金屬斷裂與失效分析劉尚慈

1、金屬斷裂與失效分析（劉尚慈 編）第一章 概述失效：機(jī)械裝備或機(jī)械零件喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象。失效類型：表面損傷、斷裂、變形、材質(zhì)變化失效等。第二章 金屬斷裂失效分析的基本思路§21 斷裂失效分析的基本程序一、 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查二、 殘骸分析三、 實(shí)驗(yàn)研究（一） 零件結(jié)構(gòu)、制作工藝及受力狀況的分析（二） 無(wú)損檢測(cè)（三） 材質(zhì)分析，包括成分、性能和微觀組織結(jié)構(gòu)分析（四） 斷口分析（五） 斷裂力學(xué)分析以線彈性理學(xué)為基礎(chǔ)，分析裂紋前沿附近的受力狀態(tài)，以應(yīng)力強(qiáng)度因子K作為應(yīng)力場(chǎng)的主要參量。 KI Y（ ）1/2 脆性斷裂時(shí)，裂紋不發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的條件：KI KIC 對(duì)一定尺寸裂紋，其失穩(wěn)的“臨界應(yīng)力”為：

2、c KIC / Y（ ）1/2 應(yīng)力不變，裂紋失穩(wěn)的“臨界裂紋尺寸”為：c （KIC / Y）2/中低強(qiáng)度材料，當(dāng)斷裂前發(fā)生大范圍屈服時(shí)，按彈塑性斷裂力學(xué)提出的裂紋頂端張開(kāi)位移COD（）作為材料的斷裂韌性參量，當(dāng)工作應(yīng)力小于屈服極限時(shí)： （8s/E）lnsec(/2s)不發(fā)生斷裂的條件為：C （臨界張開(kāi)位移）J積分判據(jù)：對(duì)一定材料在大范圍屈服的情況下，裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度由形變功差率J來(lái)描述。張開(kāi)型裂紋不斷裂的判據(jù)為： JJIC KIC斷裂韌性；KISCC應(yīng)力腐蝕門檻值（六）模擬試驗(yàn) 四、綜合分析 分析報(bào)告的內(nèi)涵：失效零部件的描述；失效零部件的服役條件；失效前的使用記錄；零部件的制造及處理工

3、藝；零件的力學(xué)分析；材料質(zhì)量的評(píng)價(jià)；失效的主要原因及其影響因素；預(yù)防措施及改進(jìn)建議等。 五、回訪與促進(jìn)建議的貫徹§22 實(shí)效分析的基本思路一、 強(qiáng)度分析思路二、 斷裂失效的統(tǒng)計(jì)分析三、 斷裂失效分析的故障樹(shù)技術(shù)第三章 金屬的裂紋§31 裂紋的形態(tài)與分類裂紋：兩側(cè)凹凸不平，偶合自然。裂紋經(jīng)變形后，局部磨鈍是偶合特征不明顯；在氧化或腐蝕環(huán)境下，裂縫的兩側(cè)耦合特征也可能降低。發(fā)紋：鋼中的夾雜物或帶狀偏析等在鍛壓或軋制過(guò)程中，沿鍛軋方向延伸所形成的細(xì)小紋縷。發(fā)紋的兩側(cè)沒(méi)有耦合特征，兩側(cè)及尾端常有較多夾雜物。裂紋一般是以鋼中的缺陷（發(fā)紋、劃痕、折疊等）為源發(fā)展起來(lái)的。一、按宏觀形態(tài)分

4、為： （1）網(wǎng)狀裂紋（龜裂紋），屬于表面裂紋。產(chǎn)生的原因，主要是材料表面的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能、應(yīng)力狀態(tài)等與中心不一致；或者在加工過(guò)程中發(fā)生過(guò)熱與過(guò)燒，晶界性能降低等，導(dǎo)致裂紋沿晶界擴(kuò)展。如： 鑄件表面裂紋：在12501450形成的裂紋，沿晶界延伸，周圍有嚴(yán)重的氧化和脫碳。 鍛造、軋制網(wǎng)狀裂紋：由過(guò)燒、滲銅、含硫量高等引起。 鍛件加熱溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起晶粒粗化，脆性增加。如過(guò)燒晶界氧化使晶界強(qiáng)度降低，鍛造時(shí)沿晶界開(kāi)裂出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。當(dāng)鋼中含銅量過(guò)高（0.2）時(shí)，在熱鍛過(guò)程中，表面發(fā)生選擇性氧化（鐵先氧化），使銅的含量相對(duì)增加，從而使晶界形成富銅相的網(wǎng)絡(luò)，富銅相熔點(diǎn)低于基體引起開(kāi)裂。

5、同樣，鍛造時(shí)如銅附著在表面，借高溫沿晶界滲入導(dǎo)致銅脆。在顯微鏡下可看到游離的銅沿晶界分布。當(dāng)硫量較高時(shí)，低熔點(diǎn)的FeS或FeS與Fe的共晶體存在于晶界，高溫鍛造時(shí)，晶界結(jié)合強(qiáng)度低，使塑性變形能力下降，導(dǎo)致鍛造開(kāi)裂。 熱處理表面裂紋：淬火加熱溫度過(guò)高，奧氏體晶粒顯著長(zhǎng)大，淬火冷卻中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用引起裂紋；如發(fā)生過(guò)燒現(xiàn)象就更容易引起龜裂。表面脫碳使工件表里不同含碳量奧氏體的馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度（MS）不同，冷卻先后有差異，擴(kuò)大了組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性和體積轉(zhuǎn)變的不均勻性。使得淬火組織應(yīng)力增加，使表面產(chǎn)生大的多向應(yīng)力，產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。 電弧焊起弧電流過(guò)大時(shí)，局部熱量過(guò)高，形成“火字形裂紋”。 淬火

6、后或滲碳后的部件在機(jī)加工過(guò)程中，表面應(yīng)力可導(dǎo)致表面裂紋；耐熱鋼受表面熱應(yīng)力作用產(chǎn)生腐蝕性疲勞裂紋；不銹鋼發(fā)生晶界腐蝕裂紋。（2）直線型裂紋：常由發(fā)紋或其他非金屬夾雜物在后續(xù)工序中擴(kuò)展而形成，沿材料縱向分布。裂紋兩側(cè)和金屬基體上，一般有氧化夾雜物和其他非金屬夾雜物。細(xì)長(zhǎng)零件在淬火中，在表面冷卻比較均勻一致，心部淬透時(shí)，淬火應(yīng)力（組織應(yīng)力和熱應(yīng)力）超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度極限，產(chǎn)生縱向直裂紋。由于心部淬透的細(xì)長(zhǎng)工件的表層切向應(yīng)力總是大于軸向應(yīng)力，因此淬火裂紋總是縱向直線型。 高溫高壓的蒸汽管道彎管中產(chǎn)生的蠕變裂紋是一些平行的直線性裂紋。 （3）樹(shù)枝型裂紋：零件中應(yīng)力腐蝕裂紋；應(yīng)力集中的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱裂紋

7、有時(shí)也呈樹(shù)枝型。 （4）其他裂紋：圓周裂紋：部件變徑處由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起的裂紋。輻射狀裂紋：有內(nèi)孔的零件，淬火時(shí)，內(nèi)孔處冷速慢，使內(nèi)孔表面常處于拉應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生輻射狀裂紋。鍋爐鉚釘孔處產(chǎn)生的堿脆裂紋，也是輻射狀。二、按微觀形態(tài)分為： （1）沿晶裂紋：晶界腐蝕裂紋、苛性脆化裂紋、氫脆裂紋、蠕變裂紋、回火脆性開(kāi)裂、磨削裂紋、焊接熱裂紋、鑄造裂紋、過(guò)燒引起的鍛造裂紋、熱處理裂紋和熱脆裂紋等，熱疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋有時(shí)也是沿晶裂紋。（2）穿晶裂紋：疲勞裂紋、解理斷裂裂紋、韌性斷裂裂紋、淬火冷裂紋、焊接冷裂紋等。熱疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋等有時(shí)也是穿晶的。 （3）混合裂紋：有沿晶的，也有穿晶的，如

8、淬火裂紋。 三、按形成原因分： （1）工藝裂紋：鑄造、鍛造、熱處理、磨削、焊接裂紋等。 （2）使用裂紋：機(jī)械冷應(yīng)力裂紋、疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋、蠕變裂紋等。 四、按斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)分： （1）穩(wěn)定性裂紋：零件在服役中裂紋的擴(kuò)展速率非常緩慢。 （2）過(guò)渡性裂紋（亞臨界擴(kuò)展裂紋）：裂紋產(chǎn)生后，開(kāi)始發(fā)展緩慢，到一定尺寸，發(fā)展加速，造成零件斷裂失效。 過(guò)渡性裂紋和零件的受力條件、裂紋的形狀及裂紋處的受力狀態(tài)有關(guān)，其尺寸滿足裂紋的強(qiáng)度因子KKIC 。對(duì)于張開(kāi)型裂紋有： KI1/2Y（/W）KIC 上述是特征應(yīng)力，是特征裂紋長(zhǎng)度，W是特征尺寸，Y（/W）物體KI的標(biāo)定函數(shù)。 （3）危險(xiǎn)性裂紋：臨界擴(kuò)展前夕的

9、裂紋。這類裂紋發(fā)展甚為迅速，在很短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致零件失效。 定量：裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K接近材料的斷裂韌性KC；或裂紋擴(kuò)展速度d/dt超過(guò)一定數(shù)值。§32 裂紋的起源位置裂紋的起源位置取決于應(yīng)力集中值的大小及材料強(qiáng)度值的高低。 形變和破斷兩個(gè)過(guò)程的必要條件屈服形狀和材料急劇改變的地方局部應(yīng)力高于平均應(yīng)力的現(xiàn)象就是應(yīng)力集中。有缺陷的金屬材料，往往疲勞極限比較低。應(yīng)力原則或強(qiáng)度原則裂紋總是要沿著最小阻力路線即材料的薄弱環(huán)節(jié)或缺陷處擴(kuò)展。氧化和碳化的現(xiàn)象淺灰色的氧化鐵脫碳現(xiàn)象尖銳裂紋的疲勞、應(yīng)力腐蝕裂紋前端是尖銳熱裂紋的前端是圓鈍的蠕變裂紋、熱疲勞裂紋等的前端也是圓鈍的疲勞斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂氫脆斷

10、裂蠕變斷裂延性斷裂脆性斷裂纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇斷口三要素纖維狀區(qū)域中心處為裂源放射條紋或人字條紋的收斂處為裂源。應(yīng)力集中的原因三、裂源位于零件表面的無(wú)剪切唇部位：一些機(jī)械構(gòu)件如厚板、容器、軸類等。四、裂源位于斷口的平坦區(qū)域 斷裂件的宏觀斷口形貌，通常呈現(xiàn)平坦區(qū)和凹凸區(qū)兩部分，后者通常是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的形貌特征。平坦區(qū)是裂紋亞穩(wěn)態(tài)緩慢擴(kuò)展區(qū)。裂源也位于平坦區(qū)內(nèi)。 五、疲勞前沿線曲率半徑最小處為裂源當(dāng)斷口上具有明顯的疲勞斷裂宏觀形貌特征，即貝殼狀條紋時(shí)，則疲勞源位于疲勞前沿曲率半徑最小處，如斷口上有與貝殼條紋相垂直的放射狀條紋，則疲勞源在放射狀條紋的匯集處。六、環(huán)境斷裂件腐蝕或氧化最明顯處為裂源由

11、于環(huán)境因素引起的斷裂有：腐蝕疲勞、熱疲勞、氫脆、蠕變斷裂等。其斷裂源部位受環(huán)境介質(zhì)、溫度等條件的影響最大。因此這類斷口的裂源區(qū)被腐蝕或氧化也最明顯。七、斷裂源處往往有缺陷斷裂源往往在零件的自由表面（鑄件例外）。斷裂萌生的部位有產(chǎn)生應(yīng)力集中作用的缺陷（材料缺陷和加工缺陷）和結(jié)構(gòu)因素。光學(xué)顯微鏡的有效放大倍數(shù)低，焦點(diǎn)深度淺（物鏡的垂直鑒別率景深），不適于作斷口觀察。一、 直接觀察二、 斷口剖面觀察掃描電鏡（SEM） 金屬材料的腐蝕坑，通常可分為位錯(cuò)腐蝕坑與位向腐蝕坑，失效分析中的腐蝕坑技術(shù)就是利用不同的晶體在一定的浸蝕介質(zhì)下產(chǎn)生的位向腐蝕坑來(lái)分析和判斷斷裂的晶體取向。金屬材料在一定的腐蝕介質(zhì)作用下

12、，晶體會(huì)發(fā)生溶解，這種溶解一般是不均勻的，有些晶面的溶解速度大，這些易溶晶面一般為晶體的低晶面指數(shù)面。同時(shí)，腐蝕溶解不是各向同性，而是各向異性。如是各向同性，蝕坑將呈現(xiàn)一個(gè)圓錐體；如是各向異性，蝕坑將呈現(xiàn)一個(gè)角錐體。這個(gè)角錐體是多面體幾何形狀的一部分。蝕坑在特定的晶面上產(chǎn)生，具有特定的形狀。利用蝕坑的幾何參數(shù)與晶面指數(shù)之間的關(guān)系，十分析研究斷裂面晶體取向的一種簡(jiǎn)單的測(cè)試技術(shù)。一、 多面體蝕坑二、多邊形腐蝕坑：是在不同的晶面上（失效分析時(shí)被研究的斷面）浸蝕低晶面指數(shù)晶面得到的腐蝕坑。切變斷裂縮頸纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇延性斷口宏觀形態(tài)的基本特征是斷口有明顯的纖維區(qū)，斷口顏色灰暗，邊緣有剪切唇，斷口

13、附近有明顯的塑性變形。斷裂韌性f(n)與硬化指數(shù)n有關(guān)的函數(shù)，20Cr2MoV為0.18，30Cr2MoV為0.16，試件厚度B應(yīng)滿足BKS（對(duì)中強(qiáng)度鋼K5，高強(qiáng)度鋼K6）。二、 延性破壞斷口的微觀特征延性破壞斷口的纖維狀區(qū)和剪切唇區(qū)的電鏡相貌上，有大量韌窩。大多數(shù)材料，韌窩內(nèi)有夾雜物或第二相粒子。由于工程金屬材料中存在大量的夾雜物和第二相粒子，因此只能發(fā)生不完全延性斷裂。斷裂過(guò)程中，在第二相粒子周圍產(chǎn)生空洞，這個(gè)過(guò)程在縮頸開(kāi)始形成后更加明顯，通過(guò)空洞長(zhǎng)大，聯(lián)接，發(fā)生韌窩斷裂。韌窩的存在，說(shuō)明材料至少在局部微小區(qū)域內(nèi)曾發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的塑性變形。但宏觀是否出現(xiàn)很大的延性還不能確定。如宏觀判斷是延性破

14、壞，其微觀形貌一定有韌窩。此時(shí)材料是在普遍屈服的情況下發(fā)生斷裂的。如果材料滿足平面應(yīng)變條件作快速的不穩(wěn)定低能量擴(kuò)展，就整個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，宏觀塑性變形不大，破壞是脆性的，材料未曾發(fā)生過(guò)普遍屈服，但在斷口兩側(cè)的微觀區(qū)域內(nèi)，仍然發(fā)生過(guò)很大的剪切變形，其斷裂是微孔型的的能量撕裂（假定此時(shí)不發(fā)生解理），斷口也是韌窩花樣。所以，韌窩花樣只說(shuō)明斷裂過(guò)程是按微孔聚集型的方式進(jìn)行的，而不一定說(shuō)明是延性的。韌窩不僅在晶內(nèi)，而且在晶界也能形成。晶界韌窩，不一定以第二相粒子為核心。耐熱鋼高溫低應(yīng)力蠕變斷裂是微孔聚集型的沿晶斷裂。沿晶型的韌窩斷裂，無(wú)明顯的宏觀塑性變形，屬脆性斷口。蠕變斷裂一般是延性的？韌窩的形態(tài)受應(yīng)力狀態(tài)

15、的影響較大。韌窩密度與第二相質(zhì)點(diǎn)近似為線性關(guān)系；韌窩大小也與第二相質(zhì)點(diǎn)的間距有關(guān)。韌窩的深淺可以判斷材料的塑性變形能力。三、蛇形滑移花樣一般純金屬或韌性較好的合金或材料缺口的底部，都在較大的塑性變形后以滑移面分離形式斷裂。金屬的完全延性斷裂也是一種沿滑移面不斷滑移造成的斷裂。大多數(shù)工程材料滑移不是在單一的滑移面上進(jìn)行；但由于晶粒位向不同，相互約束牽制，不能只沿一個(gè)滑移面滑移而分離，而形成起伏彎曲的條紋形貌，一般稱之為蛇形滑移花樣。一些高延性金屬，滑移可不斷進(jìn)行下去形成漣波狀花樣，或拉伸痕跡區(qū)，或者無(wú)特征的平滑區(qū)域。（無(wú)特征區(qū)寬度與KIC有關(guān)）解理斷裂是脆性的穿晶斷裂，通常發(fā)生在非面心立方晶格中

16、，沿特定的低晶面指數(shù)的原子面進(jìn)行，發(fā)生原子尺度范圍的拉伸分離，幾乎不發(fā)生塑性變形。一、解理斷口的宏觀特征解理斷口通常呈脆性斷口特征，沒(méi)有明顯塑性變形；斷口與正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口的顏色比較光亮。其最突出的宏觀特征是有小刻畫(huà)面放射狀條紋（或人字條紋）。小刻畫(huà)面在強(qiáng)光下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以看到很亮的反光小平面。小刻面即為解理刻面，許多小刻面組成解理斷口。二、解理斷口的微觀特征 解理斷裂的微觀特征：有解理臺(tái)階與河流花樣，解理舌，解理扇以及魚(yú)骨裝花樣等。最常見(jiàn)的微觀特征是河流花樣。河流花樣通過(guò)晶界時(shí)，形貌發(fā)生變化。解理舌是其典型特征之一。 一、準(zhǔn)解理斷裂斷口的宏觀特征準(zhǔn)解理斷口 準(zhǔn)解理斷裂是一種穿晶斷裂

17、，斷口有解理斷裂的形貌，又伴隨很多的局部塑性變形痕跡。其小斷面尺度相當(dāng)于淬火前原奧氏體晶粒度大小，不像解理斷口那么平整并稍有凹陷；河流起源于晶內(nèi)，形狀短而彎曲，支流少，形成大量高密度撕裂棱；有時(shí)也有舌狀花樣；常發(fā)生在回火馬市體或貝氏體組織中。準(zhǔn)解理小斷面位向與鐵素體基本的解理面100并不嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。 一、沿晶斷裂通常是脆性斷口 蠕變是嗎沿晶斷裂通常是脆性斷口，斷裂前無(wú)明顯塑變；斷口一般與正應(yīng)力垂直；斷口表面平齊，斷口邊緣往往沒(méi)有剪切唇；表面呈顆粒狀，通常呈現(xiàn)出晶粒的外形；斷口的顏色有時(shí)比較光亮，有時(shí)卻比較灰暗；有時(shí)也有放射裝花紋或人字花條紋。暗灰色的脆性斷口大多是鋼的熱脆、回火脆性、時(shí)效脆性、過(guò)

18、熱、應(yīng)力腐蝕、熱疲勞斷裂、焊接熱裂、蠕變斷裂等沿晶脆斷斷口。氫脆斷裂的斷口顏色比較光亮。二、沿晶斷裂斷口的微觀特征晶粒是多面體，沿晶斷裂的微觀形貌反映出這種多面體的特征。沿晶斷裂的原因通常有三種情況：晶界上存在脆性沉淀相，晶間弱化，晶界受環(huán)境因素作用。沿晶斷裂按斷裂的性質(zhì)可分為：沿晶脆性斷裂，沿晶延性斷裂（沿晶蠕變斷裂），沿晶疲勞斷裂（高溫疲勞斷裂）。1晶界沉淀相引起的沿晶脆斷一類是沉淀相連續(xù)，當(dāng)晶界上的沉淀相粒子覆蓋率為100，形成脆性網(wǎng)狀薄膜時(shí)，以脆性薄膜分裂發(fā)生斷裂。奧氏體CrNi鋼中碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀分布，就引起沿晶脆斷。另一類是沉淀相不連續(xù)，但有相當(dāng)?shù)木Ы绺采w率。當(dāng)外力作用于沉淀相位

19、置時(shí)，圍繞晶界沉淀相首先形成顯微孔洞，這些空洞長(zhǎng)大，最后連續(xù)起來(lái)，引起沿晶裂紋，導(dǎo)致沿晶斷裂。2晶界上雜物引起的晶界脆斷某些固溶雜質(zhì)的晶界偏聚，是沿晶脆斷的主要原因之一。高強(qiáng)度低合金鋼中的第一類回火脆性，又稱350脆性，不但是伴隨馬氏體回火的顯微組織轉(zhuǎn)變所引起的，碳化物或氮化物的沉淀也是第一類回火脆性的原因。雜質(zhì)的存在，是第一類回火脆性發(fā)生的必要條件。雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起第二類回火脆性和沿晶斷裂已為大量事實(shí)所證明。這類脆性常是當(dāng)合金鋼在375560溫度范圍等溫時(shí)效時(shí)被觀察到，也可能在回火后緩慢冷卻時(shí)產(chǎn)生。晶界的雜質(zhì)偏聚也對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的延性脆性轉(zhuǎn)變溫度有影響。第六章 疲勞斷裂特征除了低循環(huán)強(qiáng)度范圍

20、的斷裂以外，都是脆性斷口。平滑的疲勞斷裂區(qū)凹凸不平的最終斷裂區(qū)年輪疲勞斷裂過(guò)程中，先發(fā)生微裂紋疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)常與外界相通，斷口表面受到各種介質(zhì)的氧化或腐蝕，常呈黑色或褐色。瞬斷區(qū)由纖維狀、放射狀及剪切唇在疲勞斷裂的初始階段，顯微裂紋的擴(kuò)展主要以滑移方式進(jìn)行，只有25個(gè)晶粒范圍，與拉伸方向成450角。二、疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段的微觀特征 1疲勞紋的一般特點(diǎn)與存在條件第二階段其斷口主要特征是疲勞紋（輝紋、平行條紋）的存在。在疲勞斷口的微觀范圍內(nèi)，通常由許多大小不同、高低不同的小斷塊組成。疲勞紋是一系列基本上互相平行的條紋，略帶彎曲呈波浪形，并與裂紋局部擴(kuò)展方向垂直。每一條輝紋代表一次載荷循環(huán)。形成疲

21、勞條紋的條件之一是至少1000次以上的循環(huán)壽命，必要條件是疲勞裂紋前端必須處于張開(kāi)型的平面應(yīng)變狀態(tài)。2疲勞紋的類型及其形態(tài)通常把疲勞分成延性疲勞和脆性疲勞。延性疲勞紋可分為：非晶體學(xué)的延性疲勞裂紋，其形態(tài)與金屬的晶體結(jié)構(gòu)、組織無(wú)關(guān)。在疲勞紋花樣中，看不到晶界、顯微組織的痕跡。在高應(yīng)力強(qiáng)度因子幅K下形成的延性疲勞紋大多是非晶體學(xué)的延性疲勞紋。高分子聚合物、體心立方金屬等材料，即使在低應(yīng)力強(qiáng)度因子幅下也形成非晶體學(xué)的延性疲勞紋。晶體學(xué)延性疲勞紋，具有晶體學(xué)特性。第七章 應(yīng)力腐蝕破裂金屬在拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境的共同作用下發(fā)生的脆性斷裂稱為應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）。 1拉應(yīng)力引起的SCC殘余應(yīng)力的影響

22、大于工作應(yīng)力?？p隙中的腐蝕產(chǎn)物體積大于生成他的金屬，可以產(chǎn)生很高的應(yīng)力，足以引起SCC。2存在一臨界應(yīng)力SCC。當(dāng)工作應(yīng)力低于SCC時(shí)將不產(chǎn)生SCC。二、環(huán)境因素 1.“合金環(huán)境”組合的特性 2溶液的溫度和濃度3能使金屬鈍化：合金的均勻腐蝕率超過(guò)0.120.25mm/a便很少發(fā)生SCC。三、SCC裂紋擴(kuò)展的速度活性通路電化學(xué)理論認(rèn)為，在合金中存在易腐蝕“活性通路”，電化學(xué)腐蝕沿“活性通路”進(jìn)行。應(yīng)力撕破金屬活性通路的表面膜，電解液進(jìn)入裂紋尖端，迅速產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。活性通路產(chǎn)生的原因：晶界和晶界的析出相，產(chǎn)生沿晶SCC的材料晶界電位低于晶內(nèi)；塑性變形引起的陽(yáng)極區(qū)或陽(yáng)極晶界區(qū)等。對(duì)于低碳鋼，晶界析

23、出的碳化物會(huì)引起晶界處鐵素體的變形，成為連續(xù)的活性通路，引起晶界SCC。奧氏體不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)于晶界析出碳化鉻，構(gòu)成晶間破斷的通路。機(jī)械化學(xué)效應(yīng)理論認(rèn)為，在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，金屬表面產(chǎn)生微裂紋，裂紋前端快速溶解。應(yīng)力腐蝕電池的陰極區(qū)是金屬的表面，陽(yáng)極區(qū)是裂紋兩側(cè)和尖端。兩側(cè)被氧化膜覆蓋使腐蝕極為緩慢；尖端因受應(yīng)力集中的作用產(chǎn)生局部塑性變形，使其陽(yáng)極溶解加速。形變屈服的金屬可達(dá)高的屈服速度，證明了機(jī)械化學(xué)效應(yīng)。對(duì)陽(yáng)極溶解型SCC一般以表面膜破裂理論解釋。腐蝕產(chǎn)物楔入理論闡明固體腐蝕產(chǎn)物的楔入是產(chǎn)生拉應(yīng)力的來(lái)源。腐蝕的陰極反應(yīng)產(chǎn)生氫，氫脆理論認(rèn)為所有SCC都是氫引起的。在應(yīng)力作用

24、下腐蝕反應(yīng)生成的氫擴(kuò)散到裂紋前緣，在三向應(yīng)力區(qū)富集導(dǎo)致開(kāi)裂。一、應(yīng)力腐蝕裂紋的起源應(yīng)力腐蝕裂紋起源于與腐蝕介質(zhì)相接觸的表面。二、裂紋的形態(tài)特征應(yīng)力腐蝕裂紋宏觀上垂直于拉應(yīng)力，形態(tài)呈樹(shù)枝狀。裂紋有：晶間型、穿晶型和混合型?；旌闲褪且砸环N形態(tài)為主，支縫中出現(xiàn)另一種形態(tài)。三、應(yīng)力腐蝕斷口形貌特征1宏觀特征SCC破斷宏觀斷口為脆性斷口，沒(méi)有明顯塑性變形，斷口與拉應(yīng)力方向垂直。斷口表面無(wú)金屬光澤，為褐色或暗色，發(fā)生腐蝕或氧化。氧化物或腐蝕產(chǎn)物分布不均勻，在裂源處最多。2微觀特征碳鋼和低合金鋼的應(yīng)力腐蝕斷口大多是沿晶開(kāi)裂；在含Cl介質(zhì)中鉻不銹鋼呈沿晶斷裂；奧氏體不銹鋼在Cl介質(zhì)常為穿晶斷裂。穿晶型的應(yīng)力腐

25、蝕斷口，往往具有 “塊狀花樣”、“泥狀花樣”及“河流花樣”、“扇形花樣”等形貌特征。應(yīng)力腐蝕的微觀斷口還具有腐蝕坑及二次裂紋等形貌特征。高強(qiáng)度鋼，斷口形態(tài)隨K值變化。第八章 金屬的氫損傷氫來(lái)源于：金屬的冶煉及熱加工過(guò)程中，可能吸氫，酸洗、電鍍時(shí)有部分氫進(jìn)入金屬，工作介質(zhì)中含有氫，放氫型腐蝕陰極反應(yīng)生成的氫進(jìn)入金屬。二、氫在鋼中存在的形式氫在鋼種存在的形式有如下幾種：以氫原子的形式固溶于鋼中。在高強(qiáng)度鋼中，氫主要是以原子狀態(tài)溶入金屬晶格中，形成間隙固溶體。氫原子在鐵中擴(kuò)散激活能很低，很容易在鋼種擴(kuò)散，是產(chǎn)生氫脆的主要作用者；氫以離子H+形式存在。進(jìn)入金屬中的氫有一部分可離解成H+和電子。離子H+

26、被電子所束縛，活動(dòng)能力降低；生成H2。金屬中氫含量超過(guò)其在固體中的溶解度時(shí)，便從過(guò)飽和固溶體中析出成為H2。H2易于在金屬內(nèi)部缺陷如晶界、相界、微裂紋、硫化物等夾雜物處析出，使金屬產(chǎn)生白點(diǎn)。生成氫化物。氫與某些元素生成氫化物。鈦合金中，當(dāng)H含量超過(guò)固溶度時(shí)生成TiHx（x1.531.99）使韌性下降；鋼中的Fe3C和H2反映生成C H4，使鋼產(chǎn)生裂紋。氫在應(yīng)力梯度作用下，向缺口尖端及裂紋尖端的三向應(yīng)力區(qū)偏聚，引起氫脆。氫金屬與合金在應(yīng)力作用下，純粹由于氫的緣故，經(jīng)一定時(shí)間后破壞，稱為氫脆。氫脆是一種延性破壞。一、第一類氫脆第一類氫脆為內(nèi)部氫脆，是金屬在冶煉和各種加工過(guò)程中吸收過(guò)量的氫而造成的，

27、對(duì)于鋼，氫含量3ppm就可出現(xiàn)。這種氫脆裂紋在材料受載之前已經(jīng)存在，再除氫已無(wú)濟(jì)于事，是不可逆的。第一類氫脆包括：氫腐蝕、鋼中白點(diǎn)引起的氫脆、氧化物氫脆等。1氫腐蝕氫腐蝕是氫在高溫高壓下，與鋼中的碳及Fe3C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成CH4，在鋼中生成裂紋和鼓泡，使鋼的性能下降或破壞。氫腐蝕主要發(fā)生在高溫（一般高于220），故也稱高溫氫腐蝕，也是一種不可逆的脆性。當(dāng)氫進(jìn)入鋼中，在高溫下引起鋼的組織和成分發(fā)生變化，致使鋼內(nèi)部脫碳并產(chǎn)生裂紋。氫腐蝕可發(fā)生于鋼在氫環(huán)境工作條件下，也可發(fā)生在高溫（高于350）下蒸汽管道中，4H2O+3FeFe3O4+8H，就會(huì)造成氫腐蝕。氫腐蝕的過(guò)程是一種脫碳過(guò)程。Fe3C+

28、4H 3Fe+CH4，或者C+4H CH4，甲烷在鋼中的擴(kuò)散能力很低，聚集在晶界原有的微觀空隙內(nèi)。該區(qū)域的碳濃度降低了，要通過(guò)擴(kuò)散來(lái)補(bǔ)充，這樣CH4量不斷增大形成局部高壓，產(chǎn)生裂紋。鋼產(chǎn)生氫腐蝕后，在鋼表面發(fā)生嚴(yán)重的脫碳，特別是在溫度較高、氫壓較低時(shí)；在鋼的表面下，裂紋在鐵素體和珠光體界面上形核。裂紋長(zhǎng)大過(guò)程中，珠光體中的滲碳體逐漸消失。在雜質(zhì)處，特別是硫化錳處也可形成裂紋。提高溫度，氫蝕加快。2白點(diǎn)冶煉等加工過(guò)程中吸收過(guò)量的氫，在冷卻中未及時(shí)逸出，氫原子將從固溶體中析出并存留在某些顯微空隙處結(jié)合為分子狀態(tài)，產(chǎn)生高壓力。氫分子析出造成的內(nèi)應(yīng)力可與相變應(yīng)力共同作用造成脆性開(kāi)裂。鋼中的白點(diǎn)在縱向斷

29、口上為橢圓形的白色斑點(diǎn)。二、第二類氫脆第二類氫脆是在應(yīng)力和含氫介質(zhì)作用下引起的脆性斷裂。高速變形不發(fā)生第二類氫脆，變形速度降低，金屬的氫脆敏感性增加；裂紋源是應(yīng)力和氫脆交互作用下逐步形成的。這類氫脆通常是可逆的（鈦合金可出現(xiàn)不可逆氫脆）。氫脆斷裂的形態(tài)特征氫脆不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)制，氫的加入只是有助于某種斷裂機(jī)制，其斷裂方式可能是沿晶的也可能是穿晶的。一、宏觀特征鋼出現(xiàn)氫脆時(shí)，由于延性和塑性下降，故為脆性斷口，斷口比較平齊。大型鑄件因白點(diǎn)發(fā)生斷裂，在斷口上可觀察到白點(diǎn)，在縱向斷口上，白點(diǎn)多橢圓形，直徑從零點(diǎn)幾毫米至十幾毫米，亦有大至幾十毫米者。在橫剖面上白點(diǎn)為一細(xì)小的裂紋（發(fā)紋）。高強(qiáng)度鋼的氫

30、脆斷口比較平齊，裂紋源大多在皮下。對(duì)于缺口試樣，缺口半徑大時(shí)，裂源遠(yuǎn)離缺口，半徑小時(shí)，則靠近缺口。氫脆斷口上存在放射狀條紋；或是呈顆粒狀。二、顯微特征白點(diǎn)裂紋大多數(shù)情況下是穿晶裂紋，白點(diǎn)裂紋的邊緣呈鋸齒狀。裂紋附近未發(fā)現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象。高強(qiáng)度鋼氫脆斷口無(wú)固定的特征。低合金鋼氫致開(kāi)裂斷口的不同部位（相對(duì)不同的KI值），隨著裂紋的擴(kuò)展方向，斷口形貌從沿晶斷裂到韌窩斷裂呈規(guī)律性變化。第九章 金屬的蠕變斷裂蠕變是金屬在恒定應(yīng)力（在一定溫度下，晶粒表面或近表面物質(zhì)有一定活度，逐漸由高勢(shì)能態(tài)向低勢(shì)能態(tài)轉(zhuǎn)變，即晶體表面張力作用下，表面積縮小的過(guò)程就是蠕變，其不過(guò)只是受外界應(yīng)力的影響而已）下發(fā)生緩慢而又連續(xù)的塑

31、性變形現(xiàn)象。蠕變斷裂是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)制。蠕變后金屬不到屈服點(diǎn)就有可能屈服或斷裂。碳素鋼在300500以上才會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象；合金鋼在400以上才會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。蠕變失效：由蠕變導(dǎo)致的失效蠕變失效，分為兩類：蠕變變形失效和蠕變斷裂失效。蠕變伸長(zhǎng)aod時(shí)間cb典型的蠕變曲線有四個(gè)階段，如圖所示。oa為瞬時(shí)蠕變階段。ab為蠕變第階段，稱為蠕變減速階段。bc為蠕變第階段，其特點(diǎn)是蠕變速度為常數(shù)，在整個(gè)蠕變階段中，這部分的蠕變速度最小。cd為蠕變加速階段。至d點(diǎn)試樣發(fā)生蠕變斷裂。蠕變的第階段可占整個(gè)過(guò)程時(shí)間的4045。蠕變第階段，低溫時(shí)其蠕變曲線可用如下經(jīng)驗(yàn)公式表示 1+lg式中與1均為常數(shù)，故又稱為對(duì)

32、數(shù)蠕變或蠕變。高溫時(shí)蠕變第階段可寫(xiě)成2+1/2式中與2均為常數(shù)，故又稱為蠕變。在其中間溫度時(shí)采取 +lg+1/2恒速的蠕變第階段是蠕變量和時(shí)間呈線性關(guān)系，即3+K式中3與K均為常數(shù)。 蠕變加速的第階段是蠕變裂紋大量萌生和擴(kuò)展至斷裂的階段，這一階段無(wú)公認(rèn)的表達(dá)式，一般稱為蠕變階段。1§94蠕變理論一、蠕變形變機(jī)制圖（略）高溫下材料的蠕變變形在不同的條件下由不同的機(jī)制控制。大致分為兩類：位錯(cuò)蠕變和擴(kuò)散蠕變。二、蠕變理論一金屬熔點(diǎn)Tm為準(zhǔn)，按照溫度不同，可分為三類：當(dāng)T0.25Tm時(shí)為低溫蠕變，此時(shí)基本上不產(chǎn)生回復(fù)；當(dāng)0.25TmT0.5 Tm時(shí)稱為中溫蠕變，此時(shí)動(dòng)態(tài)回復(fù)可顯著進(jìn)行，但擴(kuò)散

33、并不見(jiàn)明顯；當(dāng)T0.5Tm時(shí)稱為高溫蠕變，此時(shí)擴(kuò)散過(guò)程能顯著進(jìn)行，回復(fù)通過(guò)位錯(cuò)的攀移來(lái)實(shí)現(xiàn)。（一）低溫蠕變低溫蠕變是對(duì)數(shù)蠕變，可以用（9-1）是來(lái)描述其變形的時(shí)間和規(guī)律。最早的低溫蠕變理論是位錯(cuò)耗竭理論。目前低溫蠕變比較合適的是林位錯(cuò)理論。加工硬化的第階段（線性硬化區(qū)）開(kāi)始時(shí)，原滑移系統(tǒng)中位錯(cuò)塞積產(chǎn)生的長(zhǎng)程應(yīng)力導(dǎo)致次滑移系統(tǒng)的激活，于是產(chǎn)生大量林位錯(cuò)。林位錯(cuò)是穿過(guò)滑移面的位錯(cuò)，它可以是原生網(wǎng)格中的位錯(cuò)，也可以是次滑移系統(tǒng)中的位錯(cuò)。林位錯(cuò)理論認(rèn)為，低溫時(shí)沒(méi)有回復(fù)，滑移位錯(cuò)受到林位錯(cuò)交截時(shí)的阻礙：林位錯(cuò)的釘札作用；和林位錯(cuò)的彈性交互作用；形成割階等。滑移位錯(cuò)和林位錯(cuò)相遇時(shí)，可通過(guò)位錯(cuò)反應(yīng)形成一個(gè)相

34、互吸引的交結(jié)，滑移位錯(cuò)要越過(guò)去，必須破壞這個(gè)交結(jié)，這需要外力做功來(lái)供給所需要的能量。有效交結(jié)激活能等于沒(méi)有外力時(shí)激活能克服林位錯(cuò)產(chǎn)生的彈性內(nèi)應(yīng)力后對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)所做的功。但在恒應(yīng)力蠕變時(shí)，由于原滑移面中位錯(cuò)和林位錯(cuò)的增加所造成的加工硬化，要使作用在位錯(cuò)上的力不斷增加才能克服彈性內(nèi)應(yīng)力，因此有效的應(yīng)力不斷減少，從而蠕變變形不斷減少。根據(jù)林位錯(cuò)理論得出的蠕變變形時(shí)間公式與（91）式經(jīng)驗(yàn)公式一致。（二）中溫蠕變理論中溫蠕變時(shí)，其蠕變曲線可用式（9-3）所示的混合形式表示。對(duì)蠕變激活能的研究發(fā)現(xiàn)，在中溫范圍蠕變激活能與交滑移激活能很接近，因此中溫回復(fù)蠕變機(jī)制是螺位錯(cuò)交滑移機(jī)制。螺位錯(cuò)可以沿著通過(guò)位錯(cuò)線的任

35、何平面運(yùn)動(dòng)，但它的滑移的平面應(yīng)是阻力最小而且應(yīng)力又最大的平面，若在這個(gè)平面上的運(yùn)動(dòng)受阻，可以在熱激活的幫助下沿其他平面滑移。不論是高層錯(cuò)能材料還是低層錯(cuò)能材料，螺位錯(cuò)若分解為擴(kuò)展位錯(cuò)，則在交滑移之前必須事先束集，而且束集的長(zhǎng)度要達(dá)到一個(gè)臨界值。如果束集太短，位錯(cuò)有可能重新分解回到原來(lái)的滑移面上，不能實(shí)現(xiàn)交滑移。束集的能量需要熱激活來(lái)提供，不論金屬層錯(cuò)能的高低，只要應(yīng)力和溫度達(dá)到要求，交滑移就可以通過(guò)一次激活完成。交滑移的產(chǎn)生，之多導(dǎo)致位錯(cuò)螺型部分的銷毀，故隨著蠕變的進(jìn)行，位錯(cuò)密度不斷增加。因此蠕變速率總有下降趨勢(shì)而達(dá)不到穩(wěn)定。所以，位錯(cuò)交滑移的蠕變機(jī)制是一種不能完全消除硬化的回復(fù)過(guò)程，它主要反

36、映蠕變第階段過(guò)渡到第階段是的一種低溫回復(fù)。（三）高溫蠕變1位錯(cuò)蠕變溫度較高時(shí)，蠕變第階段和第階段重疊，故這時(shí)總?cè)渥兛蓪?xiě)為+1/3+K高溫位錯(cuò)蠕變由蠕變與穩(wěn)態(tài)蠕變兩部分組成（不考慮蠕變第階段）。蠕變由于在形變中發(fā)生位錯(cuò)塞集，在熱激活的幫助下，位錯(cuò)通過(guò)攀移不斷地進(jìn)行多邊化，使蠕變不斷發(fā)生。在蠕變時(shí)，溫度較高，可以發(fā)生一些回復(fù)，但回復(fù)軟化還不足以與加工硬化相平衡，因而蠕變速率逐步下降，當(dāng)回復(fù)與應(yīng)變硬化達(dá)到平衡時(shí)，就進(jìn)入蠕變穩(wěn)態(tài)階段。高溫蠕變激活能與自擴(kuò)散激活能一致。在位錯(cuò)蠕變中，自擴(kuò)散與位錯(cuò)攀移過(guò)程中的空位擴(kuò)散有關(guān)。在穩(wěn)態(tài)蠕變過(guò)程中，Weertman理論時(shí)穩(wěn)態(tài)蠕變的位錯(cuò)攀移理論，其具體出發(fā)點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)蠕

37、變由位錯(cuò)的攀移所決定。位錯(cuò)不斷增殖，同時(shí)又不斷通過(guò)攀移而消失。增殖與攀移處于平衡時(shí)就達(dá)到穩(wěn)態(tài)蠕變。位錯(cuò)攀移有多種形式：a.越過(guò)Lomer-Contrell位錯(cuò)；b.臨近滑移面上異號(hào)刃位錯(cuò)相消；c.位錯(cuò)通過(guò)攀移形成小角度晶界或加入已存的小角度晶界；d.在晶界前塞集的位錯(cuò)沿晶界攀移；e.塞集在第二相質(zhì)點(diǎn)前的位錯(cuò)，將攀移越過(guò)第二相質(zhì)點(diǎn)?？梢?jiàn)，穩(wěn)態(tài)蠕變，若某一個(gè)位錯(cuò)被激活發(fā)生了攀移，為了使應(yīng)力狀態(tài)平衡，位錯(cuò)源必須再放出一個(gè)新的位錯(cuò)以恢復(fù)原有的位錯(cuò)排列。另一方面攀移上來(lái)的位錯(cuò)或者與異號(hào)位錯(cuò)遭遇而消失，或者被晶界、亞晶界所吸收。這樣蠕變不斷地進(jìn)行，內(nèi)部又形成了亞晶，亞晶界上的位錯(cuò)密度不斷增加，但晶內(nèi)的位錯(cuò)

38、密度大體不變。穩(wěn)態(tài)蠕變速度和位錯(cuò)攀移速度成正比。位錯(cuò)攀移必然導(dǎo)致局部空位濃度的變化，位錯(cuò)的攀移速度取決于位錯(cuò)線周圍空位的濃度梯度。由擴(kuò)散方程考慮空位的流動(dòng)可得出穩(wěn)態(tài)蠕變的速率。2擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是高溫低應(yīng)力下的一種蠕變機(jī)制。其發(fā)生的溫度范圍為0.851 Tm，是以大量空位沿一定的方向擴(kuò)散，從而引起蠕變。這種機(jī)制的蠕變速率既與外加應(yīng)力成正比，也與金屬的自擴(kuò)散速率成正比。§95 蠕變斷裂理論一、蠕變斷裂類型與蠕變斷裂機(jī)制圖蠕變斷裂可以是穿晶的，也可以是沿晶的。當(dāng)發(fā)生高溫?cái)嗔褧r(shí)的溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，由于材料的晶內(nèi)強(qiáng)度低于晶界強(qiáng)度，這時(shí)發(fā)生穿晶型蠕變斷裂。高溫下發(fā)生快速斷裂時(shí)，由于等強(qiáng)度溫度

39、升高也會(huì)發(fā)生穿晶型蠕變斷裂。高溫低應(yīng)力蠕變是工程上常見(jiàn)的蠕變類型。而高溫低應(yīng)力蠕變的斷裂方式通常是沿晶蠕變斷裂。沿晶蠕變裂紋有楔型裂紋（W型）和空穴型裂紋（R型）兩種，他們導(dǎo)致的蠕變斷裂有所不同。不同的蠕變斷裂的發(fā)生取決于蠕變的條件，不同的應(yīng)力和溫度將導(dǎo)致在不同的時(shí)間發(fā)生斷裂，并且發(fā)生的蠕變斷裂的類型也是不同的。在一定的應(yīng)力條件下，斷裂時(shí)間是由試驗(yàn)溫度或或工作溫度所決定的。發(fā)生穿晶蠕變斷裂的時(shí)間最短，而沿晶蠕變斷裂的的時(shí)間較長(zhǎng)。發(fā)生空穴型蠕變斷裂是在較低的應(yīng)力條件下，其斷裂時(shí)間最長(zhǎng)。二、楔型蠕變裂紋的形成機(jī)理一般較低的試驗(yàn)溫度、較高的應(yīng)力以及較高的蠕變速率有利于楔型裂紋的形成。楔型裂紋較早在A

40、l合金中，繼而在NIMONIC型合金中發(fā)現(xiàn)。鍋爐內(nèi)過(guò)熱器發(fā)生蠕變爆管的管子中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)W型裂紋。W型蠕變裂紋萌生于三晶粒交界處，然后沿晶界擴(kuò)展。形成楔型裂紋的理論稱之為應(yīng)力集中理論。當(dāng)晶界位錯(cuò)塞積，發(fā)生W型晶界裂紋時(shí)，形成裂紋所需的切應(yīng)力 （9-19）式中 切應(yīng)力；G剪切模量；表面能；d滑移帶長(zhǎng)度，此處可視為晶粒直徑。若單位時(shí)間楔型裂紋高度h的變化等于晶界滑動(dòng)的平均值，則楔型裂紋高度的變化率將近似等于晶界滑移所造成的形變率，即dh/dt·d (9-20) 假定蠕變時(shí)僅僅考慮晶界滑移，形成裂紋的條件tfd2 （9-21）或 h2 （9-22）式中 外加應(yīng)力；tf 斷裂時(shí)間。g ；滑移根據(jù)

41、式（9-21）和（9-22）可以導(dǎo)出蠕變斷裂時(shí)間為tf 2/（d ） （9-23）在楔型裂紋的形成過(guò)程中，晶界上雜質(zhì)的偏析和晶粒大小對(duì)其影響很大。若雜質(zhì)偏聚在晶界上，或有弱化晶界的第二相沉淀，此時(shí)將使表面能下降，則由式（9-19）和（9-23），裂紋形核所需的外力和斷裂時(shí)間均下降，即楔型裂紋容易形成。若材料經(jīng)熱處理后晶界的延性降低，易形成裂紋。如在三晶粒交界處形成較大的碳化物，蠕變抗力將下降；如碳化物沿晶界均勻分布，晶界滑移阻力增加，則不易形成裂紋，蠕變斷裂抗力將提高。晶粒大小對(duì)蠕變抗力有較大的影響。在多晶粒金屬中，晶粒粗大，配合晶界滑移產(chǎn)生相應(yīng)變形將變得困難，從而使三晶粒交界處的應(yīng)力集中不易

42、松弛，容易形成裂紋。三、空穴型蠕變裂紋的形成機(jī)理孔穴型蠕變裂紋易于形成在較高溫度和低應(yīng)力的條件下。其裂紋的早期形態(tài)是孔洞，孔洞主要分布在與拉應(yīng)力相垂直的橫晶界上，空洞的位置并不擇優(yōu)分布于三晶粒交匯處?？锥慈缋^續(xù)長(zhǎng)大就連接形成沿晶蠕變裂紋?？锥吹男纬芍饕邢聦賰煞N假說(shuō)：（1）微空型蠕變裂紋形成的晶界滑移理論蠕變微孔主要分布于與拉伸應(yīng)力垂直的橫晶界上。微孔的形核位置通常有：滑移帶與橫晶界相交處，滑移帶與滑移晶界相交產(chǎn)生彎折。銅晶界微孔的間距與滑移帶的間距相一致證明了這種機(jī)制。亞晶界與滑移境界的的相交處。晶界上的第二相粒子處。晶界原有的臺(tái)階“坎”處。裂紋形成與晶界滑移是不可分的，由于滑移在微孔形核位

43、置處發(fā)生應(yīng)力集中，形成微孔。晶內(nèi)滑移在滑移帶和晶界處形成微孔。晶界滑移與晶內(nèi)滑移帶在晶界上相交割，在交割處位錯(cuò)積塞或晶界滑移受阻而產(chǎn)生應(yīng)力集中，以致形成孔洞。微空形成之后，在應(yīng)力集中的作用下，或空位的流入，微孔可以不斷長(zhǎng)大。同樣，在晶界滑移過(guò)程中，當(dāng)晶界割階或彎折處也產(chǎn)生微孔。依據(jù)“坎”所受剪應(yīng)力的方向不同有張開(kāi)型和壓縮型兩種。張開(kāi)型的“坎”在晶界滑動(dòng)過(guò)程中形成微孔。然而由于晶內(nèi)不止一個(gè)滑移系被激活，故兩種“坎”都能成為微孔的形核處。微孔的形成與晶界的滑移是不可分的。（2）孔穴型蠕變裂紋的空位理論孔穴型蠕變裂紋的空位理論認(rèn)為，R型孔洞的形成和長(zhǎng)大是由空位凝聚而產(chǎn)生的?？瘴坏膩?lái)源可以是晶體中的空

44、位在熱起伏和拉力的作用下向橫晶界遷移。當(dāng)遷移至晶界的空位達(dá)到足夠的濃度時(shí)，形成微孔?？瘴坏漠a(chǎn)生也可以是由于蠕變過(guò)程中位錯(cuò)的切割和攀移，空位向晶界遷移而聚集形成微孔。如忽略形成孔洞附近彈性形變能的變化，則產(chǎn)生一孔洞所需的能量為W=4R2-4R3/3式中 拉應(yīng)力；R微孔半徑；表面能。若dW/dR 為極小值時(shí)，則可求得微孔的臨界半徑R2/若微孔小于臨界尺寸，則將被分解而消失；若大于臨界尺寸，則隨空位的流入凝聚為孔洞。在高溫蠕變條件下，蠕變激活能和蠕變斷裂激活能都與自擴(kuò)散激活能相等。這也說(shuō)明蠕變斷裂過(guò)程中的裂紋形成可能與擴(kuò)散過(guò)程密切相關(guān)。金屬在蠕變變形過(guò)程中，由于形變的進(jìn)行，孔位會(huì)不斷增多。在外力作用

45、下孔位向橫晶界的聚集于擴(kuò)散有關(guān)。四、蠕變裂紋的長(zhǎng)大R型蠕變微孔尺寸滿足臨界尺寸條件之后，可以在晶界滑移的作用下或是孔位的繼續(xù)流入過(guò)程中繼續(xù)長(zhǎng)大。由蠕變裂紋的形核、長(zhǎng)大和擴(kuò)展，直至蠕變斷裂可詳細(xì)化分為以下5個(gè)階段：（1）形核期，在晶界的臺(tái)階處生成微孔核心，它優(yōu)先處于橫晶上；（2）微孔長(zhǎng)大，微孔達(dá)穩(wěn)定尺寸后，在晶界滑移和空位流入的作用下不斷長(zhǎng)大，并且由于形核的繼續(xù)發(fā)生，微孔的數(shù)量增多；（3）形成微孔鏈，在同一橫晶界上形成多個(gè)尺寸相近的微孔，此時(shí)微孔的擴(kuò)展速度明顯加快；（4）形成橫向裂紋和顯微裂紋，在同一晶界上的微孔鏈相互連接形成橫向裂紋和顯微裂紋；（5）宏觀裂紋的擴(kuò)展，顯微裂紋擴(kuò)展成為宏觀裂紋并繼

46、續(xù)擴(kuò)展。形成宏觀裂紋之后，在宏觀裂紋的前沿繼續(xù)以上過(guò)程。形成的橫向裂紋和顯微裂紋與宏觀裂紋發(fā)生剪切斷裂相連接，裂紋的擴(kuò)展示斷續(xù)式（跳躍式）的。當(dāng)裂紋作緩慢擴(kuò)展至裂紋尺寸達(dá)失穩(wěn)尺寸后，發(fā)生斷裂。對(duì)W型蠕變裂紋，當(dāng)擴(kuò)展至晶界長(zhǎng)度時(shí)就可定義為蠕變斷裂；對(duì)R型蠕變裂紋，當(dāng)孔洞占試樣截面超過(guò)一定比例時(shí)就定義為斷裂。根據(jù)空位聚集形核理論可導(dǎo)出蠕變斷裂壽命k的表達(dá)式kA3KT（/）/（GDg）式中 A常數(shù)，一般情況A=6×10-3；孔洞沿晶界的平均間距；Dg晶界擴(kuò)展系數(shù)；晶界寬度；原子體積；應(yīng)力；G切變模量。§96 裂紋體蠕變裂紋的擴(kuò)展高溫下工作的部件，有的是含有裂紋的。蠕變條件下裂紋的

47、擴(kuò)展行為要比常溫下復(fù)雜得多。高溫下裂紋的尖端可以鈍化。宏觀裂紋的擴(kuò)展往往由許多的單個(gè)裂紋（或損傷）的擴(kuò)大或連接而發(fā)生。裂紋前沿的材料中蠕變應(yīng)力發(fā)生再分布。高溫?cái)嗔蚜W(xué)研究在蠕變條件下的擴(kuò)展，預(yù)測(cè)裂紋體高溫零件的壽命取得了一定的進(jìn)展。一、裂紋長(zhǎng)度與時(shí)間的關(guān)系大量的試驗(yàn)證明，蠕變裂紋的擴(kuò)展有延滯破壞的特征。裂紋的擴(kuò)展有孕育階段，在此階段內(nèi)裂紋幾乎不擴(kuò)展，或擴(kuò)展甚微。此后是裂紋的亞臨界擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展乃至斷裂。隨著載荷降低，孕育期亦將延長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展也較慢。當(dāng)載荷低于某一數(shù)值時(shí)，孕育期可延長(zhǎng)到高溫部件所需的使用期限，或裂紋不擴(kuò)展的門檻值。試驗(yàn)表明，開(kāi)裂時(shí)間ti（分鐘）與應(yīng)力強(qiáng)度因子KI有如下關(guān)系tiAi

48、KIBi式中 Ai、Bi與溫度、材料、試驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)。開(kāi)裂率（開(kāi)裂時(shí)間的倒數(shù)）與溫度的關(guān)系為1/ tiA0cexp（Qi/RT）式中 A、C材料常數(shù)；0初始應(yīng)力；Qi開(kāi)裂激活能；R氣體常數(shù)，R8.314J·K-1·mol-1。二、裂紋的擴(kuò)展速度1裂紋的擴(kuò)展速度與應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的關(guān)系對(duì)于非“恒K”的試樣，在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著裂紋的擴(kuò)展，應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值不斷提高。蠕變裂紋的亞臨界擴(kuò)展階段，蠕變裂紋的擴(kuò)展速率d/dt與應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的關(guān)系為d/dtAKIS式中 A、S溫度、材料、試驗(yàn)條件（應(yīng)力、缺口類型）有關(guān)的常數(shù)。上述公式只適用于高強(qiáng)度、低延性材料，或在蠕變過(guò)程中發(fā)生沿

49、晶蠕變斷裂的情況。2裂紋擴(kuò)展速度與凈截面應(yīng)力net的關(guān)系韌性材料的蠕變裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋的尖端會(huì)發(fā)生較大的局部變形，使裂紋尖端附近發(fā)生應(yīng)力的再分布。這種情況下凈截面應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展的關(guān)系較為密切。凈截面應(yīng)力是指不考慮應(yīng)力集中的缺口凈截面平均應(yīng)力。蠕變裂紋的擴(kuò)展速率d /dt與凈截面應(yīng)力net的關(guān)系為d/dtNPnet式中 N、P材料常數(shù)。3裂紋擴(kuò)展速度與修正J積分C*的關(guān)系（能量分析觀點(diǎn)）式中 B試樣厚度；裂紋長(zhǎng)度；形變功率或能量變化率（d/dt），可由載荷加載位移速率曲線P下的面積求得。C*可看作是蠕變裂紋擴(kuò)展單位面積所需的形變功率。試驗(yàn)證實(shí)蠕變裂紋擴(kuò)展速率與C*有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系d/dt（C*）式

50、中 為與材料有關(guān)的常數(shù)，取決于材料在拘束條件下的蠕變斷裂延伸率f。對(duì)于CrMo、CrMoV鋼可得以下近似公式d/dt300（C*）0.85/fC*表示裂紋尖端附近的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變速率場(chǎng)。因此C*在原則上適用于彈塑性狀態(tài)下蠕變裂紋擴(kuò)展的分析。然而達(dá)到工程應(yīng)用，還需要更多的試驗(yàn)證實(shí)和制定合理的計(jì)算工程結(jié)構(gòu)中裂紋C*參數(shù)的方法。 一、研究蠕變疲勞交互作用的意義調(diào)峰機(jī)組在每一次啟動(dòng)運(yùn)行停車的過(guò)程中，零件都經(jīng)受一次加載保載卸載的循環(huán)。保載時(shí)間內(nèi)零件承受設(shè)計(jì)應(yīng)力和溫度的作用，停車后便完全卸載，溫度亦相應(yīng)降低。因此可以近似看成是具有一定保持時(shí)間的“拉拉”循環(huán)。尖峰負(fù)荷機(jī)組在高溫低周疲勞的條件下工作，受蠕變和

51、疲勞的交互作用。二、蠕變疲勞交互作用及其影響因素材料在高溫下，蠕變起主導(dǎo)作用，循環(huán)應(yīng)變幅的影響不大；低溫下疲勞起主導(dǎo)作用。1溫度的影響溫度對(duì)蠕變裂紋和蠕變疲勞交互作用下的影響：隨著溫度升高，蠕變裂紋擴(kuò)展速度，蠕變疲勞交互作用下裂紋擴(kuò)展速度均增加，裂紋開(kāi)裂時(shí)間縮短。在應(yīng)力、應(yīng)力幅、保持時(shí)間相同的條件下，斷裂時(shí)間tr(h)與溫度T(K)的關(guān)系如下：1/ trAeQ/RT式中 A材料常數(shù)；Q激活能，J/mol；R氣體常數(shù)。溫度升高，鋼的屈服強(qiáng)度下降，總應(yīng)變中塑性應(yīng)變所占的比例增加。溫度升高晶界迅速弱化，材料由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔?。這兩種因素，使高溫疲勞強(qiáng)度下降。但對(duì)應(yīng)變時(shí)效材料，溫度升高時(shí)可出現(xiàn)相反

52、的趨勢(shì)。2保持時(shí)間在高溫低周疲勞中，當(dāng)應(yīng)力或應(yīng)變?cè)黾拥揭欢〝?shù)值后，在一定時(shí)間內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速度保持恒定，此段時(shí)間稱為保持時(shí)間。控制應(yīng)變?yōu)楸３炙沙?；控制載荷則為保持蠕變。構(gòu)件在高溫載荷被保持的時(shí)間內(nèi)，盡管構(gòu)件大多數(shù)部位處于彈性區(qū)，但在應(yīng)力集中處可出現(xiàn)塑性區(qū)。保持時(shí)間使保時(shí)蠕變的裂紋開(kāi)裂時(shí)間比蠕變要短，而相對(duì)于高溫疲勞而言開(kāi)裂時(shí)間是增加的。拉伸保持時(shí)間增加，蠕變疲勞交互作用下的裂紋擴(kuò)展速率增加。保持時(shí)間降低斷裂壽命；保持時(shí)間越長(zhǎng)，低周疲勞周次越少。保持時(shí)間在斷裂中使鋼的脆性增加。當(dāng)材料在高溫下為韌性，在蠕變疲勞交互作用下保持一定時(shí)間，疲勞在蠕變過(guò)程中起作用，在斷口上出現(xiàn)疲勞輝紋，并使晶界裂紋發(fā)展，由

53、穿晶裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐Я鸭y。如果保持時(shí)間延長(zhǎng)，斷口上疲勞輝紋消失，形成大量晶界裂紋，呈現(xiàn)蠕變脆性斷裂。3頻率的影響在常溫下，除非進(jìn)入超聲頻區(qū)域，頻率對(duì)疲勞壽命影響不大。但在高溫下，與時(shí)間有關(guān)的過(guò)程起主導(dǎo)作用。一般疲勞壽命隨頻率的降低而減少。在保持時(shí)間不長(zhǎng)時(shí)，疲勞壽命隨頻率降低而減少，當(dāng)應(yīng)變范圍較小時(shí)，影響更明顯；而保持時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，頻率的影響減小。同樣當(dāng)頻率較低時(shí)，保持時(shí)間的影響亦減小。隨著頻率的改變，斷口特征也不同。頻率較高時(shí)為穿晶斷口，較低時(shí)為沿晶斷口，中間為混合斷口。第十章 熱疲勞§101 概述一、熱疲勞現(xiàn)象材料在加熱、冷卻的循環(huán)作用下，由于交變的熱應(yīng)力引起的破壞稱為“熱疲勞”。熱應(yīng)

54、力的來(lái)源是多種多樣的，大體上可分為：（1）結(jié)構(gòu)中溫度分布不均勻引起的應(yīng)力； （2）零件之間的溫度差或約束限制金屬自由膨脹或收縮引起的應(yīng)力； （3）熱膨脹系數(shù)不同的材料的組合形成的應(yīng)力。mn汽水 對(duì)于塑性材料，溫度循環(huán)引起的塑性變形極小，而且塑性變形可使應(yīng)力得到松弛，要多次溫度循環(huán)才能使疲勞裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致破壞。有些脆性材料，在溫度變化速度十分快、幅度較大時(shí)，一次溫度循環(huán)所形成的熱應(yīng)力就會(huì)超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度，在這種情況下發(fā)生的破壞現(xiàn)象稱為熱沖擊。 熱疲勞舉例：爐管中的水在m-n間波動(dòng)，當(dāng)水面波動(dòng)到m位置時(shí)，mn之間為水，由于水的導(dǎo)熱系數(shù)大，mn部分金屬溫度不會(huì)很高；當(dāng)水面波動(dòng)到n位置時(shí)，mn之間為蒸汽，蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)小，mn部分金屬溫度升高。認(rèn)為水面在mn之間周期性波動(dòng)，此段金屬的溫度也發(fā)生周期性變化，必然產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生熱疲勞破壞。汽輪機(jī)汽缸中循環(huán)熱應(yīng)力是由第一調(diào)節(jié)汽門室附近的溫度波動(dòng)和汽輪機(jī)在起停時(shí)汽缸內(nèi)外壁溫差所引起的。正常運(yùn)行情況下，汽缸內(nèi)外壁溫差并不顯著；在汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，高溫蒸汽快速流過(guò)冷態(tài)汽缸，使汽缸產(chǎn)生很大內(nèi)外壁溫差，相應(yīng)引起較大熱應(yīng)力，內(nèi)壁為壓應(yīng)力，外壁為拉應(yīng)力。相反，當(dāng)停機(jī)時(shí)，汽缸處于高溫態(tài)，低溫蒸汽很快流過(guò)，產(chǎn)生和起動(dòng)時(shí)相反作用。另外高壓氣缸還會(huì)產(chǎn)生蠕變。當(dāng)熱應(yīng)力循環(huán)到一定次數(shù)，汽缸某些薄弱環(huán)節(jié)將產(chǎn)生