第 四 章,静载荷作用下的断裂失效分析,411过载断裂失效的定义及断口的一般特征 1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荷时，构件 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1的 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 明确：构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂 过载：工作应力超过构件的实际承载能力,41过载断裂失效分析,2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。 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: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“三要素”。 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: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. 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 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。,41过载断裂失效分析,41过载断裂失效分析,宏观塑性的过载断裂断口的“三要素”： 断口上的“三要素”是塑性过载断裂的基本特征。断口上三个特 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 射区是裂纹的快速扩展区，剪切唇是最后断裂区。,412影响过载断裂失效特征的因素 1材料性质的影响 材料的性质对过载断裂失效特征具有很大的影响。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。 (1)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“三要素”的特征。 (2)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，其中心像火山口状，“火山口”中心必有夹杂 物，此为裂纹源。另外，尚有放射区细小及剪切唇也较小等特点。,41过载断裂失效分析,(3)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 是一种典型的剪切脊。另一特点是放射线不是直线的。 (4)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 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。 (5)纯金属还可能出现一种全纤维的断口或角的滑开断口。 (6)脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现“三 要素”的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。,41过载断裂失效分析,几种拉伸断裂断口形态 a) 高塑性材料的拉伸断口（只有纤维区，没有放射区） b) 中碳钢调质状态拉伸断口（粗大的放射剪切花样） c) 回火脆性状态的碳钢拉伸断口（断口齐平，沿晶型）,a b c,41过载断裂失效分析,2零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 载断裂的断口特征会产生一定的影响。 (1)圆形试件 圆形试件拉仲延性断 裂的断口特征，光滑试件 通常有如左图所示的形貌 特征。缺口试件断口上三 要素的宏观位置与光滑试 件有很大的差异，如右图 所示。,41过载断裂失效分析,(1)圆形试件 对于圆形或近圆形截面的零部件，断裂时可根据断口上的“三要 素”位置判断断裂的起始点即断裂源。在实际分析时，难以得到完整 的“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 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 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 态较为复杂，其断裂过程与零件的应力状态有关。,41过载断裂失效分析,(1)圆形试件 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， 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 纹停止扩展，形成最后断裂区。 如右图所示：,41过载断裂失效分析,(2)矩形试件 矩形截面零件(试件)过载断口也有三要素的特征，不过断口上 “三要素”的相对位置，因其结构方面的影响有下图四种情况。,41过载断裂失效分析,(2)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“人字纹”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 形状和走向是寻找断裂源和判断失效性质的重要依据。,41过载断裂失效分析,(3)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， 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。,41过载断裂失效分析,3载荷性质的影响 载荷性质不仅对断口中“三要素”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。 (1)断口中三要素相对大小的变化 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 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。 (2)断口形貌的变化 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 断口，其形貌有所不同。,41过载断裂失效分析,(2)断口形貌的变化 冲击断口形貌一般如下图所示：,41过载断裂失效分析,4环境因素的影响 温度的变化及介质的性质 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 为脆性断裂。 温度升高，一般使材料的 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 小，如右图所示:,41过载断裂失效分析,4.1.3扭转和弯曲过载断裂裂口特征 1.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 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 的特征。 2弯曲过载断裂断口特征 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 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。,41过载断裂失效分析,1.扭转过载断裂断口特征 扭转过载断裂实物图:,41过载断裂失效分析,414过载断裂的微观特征 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 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 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 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。,41过载断裂失效分析,4.2 材料致脆断裂失效分析,4.2.1 回火脆性断裂失效 1.回火脆化现象 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 脆性，发生在较低温度(约350)的脆性称 为低温回火脆性或回火马氏体脆性(TEM) 又叫第一类回火脆性，或不可逆回火脆性， 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 聚无关，断裂为穿晶型准解理。,1.回火脆化现象 发生在较高温度(约500)的脆性称作 高温回火脆性，或简称为回火脆性(TE)， 又叫第二类回火脆性。 第二类回火脆性与材料的合金元素 (Cr，Mn，M0，Ni，Si)和杂质元素含量 (S，P，Sb，Sn，As)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 低的钢中，与杂质元素向原奥氏体晶界偏 聚有关。,2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 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。 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 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 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。,4.2 材料致脆断裂失效分析,3回火致脆断裂的分析 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 裂的构件，可取样进行材料回火脆性 检验。 试验方法有： a 室温冲击试验法 b 系列冲击试验法 c 低温拉伸试验法 d 断裂韧性法 e断口特征的对比分析,4.2 材料致脆断裂失效分析,1冷脆金属及其特点 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 低，低碳钢的断裂行为发生如下变化： (1)屈服点和断裂正应力随温度降低而 显著升高，而塑性指标f逐渐降低。 (2)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。 (3)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 理断裂过渡，在此时的极限塑性趋近零。,4.2 材料致脆断裂失效分析,2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。 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。 (1)冷脆金属低温脆断断口的宏观特征: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，附近无缩颈现 象，无剪切唇。断口中的反光小平面(小刻面)与晶粒尺寸相当。 (2)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、扇形 花样等。,4.2 材料致脆断裂失效分析,3低温脆断的条件及影响因素 (1)只有冷脆金属才会发生低温脆断。 绝大多数的体心立方金属都属于冷脆金属，都具有发生冷 脆断裂的可能性。而面心立方金属不是冷脆金属，不具有冷脆转 折的特点，不发生冷脆断裂。 (2)环境温度低于材料脆性转折温度。 (3)构件几何尺寸较大，构件处于平面应变状态。 材料的脆性转折温度并不是一个固定的值，材料中的缺陷 (微裂纹、缺口、大块夹杂等)、晶粒粗大使脆性转折温度提高。 4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。,4.2 材料致脆断裂失效分析,423第二相质点致脆断裂失效 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 界的脆化或弱化而导致的一种沿晶断裂。 1第二相质点致脆断裂的类型 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 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 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 发生相变所引起的脆化状态等。 2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 其微孔形貌。,4.2 材料致脆断裂失效分析,43环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 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 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 有关，而且在很大程度上取决于它的环境条件。,431应力腐蚀开裂 1压力腐蚀开裂的定义 应力腐蚀开裂(StressCorrosionCrackin，通常简写为 scc)系金属在应力(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。 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 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(断裂)也是脆性形式的断裂。,43环境致脆断裂失效分析,2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 应力和特定的金属材料构成的特定的腐蚀系统。 （1）仅当弱