失效分析課件-5

1、1第五章第五章 靜載荷作用下的斷裂失效分析靜載荷作用下的斷裂失效分析5.1 過載斷裂失效過載斷裂失效5.2 材料致脆斷裂材料致脆斷裂5.3 環(huán)境致脆斷裂環(huán)境致脆斷裂2 5.1.1 5.1.1 過載斷裂失效的定義及斷口的一般特征過載斷裂失效的定義及斷口的一般特征5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析1 1、過載斷裂失效的定義、過載斷裂失效的定義 當(dāng)工作載荷超過金屬構(gòu)件危險(xiǎn)載面所能承受的極限載荷當(dāng)工作載荷超過金屬構(gòu)件危險(xiǎn)載面所能承受的極限載荷時(shí)，構(gòu)件發(fā)生的斷裂稱為過載斷裂。時(shí)，構(gòu)件發(fā)生的斷裂稱為過載斷裂。n2 . 01 1：構(gòu)件斷裂的初始階段是否是過載性質(zhì)的斷裂構(gòu)件斷裂的初始階段是否是過

2、載性質(zhì)的斷裂 2 2：工作應(yīng)力是否超過構(gòu)件的實(shí)際承載能力而非名義能力工作應(yīng)力是否超過構(gòu)件的實(shí)際承載能力而非名義能力 明確明確0.2一定是構(gòu)件材料的實(shí)際屈服強(qiáng)度一定是構(gòu)件材料的實(shí)際屈服強(qiáng)度3 2 2、過載斷裂失效斷口的一般特征、過載斷裂失效斷口的一般特征金屬構(gòu)件發(fā)生過載斷裂失效時(shí)，通常顯示一次加載斷裂的特征。金屬構(gòu)件發(fā)生過載斷裂失效時(shí)，通常顯示一次加載斷裂的特征。其宏觀斷口與拉伸試驗(yàn)斷口極為相似。其宏觀斷口與拉伸試驗(yàn)斷口極為相似。5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析1-1-纖維區(qū)，纖維區(qū)，2-2-放射區(qū)，放射區(qū)，3-3-剪切唇剪切唇（1）宏觀塑性斷裂失效：）宏觀塑性斷裂失效： 纖維區(qū)

3、，放射區(qū)，剪切唇纖維區(qū)，放射區(qū)，剪切唇纖維區(qū)：纖維區(qū)：位于斷裂的起始部位，在三向拉應(yīng)力作用下，裂紋作緩慢擴(kuò)展而位于斷裂的起始部位，在三向拉應(yīng)力作用下，裂紋作緩慢擴(kuò)展而形成。該區(qū)微觀斷裂機(jī)制是形成。該區(qū)微觀斷裂機(jī)制是等軸微孔聚集型等軸微孔聚集型，斷面與應(yīng)力軸垂直。，斷面與應(yīng)力軸垂直。放射區(qū)：放射區(qū)：裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)，宏裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)，宏觀上可見放射狀條紋或人字觀上可見放射狀條紋或人字紋。微觀斷裂機(jī)制是紋。微觀斷裂機(jī)制是撕裂微撕裂微孔聚集型孔聚集型，也可能是微孔與，也可能是微孔與解理的混合斷裂機(jī)制，斷面解理的混合斷裂機(jī)制，斷面與應(yīng)力軸垂直。與應(yīng)力軸垂直。剪切唇：剪切唇：最后斷裂區(qū)，由切應(yīng)力引最后

4、斷裂區(qū)，由切應(yīng)力引起，起，微觀斷裂機(jī)制為剪切（滑微觀斷裂機(jī)制為剪切（滑開）微孔聚集型開）微孔聚集型，斷面與應(yīng)力，斷面與應(yīng)力軸呈軸呈45。4 2 2、過載斷裂失效斷口的一般特征、過載斷裂失效斷口的一般特征5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析（2）拉伸脆性材料的宏觀脆性過載：）拉伸脆性材料的宏觀脆性過載：無三要素特征無三要素特征，端口為瓷狀、結(jié)晶狀或具有鏡面反光特征，端口為瓷狀、結(jié)晶狀或具有鏡面反光特征；在；在微觀上分別為微觀上分別為等軸微孔、沿晶正斷及解理斷裂等軸微孔、沿晶正斷及解理斷裂。（3）拉伸塑性材料的宏觀脆性過載：）拉伸塑性材料的宏觀脆性過載：因其尺寸過大因其尺寸過大或有裂紋

5、存在時(shí)發(fā)生的脆性斷裂，其或有裂紋存在時(shí)發(fā)生的脆性斷裂，其斷口中的纖斷口中的纖維區(qū)很小，放射區(qū)占有極大比例，周邊幾乎不出維區(qū)很小，放射區(qū)占有極大比例，周邊幾乎不出現(xiàn)剪切唇現(xiàn)剪切唇，其微觀斷裂機(jī)制為，其微觀斷裂機(jī)制為微孔聚集型并兼有微孔聚集型并兼有解理的混合斷裂解理的混合斷裂。5 5.1.2 5.1.2 影響過載斷裂失效特征的因素影響過載斷裂失效特征的因素5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析1 1、材料性質(zhì)的影響、材料性質(zhì)的影響 2 2、零件形狀與幾何尺寸的影響、零件形狀與幾何尺寸的影響 3 3、載荷性質(zhì)的影響、載荷性質(zhì)的影響 4 4、環(huán)境因素的影響、環(huán)境因素的影響6 5.1.2 5.

6、1.2 影響過載斷裂失效特征的因素影響過載斷裂失效特征的因素5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析（1 1）大多數(shù)的單相金屬、低碳鋼及珠光體狀態(tài)的鋼，其過）大多數(shù)的單相金屬、低碳鋼及珠光體狀態(tài)的鋼，其過載斷裂斷口上，具有典型載斷裂斷口上，具有典型“三要素三要素”的特征。的特征。1 1、材料性質(zhì)的影響、材料性質(zhì)的影響（2 2）高強(qiáng)度材料、復(fù)雜的工業(yè)合金及馬氏體時(shí)效鋼等，其）高強(qiáng)度材料、復(fù)雜的工業(yè)合金及馬氏體時(shí)效鋼等，其斷口的纖維區(qū)內(nèi)有環(huán)形花樣，其中心象火山口狀，斷口的纖維區(qū)內(nèi)有環(huán)形花樣，其中心象火山口狀，“火山火山口口”中心必有夾雜物，此為裂紋源。另外，尚有放射區(qū)細(xì)中心必有夾雜物，此為

7、裂紋源。另外，尚有放射區(qū)細(xì)小及剪切唇也較小等特點(diǎn)。小及剪切唇也較小等特點(diǎn)。7 5.1.2 5.1.2 影響過載斷裂失效特征的因素影響過載斷裂失效特征的因素5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析 （3 3）中碳鋼及中碳合金鋼的調(diào)質(zhì)狀態(tài)，斷口的主要特）中碳鋼及中碳合金鋼的調(diào)質(zhì)狀態(tài)，斷口的主要特征是具有征是具有粗大的放射剪切花樣粗大的放射剪切花樣，基本上無纖維區(qū)和剪切唇，基本上無纖維區(qū)和剪切唇。放射剪切是一種典型的剪切脊。這是在斷裂起裂后擴(kuò)展。放射剪切是一種典型的剪切脊。這是在斷裂起裂后擴(kuò)展時(shí)，沿最大切應(yīng)力方向發(fā)生剪切變形的結(jié)果。其另一特點(diǎn)時(shí)，沿最大切應(yīng)力方向發(fā)生剪切變形的結(jié)果。其另一特點(diǎn)

8、是是放射元不是直線放射元不是直線的，這是因?yàn)樽冃渭s束小，裂紋鈍化，的，這是因?yàn)樽冃渭s束小，裂紋鈍化，致使擴(kuò)展速度較慢等。致使擴(kuò)展速度較慢等。 1 1、材料性質(zhì)的影響、材料性質(zhì)的影響85.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析 （4 4）塑性較好的材料，由于變形約束小，斷口上可能只有）塑性較好的材料，由于變形約束小，斷口上可能只有纖維區(qū)和剪切唇而無放射區(qū)。可以說，纖維區(qū)和剪切唇而無放射區(qū)?？梢哉f，斷口上的纖維區(qū)較大，斷口上的纖維區(qū)較大，則材料的塑性較好；反之，放射區(qū)增大，則表示材料的塑性降則材料的塑性較好；反之，放射區(qū)增大，則表示材料的塑性降低，脆性增大低，脆性增大。 （5 5）純金屬還可

9、能出現(xiàn)一種全纖維的斷口或）純金屬還可能出現(xiàn)一種全纖維的斷口或4545 角的滑角的滑開斷口。開斷口。 （6 6）脆性材料的過載斷裂，在其斷口上可能完全不出現(xiàn)）脆性材料的過載斷裂，在其斷口上可能完全不出現(xiàn)“三要素三要素”的特征，而的特征，而呈現(xiàn)細(xì)瓷狀、結(jié)晶狀及鏡面反光狀呈現(xiàn)細(xì)瓷狀、結(jié)晶狀及鏡面反光狀等等特征特征。9 過載斷裂斷口的幾種典型特征過載斷裂斷口的幾種典型特征5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析 高塑性材料 的拉伸斷口 （只有纖維區(qū)， 沒有放射區(qū)） 中碳鋼調(diào)制狀態(tài)拉伸斷口（粗大的發(fā)射剪切花樣） 鑄鐵的拉伸斷口 （瓷狀） 回火脆性狀態(tài)的中碳鋼拉伸斷口（端口齊平，沿晶型）10 2

10、2、零件形狀與幾何尺寸的影響、零件形狀與幾何尺寸的影響5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析（1）圓形試件）圓形試件缺口圓形試件過載斷裂形貌缺口圓形試件過載斷裂形貌示意圖示意圖1-1-缺口，缺口，2-2-纖維區(qū)，纖維區(qū)，3-3-放射，放射， 4-4-最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū) 裂紋不對稱擴(kuò)展斷口形貌裂紋不對稱擴(kuò)展斷口形貌示意圖示意圖1-1-初始階段，初始階段，2-2-第二階段，第二階段，3-3-最后斷裂區(qū)，最后斷裂區(qū)，4-4-裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展方向方向光滑試件拉伸延性光滑試件拉伸延性過載斷裂過載斷裂11 （2）矩形試件：）矩形試件：人字紋人字紋5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析

11、 人字紋的形狀和走向是尋找斷裂源和判斷失效性質(zhì)的重要依據(jù)，表面光滑人字紋的形狀和走向是尋找斷裂源和判斷失效性質(zhì)的重要依據(jù)，表面光滑的零件人字紋尖部總是指向裂紋源的方向，而周邊有缺口時(shí)正好相反。的零件人字紋尖部總是指向裂紋源的方向，而周邊有缺口時(shí)正好相反。（a）側(cè)面缺口試件）側(cè)面缺口試件 （b）去缺口試件表面起裂）去缺口試件表面起裂 （c）無缺口試件中心起裂）無缺口試件中心起裂 （d）周邊缺口試件）周邊缺口試件斷口上的人字紋花樣斷口上的人字紋花樣12 （3）幾何尺寸的影響：）幾何尺寸的影響：無論何種形狀的零件，其幾何尺寸越大，無論何種形狀的零件，其幾何尺寸越大，放射區(qū)的尺寸越大，纖維區(qū)和剪切唇的

12、尺寸也有所增大，但變化幅度放射區(qū)的尺寸越大，纖維區(qū)和剪切唇的尺寸也有所增大，但變化幅度較小，在很薄的試樣上，可能出現(xiàn)全剪切的斷口。較小，在很薄的試樣上，可能出現(xiàn)全剪切的斷口。5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析13 3 3、載荷性質(zhì)的影響、載荷性質(zhì)的影響5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析（1）應(yīng)力狀態(tài)的柔性對三要素的相對大小有較大影響。三向拉應(yīng)力）應(yīng)力狀態(tài)的柔性對三要素的相對大小有較大影響。三向拉應(yīng)力為硬狀態(tài)，三向壓縮為柔性狀態(tài)；快速加載為硬狀態(tài)，慢速加為硬狀態(tài)，三向壓縮為柔性狀態(tài)；快速加載為硬狀態(tài)，慢速加載為柔性狀態(tài)，由于材料在硬狀態(tài)應(yīng)力作用下表現(xiàn)為較大脆性載為柔性

13、狀態(tài)，由于材料在硬狀態(tài)應(yīng)力作用下表現(xiàn)為較大脆性，所以放射區(qū)加大，纖維區(qū)縮小，剪切唇變化不大。，所以放射區(qū)加大，纖維區(qū)縮小，剪切唇變化不大。（2）拉伸塑性斷口與沖擊塑性斷口，其形貌有所不同。）拉伸塑性斷口與沖擊塑性斷口，其形貌有所不同。沖擊斷口形貌沖擊斷口形貌一般情況一般情況材料塑性較好材料塑性較好材料脆性較大材料脆性較大脆性斷口脆性斷口14 4 4、環(huán)境因素的影響、環(huán)境因素的影響5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析(1) 溫度越高，一般是材料的塑性增加，因而纖維區(qū)溫度越高，一般是材料的塑性增加，因而纖維區(qū)加大，剪切唇也有所增加，放射區(qū)相對變小。加大，剪切唇也有所增加，放射區(qū)相對變小

14、。（2）腐蝕介質(zhì)可能使通常的延性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔选＃└g介質(zhì)可能使通常的延性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔选?5 5.1.3 5.1.3 扭轉(zhuǎn)和彎曲過載斷裂斷口特征扭轉(zhuǎn)和彎曲過載斷裂斷口特征5.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析傳動(dòng)軸（傳動(dòng)軸（40Cr40Cr調(diào)質(zhì)后表面感應(yīng)加熱淬火）調(diào)質(zhì)后表面感應(yīng)加熱淬火）軸的臺階過度處沒有淬火軸的臺階過度處沒有淬火韌性扭轉(zhuǎn)過載斷口韌性扭轉(zhuǎn)過載斷口斷面與軸向垂直（最大切應(yīng)力方向），斷面與軸向垂直（最大切應(yīng)力方向），在斷口上可見到明顯的在斷口上可見到明顯的“漩渦漩渦”狀狀壓路機(jī)扭力軸（表面硬化處理）壓路機(jī)扭力軸（表面硬化處理）脆性扭轉(zhuǎn)過載斷口脆性扭轉(zhuǎn)過載斷口斷面與軸

15、向呈斷面與軸向呈4545 （最大正應(yīng)力方向）（最大正應(yīng)力方向）斷裂起源于軸的臺階根部硬化層處斷裂起源于軸的臺階根部硬化層處165.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析 5.1.3 5.1.3 扭轉(zhuǎn)和彎曲過載斷裂斷口特征扭轉(zhuǎn)和彎曲過載斷裂斷口特征彎曲過載斷裂的十字軸，斷面上有放射狀花樣，在十字軸彎曲過載斷裂的十字軸，斷面上有放射狀花樣，在十字軸根部有明顯的加工刀痕根部有明顯的加工刀痕 ，其斷裂原因?yàn)楦考庸と毕菟?，其斷裂原因?yàn)楦考庸と毕菟聫澢^載斷裂斷口特征總體上來說與拉伸斷裂斷口相似，可以觀彎曲過載斷裂斷口特征總體上來說與拉伸斷裂斷口相似，可以觀察到明顯的放射線或人字紋花樣。察到

16、明顯的放射線或人字紋花樣。斷裂斷裂加工刀痕斷裂起始部位175.1 5.1 過載斷裂失效分析過載斷裂失效分析 5.1.4 5.1.4 過載斷裂的微觀特征過載斷裂的微觀特征 常溫下，有明顯的常溫下，有明顯的塑性變形痕跡塑性變形痕跡（材料經(jīng)受過屈服階段而后發(fā)（材料經(jīng)受過屈服階段而后發(fā)生斷裂）以及生斷裂）以及穿晶開裂穿晶開裂的特征，電子顯微鏡下的的特征，電子顯微鏡下的微觀形態(tài)為各微觀形態(tài)為各種各樣的韌窩狀形貌種各樣的韌窩狀形貌，在，在正應(yīng)力作用下韌窩是等軸的正應(yīng)力作用下韌窩是等軸的，而，而在切在切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用下，剪切斷裂和撕裂形成的韌窩將沿一定應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用下，剪切斷裂和撕裂形成的韌窩將沿一

17、定方向伸長變形方向伸長變形。因此，當(dāng)宏觀上難以判斷是正向拉斷還是彎曲。因此，當(dāng)宏觀上難以判斷是正向拉斷還是彎曲作用發(fā)生的斷裂時(shí)，韌窩的形態(tài)可以幫助確定載荷性質(zhì)。作用發(fā)生的斷裂時(shí)，韌窩的形態(tài)可以幫助確定載荷性質(zhì)。185.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效u 材料選用不當(dāng)材料選用不當(dāng)u 制造過程中工藝不正確制造過程中工藝不正確 回火脆性回火脆性 過熱和過燒過熱和過燒 石墨化析出石墨化析出 第二相脆性質(zhì)點(diǎn)析出第二相脆性質(zhì)點(diǎn)析出u 不正確的環(huán)境條件不正確的環(huán)境條件 冷脆金屬低溫脆斷冷脆金屬低溫脆斷 腐蝕脆斷等腐蝕脆斷等（韌塑性不足）（韌塑性不足）19 5.2.1 5.2.1 回火脆性斷裂失效

18、回火脆性斷裂失效5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效1 1、回火脆化現(xiàn)象、回火脆化現(xiàn)象 回火溫度對鋼的沖擊韌性的影響回火溫度對鋼的沖擊韌性的影響低溫回火脆性：低溫回火脆性：350左右，又叫回火馬左右，又叫回火馬氏體脆性（氏體脆性（TEM）、第一類回火脆性、）、第一類回火脆性、不可逆回火脆性，一般發(fā)生在高純度鋼不可逆回火脆性，一般發(fā)生在高純度鋼中，與雜質(zhì)偏聚無關(guān)，斷裂為中，與雜質(zhì)偏聚無關(guān)，斷裂為穿晶型準(zhǔn)穿晶型準(zhǔn)解理解理。產(chǎn)生原因是有。產(chǎn)生原因是有碳化物轉(zhuǎn)變碳化物轉(zhuǎn)變（相相（Fe2C）滲碳體（滲碳體（Fe3C），或者由），或者由于于板條間殘余奧氏體向碳化物轉(zhuǎn)變板條間殘余奧氏體向碳化物轉(zhuǎn)

19、變。高溫回火脆性：高溫回火脆性：500左右，又叫回火脆性（左右，又叫回火脆性（TE）、第二類回火脆性，與材）、第二類回火脆性，與材料合金元素和雜質(zhì)元素含量及熱處理溫度有關(guān)，料合金元素和雜質(zhì)元素含量及熱處理溫度有關(guān)，斷裂為沿晶斷裂斷裂為沿晶斷裂。發(fā)生在。發(fā)生在純度較低的鋼中，可由純度較低的鋼中，可由雜質(zhì)元素向奧氏體偏聚引起雜質(zhì)元素向奧氏體偏聚引起，或者由，或者由在原始奧氏體在原始奧氏體晶界形成晶界形成Fe3C薄殼引起薄殼引起，或者兩者共同作用。，或者兩者共同作用。具有可逆性，重新回火時(shí)仍具有可逆性，重新回火時(shí)仍會表現(xiàn)出來會表現(xiàn)出來。 20 2 2、回火致脆斷裂的特征、回火致脆斷裂的特征 5.2

20、5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效宏觀形貌特征：宏觀形貌特征：斷面結(jié)構(gòu)粗糙斷面結(jié)構(gòu)粗糙，斷口呈銀白色的結(jié)晶狀，一般，斷口呈銀白色的結(jié)晶狀，一般為宏觀脆斷。脆化程度不嚴(yán)重時(shí)為宏觀脆斷。脆化程度不嚴(yán)重時(shí)，斷口上也會出現(xiàn)剪切唇。，斷口上也會出現(xiàn)剪切唇。2Cr13對接焊葉片斷口形貌對接焊葉片斷口形貌 典型微觀形貌：典型微觀形貌：沿奧氏體晶界沿奧氏體晶界分離形成的冰糖塊狀。晶粒界面分離形成的冰糖塊狀。晶粒界面上一般無異常沉淀物，因而有別上一般無異常沉淀物，因而有別于其它類型的沿晶斷裂。但馬氏于其它類型的沿晶斷裂。但馬氏體回火致脆斷裂的解理界面上可體回火致脆斷裂的解理界面上可能出現(xiàn)碳化物第二相質(zhì)點(diǎn)及

21、細(xì)小能出現(xiàn)碳化物第二相質(zhì)點(diǎn)及細(xì)小的韌窩花樣。在斷口上一般可見的韌窩花樣。在斷口上一般可見二次斷裂裂紋。二次斷裂裂紋。 21 3 3、回火致脆斷裂的分析、回火致脆斷裂的分析5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效a a 室溫沖擊試驗(yàn)法：室溫沖擊試驗(yàn)法：將待測鋼材加工成缺口沖擊試樣，將待測鋼材加工成缺口沖擊試樣，淬火并淬火并經(jīng)不同溫度回火后，在室溫下測試其經(jīng)不同溫度回火后，在室溫下測試其ak，由此可確定材料的回，由此可確定材料的回火脆性溫度范圍和脆化程度?；鸫嘈詼囟确秶痛嗷潭取 b 系列沖擊試驗(yàn)法：系列沖擊試驗(yàn)法：將待測鋼材加工成缺口沖擊試樣，將待測鋼材加工成缺口沖擊試樣，在不同在不

22、同溫度下測試其溫度下測試其ak，由此確定脆性轉(zhuǎn)折溫度，與同一材料未脆化，由此確定脆性轉(zhuǎn)折溫度，與同一材料未脆化的脆性轉(zhuǎn)折溫度比較，即可確定是否存在回火脆性及其嚴(yán)重程的脆性轉(zhuǎn)折溫度比較，即可確定是否存在回火脆性及其嚴(yán)重程度，脆性轉(zhuǎn)折溫度上移越多，回火脆性越嚴(yán)重。度，脆性轉(zhuǎn)折溫度上移越多，回火脆性越嚴(yán)重。v判別存在可能出現(xiàn)回火脆性的條件判別存在可能出現(xiàn)回火脆性的條件v具有回火致脆斷裂的宏觀、微觀特征具有回火致脆斷裂的宏觀、微觀特征v驗(yàn)證材料的脆性驗(yàn)證材料的脆性22 3 3、回火致脆斷裂的分析、回火致脆斷裂的分析5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效c c 低溫低溫拉伸試驗(yàn)法：拉伸試驗(yàn)法：

23、利用低溫拉伸法，測量式樣的利用低溫拉伸法，測量式樣的Sf及及f ，與未脆化材料的同類指標(biāo)對比，則可確定材料的回火脆性與未脆化材料的同類指標(biāo)對比，則可確定材料的回火脆性狀態(tài)。狀態(tài)。d d 斷裂韌度法：斷裂韌度法：測出材料的測出材料的KIC及及asc（臨界裂紋尺寸），裂（臨界裂紋尺寸），裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的特征參量紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的特征參量asc值對回火脆性極為敏感值對回火脆性極為敏感。e e 斷口特征的對比分析：斷口特征的對比分析：將同一材料相同構(gòu)件的未斷裂件將同一材料相同構(gòu)件的未斷裂件做成拉伸斷口，進(jìn)行斷口特征的對比分析。做成拉伸斷口，進(jìn)行斷口特征的對比分析。23 3 3、回火致脆斷裂的分析、回火致脆

24、斷裂的分析5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效例：例：對試機(jī)過程中斷裂的對試機(jī)過程中斷裂的20CrMnMo鋼緊固螺釘進(jìn)行斷口對比分析鋼緊固螺釘進(jìn)行斷口對比分析拉伸斷口：拉伸斷口：呈暗灰色纖維狀，中心平整，四周有呈暗灰色纖維狀，中心平整，四周有45剪切唇，呈韌性斷裂剪切唇，呈韌性斷裂形態(tài)，斷口微觀特征主要由韌窩組成，有少許準(zhǔn)解理小平臺，有較大的塑形態(tài)，斷口微觀特征主要由韌窩組成，有少許準(zhǔn)解理小平臺，有較大的塑性變形。性變形。實(shí)際斷裂斷口：實(shí)際斷裂斷口：呈淺灰色，整個(gè)斷面平直，放射線極細(xì)，有少量臺階，四呈淺灰色，整個(gè)斷面平直，放射線極細(xì)，有少量臺階，四周無周無45剪切唇，呈明顯的脆性斷

25、裂形態(tài)。微觀特征可見裂紋沿晶界擴(kuò)展剪切唇，呈明顯的脆性斷裂形態(tài)。微觀特征可見裂紋沿晶界擴(kuò)展，晶面有細(xì)小解理?xiàng)l紋，主要為準(zhǔn)解理河流花樣，表明該試樣斷裂前無明，晶面有細(xì)小解理?xiàng)l紋，主要為準(zhǔn)解理河流花樣，表明該試樣斷裂前無明顯塑性變形。斷裂的螺釘硬度高，顯微組織不均勻，有明顯的板條馬氏體顯塑性變形。斷裂的螺釘硬度高，顯微組織不均勻，有明顯的板條馬氏體束痕跡，說明該試樣回火溫度偏低，處于低溫回火脆性區(qū)。由此確定斷裂束痕跡，說明該試樣回火溫度偏低，處于低溫回火脆性區(qū)。由此確定斷裂失效是由于熱處理操作不規(guī)范，出現(xiàn)低溫回火脆性。對尚未裝機(jī)的螺釘重失效是由于熱處理操作不規(guī)范，出現(xiàn)低溫回火脆性。對尚未裝機(jī)的螺釘

26、重新進(jìn)行回火熱處理，解決問題。新進(jìn)行回火熱處理，解決問題。24 3 3、回火致脆斷裂的分析、回火致脆斷裂的分析5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效16NiCo鋼回火溫度與力學(xué)性能的關(guān)系鋼回火溫度與力學(xué)性能的關(guān)系 因此，室溫拉伸試驗(yàn)因此，室溫拉伸試驗(yàn)無法檢驗(yàn)回火脆性無法檢驗(yàn)回火脆性 強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率在回火脆性區(qū)都沒有明顯的在回火脆性區(qū)都沒有明顯的變化，因此從拉伸性能難以變化，因此從拉伸性能難以判斷鋼的脆性，而沖擊韌度判斷鋼的脆性，而沖擊韌度ak對對440和和550左右的脆性左右的脆性區(qū)顯示得非常清楚。區(qū)顯示得非常清楚。 通常的室溫拉伸實(shí)驗(yàn)不能顯通常的室

27、溫拉伸實(shí)驗(yàn)不能顯示回火脆性示回火脆性25262728 5.2.2 5.2.2 冷脆金屬的低溫脆斷冷脆金屬的低溫脆斷5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效1 1、冷脆金屬及其特點(diǎn)、冷脆金屬及其特點(diǎn) 隨著溫度的降低，發(fā)生斷裂形式轉(zhuǎn)化隨著溫度的降低，發(fā)生斷裂形式轉(zhuǎn)化及塑脆過渡的金屬，稱為冷脆金屬。除面及塑脆過渡的金屬，稱為冷脆金屬。除面心立方以外的所有金屬材料均屬于冷脆金心立方以外的所有金屬材料均屬于冷脆金屬，低碳鋼是典型的冷脆金屬。屬，低碳鋼是典型的冷脆金屬。 溫度對低碳鋼拉伸性能的影響溫度對低碳鋼拉伸性能的影響 A：典型的宏觀延性斷裂：典型的宏觀延性斷裂B：心部微孔型和周邊解理型的混合

28、斷裂：心部微孔型和周邊解理型的混合斷裂，仍為宏觀延性斷裂，仍為宏觀延性斷裂C：斷口為百分之百的解理斷裂，但也為：斷口為百分之百的解理斷裂，但也為宏觀延性斷裂，不形成縮頸宏觀延性斷裂，不形成縮頸D：宏觀脆性解理斷裂：宏觀脆性解理斷裂E：宏觀脆性解理斷裂，斷口附近的晶粒：宏觀脆性解理斷裂，斷口附近的晶粒內(nèi)可見形變孿晶。內(nèi)可見形變孿晶。29隨著溫度的降低，低碳鋼的斷裂行為發(fā)生如下變化：隨著溫度的降低，低碳鋼的斷裂行為發(fā)生如下變化： 5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效（1 1）屈服極限和斷裂正應(yīng)力隨溫度降低）屈服極限和斷裂正應(yīng)力隨溫度降低而顯著升高，而塑性指標(biāo)而顯著升高，而塑性指標(biāo) f

29、f逐漸降低。逐漸降低。 （2 2）在較低的溫度下發(fā)生斷裂形式的）在較低的溫度下發(fā)生斷裂形式的變化，即由微孔型斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)化。變化，即由微孔型斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)化。（3 3）在更低的溫度下發(fā)生塑脆過渡，）在更低的溫度下發(fā)生塑脆過渡，即由宏觀塑性的解理斷裂向宏觀脆性的即由宏觀塑性的解理斷裂向宏觀脆性的解理斷裂的過渡，在此時(shí)的極限塑性趨解理斷裂的過渡，在此時(shí)的極限塑性趨近于零。這種過渡的臨界溫度稱為脆性近于零。這種過渡的臨界溫度稱為脆性轉(zhuǎn)折溫度。轉(zhuǎn)折溫度。30 2 2、冷脆金屬低溫脆斷的特征、冷脆金屬低溫脆斷的特征5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效（1 1）冷脆金屬低溫脆斷斷口的宏觀

30、特征）冷脆金屬低溫脆斷斷口的宏觀特征 典型斷口宏觀特征為結(jié)晶狀，并有明顯的鏡面反光現(xiàn)象。典型斷口宏觀特征為結(jié)晶狀，并有明顯的鏡面反光現(xiàn)象。斷口與正應(yīng)力軸垂直，斷口齊平，附近無頸縮現(xiàn)象，無剪切唇。斷口與正應(yīng)力軸垂直，斷口齊平，附近無頸縮現(xiàn)象，無剪切唇。斷口中的反光小平面（小刻面）與晶粒尺寸相當(dāng)。馬氏體基高強(qiáng)斷口中的反光小平面（小刻面）與晶粒尺寸相當(dāng)。馬氏體基高強(qiáng)度材料斷口有時(shí)呈放射狀撕裂棱臺階花樣。度材料斷口有時(shí)呈放射狀撕裂棱臺階花樣。（2 2）冷脆金屬低溫?cái)嗔褦嗫诘奈⒂^形貌）冷脆金屬低溫?cái)嗔褦嗫诘奈⒂^形貌 冷脆金屬低溫?cái)嗔褦嗫诘奈⒂^形貌具有冷脆金屬低溫?cái)嗔褦嗫诘奈⒂^形貌具有典型的解理斷裂特典型

31、的解理斷裂特征征，河流花樣、臺階、舌狀花樣、魚骨花樣、羽毛狀花樣、扇，河流花樣、臺階、舌狀花樣、魚骨花樣、羽毛狀花樣、扇形花樣等。對于一般工程結(jié)構(gòu)用鋼，通常所說的解理斷裂，主形花樣等。對于一般工程結(jié)構(gòu)用鋼，通常所說的解理斷裂，主要是在冷脆狀態(tài)下產(chǎn)生。要是在冷脆狀態(tài)下產(chǎn)生。315.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效3. 金屬冷脆斷裂的分析金屬冷脆斷裂的分析 v判別存在可能出現(xiàn)冷脆斷裂的條件判別存在可能出現(xiàn)冷脆斷裂的條件v具有冷脆斷裂的宏觀、微觀特征具有冷脆斷裂的宏觀、微觀特征u是否是冷脆金屬是否是冷脆金屬 絕大多數(shù)體心立方金屬，面心立方金屬不是冷脆金屬。絕大多數(shù)體心立方金屬，面心立方金

32、屬不是冷脆金屬。u環(huán)境溫度低于材料脆性轉(zhuǎn)折溫度環(huán)境溫度低于材料脆性轉(zhuǎn)折溫度 材料中的缺陷及晶粒粗大將使脆性轉(zhuǎn)折溫度提高。因此，確定金屬實(shí)際材料中的缺陷及晶粒粗大將使脆性轉(zhuǎn)折溫度提高。因此，確定金屬實(shí)際 狀況的冷脆轉(zhuǎn)折溫度是十分重要的！狀況的冷脆轉(zhuǎn)折溫度是十分重要的！ 驗(yàn)證材料的冷脆轉(zhuǎn)折溫度的方法：系列沖擊實(shí)驗(yàn)法驗(yàn)證材料的冷脆轉(zhuǎn)折溫度的方法：系列沖擊實(shí)驗(yàn)法u構(gòu)件幾何尺寸較大，構(gòu)件處于平面應(yīng)力狀態(tài)。構(gòu)件幾何尺寸較大，構(gòu)件處于平面應(yīng)力狀態(tài)。32 5.2.3 5.2.3 第二相質(zhì)點(diǎn)致脆斷裂失效第二相質(zhì)點(diǎn)致脆斷裂失效5.2 5.2 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效1 1、第二相質(zhì)點(diǎn)致脆斷裂的類型、第二相

33、質(zhì)點(diǎn)致脆斷裂的類型第二相質(zhì)點(diǎn)致脆斷裂是指由第二相質(zhì)點(diǎn)沿晶粒間界析出引起晶第二相質(zhì)點(diǎn)致脆斷裂是指由第二相質(zhì)點(diǎn)沿晶粒間界析出引起晶界的脆化或弱化而導(dǎo)致的一種沿晶斷裂。界的脆化或弱化而導(dǎo)致的一種沿晶斷裂。脆性的第二相質(zhì)點(diǎn)沿原奧氏體晶界擇優(yōu)析出引起的晶界脆化。脆性的第二相質(zhì)點(diǎn)沿原奧氏體晶界擇優(yōu)析出引起的晶界脆化。（例如滲碳層中滲碳體沿晶界分布形成網(wǎng)狀骨架）（例如滲碳層中滲碳體沿晶界分布形成網(wǎng)狀骨架） 某些雜質(zhì)元素沿晶界富集引起的晶界弱化。某些雜質(zhì)元素沿晶界富集引起的晶界弱化。（硫、磷、氧、鉛）（硫、磷、氧、鉛）特定溫度下發(fā)生相變。特定溫度下發(fā)生相變。 有以下幾種情況：有以下幾種情況：335.2 5.2

34、 材料致脆斷裂失效材料致脆斷裂失效斷口特征：斷口特征：宏觀斷口為脆性的晶粒狀。高倍觀察可見第宏觀斷口為脆性的晶粒狀。高倍觀察可見第二相質(zhì)點(diǎn)及其微孔形貌。二相質(zhì)點(diǎn)及其微孔形貌。345.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂是指金屬材料與某種特殊的環(huán)境因素發(fā)生交環(huán)境致脆斷裂是指金屬材料與某種特殊的環(huán)境因素發(fā)生交互作用而導(dǎo)致的具有一定環(huán)境特征的脆性斷裂?；プ饔枚鴮?dǎo)致的具有一定環(huán)境特征的脆性斷裂。包括：包括：應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂氫致斷裂氫致斷裂腐蝕疲勞腐蝕疲勞熱疲勞熱疲勞低熔點(diǎn)金屬致脆斷裂低熔點(diǎn)金屬致脆斷裂35 5.3.1 5.3.1 應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂5.3 5.3 環(huán)境

35、致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 在靜拉應(yīng)力作用下金屬的腐蝕破壞，一般稱為應(yīng)力腐蝕開裂；而在靜拉應(yīng)力作用下金屬的腐蝕破壞，一般稱為應(yīng)力腐蝕開裂；而在交變應(yīng)力作用下金屬的腐蝕破壞，則稱為腐蝕疲勞。在交變應(yīng)力作用下金屬的腐蝕破壞，則稱為腐蝕疲勞。 即使是延性材料，應(yīng)力腐蝕開裂（斷裂）也是脆性形式的斷裂。即使是延性材料，應(yīng)力腐蝕開裂（斷裂）也是脆性形式的斷裂。 應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，形成的裂紋常被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，不易被應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，形成的裂紋常被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，不易被發(fā)覺，導(dǎo)致的斷裂具有突發(fā)性。發(fā)覺，導(dǎo)致的斷裂具有突發(fā)性。 應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的速率一般介于均勻腐蝕速率和快速機(jī)械斷裂速應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)

36、展的速率一般介于均勻腐蝕速率和快速機(jī)械斷裂速率之間。率之間。1 1、應(yīng)力腐蝕開裂的定義、應(yīng)力腐蝕開裂的定義 應(yīng)力腐蝕開裂（應(yīng)力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking, SCCStress Corrosion Cracking, SCC）是金屬在應(yīng)力）是金屬在應(yīng)力（殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力、工作應(yīng)力等）和腐蝕介質(zhì)共同作用下，而引起的一（殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力、工作應(yīng)力等）和腐蝕介質(zhì)共同作用下，而引起的一種破壞形式。種破壞形式。36 2 2、應(yīng)力腐蝕開裂的條件及其影響因素、應(yīng)力腐蝕開裂的條件及其影響因素5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效（1 1）僅當(dāng)弱的腐蝕介質(zhì)，在金屬表面形

37、成一層不穩(wěn)定的）僅當(dāng)弱的腐蝕介質(zhì)，在金屬表面形成一層不穩(wěn)定的“保護(hù)膜保護(hù)膜”時(shí)，才有可能發(fā)生時(shí)，才有可能發(fā)生應(yīng)力應(yīng)力腐蝕開裂。腐蝕開裂。強(qiáng)腐蝕介質(zhì)強(qiáng)腐蝕介質(zhì)將將引起引起全面腐蝕破壞全面腐蝕破壞而不是應(yīng)力腐蝕。而不是應(yīng)力腐蝕。（2 2）一定的拉應(yīng)力和應(yīng)變，壓應(yīng)力一般不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。）一定的拉應(yīng)力和應(yīng)變，壓應(yīng)力一般不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。（3 3）對于每一種金屬或合金來說，有其特定的腐蝕介質(zhì)系統(tǒng)，）對于每一種金屬或合金來說，有其特定的腐蝕介質(zhì)系統(tǒng)，即易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的金屬即易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的金屬- -介質(zhì)系統(tǒng)。介質(zhì)系統(tǒng)。（4 4）材料的成分、組織和應(yīng)力狀態(tài)的影響。雜質(zhì)元素、材料）材料的成分、組織和

38、應(yīng)力狀態(tài)的影響。雜質(zhì)元素、材料的不均勻性，晶粒尺寸等。的不均勻性，晶粒尺寸等。（5 5）一般來說，介質(zhì)的濃度和環(huán)境溫度越高則較易發(fā)生應(yīng)力）一般來說，介質(zhì)的濃度和環(huán)境溫度越高則較易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。腐蝕。37 常見發(fā)生應(yīng)力腐蝕的材料常見發(fā)生應(yīng)力腐蝕的材料-介質(zhì)系統(tǒng)介質(zhì)系統(tǒng)5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效38 2 2、應(yīng)力腐蝕開裂的斷口及裂紋特征、應(yīng)力腐蝕開裂的斷口及裂紋特征5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效（1 1）斷口的宏觀形態(tài)一般為）斷口的宏觀形態(tài)一般為脆性斷裂脆性斷裂，斷口截面基本上垂，斷口截面基本上垂直于拉應(yīng)力方向。斷口上有斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷直于拉應(yīng)力

39、方向。斷口上有斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。裂區(qū)。39 2 2、應(yīng)力腐蝕開裂的斷口及裂紋特征、應(yīng)力腐蝕開裂的斷口及裂紋特征5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 （2 2）應(yīng)力腐蝕裂紋源于表面，并呈不連續(xù)狀，裂紋）應(yīng)力腐蝕裂紋源于表面，并呈不連續(xù)狀，裂紋具有分叉較多、尾部較尖銳（呈樹枝狀）的特征具有分叉較多、尾部較尖銳（呈樹枝狀）的特征。40 2 2、應(yīng)力腐蝕開裂的斷口及裂紋特征、應(yīng)力腐蝕開裂的斷口及裂紋特征5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 在一般情況下，當(dāng)應(yīng)力較小、腐蝕介質(zhì)較弱時(shí)，應(yīng)力腐在一般情況下，當(dāng)應(yīng)力較小、腐蝕介質(zhì)較弱時(shí)，應(yīng)力腐蝕裂紋多呈沿晶擴(kuò)展；相反，當(dāng)

40、應(yīng)力較大、腐蝕介質(zhì)較強(qiáng)時(shí)蝕裂紋多呈沿晶擴(kuò)展；相反，當(dāng)應(yīng)力較大、腐蝕介質(zhì)較強(qiáng)時(shí)應(yīng)力腐蝕裂紋通常是穿晶擴(kuò)展。應(yīng)力腐蝕裂紋通常是穿晶擴(kuò)展。 （3 3）裂紋走向可以是穿晶也可以是沿晶。面心立方金屬）裂紋走向可以是穿晶也可以是沿晶。面心立方金屬易引起穿晶型，而體心立方金屬以沿晶為主易引起穿晶型，而體心立方金屬以沿晶為主 。許多情況下。許多情況下，應(yīng)力腐蝕裂紋也可以是沿晶和穿晶的混合型。，應(yīng)力腐蝕裂紋也可以是沿晶和穿晶的混合型。第二相質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出易促使裂紋的沿晶擴(kuò)展。第二相質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出易促使裂紋的沿晶擴(kuò)展。41 （4）應(yīng)力腐蝕斷口的微觀形貌可為）應(yīng)力腐蝕斷口的微觀形貌可為巖石狀巖石狀，巖石表面有腐蝕痕

41、跡巖石表面有腐蝕痕跡。嚴(yán)重時(shí)整個(gè)都為腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，此時(shí)斷口則呈嚴(yán)重時(shí)整個(gè)都為腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，此時(shí)斷口則呈泥紋狀或龜板狀花樣泥紋狀或龜板狀花樣。 5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效泥紋狀花樣泥紋狀花樣凹槽、扇形、臺階及河流凹槽、扇形、臺階及河流花樣，穿晶為主（電鏡）花樣，穿晶為主（電鏡）巖石狀花樣巖石狀花樣42 3 3、應(yīng)力腐蝕開裂失效分析、應(yīng)力腐蝕開裂失效分析 5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效（1 1）詳細(xì)了解材料的生產(chǎn)過程與處理工藝，掌握材料的成分、）詳細(xì)了解材料的生產(chǎn)過程與處理工藝，掌握材料的成分、組織狀態(tài)以及雜質(zhì)（夾雜物）含量與分布。組織狀態(tài)以及雜質(zhì)（夾雜

42、物）含量與分布。硫化物提高應(yīng)力腐蝕敏感性硫化物提高應(yīng)力腐蝕敏感性（2 2）詳細(xì)了解設(shè)備或部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加工、制造、裝配）詳細(xì)了解設(shè)備或部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加工、制造、裝配過程。過程。 必要時(shí)對設(shè)備或部件進(jìn)行應(yīng)力分析和測試，以確定材必要時(shí)對設(shè)備或部件進(jìn)行應(yīng)力分析和測試，以確定材料所處的應(yīng)力狀態(tài)與大小。注意加工、裝配等過程中造成的料所處的應(yīng)力狀態(tài)與大小。注意加工、裝配等過程中造成的殘余應(yīng)力及其分布。殘余應(yīng)力及其分布。43 3 3、應(yīng)力腐蝕開裂失效分析、應(yīng)力腐蝕開裂失效分析 5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效（5 5）必要時(shí)，可在實(shí)際使用條件下進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)或在實(shí)驗(yàn)室）必要時(shí)，可在實(shí)際使用

43、條件下進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)或在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬現(xiàn)場產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的條件（介質(zhì)、應(yīng)力、溫內(nèi)進(jìn)行模擬現(xiàn)場產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的條件（介質(zhì)、應(yīng)力、溫度等），也可采用能夠預(yù)示實(shí)際條件下應(yīng)力腐蝕破裂趨勢的度等），也可采用能夠預(yù)示實(shí)際條件下應(yīng)力腐蝕破裂趨勢的加速試驗(yàn)方法，對所出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕開裂加以驗(yàn)證和模擬。加速試驗(yàn)方法，對所出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕開裂加以驗(yàn)證和模擬。局部濃縮情況局部濃縮情況（3 3）詳細(xì)了解設(shè)備或部件使用環(huán)境特點(diǎn)，介質(zhì)種類、使用溫）詳細(xì)了解設(shè)備或部件使用環(huán)境特點(diǎn)，介質(zhì)種類、使用溫度等。對于不同的材料，重點(diǎn)分析能夠引起應(yīng)力腐蝕開裂的度等。對于不同的材料，重點(diǎn)分析能夠引起應(yīng)力腐蝕開裂的敏感介質(zhì)。敏感介質(zhì)。（4

44、 4）斷口和裂紋形態(tài)的宏觀、微觀分析，確定）斷口和裂紋形態(tài)的宏觀、微觀分析，確定斷裂的特征斷裂的特征。44 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)可以采用恒載荷法和恒變形法應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)可以采用恒載荷法和恒變形法 5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效45 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)可以采用恒載荷法和恒變形法應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)可以采用恒載荷法和恒變形法 5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 特別注意：特別注意： 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)斷口要與實(shí)際斷口對比分析，要一致。應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)斷口要與實(shí)際斷口對比分析，要一致。 46 5.3.2 5.3.2 氫致脆斷失效氫致脆斷失效 Hydrogen

45、-embrittlement5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 由于氫而導(dǎo)致金屬材料在低應(yīng)力靜載荷下的由于氫而導(dǎo)致金屬材料在低應(yīng)力靜載荷下的脆性斷裂，稱為氫致斷裂，又稱氫脆。脆性斷裂，稱為氫致斷裂，又稱氫脆。 氫除了可使材料變脆外，在某些條件下還會造成表氫除了可使材料變脆外，在某些條件下還會造成表面起泡等其它損傷，而這類損傷與材料本身的脆性關(guān)系面起泡等其它損傷，而這類損傷與材料本身的脆性關(guān)系不大，故許多資料上將其連同使金屬變脆的過程統(tǒng)稱為不大，故許多資料上將其連同使金屬變脆的過程統(tǒng)稱為氫損傷。氫損傷。 475.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效氫的作用氫的作用導(dǎo)致早期失

46、效或開裂導(dǎo)致早期失效或開裂降低金屬強(qiáng)度和塑性降低金屬強(qiáng)度和塑性導(dǎo)致焊接接頭冷裂導(dǎo)致焊接接頭冷裂腐蝕環(huán)境的延遲斷裂腐蝕環(huán)境的延遲斷裂促進(jìn)應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞促進(jìn)應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞氫致失效氫致失效氫的含量極低，甚至低氫的含量極低，甚至低于于1ppm對材料組織極其敏感對材料組織極其敏感特有的斷口特征特有的斷口特征斷裂時(shí)間延長斷裂時(shí)間延長day, months, 甚或更長甚或更長48 1 1、氫進(jìn)入金屬材料的途徑、氫進(jìn)入金屬材料的途徑5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效（4 4）金屬構(gòu)件在運(yùn)行過程中，環(huán)境也可提供氫）金屬構(gòu)件在運(yùn)行過程中，環(huán)境也可提供氫（1 1）金屬材料基體內(nèi)殘留的氫：）金屬

47、材料基體內(nèi)殘留的氫： 冶煉、焊接、冶煉、焊接、 熔鑄熔鑄（2 2）金屬材料在含氫的高溫氣氛中加熱時(shí)，進(jìn)金屬內(nèi)）金屬材料在含氫的高溫氣氛中加熱時(shí)，進(jìn)金屬內(nèi)部的氫部的氫（3 3）金屬材料在化學(xué)及電化學(xué)處理過程中，進(jìn)入金屬）金屬材料在化學(xué)及電化學(xué)處理過程中，進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫（電鍍、酸洗）內(nèi)部的氫（電鍍、酸洗）49 2 2、氫致脆斷的類型、氫致脆斷的類型（1）溶解在金屬基體中的氫原子析出并在金屬內(nèi)部的缺陷溶解在金屬基體中的氫原子析出并在金屬內(nèi)部的缺陷 處結(jié)合成分子狀態(tài)，由此產(chǎn)生的處結(jié)合成分子狀態(tài)，由此產(chǎn)生的高壓高壓，使材料變脆。，使材料變脆。 鋼中的鋼中的“白點(diǎn)白點(diǎn)”即屬于此種類型。即屬于此種類型。5

48、.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效（2）由環(huán)境氣氛中的氫在高溫下進(jìn)入金屬內(nèi)部，并奪取鋼由環(huán)境氣氛中的氫在高溫下進(jìn)入金屬內(nèi)部，并奪取鋼 中的碳形成中的碳形成甲烷甲烷，使鋼變脆。，使鋼變脆。（3）固溶氫引起的可逆性氫脆，即進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫，以固溶氫引起的可逆性氫脆，即進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫，以間隙固溶體的形式存在，當(dāng)金屬材料受到緩慢加載的附加間隙固溶體的形式存在，當(dāng)金屬材料受到緩慢加載的附加應(yīng)力時(shí)（包括殘余應(yīng)力），原子氫由固溶體中析出并結(jié)合應(yīng)力時(shí)（包括殘余應(yīng)力），原子氫由固溶體中析出并結(jié)合成分子狀態(tài)，使鋼材變脆（延遲性）。成分子狀態(tài)，使鋼材變脆（延遲性）。 機(jī)械零件通常發(fā)生的氫致斷裂，一般屬

49、于此種氫脆。機(jī)械零件通常發(fā)生的氫致斷裂，一般屬于此種氫脆。505.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 固溶狀態(tài)的氫不經(jīng)任何化學(xué)反應(yīng)，僅含少固溶狀態(tài)的氫不經(jīng)任何化學(xué)反應(yīng)，僅含少量的氫即可引起氫脆。此類氫脆具有明顯的延遲量的氫即可引起氫脆。此類氫脆具有明顯的延遲斷裂的性質(zhì)。僅在一定的溫度范圍內(nèi)（斷裂的性質(zhì)。僅在一定的溫度范圍內(nèi)（-100-100150150 C C）出現(xiàn)，在室溫附近最敏感。對材料的強(qiáng)）出現(xiàn)，在室溫附近最敏感。對材料的強(qiáng)度極限、屈服極限、延伸率及沖擊韌性影響較小度極限、屈服極限、延伸率及沖擊韌性影響較小，而對材料的極限斷面收縮率影響較大。，而對材料的極限斷面收縮率影響較大。

50、51 3 3、氫致脆斷的斷口形貌特征、氫致脆斷的斷口形貌特征 5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效（1 1）宏觀斷口齊平，為脆性的結(jié)晶狀宏觀斷口齊平，為脆性的結(jié)晶狀，表面潔凈呈亮灰色表面潔凈呈亮灰色；實(shí)際構(gòu)件的氫脆斷裂又往往與機(jī)械斷裂同時(shí)出現(xiàn)，因此斷實(shí)際構(gòu)件的氫脆斷裂又往往與機(jī)械斷裂同時(shí)出現(xiàn)，因此斷口上常常包括這兩種斷裂的特征口上常常包括這兩種斷裂的特征 。對于延遲斷裂斷口，通。對于延遲斷裂斷口，通常有兩個(gè)區(qū)域，一是氫脆裂紋的亞臨界擴(kuò)展區(qū)（齊平），常有兩個(gè)區(qū)域，一是氫脆裂紋的亞臨界擴(kuò)展區(qū)（齊平），二是機(jī)械撕裂區(qū)（斜面，粗糙二是機(jī)械撕裂區(qū)（斜面，粗糙 ，有放射線花樣），有放射線花樣）

51、（2 2）微觀斷口沿晶分離微觀斷口沿晶分離，晶粒輪廓鮮明，晶界有時(shí)可看到晶粒輪廓鮮明，晶界有時(shí)可看到變形線變形線（呈發(fā)紋或雞爪痕花樣）；（呈發(fā)紋或雞爪痕花樣）；應(yīng)力較大時(shí)也可能出現(xiàn)微應(yīng)力較大時(shí)也可能出現(xiàn)微孔型的穿晶斷裂孔型的穿晶斷裂。52 3 3、氫致脆斷的斷口形貌特征、氫致脆斷的斷口形貌特征 5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效（3 3）顯微裂紋呈斷續(xù)而彎曲的鋸齒狀顯微裂紋呈斷續(xù)而彎曲的鋸齒狀。（4 4）在應(yīng)力集中較大的部位起裂時(shí)，微裂紋源于表面或靠）在應(yīng)力集中較大的部位起裂時(shí)，微裂紋源于表面或靠近缺口底部。應(yīng)力集中比較小時(shí)，微裂紋多源于次表面或近缺口底部。應(yīng)力集中比較小時(shí)，微裂

52、紋多源于次表面或遠(yuǎn)離缺口底部（滲碳等表面硬化件出現(xiàn)的氫脆多源于次表遠(yuǎn)離缺口底部（滲碳等表面硬化件出現(xiàn)的氫脆多源于次表面）。面）。（5）對于在高溫下氫與鋼中的碳形成）對于在高溫下氫與鋼中的碳形成CH4氣泡導(dǎo)致的脆性斷裂氣泡導(dǎo)致的脆性斷裂，其，其斷口表面具有氧化色及晶粒狀斷口表面具有氧化色及晶粒狀。微觀斷口可見。微觀斷口可見晶界明顯加晶界明顯加寬及沿晶型的斷裂特征寬及沿晶型的斷裂特征，裂紋附近珠光體有脫碳現(xiàn)象裂紋附近珠光體有脫碳現(xiàn)象。（6）氫化物氫化物致脆斷裂，沿晶型，只有在高速變形（如沖擊載荷致脆斷裂，沿晶型，只有在高速變形（如沖擊載荷）時(shí)才表現(xiàn)出來，微觀斷口上可見到）時(shí)才表現(xiàn)出來，微觀斷口上可

53、見到氫化物第二相質(zhì)點(diǎn)氫化物第二相質(zhì)點(diǎn)。535.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效20鋼水冷壁管氫脆爆破爆口和裂紋形貌鋼水冷壁管氫脆爆破爆口和裂紋形貌 較長時(shí)間處于較長時(shí)間處于pH值低的給水狀態(tài)運(yùn)行，爆口附近氫含量為值低的給水狀態(tài)運(yùn)行，爆口附近氫含量為6.10mL/100g，爆口呈窗口狀，管壁未減薄，為脆性斷裂，爆口呈窗口狀，管壁未減薄，為脆性斷裂，管內(nèi)壁腐蝕坑處可見多道宏觀裂紋。微觀裂紋沿晶擴(kuò)展裂管內(nèi)壁腐蝕坑處可見多道宏觀裂紋。微觀裂紋沿晶擴(kuò)展裂紋兩側(cè)有脫碳現(xiàn)象。（氫奪取鋼中的碳形成氣態(tài)紋兩側(cè)有脫碳現(xiàn)象。（氫奪取鋼中的碳形成氣態(tài)CH4）545.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂

54、失效鐵素體鋼氫脆斷口形貌鐵素體鋼氫脆斷口形貌 n2 . 0n2 . 0555.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效氫脆斷口微觀形貌氫脆斷口微觀形貌 氫脆裂紋的走向形態(tài)氫脆裂紋的走向形態(tài)斷續(xù)而彎曲的鋸齒狀斷續(xù)而彎曲的鋸齒狀 沿晶，晶界有變形線（發(fā)紋沿晶，晶界有變形線（發(fā)紋或雞爪痕）或雞爪痕）565.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效n2 . 0Tritium autoradiograph of deformed iron 57 5.3.3 5.3.3 低熔點(diǎn)金屬的接觸致脆斷裂失效低熔點(diǎn)金屬的接觸致脆斷裂失效5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 1產(chǎn)生的條件產(chǎn)生的條件

55、與低熔點(diǎn)金屬相接觸的金屬零件，在一定的溫度和拉應(yīng)力下，低熔點(diǎn)金與低熔點(diǎn)金屬相接觸的金屬零件，在一定的溫度和拉應(yīng)力下，低熔點(diǎn)金屬從零件表面沿晶界內(nèi)部擴(kuò)散，引起材料脆化并由此導(dǎo)致構(gòu)件斷裂屬從零件表面沿晶界內(nèi)部擴(kuò)散，引起材料脆化并由此導(dǎo)致構(gòu)件斷裂（1 1）金屬零件與低熔點(diǎn)金屬長時(shí)間接觸。）金屬零件與低熔點(diǎn)金屬長時(shí)間接觸。（2 2）存在拉應(yīng)力和較高的溫度條件（低熔點(diǎn)金屬隨裂紋的擴(kuò)展而擴(kuò)）存在拉應(yīng)力和較高的溫度條件（低熔點(diǎn)金屬隨裂紋的擴(kuò)展而擴(kuò)散并使裂紋頂端金屬發(fā)生合金化）。散并使裂紋頂端金屬發(fā)生合金化）。（3 3）基體金屬與低熔點(diǎn)金屬存在一定的環(huán)境體系（潤濕性）。）基體金屬與低熔點(diǎn)金屬存在一定的環(huán)境體系

56、（潤濕性）。（4 4）只有在低速加載的條件下才能發(fā)生（保證裂紋的擴(kuò)展速度低于）只有在低速加載的條件下才能發(fā)生（保證裂紋的擴(kuò)展速度低于低熔點(diǎn)金屬的浸潤能力）。低熔點(diǎn)金屬的浸潤能力）。58 5.3.3 5.3.3 低熔點(diǎn)金屬的接觸致脆斷裂失效低熔點(diǎn)金屬的接觸致脆斷裂失效5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 2斷口特點(diǎn)及斷口形貌斷口特點(diǎn)及斷口形貌（1 1）裂紋源于表面。（低熔點(diǎn)金屬沿表面金屬的晶粒間界選擇）裂紋源于表面。（低熔點(diǎn)金屬沿表面金屬的晶粒間界選擇性擴(kuò)展）性擴(kuò)展）（2 2）裂紋的走向?yàn)檠鼐?，宏觀上為脆性斷裂，斷裂界面與拉）裂紋的走向?yàn)檠鼐?，宏觀上為脆性斷裂，斷裂界面與拉應(yīng)力垂

57、直。應(yīng)力垂直。（3 3）主裂紋明顯，其周圍有許多支裂紋。）主裂紋明顯，其周圍有許多支裂紋。（4 4）斷口表面通常有低熔點(diǎn)金屬留下的特殊色澤及堆積物。）斷口表面通常有低熔點(diǎn)金屬留下的特殊色澤及堆積物。59 5.3.3 5.3.3 低熔點(diǎn)金屬的接觸致脆斷裂失效低熔點(diǎn)金屬的接觸致脆斷裂失效5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 3常見的低熔點(diǎn)金屬致脆斷裂常見的低熔點(diǎn)金屬致脆斷裂（1 1）金屬鎘致脆斷裂（鎘具有較好的電化學(xué)保護(hù)性能，鍍鎘）金屬鎘致脆斷裂（鎘具有較好的電化學(xué)保護(hù)性能，鍍鎘）宏觀斷口上通常明顯地分為宏觀斷口上通常明顯地分為藍(lán)黑色藍(lán)黑色和和銀灰色銀灰色兩部分。前者為兩部分。前者為鎘

58、脆區(qū)鎘脆區(qū)，后者為，后者為基體金屬的瞬時(shí)斷裂區(qū)基體金屬的瞬時(shí)斷裂區(qū)。在鎘脆區(qū)，斷口邊緣的黑色堆積物為金屬鎘，其余。在鎘脆區(qū)，斷口邊緣的黑色堆積物為金屬鎘，其余呈藍(lán)色或藍(lán)綠色部分為合金化區(qū)，微觀斷口為沿晶型。呈藍(lán)色或藍(lán)綠色部分為合金化區(qū)，微觀斷口為沿晶型。為了防止鎘脆，鍍鎘前先鍍一層鎳以阻止鎘向基體金屬內(nèi)部擴(kuò)散。為了防止鎘脆，鍍鎘前先鍍一層鎳以阻止鎘向基體金屬內(nèi)部擴(kuò)散。（2 2）金屬焊錫致脆斷裂（錫封裝黃銅組合件）金屬焊錫致脆斷裂（錫封裝黃銅組合件）錫致黃銅脆性斷裂的宏觀斷口為銀白色的脆性斷裂，溫度區(qū)間為錫致黃銅脆性斷裂的宏觀斷口為銀白色的脆性斷裂，溫度區(qū)間為170170350350，斷口為正常

59、的金黃色的韌性斷裂。單相黃銅為沿晶型斷裂；雙相黃，斷口為正常的金黃色的韌性斷裂。單相黃銅為沿晶型斷裂；雙相黃銅為穿晶型斷裂。斷口表面及附近區(qū)域可見錫的合金化特征及錫的富集現(xiàn)象銅為穿晶型斷裂。斷口表面及附近區(qū)域可見錫的合金化特征及錫的富集現(xiàn)象。 60 5.3.4 5.3.4 高溫長時(shí)致脆斷裂（熱脆）失效高溫長時(shí)致脆斷裂（熱脆）失效5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致脆斷裂失效 （1 1）呈現(xiàn)熱脆性的鋼材，在高溫下的沖擊韌性并不低）呈現(xiàn)熱脆性的鋼材，在高溫下的沖擊韌性并不低，而，而室溫沖擊韌性室溫沖擊韌性一般比正常值降低一般比正常值降低50506060，甚至降低，甚至降低8080以上，其它強(qiáng)度指

60、標(biāo)及塑性指標(biāo)均不發(fā)生明顯變化。奧氏以上，其它強(qiáng)度指標(biāo)及塑性指標(biāo)均不發(fā)生明顯變化。奧氏體鋼的熱脆性有所不同，在熱脆發(fā)生的同時(shí)還往往發(fā)生強(qiáng)度體鋼的熱脆性有所不同，在熱脆發(fā)生的同時(shí)還往往發(fā)生強(qiáng)度和塑性等指標(biāo)的變化。和塑性等指標(biāo)的變化。1 1、熱脆斷裂的特點(diǎn)、熱脆斷裂的特點(diǎn) （2 2）斷裂的）斷裂的宏觀表現(xiàn)是脆性的，斷口呈粗晶狀宏觀表現(xiàn)是脆性的，斷口呈粗晶狀。微觀微觀上為沿晶的正向斷裂上為沿晶的正向斷裂。 金屬材料在較高的溫度（400500）下長時(shí)間工作而引起韌度顯著降低的現(xiàn)象。61 5.3.4 5.3.4 高溫長時(shí)致脆斷裂（熱脆）失效高溫長時(shí)致脆斷裂（熱脆）失效5.3 5.3 環(huán)境致脆斷裂失效環(huán)境致