起晶第二相质点致脆断裂是指由第二相质点沿晶粒问界析出引起晶界的脆化或弱化而导致的一种沿晶断裂。界的脆化或弱化而导致的一种沿晶断裂。1 1第二相第二相质质点致脆断裂的点致脆断裂的类类型型 第二相质点致脆断裂有以下几种情况第二相质点致脆断裂有以下几种情况,一是脆性的第二相质点一是脆性的第二相质点沿原奥氏体晶界择优析出引起的晶界脆化沿原奥氏体晶界择优析出引起的晶界脆化;二是某些杂质元素沿晶界二是某些杂质元素沿晶界富集引起的晶界弱化富集引起的晶界弱化;另外，还有某些金属材料在特定的温度条件下另外，还有某些金属材料在特定的温度条件下发生相变所引起的脆化状态等。发生相变所引起的脆化状态等。2 2断口特征断口特征 宏观断口均为脆性的晶粒状。高倍观察可以看到第二相质点及宏观断口均为脆性的晶粒状。高倍观察可以看到第二相质点及其微孔形貌。其微孔形貌。4.2 4.2 材料致脆断裂失效分析材料致脆断裂失效分析 4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析 环境致脆断裂是指金属材料与某种特殊的环境因素环境致脆断裂是指金属材料与某种特殊的环境因素发生交互作用而导致的具有一定环境特征的脆性断裂。发生交互作用而导致的具有一定环境特征的脆性断裂。内容包括应力腐蚀开裂、氢致断裂、腐蚀疲劳、热内容包括应力腐蚀开裂、氢致断裂、腐蚀疲劳、热疲劳及低熔点金属致脆断裂等。疲劳及低熔点金属致脆断裂等。金属构件的断裂失效不仅与材料的性质、应力状态金属构件的断裂失效不仅与材料的性质、应力状态有关，而且在很大程度上取决于它的环境条件。有关，而且在很大程度上取决于它的环境条件。4 43 31 1应应力腐力腐蚀蚀开裂开裂1 1压压力腐力腐蚀蚀开裂的定开裂的定义义 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂(StressCorrosionCrackin(StressCorrosionCrackin，通常简写为，通常简写为scc)scc)系金属在应力系金属在应力(残余应力、热应力、工作应力等残余应力、热应力、工作应力等)和腐蚀介质共和腐蚀介质共同作用下，而引起的一种破坏形式，即在静拉应力作用下金属的腐同作用下，而引起的一种破坏形式，即在静拉应力作用下金属的腐蚀破坏，一般称为应力腐蚀开裂。蚀破坏，一般称为应力腐蚀开裂。应力腐蚀是一种局部腐蚀，形成的裂纹常被腐蚀产物覆盖，不应力腐蚀是一种局部腐蚀，形成的裂纹常被腐蚀产物覆盖，不易被发觉。导致的断裂具有突发性。应力腐蚀裂纹扩展的速率一般易被发觉。导致的断裂具有突发性。应力腐蚀裂纹扩展的速率一般介于均匀腐蚀速率和快速机械断裂速率之间。介于均匀腐蚀速率和快速机械断裂速率之间。即使是塑性材料，应力腐蚀开裂即使是塑性材料，应力腐蚀开裂(断裂断裂)也是脆性形式的断裂。也是脆性形式的断裂。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析2 2应力腐蚀开裂的条件及其影响因素应力腐蚀开裂的条件及其影响因素 通常的应力腐蚀开裂的基本条件是：弱的腐蚀介质、不大的拉通常的应力腐蚀开裂的基本条件是：弱的腐蚀介质、不大的拉应力和特定的金属材料构成的特定的腐蚀系统。应力和特定的金属材料构成的特定的腐蚀系统。（1 1）仅当弱的腐蚀介质，在金属表面形成一层不稳定的）仅当弱的腐蚀介质，在金属表面形成一层不稳定的“保保 护膜护膜”时，才有可能发生应力腐蚀开裂。时，才有可能发生应力腐蚀开裂。（2 2）一定的拉应力和应变，压应力一般不产生应力腐蚀。）一定的拉应力和应变，压应力一般不产生应力腐蚀。（3 3）对于每一种金属或合金来说，有其特定的腐蚀介质系统，即易）对于每一种金属或合金来说，有其特定的腐蚀介质系统，即易于发生应力腐蚀破坏的金属于发生应力腐蚀破坏的金属-介质系统。介质系统。（4 4）材料的成分、组织和应力状态的影响。）材料的成分、组织和应力状态的影响。（5 5）一般来说，介质的浓度和环境温度越高则较易发生应力腐蚀。）一般来说，介质的浓度和环境温度越高则较易发生应力腐蚀。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析（2 2）一定的拉应力和应变，压）一定的拉应力和应变，压应力一般不产生应力腐蚀。应力一般不产生应力腐蚀。对不锈钢和高强钢的应力腐对不锈钢和高强钢的应力腐蚀开裂研究都表明，存在产生应蚀开裂研究都表明，存在产生应力腐蚀的临界应力或门槛值，常力腐蚀的临界应力或门槛值，常用用 表示，如右图所示，低于表示，如右图所示，低于该值，则不产生应力腐蚀开裂，该值，则不产生应力腐蚀开裂，它的数值随介质种类、浓度、温它的数值随介质种类、浓度、温度、材料成分的不同而不同。度、材料成分的不同而不同。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析(4)(4)材料的成分、组织和应力状态的影响。材料的成分、组织和应力状态的影响。杂质元素对应力腐蚀开裂敏感性影响很大。一般来说，纯杂质元素对应力腐蚀开裂敏感性影响很大。一般来说，纯金属不发生应力腐蚀破坏，但含有很少的杂质则会引起应力腐金属不发生应力腐蚀破坏，但含有很少的杂质则会引起应力腐蚀破坏。蚀破坏。钢的应力腐蚀敏感性随着含碳量的变化而变化。当含碳量钢的应力腐蚀敏感性随着含碳量的变化而变化。当含碳量低时，随着含碳量增低时，随着含碳量增,加敏感性提高。而当训加敏感性提高。而当训(c)(c)大于大于0 02 2时，应力腐蚀抗力又渐趋稳定。时，应力腐蚀抗力又渐趋稳定。W(C)W(C)为为0 01212时，应力腐蚀时，应力腐蚀敏感性最大。敏感性最大。材料的组织状态对应力腐蚀的敏感性影响很大。材料的不材料的组织状态对应力腐蚀的敏感性影响很大。材料的不均匀性越大，越容易产生活性的阴极通道，故越易产生应力腐均匀性越大，越容易产生活性的阴极通道，故越易产生应力腐蚀。蚀。晶粒尺寸增大，钢的应力腐蚀开裂敏感性增加。晶粒尺寸增大，钢的应力腐蚀开裂敏感性增加。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析(4)(4)材料的成分、组织和应力状态的影响。材料的成分、组织和应力状态的影响。一般材料的硬度及强度越高，对应力一般材料的硬度及强度越高，对应力腐蚀的敏感性就越大。材料的强度越高，腐蚀的敏感性就越大。材料的强度越高，其其 越低。在右图中表示了越低。在右图中表示了43404340钢处钢处理到不同强度时理到不同强度时 值的变化。可以看值的变化。可以看出，强度的提高使钢的应力腐蚀敏感性显出，强度的提高使钢的应力腐蚀敏感性显著加大。著加大。材料强度与硬度对应力腐蚀敏感性的材料强度与硬度对应力腐蚀敏感性的影响还与材料的组织结构，是否存在加工影响还与材料的组织结构，是否存在加工硬化等有关。硬化等有关。材料的强度与硬度对应力腐蚀敏感性材料的强度与硬度对应力腐蚀敏感性的影响与构件的实际状态有关。的影响与构件的实际状态有关。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析2 2应应力腐力腐蚀蚀开裂的断口及裂开裂的断口及裂纹纹特征特征 1)1)断口的宏断口的宏观观形形态态一般一般为为脆脆性断裂，断口截面基本上垂直于性断裂，断口截面基本上垂直于拉拉应应力方向。力方向。断口上有断裂源区、裂断口上有断裂源区、裂纹扩纹扩展展区和最后断裂区，如右区和最后断裂区，如右图图所示。所示。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析 2)2)应应力腐力腐蚀蚀裂裂纹纹源于表面，并呈不源于表面，并呈不连续连续状，裂状，裂纹纹具有分叉具有分叉较较多、多、尾部尾部较较尖尖锐锐(呈呈树树枝状枝状)的特征，如下的特征，如下图图所示所示。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析 (3)(3)裂裂纹纹的走向可以是穿晶的也可以是沿晶的，的走向可以是穿晶的也可以是沿晶的，许多情况下，应力许多情况下，应力腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合型。腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合型。材料的晶体结构是影响应力腐蚀裂纹走向的主要因素。面心立方材料的晶体结构是影响应力腐蚀裂纹走向的主要因素。面心立方金属的材料易引起穿晶型应力腐蚀，而体心立方金属的材料则以沿金属的材料易引起穿晶型应力腐蚀，而体心立方金属的材料则以沿晶型开裂为主。晶型开裂为主。在一般情况下，当应力较小、腐蚀介质较弱时，应力腐蚀裂纹多在一般情况下，当应力较小、腐蚀介质较弱时，应力腐蚀裂纹多呈沿晶扩展；相反，当应力较大、腐蚀介质较强时，应力腐蚀裂纹呈沿晶扩展；相反，当应力较大、腐蚀介质较强时，应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。通常是穿晶扩展。影响应力腐蚀裂纹走向影响应力腐蚀裂纹走向(开裂类型开裂类型)的因素很多，同一种材料在不的因素很多，同一种材料在不同的介质中会有不同的裂纹走向。同的介质中会有不同的裂纹走向。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析 (4)(4)应应力腐力腐蚀蚀断口的微断口的微观观形貌可形貌可为为岩石状，岩石表面有腐岩石状，岩石表面有腐蚀蚀痕迹。痕迹。严严重重时时整个都整个都为为腐腐蚀产蚀产物所覆盖，此物所覆盖，此时时断口断口则则呈泥呈泥纹纹状或状或龟龟板状花板状花样样。在穿晶断裂时，电子显微镜下看到的断口为平坦的凹槽在穿晶断裂时，电子显微镜下看到的断口为平坦的凹槽(深度大深度大于宽度于宽度)、扇形花样、台阶及河流花样。如下图、扇形花样、台阶及河流花样。如下图;4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析3 3应应力腐力腐蚀蚀开裂失效分析开裂失效分析 （1 1）详细了解材料的生产过程与处理工艺，掌握材料的成）详细了解材料的生产过程与处理工艺，掌握材料的成分、组织状态以及杂质（夹杂物）含量与分布。分、组织状态以及杂质（夹杂物）含量与分布。（2 2）详细了解设备或部件的结构特点，加工、制造、装配）详细了解设备或部件的结构特点，加工、制造、装配 过程。必要时对设备或部件进行应力分析和测试，以确定材料过程。必要时对设备或部件进行应力分析和测试，以确定材料所处的应力状态与大小。注意加工、装配等过程中造成的残余所处的应力状态与大小。注意加工、装配等过程中造成的残余应力及其分布。应力及其分布。（3 3）详细了解设备或部件使用环境特点，介质种类、使用）详细了解设备或部件使用环境特点，介质种类、使用温度等。对于不同的材料，重点分析能够引起应力腐蚀开裂的温度等。对于不同的材料，重点分析能够引起应力腐蚀开裂的敏感介质。敏感介质。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析 （4 4）断口和裂纹形态的宏观、微观分析，确定断裂的特征。）断口和裂纹形态的宏观、微观分析，确定断裂的特征。要注意区别应力腐蚀破裂与腐蚀疲劳以及晶间应力腐蚀破裂与要注意区别应力腐蚀破裂与腐蚀疲劳以及晶间应力腐蚀破裂与晶间腐蚀破坏的差别。晶间腐蚀破坏的差别。（5 5）必要时，可在实际使用条件下进行重复试验或在实验）必要时，可在实际使用条件下进行重复试验或在实验室内进行模拟现场产生应力腐蚀破裂的条件（介质、应力、温室内进行模拟现场产生应力腐蚀破裂的条件（介质、应力、温度等），也可采用能够预示实际条件下应力腐蚀破裂趋势的加度等），也可采用能够预示实际条件下应力腐蚀破裂趋势的加速试验方法，对所出现的应力腐蚀开裂加以验证和模拟。速试验方法，对所出现的应力腐蚀开裂加以验证和模拟。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析实验实验室室试验试验 应应力腐力腐蚀试验蚀试验可以采用恒可以采用恒载载荷法和恒荷法和恒变变形法形法 4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析实验室试验实验室试验 应力腐蚀试验可以采用恒载荷法和恒变形法应力腐蚀试验可以采用恒载荷法和恒变形法4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析4.3.2 4.3.2 氢氢致脆断失效致脆断失效 由于氢而导致金属材料在低应力静载荷下发生由于氢而导致金属材料在低应力静载荷下发生的脆性断裂，称为氢致断裂，又称氢脆。的脆性断裂，称为氢致断裂，又称氢脆。氢除了可使材料变脆外，在某些条件下还会造氢除了可使材料变脆外，在某些条件下还会造成表面起泡等其它损伤，而这类损伤与材料本身成表面起泡等其它损伤，而这类损伤与材料本身的脆性关系不大，故许多资料上将其连同使金属的脆性关系不大，故许多资料上将其连同使金属变脆的过程统称为氢损伤。变脆的过程统称为氢损伤。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析1 1、氢进氢进入金属材料的途径入金属材料的途径 对于由于氢脆导致的断裂失效分析，一个重要的问题就是对于由于氢脆导致的断裂失效分析，一个重要的问题就是确定氢的来源。确定氢的来源。(1)(1)金属材料基体内残留的金属材料基体内残留的氢氢。金属材料在冶金属材料在冶炼炼、焊焊接、熔接、熔铸铸等等过过程中都溶解一些程中都溶解一些氢氢，当温，当温度降低或度降低或组织变组织变化化时时，由于，由于氢氢固溶度的固溶度的变变化，化，氢氢便从固溶体中便从固溶体中析出。析出。(2)(2)金属材料在含金属材料在含氢氢的高温气氛中加的高温气氛中加热时热时，进进入金属内部的入金属内部的氢氢 (3)(3)金属材料在化学及金属材料在化学及电电化学化学处处理理过过程中，程中，进进入金属内部的入金属内部的氢氢 4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析 (4)(4)金属构件在运行金属构件在运行过过程中，程中，环环境也可提供境也可提供氢氢。有些金属构件在高温高压的氢气氛中运行，由于氢及含氢气体有些金属构件在高温高压的氢气氛中运行，由于氢及含氢气体对于钢的作用，产生氢脆，最后导致金属构件开裂，这类氢脆称为对于钢的作用，产生氢脆，最后导致金属构件开裂，这类氢脆称为环境氢脆。如下图所示为锅炉水冷壁管氢脆爆口形貌。环境氢脆。如下图所示为锅炉水冷壁管氢脆爆口形貌。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析2 2、氢氢致脆断的致脆断的类类型型 (1)(1)溶解在金属基体中的溶解在金属基体中的氢氢原子析出，并在金属内部的缺陷原子析出，并在金属内部的缺陷处处结结合成分子状合成分子状态态，由此，由此产产生的高生的高压压，使材料，使材料变变脆。脆。钢钢中的中的“白点白点”即属于此种即属于此种类类型。型。(2)(2)由由环环境气氛中的境气氛中的氢氢在高温下在高温下进进入金属内部，并入金属内部，并夺夺取取钢钢中中的碳形成甲的碳形成甲烷烷，使，使钢变钢变脆。脆。(3)(3)固溶固溶氢氢引起的可逆性引起的可逆性氢氢脆。机械零件通常脆。机械零件通常发发生的生的氢氢致断致断裂，一般属于此种裂，一般属于此种氢氢脆。脆。(4)(4)固溶固溶氢氢引起的引起的氢氢脆。脆。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析(3)(3)固溶氢引起的可逆性氢脆固溶氢引起的可逆性氢脆 这类氢脆的特点是：这类氢脆的特点是：固溶状态的氢不经任何化学反应，仅含少量的氢即可引固溶状态的氢不经任何化学反应，仅含少量的氢即可引起氢脆。起氢脆。此类氢脆具有明显的延迟断裂的性质。此类氢脆具有明显的延迟断裂的性质。仅在一定的温度度范围内（仅在一定的温度度范围内（-100-100150150 C C）出现，在室）出现，在室温附近最敏感。温附近最敏感。对材料的强度极限、屈服极限、延伸率及冲击韧性影响对材料的强度极限、屈服极限、延伸率及冲击韧性影响较小，而对材料的极限断面收缩率影响较大。较小，而对材料的极限断面收缩率影响较大。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析3 3、氢氢致脆断的断口形貌特征致脆断的断口形貌特征 (1)(1)宏观断口齐平，为脆性的结晶状，表面洁净呈亮灰色；实宏观断口齐平，为脆性的结晶状，表面洁净呈亮灰色；实际构件的氢脆断裂又往往与机械断裂同时出现，因此，断口上常际构件的氢脆断裂又往往与机械断裂同时出现，因此，断口上常常包括这两种断裂的特征，对于延迟断裂断口，通常有两个区域常包括这两种断裂的特征，对于延迟断裂断口，通常有两个区域，一是氢脆裂纹的亚临界扩展区，一是氢脆裂纹的亚临界扩展区(齐平部分齐平部分)，二是机械撕裂区，二是机械撕裂区(斜面，粗糙，有放射线花样斜面，粗糙，有放射线花样)。氢脆断裂断裂源区的形态、大小的分析，有助于正确判断氢的氢脆断裂断裂源区的形态、大小的分析，有助于正确判断氢的来源和断裂的原因。来源和断裂的原因。(2)(2)微微观观断口沿晶分离，晶粒断口沿晶分离，晶粒轮轮廓廓鲜鲜明，晶界有明，晶界有时时可看到可看到变变形形线线(呈呈发纹发纹譬譬鸡鸡爪痕花爪痕花样样)，应应力力较较大大时时也可能出也可能出现现微孔型的穿晶断裂。微孔型的穿晶断裂。(3)(3)显显微裂微裂纹纹呈断呈断续续而弯曲的而弯曲的锯齿锯齿状。状。4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析4 43 3环环境致脆断裂失效分析境致脆断裂失效分析 （4 4）应力集中较大的部位起裂时，微裂纹