静载荷作用下的断裂失效分析.ppt

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1、定义与特征 4.1.1 4.1.1 过载断裂失效的定义及断口的一般特征过载断裂失效的定义及断口的一般特征4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析1 1、过载断裂失效的定义、过载断裂失效的定义 当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载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。荷时，构件发生的断裂称为过载断裂。1 1：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 2 2：工作应力是否超过构件的实际承载能力而非名义能力工作应力是否超过构件的实际承载能力而非名义能力 明确

2、明确光滑断口 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。4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析1-1-纤维区，纤维区，2-2-放射区，放射区，3-3-剪切唇剪切唇影响因素 4.1.2 4.1.2 影响过载断裂失效特征的因素影响过载断裂失效特征的因素4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分

3、析1 1、材料性质的影响、材料性质的影响 2 2、零件形状与几何尺寸的影响、零件形状与几何尺寸的影响 3 3、载荷性质的影响、载荷性质的影响 4 4、环境因素的影响、环境因素的影响影响因素 4.1.2 4.1.2 影响过载断裂失效特征的因素影响过载断裂失效特征的因素4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析（1 1）大多数的单相金属、低碳钢及珠光体状态的钢，其过）大多数的单相金属、低碳钢及珠光体状态的钢，其过载断裂断口上，具有典型载断裂断口上，具有典型“三要素三要素”的特征。的特征。1 1、材料性质的影响、材料性质的影响（2 2）高强度材料

4、、复杂的工业合金及马氏体时效钢等，其）高强度材料、复杂的工业合金及马氏体时效钢等，其断口的纤维区内有环形花样，其中心象火山口状，断口的纤维区内有环形花样，其中心象火山口状，“火山火山口口”中心必有夹杂物，此为裂纹源。另外，尚有放射元细中心必有夹杂物，此为裂纹源。另外，尚有放射元细小及剪切唇也较小等特点。小及剪切唇也较小等特点。影响因素 4.1.2 4.1.2 影响过载断裂失效特征的因素影响过载断裂失效特征的因素4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析 （3 3）中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的主要）中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的

5、主要特征是具有特征是具有粗大的放射剪切花样粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切，基本上无纤维区和剪切唇。放射剪切是一种典型的剪切脊。这是在断裂起裂后扩唇。放射剪切是一种典型的剪切脊。这是在断裂起裂后扩展时，沿最大切应力方向发生剪切变形的结果。其另一特展时，沿最大切应力方向发生剪切变形的结果。其另一特点是放射元不是直线的，这是因为变形约束小，裂纹钝化，点是放射元不是直线的，这是因为变形约束小，裂纹钝化，致使扩展速度较慢等。致使扩展速度较慢等。 1 1、材料性质的影响、材料性质的影响影响因素4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析 （4

6、4）塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可能）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，则材料的塑性较好；反之，放射区增大，则表示材料的塑大，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，脆性增大。性降低，脆性增大。 （5 5）纯金属还可能出现一种全纤维的断口或）纯金属还可能出现一种全纤维的断口或4545 角的角的滑开断口。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）脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现出现“三要素三要素”的特征，而呈现细瓷状

7、、结晶状及镜面反光的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征状等特征。形状尺寸 2 2、零件形状与几何尺寸的影响、零件形状与几何尺寸的影响4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析（1）圆形试件）圆形试件缺口圆形试件过载断裂形貌示意图缺口圆形试件过载断裂形貌示意图1-1-缺口，缺口，2-2-纤维区，纤维区，3-3-放射区，放射区， 4-4-最后断裂区最后断裂区 裂纹不对称扩展断口形貌示意图裂纹不对称扩展断口形貌示意图1-1-初始阶段，初始阶段，2-2-第二阶段，第二阶段，3-3-最后断裂区，最后断裂区，4-4-裂纹扩展方向裂纹扩展方向几

8、何尺寸 （3）几何尺寸的影响）几何尺寸的影响4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析冲击断口 3 3、载荷性质的影响、载荷性质的影响4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析环境影响 4 4、环境因素的影响、环境因素的影响4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析环境影响 4 4、环境因素的影响、环境因素的影响4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析扭转断裂 4.1.3 4.1

9、.3 扭转和弯曲过载断裂断口特征扭转和弯曲过载断裂断口特征4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析 韧性扭转过载断韧性扭转过载断口口 断面与轴向垂直，断面与轴向垂直， 在断口上可见到在断口上可见到明显明显 的的“漩涡漩涡”状状脆性扭转过载断口脆性扭转过载断口断面与轴向呈断面与轴向呈4545 ，断裂起源于轴的台阶断裂起源于轴的台阶根部硬化层处根部硬化层处弯曲断裂4.1 4.1 4.1 4.1 过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析过载断裂失效分析 4.1.3 4.1.3 扭转和弯曲过载断裂断口特征扭转和弯曲过载断裂断口特征弯曲过载

10、断裂的十字轴，在十字轴根部有明显的加工刀痕弯曲过载断裂的十字轴，在十字轴根部有明显的加工刀痕 回火脆现象 4.2.1 4.2.1 回火脆性断裂失效回火脆性断裂失效4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效1 1、回火脆化现象、回火脆化现象 回火温度对回火温度对钢的钢的 冲击韧性的冲击韧性的影响影响43404340钢缺口试样冲击值钢缺口试样冲击值与回火温度的关系与回火温度的关系回火脆特征 2 2、回火致脆断裂的特征、回火致脆断裂的特征 4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效宏观形貌特征

11、：宏观形貌特征：断面结构粗糙，断面结构粗糙，断口呈银白色的结晶状，一般为宏断口呈银白色的结晶状，一般为宏观脆断。脆化程度不严重时，断口观脆断。脆化程度不严重时，断口上也会出现剪切唇。上也会出现剪切唇。2Cr13对接焊叶片断口形貌对接焊叶片断口形貌 典型微观形貌：典型微观形貌：沿奥氏体晶界沿奥氏体晶界分离形成的冰糖块状。晶粒界面分离形成的冰糖块状。晶粒界面上一般无异常沉淀物，因而有别上一般无异常沉淀物，因而有别于其它类型的沿晶断裂。但马氏于其它类型的沿晶断裂。但马氏体回火致脆断裂的解理界面上可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能出现碳化物第二相质点及细小的韧窝花样。在断口上

12、一般可见的韧窝花样。在断口上一般可见二次断裂裂纹。二次断裂裂纹。 回火脆分析 3 3、回火致脆断裂的分析、回火致脆断裂的分析4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效a a 室温冲击试验法室温冲击试验法b b 系列冲击试验法系列冲击试验法c c 低温拉伸试验法低温拉伸试验法d d 断裂韧性法断裂韧性法e e断口特征的对比分析断口特征的对比分析v判别存在可能出现回火脆性的条件判别存在可能出现回火脆性的条件v具有回火致脆断裂的宏观、微观特征具有回火致脆断裂的宏观、微观特征v验证材料的脆性验证材料的脆性回火脆分析 3 3、回火致脆断裂的分析、回火

13、致脆断裂的分析4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效16NiCo钢回火温度与力学性能的关系钢回火温度与力学性能的关系 室温拉伸试室温拉伸试验无法检验验无法检验回火脆性回火脆性 冷脆金属 4.2.2 4.2.2 冷脆金属的低温脆断冷脆金属的低温脆断4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效冷脆金属 4.2.2 4.2.2 冷脆金属的低温脆断冷脆金属的低温脆断4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效1 1、冷脆金属及其特点、冷脆金属

14、及其特点 随着温度的降低，随着温度的降低，发生断裂形式转化及塑脆过发生断裂形式转化及塑脆过渡的金属，称为冷脆金属。渡的金属，称为冷脆金属。除面心立方以外的所有金属除面心立方以外的所有金属材料均属于冷脆金属，低碳材料均属于冷脆金属，低碳钢是典型的冷脆金属。钢是典型的冷脆金属。 温度对低碳钢拉伸性能的影响温度对低碳钢拉伸性能的影响 冷脆特征随着温度的降低，低碳钢的断裂行为发生如下变化：随着温度的降低，低碳钢的断裂行为发生如下变化： 4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效（1 1）屈服极限和断裂真应力随温度降低而显著升高，）屈服极限和断裂真应

15、力随温度降低而显著升高，而塑性指标而塑性指标 f f逐渐降低。逐渐降低。 （2 2）在较低的温度下发生断裂形式的变化，即由微孔型）在较低的温度下发生断裂形式的变化，即由微孔型断裂向解理断裂转化。断裂向解理断裂转化。（3 3）在更低的温度下发生塑脆过渡，即由宏观塑性的解）在更低的温度下发生塑脆过渡，即由宏观塑性的解理断裂向宏观脆性的解理断裂的过渡，在此时的极限塑理断裂向宏观脆性的解理断裂的过渡，在此时的极限塑性趋近于零。这种过渡的临界温度称为脆性转折温温度。性趋近于零。这种过渡的临界温度称为脆性转折温温度。冷脆特征 2 2、冷脆金属低温脆断的特征、冷脆金属低温脆断的特征4.2 4.2 4.2 4

16、.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效（1 1）冷脆金属低温脆断断口的宏观特征）冷脆金属低温脆断断口的宏观特征 典型断口宏观特征为结晶状，并有明显的镜面反光现象。典型断口宏观特征为结晶状，并有明显的镜面反光现象。断口与正应力轴垂直，断口齐平，附近无径缩现象，无剪切唇。断口与正应力轴垂直，断口齐平，附近无径缩现象，无剪切唇。断口中的反光小平面（小刻面）与晶粒尺寸相当。马氏体基高断口中的反光小平面（小刻面）与晶粒尺寸相当。马氏体基高强度材料断口有时呈放射状撕裂棱台阶花样。强度材料断口有时呈放射状撕裂棱台阶花样。（2 2）冷脆金属低温断裂断口的微观形貌）冷脆金属低温断

17、裂断口的微观形貌 冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征，河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇征，河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。对于一般工程结构用钢，通常所说的解理断裂，主形花样等。对于一般工程结构用钢，通常所说的解理断裂，主要是在冷脆状态下产生。要是在冷脆状态下产生。冷脆特征4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效3. 金属冷脆断裂的分析金属冷脆断裂的分析 v判别存在可能出现冷脆断裂的条件判别存在可能出现冷脆断裂的条件v具有冷脆断

18、裂的宏观、微观特征具有冷脆断裂的宏观、微观特征v验证材料的冷脆转折温度验证材料的冷脆转折温度 系列冲击实验法系列冲击实验法确定金属实际状况的冷脆转折温度是十分重要的！确定金属实际状况的冷脆转折温度是十分重要的！第二相质点 4.2.3 4.2.3 第二相质点致脆断裂失效第二相质点致脆断裂失效4.2 4.2 4.2 4.2 材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效材料致脆断裂失效1 1、第二相质点致脆断裂的类型、第二相质点致脆断裂的类型第二相质点致脆断裂是指由第二相质点沿晶粒间界析出第二相质点致脆断裂是指由第二相质点沿晶粒间界析出引起晶界的脆化或弱化而导致的一种沿晶断裂。引起晶界的脆化或弱

19、化而导致的一种沿晶断裂。脆性的第二相质点沿原奥氏体晶界择优析出引起的晶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。界脆化。 某些杂质元素沿晶界富集引起的晶界弱化。某些杂质元素沿晶界富集引起的晶界弱化。 应力腐蚀 4.3.1 4.3.1 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效1 1、应力腐蚀开裂的定义、应力腐蚀开裂的定义 应力腐蚀开裂（应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Stress Corrosion Cracking, SCCCracking, SCC）系金属在应力（残余应力、热应力、）系

20、金属在应力（残余应力、热应力、工作应力等）和腐蚀介质共同作用下，而引起的一种工作应力等）和腐蚀介质共同作用下，而引起的一种破坏形式。破坏形式。应力腐蚀 4.3.1 4.3.1 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 在静拉应力作用下金属的腐蚀破坏，一般称为应力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；而在交变应力作用下金属的腐蚀破坏，则称为腐蚀开裂；而在交变应力作用下金属的腐蚀破坏，则称为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳。 即使是延性材料，应力腐蚀开裂（断裂）也是脆性即使是延性材料，应力腐蚀开裂（断裂）也是脆性形式

21、的断裂。形式的断裂。 应力腐蚀是一种局部腐蚀，形成的裂纹常被腐应力腐蚀是一种局部腐蚀，形成的裂纹常被腐蚀产蚀产物覆盖，不易被发觉，导致的断裂具有突发性。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介于均匀腐蚀速应力腐蚀裂纹扩展的速率一般介于均匀腐蚀速率和率和快速机械断裂速率之间。快速机械断裂速率之间。应力腐蚀 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4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（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

22、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）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统，即易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）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。力腐蚀。应力腐蚀 SCC

23、临界应力和应力强度因子示意图临界应力和应力强度因子示意图 4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效应力腐蚀 常见发生应力腐蚀的材料常见发生应力腐蚀的材料-介质系统介质系统4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效金金金金 属属属属 材材材材 料料料料 腐腐腐腐 蚀蚀蚀蚀 介介介介 质质质质 低碳钢和低碳钢和低合金钢低合金钢NaOH溶液，硝酸盐溶液，含溶液，硝酸盐溶液，含H2S和和HCl溶液，沸腾浓溶液，沸腾浓MgCl2溶液，海水、海洋大气和工业大气溶液，海水、海洋大气和工业大气 不锈钢

24、不锈钢氯化物水溶液，沸腾氯化物水溶液，沸腾NaOH溶液，高温高压含氧高纯水，溶液，高温高压含氧高纯水，海水，海洋大气，海水，海洋大气，H2S水溶液，连多硫酸溶液水溶液，连多硫酸溶液 镍基合金镍基合金热浓热浓NaOH溶液，溶液，HF蒸汽和溶液蒸汽和溶液 铜合金铜合金氨蒸汽及溶液，汞盐溶液，氨蒸汽及溶液，汞盐溶液，SO2大气，水蒸气发大气，水蒸气发铝合金铝合金熔融熔融NaCl，NaCl溶液，海洋大气，湿工业大气，水蒸气溶液，海洋大气，湿工业大气，水蒸气钛合金钛合金烟硝酸，甲醇，甲醇蒸气，烟硝酸，甲醇，甲醇蒸气，NaCl溶液（溶液（ 290 C），），HCl(10%，35 C)，H2SO4(76%)

25、，湿，湿Cl2（288 C、346 C、427 C），），N2O4(含氧，不含含氧，不含NO，2474 C)24.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效4340钢的强度对钢的强度对KISCC的影响的影响 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢SCC时间与铁素体时间与铁素体含量的关系，在含量的关系，在42%沸沸MgCl2中中2 2 2、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（1 1）断口的宏观形态一般为脆性断裂，断口截面基本上垂）断口的宏观形

26、态一般为脆性断裂，断口截面基本上垂直于拉应力方向。断口上有断裂源区、裂纹扩展区和最后断直于拉应力方向。断口上有断裂源区、裂纹扩展区和最后断裂区。裂区。2 2 2、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 （2 2）应力腐蚀裂纹源于表面，并呈不连续状，裂纹）应力腐蚀裂纹源于表面，并呈不连续状，裂纹具有分叉较多、尾部较尖锐（呈树枝状）的特征。具有分叉较多、尾部较尖锐（呈树枝状）的特征。2 2 2、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征、应力腐蚀开裂的断口及裂纹特征4.3 4.3 4.3 4.3

27、环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 在一般情况下，当应力较小、腐蚀介质较弱时，应力在一般情况下，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通常是穿晶扩展。时应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。 许多情况下，应力腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合许多情况下，应力腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合型。型。第二相质点沿晶界析出易促使裂纹的沿晶扩展。第二相质点沿晶界析出易促使裂纹的沿晶扩展。24.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致

28、脆断裂失效2 （4）应力腐蚀断口的微观形貌可为岩石状，岩石表面有腐蚀痕迹。）应力腐蚀断口的微观形貌可为岩石状，岩石表面有腐蚀痕迹。严重时整个都为腐蚀产物所覆盖，此时断口则呈泥纹状或龟板状花样。严重时整个都为腐蚀产物所覆盖，此时断口则呈泥纹状或龟板状花样。 4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效泥纹状花样泥纹状花样混合断裂混合断裂岩石状花样岩石状花样2 3 3、应力腐蚀开裂失效分析、应力腐蚀开裂失效分析 4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（1 1）详细了解材料的生产过程与处理工

29、艺，掌握材料的成分、）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。组织状态以及杂质（夹杂物）含量与分布。硫化物硫化物（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。过程。 必要时对设备或部件进行应力分析和测试，以确定必要时对设备或部件进行应力分析和测试，以确定材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应力及其分布。残余应力及其分布。2 3 3、应力腐蚀开裂失效分析、应力腐蚀开裂失效分析 4.3 4.3 4.3 4.3 环

30、境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（5 5）必要时，可在实际使用条件下进行重复试验或在实验室）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。加速试验方法，对所出现的应力腐蚀开裂加以验证和模拟。局部浓缩情况局部浓缩情况（3 3）详细了解设备或部件使用环境特点，介质种类、使用温）详细了解设备或部件使用环境特点，介

31、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 4）断口和裂纹形态的宏观、微观分析，确定）断口和裂纹形态的宏观、微观分析，确定断裂的特征断裂的特征。2 4.3.2 4.3.2 氢致脆断失效氢致脆断失效 Hydrogen-embrittlement4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 由于氢而导致金属材料在低应力静载荷下的由于氢而导致金属材料在低应力静载荷下的脆性断裂，称为氢致断裂，又称氢脆。脆性断裂，称为氢致断裂，又称氢脆。 氢除了可使材料

32、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的脆性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变脆的过程统关系不大，故许多资料上将其连同使金属变脆的过程统称为氢损伤。称为氢损伤。 24.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效氢的作用氢的作用导致早期失效或开裂导致早期失效或开裂降低金属强度和塑性降低金属强度和塑性导致焊接接头冷裂导致焊接接头冷裂腐蚀环境的延迟断裂腐蚀环境的延迟断裂促进应力腐蚀和腐蚀疲劳促进应力腐蚀和腐蚀疲劳氢致失效氢致失效氢

33、的含量极低，甚至低氢的含量极低，甚至低于于1ppm对材料组织极其敏感对材料组织极其敏感特有的断口特征？特有的断口特征？断裂时间延长断裂时间延长day, months, 甚或更长甚或更长2 1 1、氢进入金属材料的途径、氢进入金属材料的途径4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（4 4）金属构件在运行过程中，环境也可提供氢）金属构件在运行过程中，环境也可提供氢（1 1）金属材料基体内残留的氢）金属材料基体内残留的氢 冶炼、焊冶炼、焊接、接、 熔铸熔铸（2 2）金属材料在含氢的高温气氛中加热时，进入）金属材料在含氢的高温气氛中加热时，进入

34、金属内部的氢金属内部的氢（3 3）金属材料在化学及电化学处理过程中，进入）金属材料在化学及电化学处理过程中，进入 金属内部的氢金属内部的氢2 2 2、氢致脆断的类型、氢致脆断的类型（1）溶解在金属基体中的氢原子析出并在金属内部的缺陷溶解在金属基体中的氢原子析出并在金属内部的缺陷 处结合成分子状态，由此产生的高压，使材料变处结合成分子状态，由此产生的高压，使材料变脆。脆。 钢中的钢中的“白点白点”即属于此种类型。即属于此种类型。4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（2）由环境气氛中的氢在高温下进入金属内部，并夺取钢由环境气氛中的氢在高温

35、下进入金属内部，并夺取钢 中的碳形成甲烷，使钢变脆。中的碳形成甲烷，使钢变脆。（3）固溶氢引起的可逆性氢脆固溶氢引起的可逆性氢脆 机械零件通常发生的氢致断裂，一般属于此种机械零件通常发生的氢致断裂，一般属于此种氢脆。氢脆。2 2 2、氢致脆断的类型、氢致脆断的类型4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 固溶状态的氢不经任何化学反应，仅含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。此类氢脆具有明显的延少量的氢即可引起氢脆。此类氢脆具有明显的延迟断裂的性质。仅在一定的温度范围内（迟断裂的性质。仅在一定的温度范围内（-100-10

36、0150150 C C）出现，在室温附近最敏感。对材料的强）出现，在室温附近最敏感。对材料的强度极限、屈服极限、延伸率及冲击韧性影响较小，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。而对材料的极限断面收缩率影响较大。2 3 3、氢致脆断的断口形貌特征、氢致脆断的断口形貌特征 4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（1 1）宏观断口齐平，为脆性的结晶状，表面洁）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净呈亮灰色；实际构件的氢脆断裂又往往往往 与机械断裂同时出现，因此断口上常与

37、机械断裂同时出现，因此断口上常常包常包 括这两种断裂的特征括这两种断裂的特征 。 氢脆断裂断裂源区的形态、大小的分氢脆断裂断裂源区的形态、大小的分析，有助于正析，有助于正 确判断氢的来源和断裂的原因。确判断氢的来源和断裂的原因。 2 3 3、氢致脆断的断口形貌特征、氢致脆断的断口形貌特征 4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（2 2）微观断口沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶界有）微观断口沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶界有 时可看到变形线（呈发纹或鸡爪痕花时可看到变形线（呈发纹或鸡爪痕花样）；样）； 应力较大时也可能出现微孔型的穿晶应力较大时也可

38、能出现微孔型的穿晶断裂。断裂。（4 4）在应力集中较大的部位起裂时，微裂纹源于）在应力集中较大的部位起裂时，微裂纹源于 表面或靠近缺口底部。应力集中比较小表面或靠近缺口底部。应力集中比较小时，时， 微裂纹多源于次表面或远离缺口底部微裂纹多源于次表面或远离缺口底部（渗碳（渗碳 等表面硬化件出现的氢脆多源于次表面）等表面硬化件出现的氢脆多源于次表面）。2 研究：研究：同一材料的氢脆断口形貌在氢含量及钢的原始组织同一材料的氢脆断口形貌在氢含量及钢的原始组织形态不同时有所变化。形态不同时有所变化。高合金二次硬化钢氢脆敏感性的研究结高合金二次硬化钢氢脆敏感性的研究结果为：果为：450450回火试样慢弯曲

39、断口，充氢回火试样慢弯曲断口，充氢0 50 5，裂纹起始区为，裂纹起始区为沿晶沿晶+ +准解理；充氢准解理；充氢4 4，裂纹起始区以沿晶断裂为主，存在少，裂纹起始区以沿晶断裂为主，存在少量准解理；充氢量准解理；充氢1010，裂纹起始区为沿晶和穿晶准解理断裂，裂纹起始区为沿晶和穿晶准解理断裂，沿晶区厚度约为沿晶区厚度约为130130。482482回火充氢回火充氢0.50.5，裂纹起始区为，裂纹起始区为准解理，厚度约准解理，厚度约2525；充氢；充氢4 4和和1010，试样的裂纹起始区都，试样的裂纹起始区都为准解理，厚度分别为为准解理，厚度分别为77和和1111，未出现沿晶断裂特征；，未出现沿晶断

40、裂特征；随着充氢时间延长，试样放射区韧窝变小变浅。充氢对随着充氢时间延长，试样放射区韧窝变小变浅。充氢对600600回回火试样的断裂形貌没有影响，充氢火试样的断裂形貌没有影响，充氢1010，仍为韧性断裂。，仍为韧性断裂。4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效24.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效24.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效2 4.3.6 4.3.6 高温长时致脆断裂（热脆）失效高温长时致脆断裂（热脆）失效4.

41、3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 （1 1）呈现热脆性的钢材，在高温下的冲击韧性并）呈现热脆性的钢材，在高温下的冲击韧性并不低，而室温冲击韧性一般比正常值降低不低，而室温冲击韧性一般比正常值降低50506060，甚至降低甚至降低8080以上，其它强度指标及塑性指标均不发以上，其它强度指标及塑性指标均不发生明显变化。奥氏体钢热脆性时有所不同，在热脆发生明显变化。奥氏体钢热脆性时有所不同，在热脆发生的同时还往往发生强度和塑性等指标的变化。生的同时还往往发生强度和塑性等指标的变化。1 1、热脆断裂的特点、热脆断裂的特点 （2 2）断裂的宏观

42、表现是脆性的，断口呈粗晶状。）断裂的宏观表现是脆性的，断口呈粗晶状。微观上为沿晶的正向断裂。微观上为沿晶的正向断裂。2 4.3.6 4.3.6 高温长时致脆断裂（热脆）失效高温长时致脆断裂（热脆）失效4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 （3 3）具有热脆性的金属，其金相组织上可以）具有热脆性的金属，其金相组织上可以看到黑色的网状特征，并有第二相质点析出。这是看到黑色的网状特征，并有第二相质点析出。这是判定金属高温脆性发生的重要依据，其金相组织中判定金属高温脆性发生的重要依据，其金相组织中的黑色网状如图所示。的黑色网状如图所示。 （4

43、 4）几乎所有的钢材都有产生热脆性的倾向。）几乎所有的钢材都有产生热脆性的倾向。在碳钢中出现热脆性的必要条件是有塑性变形。在碳钢中出现热脆性的必要条件是有塑性变形。2 4.3.7 4.3.7 蠕变断裂失效蠕变断裂失效4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（1 1）对数蠕变断裂）对数蠕变断裂 在在0 00.150.15T Tm m（T Tm m为金属材料的熔点为金属材料的熔点K K）的温度范围内，材料的变形引起的加工硬化，的温度范围内，材料的变形引起的加工硬化，因温度低，不能发生回复再结晶，因此蠕变率因温度低，不能发生回复再结晶，因此蠕变

44、率随时间的延续一直在下降，故称之为对数蠕变。随时间的延续一直在下降，故称之为对数蠕变。2 4.3.7 4.3.7 蠕变断裂失效蠕变断裂失效4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效（2 2）回复蠕变断裂）回复蠕变断裂 在在0.150.150.850.85 T Tm m的温度范围内，由于的温度范围内，由于温度高，材料足以进行回复再结晶，蠕变率基温度高，材料足以进行回复再结晶，蠕变率基本上是个定值，此时发生的断裂称为回复蠕变本上是个定值，此时发生的断裂称为回复蠕变断裂。断裂。 2 在工程上最常出现的蠕变断裂是回复蠕变断裂或称高温在工程上最常出现

45、的蠕变断裂是回复蠕变断裂或称高温蠕变断裂。蠕变断裂。 4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效蠕变第一阶段（初期蠕变，蠕变第一阶段（初期蠕变，）蠕变第二阶段（第二期蠕变，蠕变第二阶段（第二期蠕变，） 蠕变第三阶段（第三期蠕变，蠕变第三阶段（第三期蠕变，） 24.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 蠕变曲线的形状会随金属的温度和应力不同而有所变化，在实际断蠕变曲线的形状会随金属的温度和应力不同而有所变化，在实际断裂分析时应根据不同条件进行判断。裂分析时应根据不同条件进行判断。不同条件

46、下的蠕变曲线不同条件下的蠕变曲线温度固定，应力温度固定，应力 1 2 3 4应力固定，温度应力固定，温度 t 1 t 2 t 3 t 42 2 2、蠕变断裂的特征、蠕变断裂的特征（1）宏观特征）宏观特征 明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征。在明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征。在断口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟断口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。蠕变断裂的另一个特征是高温氧化现象，裂现象。蠕变断裂的另一个特征是高温氧化现象，在断口表面形成一层氧化膜。在断口表面形成一层氧化膜。4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效

47、2 2 2、蠕变断裂的特征、蠕变断裂的特征（2）微观特征）微观特征 大多数的金属构件发生的蠕变断裂是沿晶型断裂，大多数的金属构件发生的蠕变断裂是沿晶型断裂，但当温度比较低时（在等强温度以下），也可能出现与但当温度比较低时（在等强温度以下），也可能出现与常温断裂相似的穿晶断裂。常温断裂相似的穿晶断裂。4.3 4.3 4.3 4.3 环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效环境致脆断裂失效 断口上存在与高温氧化及环境因素相对应的产物。断口上存在与高温氧化及环境因素相对应的产物。 沿晶蠕变断裂的截面上可以清楚地看到局部地区沿晶蠕变断裂的截面上可以清楚地看到局部地区晶间的脱开及空洞现象。晶间的脱开及空洞现象。 特点特点