1第五章第五章 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5.1 过载断裂失效过载断裂失效5.2 材料致脆断裂材料致脆断裂5.3 环境致脆断裂环境致脆断裂2定义与特征定义与特征定义与特征定义与特征 5.1.1 5.1.1 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5.1 5.1 5.1 5.1 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荷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。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 明确明确0.2一定是构件材料的实际屈服强度一定是构件材料的实际屈服强度3光滑断口光滑断口光滑断口光滑断口 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。5.1 5.1 5.1 5.1 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（1）宏观塑性断裂失效：）宏观塑性断裂失效： 纤维区，放射区，剪切唇纤维区，放射区，剪切唇纤维区：纤维区：位于断裂的起始部位，在三向拉应力作用下，裂纹作缓慢扩展而位于断裂的起始部位，在三向拉应力作用下，裂纹作缓慢扩展而形成。该区微观断裂机制是形成。该区微观断裂机制是等轴微孔聚集型等轴微孔聚集型，断面与应力轴垂直。，断面与应力轴垂直。放射区：放射区：裂纹的快速扩展区，宏裂纹的快速扩展区，宏观上可见放射状条纹或人字观上可见放射状条纹或人字纹。微观断裂机制是纹。微观断裂机制是撕裂微撕裂微孔聚集型孔聚集型，也可能是微孔与，也可能是微孔与解理的混合断裂机制，断面解理的混合断裂机制，断面与应力轴垂直。与应力轴垂直。剪切唇：剪切唇：最后断裂区，由切应力引最后断裂区，由切应力引起，起，微观断裂机制为剪切（滑微观断裂机制为剪切（滑开）微孔聚集型开）微孔聚集型，断面与应力，断面与应力轴呈轴呈45。4光滑断口光滑断口光滑断口光滑断口 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5.1 5.1 5.1 5.1 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（2）拉伸脆性材料的宏观脆性过载：）拉伸脆性材料的宏观脆性过载：无三要素特征，无三要素特征，端口为瓷状、结晶状或具有镜面反光特征端口为瓷状、结晶状或具有镜面反光特征；在微观；在微观上分别为上分别为等轴微孔、沿晶正断及解理断裂等轴微孔、沿晶正断及解理断裂。（3）拉伸塑性材料的宏观脆性过载：）拉伸塑性材料的宏观脆性过载：因其尺寸过大或因其尺寸过大或有裂纹存在时发生的脆性断裂，其有裂纹存在时发生的脆性断裂，其断口中的纤维区断口中的纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几乎不出现剪切很小，放射区占有极大比例，周边几乎不出现剪切唇唇，其微观断裂机制为，其微观断裂机制为微孔聚集型并兼有解理的混微孔聚集型并兼有解理的混合断裂合断裂。5影响因素影响因素影响因素影响因素 5.1.2 5.1.2 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5.1 5.1 5.1 5.1 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、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6影响因素影响因素影响因素影响因素 5.1.2 5.1.2 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5.1 5.1 5.1 5.1 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、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，尚有放射区细中心必有夹杂物，此为裂纹源。另外，尚有放射区细小及剪切唇也较小等特点。小及剪切唇也较小等特点。7影响因素影响因素影响因素影响因素 5.1.2 5.1.2 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5.1 5.1 5.1 5.1 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，断口的主要特）中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的主要特征是具有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唇。，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展时，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。其另一特点是沿最大切应力方向发生剪切变形的结果。其另一特点是放放射元不是直线射元不是直线的，这是因为变形约束小，裂纹钝化，致使的，这是因为变形约束小，裂纹钝化，致使扩展速度较慢等。扩展速度较慢等。 1 1、材料性质的影响、材料性质的影响8影响因素影响因素影响因素影响因素5.1 5.1 5.1 5.1 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 4）塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可能只有）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，纤维区和剪切唇而无放射区。可以说，断口上的纤维区较大，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 角的滑角的滑开断口。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“三要素三要素”的特征，而的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等等特征特征。9典型特征典型特征典型特征典型特征 过载断裂断口的几种典型特征过载断裂断口的几种典型特征5.1 5.1 5.1 5.1 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 高塑性材料 的拉伸断口 （只有纤维区， 没有放射区） 中碳钢调制状态拉伸断口（粗大的发射剪切花样） 铸铁的拉伸断口 （瓷状） 回火脆性状态的中碳钢拉伸断口（端口齐平，沿晶型）10形状尺寸形状尺寸形状尺寸形状尺寸 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5.1 5.1 5.1 5.1 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缺口圆形试件过载断裂形貌示意图示意图1-1-缺口，缺口，2-2-纤维区，纤维区，3-3-放射，放射， 4-4-最后断裂区最后断裂区 裂纹不对称扩展断口形貌裂纹不对称扩展断口形貌示意图示意图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-裂纹扩展裂纹扩展方向方向光滑试件拉伸延性光滑试件拉伸延性过载断裂过载断裂11形状尺寸形状尺寸形状尺寸形状尺寸 （2）矩形试件：）矩形试件：人字纹人字纹5.1 5.1 5.1 5.1 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 人人字字纹纹的的形形状状和和走走向向是是寻寻找找断断裂裂源源和和判判断断失失效效性性质质的的重重要要依依据据，表表面面光光滑滑的零件人字纹尖部总是指向裂纹源的方向，而周边有缺口时正好相反。的零件人字纹尖部总是指向裂纹源的方向，而周边有缺口时正好相反。（a）侧面缺口试件）侧面缺口试件 （b）去缺口试件表面起裂）去缺口试件表面起裂 （c）无缺口试件中心起裂）无缺口试件中心起裂 （d）周边缺口试件）周边缺口试件断口上的人字纹花样断口上的人字纹花样12几何尺寸几何尺寸几何尺寸几何尺寸 （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，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也有所增大，但变化幅度放射区的尺寸越大，纤维区和剪切唇的尺寸也有所增大，但变化幅度较小，在很薄的试样上，可能出现全剪切的断口。较小，在很薄的试样上，可能出现全剪切的断口。5.1 5.1 5.1 5.1 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13 3 3、载荷性质的影响、载荷性质的影响5.1 5.1 5.1 5.1 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）应应力力状状态态的的柔柔性性对对三三要要素素的的相相对对大大小小有有较较大大影影响响。三三向向拉拉应应力力为为硬硬状状态态，三三向向压压缩缩为为柔柔性性状状态态；快快速速加加载载为为硬硬状状态态，慢慢速速加加载载为为柔柔性性状状态态，由由于于材材料料在在硬硬状状态态应应力力作作用用下下表表现现为为较较大大脆脆性性，所所以放射区加大，纤维区缩小，剪切唇变化不大。以放射区加大，纤维区缩小，剪切唇变化不大。（2）拉伸塑性断口与冲击塑性断口，其形貌有所不同。）拉伸塑性断口与冲击塑性断口，其形貌有所不同。冲击断口形貌冲击断口形貌一般情况一般情况材料塑性较好材料塑性较好材料脆性较大材料脆性较大脆性断口脆性断口14环境影响环境影响环境影响环境影响 4 4、环境因素的影响、环境因素的影响5.1 5.1 5.1 5.1 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) 温度越高，一般是材料的塑性增加，因而纤维区温度越高，一般是材料的塑性增加，因而纤维区加大，剪切唇也有所增加，放射区相对变小。加大，剪切唇也有所增加，放射区相对变小。（2）腐蚀介质可能使通常的延性断裂变为脆性断裂。）腐蚀介质可能使通常的延性断裂变为脆性断裂。15扭转断裂扭转断裂扭转断裂扭转断裂 5.1.3 5.1.3 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5.1 5.1 5.1 5.1 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传动轴（传动轴（40Cr40Cr调质后表面感应加热淬火）调质后表面感应加热淬火）轴的台阶过度处没有淬火轴的台阶过度处没有淬火韧性扭转过载断口韧性扭转过载断口断面与轴向垂直（最大切应力方向），断面与轴向垂直（最大切应力方向），在断口上可见到明显的在断口上可见到明显的“漩涡漩涡”状状压路机扭力轴（表面硬化处理）压路机扭力轴（表面硬化处理）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 （最大正应力方向）（最大正应力方向）断裂起源于轴的台阶根部硬化层处断裂起源于轴的台阶根部硬化层处16弯曲断裂弯曲断裂弯曲断裂弯曲断裂5.1 5.1 5.1 5.1 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 5.1.3 5.1.3 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断裂的十字轴，断面上有放射状花样，在十字轴弯曲过载断裂的十字轴，断面上有放射状花样，在十字轴根部有明显的加工刀痕根部有明显的加工刀痕 ，其断裂原因为根部加工缺陷所致，其断裂原因为根部加工缺陷所致弯曲过载断裂断口特征总体上来说与拉伸断裂断口相似，可以观弯曲过载断裂断口特征总体上来说与拉伸断裂断口相似，可以观察到明显的放射线或人字纹花样。察到明显的放射线或人字纹花样。断裂断裂加工刀痕断裂起始部位17弯曲断裂弯曲断裂弯曲断裂弯曲断裂5.1 5.1 5.1 5.1 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 5.1.4 5.1.4 过载断裂的微观特征过载断裂的微观特征 常常温温下下，有有明明显显的的塑塑性性变变形形痕痕迹迹（材材料料经经受受过过屈屈服服阶阶段段而而后后发发生生断断裂裂）以以及及穿穿晶晶开开裂裂的的特特征征，电电子子显显微微镜镜下下的的微微观观形形态态为为各各种种各各样样的的韧韧窝窝状状形形貌貌，在在正正应应力力作作用用下下韧韧窝窝是是等等轴轴的的，而而在在切切应应力力和和弯弯曲曲应应力力作作用用下下，剪剪切切断断裂裂和和撕撕裂裂形形成成的的韧韧窝窝将将沿沿一一定定方方向向伸伸长长变变形形。因因此此，当当宏宏观观上上难难以以判判断断是是正正向向拉拉断断还还是是弯弯曲曲作用发生的断裂时，韧窝的形态可以帮助确定载荷性质。作用发生的断裂时，韧窝的形态可以帮助确定载荷性质。185.2 5.2 5.2 5.2 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u材料选用不当材料选用不当u制造过程中工艺不正确制造过程中工艺不正确 回火脆性回火脆性 过热和过烧过热和过烧 石墨化析出石墨化析出 第二相脆性质点析出第二相脆性质点析出u不正确的环境条件不正确的环境条件 冷脆金属低温脆断冷脆金属低温脆断 腐蚀脆断等腐蚀脆断等（韧塑性不足）（韧塑性不足）19回火脆现象回火脆现象回火脆现象回火脆现象 5.2.1 5.2.1 回火脆性断裂失效回火脆性断裂失效5.2 5.2 5.2 5.2 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 回火温度对钢的冲击韧性的影响回火温度对钢的冲击韧性的影响低低温温回回火火脆脆性性：350左左右右，又又叫叫回回火火马马氏氏体体脆脆性性（TEM）、第第一一类类回回火火脆脆性性、不不可可逆逆回回火火脆脆性性，一一般般发发生生在在高高纯纯度度钢钢中中，与与杂杂质质偏偏聚聚无无关关，断断裂裂为为穿穿晶晶型型准准解解理理。产产生生原原因因是是有有碳碳化化物物转转变变（相相（Fe2C）渗渗碳碳体体（Fe3C），或或者者由由于于板条间残余奥氏体向碳化物转变板条间残余奥氏体向碳化物转变。高高温温回回火火脆脆性性：500左左右右，又又叫叫回回火火脆脆性性（TE）、第第二二类类回回火火脆脆性性，与与材材料料合合金金元元素素和和杂杂质质元元素素含含量量及及热热处处理理温温度度有有关关，断断裂裂为为沿沿晶晶断断裂裂。发发生生在在纯纯度度较较低低的的钢钢中中，可可由由杂杂质质元元素素向向奥奥氏氏体体偏偏聚聚引引起起，或或者者由由在在原原始始奥奥氏氏体体晶晶界界形形成成Fe3C薄薄壳壳引引起起，或或者者两两者者共共同同作作用用。具具有有可可逆逆性性，重重新新回回火火时时仍仍会会表表现出来现出来。 20回火脆特征回火脆特征回火脆特征回火脆特征 2 2、回火致脆断裂的特征、回火致脆断裂的特征 5.2 5.2 5.2 5.2 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：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。 21回火脆分析回火脆分析回火脆分析回火脆分析 3 3、回火致脆断裂的分析、回火致脆断裂的分析5.2 5.2 5.2 5.2 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 室室温温冲冲击击试试验验法法：将将待待测测钢钢材材加加工工成成缺缺口口冲冲击击试试样样，淬淬火火并并经经不不同同温温度度回回火火后后，在在室室温温下下测测试试其其ak，由由此此可可确确定定材材料料的的回回火脆性温度范围和脆化程度。火脆性温度范围和脆化程度。b b 系系列列冲冲击击试试验验法法：将将待待测测钢钢材材加加工工成成缺缺口口冲冲击击试试样样，在在不不同同温温度度下下测测试试其其ak，由由此此确确定定脆脆性性转转折折温温度度，与与同同一一材材料料未未脆脆化化的的脆脆性性转转折折温温度度比比较较，即即可可确确定定是是否否存存在在回回火火脆脆性性及及其其严严重重程程度，脆性转折温度上移越多，回火脆性越严重。度，脆性转折温度上移越多，回火脆性越严重。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22回火脆分析回火脆分析回火脆分析回火脆分析 3 3、回火致脆断裂的分析、回火致脆断裂的分析5.2 5.2 5.2 5.2 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c c 低低温温拉拉伸伸试试验验法法：利利用用低低温温拉拉伸伸法法，测测量量式式样样的的Sf及及f ，与与未未脆脆化化材材料料的的同同类类指指标标对对比比，则则可可确确定定材材料料的的回回火火脆脆性性状态。状态。d d 断断裂裂韧韧度度法法：测测出出材材料料的的KIC及及asc（临临界界裂裂纹纹尺尺寸寸），裂裂纹失稳扩展时的特征参量纹失稳扩展时的特征参量asc值对回火脆性极为敏感值对回火脆性极为敏感。e e 断断口口特特征征的的对对比比分分析析：将将同同一一材材料料相相同同构构件件的的未未断断裂裂件件做成拉伸断口，进行断口特征的对比分析。做成拉伸断口，进行断口特征的对比分析。23回火脆分析回火脆分析回火脆分析回火脆分析 3 3、回火致脆断裂的分析、回火致脆断裂的分析5.2 5.2 5.2 5.2 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例：例：对试机过程中断裂的对试机过程中断裂的20CrMnMo钢紧固螺钉进行断口对比分析钢紧固螺钉进行断口对比分析拉拉伸伸断断口口：呈呈暗暗灰灰色色纤纤维维状状，中中心心平平整整，四四周周有有45剪剪切切唇唇，呈呈韧韧性性断断裂裂形形态态，断断口口微微观观特特征征主主要要由由韧韧窝窝组组成成，有有少少许许准准解解理理小小平平台台，有有较较大大的的塑塑性性变变形。形。实实际际断断裂裂断断口口：呈呈浅浅灰灰色色，整整个个断断面面平平直直，放放射射线线极极细细，有有少少量量台台阶阶，四四周周无无45剪剪切切唇唇，呈呈明明显显的的脆脆性性断断裂裂形形态态。微微观观特特征征可可见见裂裂纹纹沿沿晶晶界界扩扩展展，晶晶面面有有细细小小解解理理条条纹纹，主主要要为为准准解解理理河河流流花花样样，表表明明该该试试样样断断裂裂前前无无明明显显塑塑性性变变形形。断断裂裂的的螺螺钉钉硬硬度度高高，显显微微组组织织不不均均匀匀，有有明明显显的的板板条条马马氏氏体体束束痕痕迹迹，说说明明该该试试样样回回火火温温度度偏偏低低，处处于于低低温温回回火火脆脆性性区区。由由此此确确定定断断裂裂失失效效是是由由于于热热处处理理操操作作不不规规范范，出出现现低低温温回回火火脆脆性性。对对尚尚未未装装机机的的螺螺钉钉重重新新进进行行回回火火热热处理，解决问题。处理，解决问题。24回火脆分析回火脆分析回火脆分析回火脆分析 3 3、回火致脆断裂的分析、回火致脆断裂的分析5.2 5.2 5.2 5.2 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 因此，室温拉伸试验因此，室温拉伸试验无法检验回火脆性无法检验回火脆性 强强度度、延延伸伸率率和和断断面面收收缩缩率率在在回回火火脆脆性性区区都都没没有有明明显显的的变变化化，因因此此从从拉拉伸伸性性能能难难以以判判断断钢钢的的脆脆性性，而而冲冲击击韧韧度度ak对对440和和550左左右右的的脆脆性性区区显示得非常清楚。显示得非常清楚。 通常的室温拉伸实验不能显通常的室温拉伸实验不能显示回火脆性示回火脆性25上节课内容回顾上节课内容回顾4.3 痕迹分析痕迹分析1.痕迹分析程序痕迹分析程序痕迹分析程序痕迹分析程序2.2.痕迹的发现和显现技术痕迹的发现和显现技术痕迹的发现和显现技术痕迹的发现和显现技术3.3.痕迹的鉴定痕迹的鉴定痕迹的鉴定痕迹的鉴定4.4.痕迹的种类痕迹的种类5.5.痕迹分析的主要内容痕迹分析的主要内容痕迹分析的主要内容痕迹分析的主要内容6.痕迹的综合分析痕迹的综合分析-痕迹性质及痕迹来源痕迹性质及痕迹来源7.7.痕迹的模拟再现痕迹的模拟再现痕迹的模拟再现痕迹的模拟再现26上节课内容回顾上节课内容回顾5.1 5.1 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5.1.1 5.1.1 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拉伸塑性断裂拉伸塑性断裂拉伸塑性断裂拉伸塑性断裂三要素特征三要素特征三要素特征三要素特征脆性材料的拉伸脆性断裂脆性材料的拉伸脆性断裂脆性材料的拉伸脆性断裂脆性材料的拉伸脆性断裂瓷状、结晶状或具有镜面反光特征瓷状、结晶状或具有镜面反光特征瓷状、结晶状或具有镜面反光特征瓷状、结晶状或具有镜面反光特征塑性材料的拉伸脆性断裂塑性材料的拉伸脆性断裂塑性材料的拉伸脆性断裂塑性材料的拉伸脆性断裂纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几 乎不出现剪切唇乎不出现剪切唇乎不出现剪切唇乎不出现剪切唇5.1.2 5.1.2 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材料性质、零件形状及几何尺寸、载荷性质、环境因素材料性质、零件形状及几何尺寸、载荷性质、环境因素材料性质、零件形状及几何尺寸、载荷性质、环境因素材料性质、零件形状及几何尺寸、载荷性质、环境因素5.1.3 5.1.3 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塑性材料扭转塑性材料扭转塑性材料扭转塑性材料扭转断面与轴向垂直，断口有明显断面与轴向垂直，断口有明显断面与轴向垂直，断口有明显断面与轴向垂直，断口有明显“ “漩涡漩涡漩涡漩涡” ”脆性材料扭转脆性材料扭转脆性材料扭转脆性材料扭转断面与轴向成断面与轴向成断面与轴向成断面与轴向成4545 弯曲断口宏观上与拉伸相似，微观上成撕裂韧窝弯曲断口宏观上与拉伸相似，微观上成撕裂韧窝弯曲断口宏观上与拉伸相似，微观上成撕裂韧窝弯曲断口宏观上与拉伸相似，微观上成撕裂韧窝27上节课内容回顾上节课内容回顾5.2 5.2 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 5.2.1 5.2.1 回火脆性断裂失效回火脆性断裂失效回火脆性断裂失效回火脆性断裂失效低温回火脆性低温回火脆性低温回火脆性低温回火脆性高温回火脆性高温回火脆性高温回火脆性高温回火脆性材料回火脆性的验证方法材料回火脆性的验证方法材料回火脆性的验证方法材料回火脆性的验证方法室温冲击试验法室温冲击试验法室温冲击试验法室温冲击试验法系列冲击试验法系列冲击试验法系列冲击试验法系列冲击试验法低温拉伸实验法低温拉伸实验法低温拉伸实验法低温拉伸实验法断裂韧度法断裂韧度法断裂韧度法断裂韧度法断口特征对比分析法断口特征对比分析法断口特征对比分析法断口特征对比分析法注意：室温拉伸实验不能验证回火脆性注意：室温拉伸实验不能验证回火脆性注意：室温拉伸实验不能验证回火脆性注意：室温拉伸实验不能验证回火脆性28冷脆金属冷脆金属冷脆金属冷脆金属 5.2.2 5.2.2 冷脆金属的低温脆断冷脆金属的低温脆断5.2 5.2 5.2 5.2 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、冷脆金属及其特点 随随着着温温度度的的降降低低，发发生生断断裂裂形形式式转转化化及及塑塑脆脆过过渡渡的的金金属属，称称为为冷冷脆脆金金属属。除除面面心心立立方方以以外外的的所所有有金金属属材材料料均均属属于于冷冷脆脆金金属，低碳钢是典型的冷脆金属。属，低碳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 A：典型的宏观延性断裂：典型的宏观延性断裂B：心部微孔型和周边解理型的混合断裂，：心部微孔型和周边解理型的混合断裂，仍为宏观延性断裂仍为宏观延性断裂C：断口为百分之百的解理断裂，但也为：断口为百分之百的解理断裂，但也为宏观延性断裂，不形成缩颈宏观延性断裂，不形成缩颈D：宏观脆性解理断裂：宏观脆性解理断裂E：宏观脆性解理断裂，断口附近的晶粒：宏观脆性解理断裂，断口附近的晶粒内可见形变孪晶。内可见形变孪晶。29冷脆特征冷脆特征冷脆特征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： 5.2 5.2 5.2 5.2 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）屈服极限和断裂正应力随温度降低）屈服极限和断裂正应力随温度降低而显著升高，而塑性指标而显著升高，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）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。化，即由微孔型断裂向解理断裂转化。（3 3）在更低的温度下发生塑脆过渡，）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，在此时的极限塑性趋解理断裂的过渡，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近于零。这种过渡的临界温度称为脆性转折温度。转折温度。30冷脆特征冷脆特征冷脆特征冷脆特征 2 2、冷脆金属低温脆断的特征、冷脆金属低温脆断的特征5.2 5.2 5.2 5.2 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，附近无颈缩现象，无剪切唇。断口与正应力轴垂直，断口齐平，附近无颈缩现象，无剪切唇。断口中的反光小平面（小刻面）与晶粒尺寸相当。马氏体基高强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。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典型的解理断裂特征征，河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇，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。31冷脆特征冷脆特征冷脆特征冷脆特征5.2 5.2 5.2 5.2 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具有冷脆断裂的宏观、微观特征具有冷脆断裂的宏观、微观特征u是否是冷脆金属是否是冷脆金属 绝大多数体心立方金属，面心立方金属不是冷脆金属。绝大多数体心立方金属，面心立方金属不是冷脆金属。u环境温度低于材料脆性转折温度环境温度低于材料脆性转折温度 材料中的缺陷及晶粒粗大将使脆性转折温度提高。因此，确定金属实际材料中的缺陷及晶粒粗大将使脆性转折温度提高。因此，确定金属实际 状况的冷脆转折温度是十分重要的！状况的冷脆转折温度是十分重要的！ 验证材料的冷脆转折温度的方法：系列冲击实验法验证材料的冷脆转折温度的方法：系列冲击实验法u构件几何尺寸较大，构件处于平面应力状态。构件几何尺寸较大，构件处于平面应力状态。32第二相质点第二相质点第二相质点第二相质点 5.2.3 5.2.3 第二相质点致脆断裂失效第二相质点致脆断裂失效5.2 5.2 5.2 5.2 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引起晶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。界的脆化或弱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界脆化。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。（例如渗碳层中渗碳体沿晶界分布形成网状骨架）（例如渗碳层中渗碳体沿晶界分布形成网状骨架） 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。（硫、磷、氧、铅）（硫、磷、氧、铅）特定温度下发生相变。特定温度下发生相变。 有以下几种情况：有以下几种情况：33第二相质点第二相质点第二相质点第二相质点5.2 5.2 5.2 5.2 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断口特征：断口特征：宏观断口为脆性的晶粒状。高倍观察可见第宏观断口为脆性的晶粒状。高倍观察可见第二相质点及其微孔形貌。二相质点及其微孔形貌。34应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀5.3 5.3 5.3 5.3 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环环境境致致脆脆断断裂裂是是指指金金属属材材料料与与某某种种特特殊殊的的环环境境因因素素发发生生交交互作用而导致的具有一定环境特征的脆性断裂。互作用而导致的具有一定环境特征的脆性断裂。包括：包括：应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂氢致断裂氢致断裂腐蚀疲劳腐蚀疲劳热疲劳热疲劳低熔点金属致脆断裂低熔点金属致脆断裂35应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀 5.3.1 5.3.1 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂5.3 5.3 5.3 5.3 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，一般称为应力腐蚀开裂；而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，则称为腐蚀疲劳。在交变应力作用下金属的腐蚀破坏，则称为腐蚀疲劳。 即使是延性材料，应力腐蚀开裂（断裂）也是脆性形式的断裂。即使是延性材料，应力腐蚀开裂（断裂）也是脆性形式的断裂。 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。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。率之间。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 Cracking, SCCStress Corrosion Cracking, SCC）是金属在应力）是金属在应力（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（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。种破坏形式。36应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀 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5.3 5.3 5.3 5.3 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）仅仅当当弱弱的的腐腐蚀蚀介介质质，在在金金属属表表面面形形成成一一层层不不稳稳定定的的“保保护护膜膜”时时，才才有有可可能能发发生生应应力力腐腐蚀蚀开开裂裂。强强腐腐蚀蚀介介质质将将引引起起全面腐蚀破坏全面腐蚀破坏而不是应力腐蚀。而不是应力腐蚀。（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）对对于于每每一一种种金金属属或或合合金金来来说说，有有其其特特定定的的腐腐蚀蚀介介质质系系统统，即易于发生应力腐蚀破坏的金属即易于发生应力腐蚀破坏的金属- -介质系统。介质系统。（4 4）材材料料的的成成分分、组组织织和和应应力力状状态态的的影影响响。杂杂质质元元素素、材材料料的不均匀性，晶粒尺寸等。的不均匀性，晶粒尺寸等。（5 5）一一般般来来说说，介介质质的的浓浓度度和和环环境境温温度度越越高高则则较较易易发发生生应应力力腐蚀。腐蚀。37应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀 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5.3 5.3 5.3 5.3 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属材料金属材料金属材料金属材料 腐腐腐腐 蚀蚀蚀蚀 介介介介 质质质质 低碳低碳钢钢和和低合金低合金钢钢NaOHNaOH溶液，硝酸溶液，硝酸盐盐溶液，含溶液，含H H2 2S S和和HClHCl溶液，沸溶液，沸腾浓腾浓MgClMgCl2 2溶液，海水、海洋大气和工溶液，海水、海洋大气和工业业大气大气 不不锈钢锈钢氯氯化物水溶液，沸化物水溶液，沸腾腾NaOHNaOH溶液，高温高溶液，高温高压压含氧高含氧高纯纯水，水，海水，海洋大气，海水，海洋大气，H H2 2S S水溶液，水溶液，连连多硫酸溶液多硫酸溶液 镍镍基合金基合金热浓热浓NaOHNaOH溶液，溶液，HFHF蒸汽和溶液蒸汽和溶液 铜铜合金合金氨蒸汽及溶液，汞氨蒸汽及溶液，汞盐盐溶液，溶液，SOSO2 2，大气，水蒸气，大气，水蒸气铝铝合金合金熔融熔融NaClNaCl，NaClNaCl溶液，海洋大气，湿工溶液，海洋大气，湿工业业大气，水蒸气大气，水蒸气钛钛合金合金烟硝酸，甲醇，甲醇蒸气，烟硝酸，甲醇，甲醇蒸气，NaClNaCl溶液（溶液（ 290290 C C），），HCl(10%HCl(10%，3535 C)C)，H H2 2SOSO4 4(7(76%)6%)，湿，湿ClCl2 2（288288 C C、346346 C C、427427 C C），），N N2 2O O4 4( (含氧，不含含氧，不含NONO，24247474 C)C)38 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5.3 5.3 5.3 5.3 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）断口的宏观形态一般为脆性断裂脆性断裂，断口截面基本上垂，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。39 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5.3 5.3 5.3 5.3 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。40 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5.3 5.3 5.3 5.3 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 在一般情况下，当应力较小、腐蚀介质较弱时，应力腐在一般情况下，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。应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。 （3 3）裂纹走向可以是穿晶也可以是沿晶。面心立方金属）裂纹走向可以是穿晶也可以是沿晶。面心立方金属易引起穿晶型，而体心立方金属以沿晶为主易引起穿晶型，而体心立方金属以沿晶为主 。许多情况下，。许多情况下，应力腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合型。应力腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合型。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。41 （4）应力腐蚀断口的微观形貌可为）应力腐蚀断口的微观形貌可为岩石状岩石状，岩石表面有腐蚀痕迹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泥纹状或龟板状花样。 5.3 5.3 5.3 5.3 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凹槽、扇形、台阶及河流凹槽、扇形、台阶及河流花样，穿晶为主（电镜）花样，穿晶为主（电镜）岩石状花样岩石状花样42 3 3、应力腐蚀开裂失效分析、应力腐蚀开裂失效分析 5.3 5.3 5.3 5.3 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。硫化物提高应力腐蚀敏感性硫化物提高应力腐蚀敏感性（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，以确定材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。43 3 3、应力腐蚀开裂失效分析、应力腐蚀开裂失效分析 5.3 5.3 5.3 5.3 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（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。44 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 5.3 5.3 5.3 5.3 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45 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 5.3 5.3 5.3 5.3 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 特别注意：特别注意： 应力腐蚀试验断口要与实际断口对比分析，要一致。应力腐蚀试验断口要与实际断口对比分析，要一致。 46 5.3.2 5.3.2 氢致脆断失效氢致脆断失效 Hydrogen-embrittlement5.3 5.3 5.3 5.3 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。 氢除了可使材料变脆外，在某些条件下还会造成表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关系面起泡等其它损伤，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称为不大，故许多资料上将其连同使金属变脆的过程统称为氢损伤。氢损伤。 475.3 5.3 5.3 5.3 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48 1 1、氢进入金属材料的途径、氢进入金属材料的途径5.3 5.3 5.3 5.3 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、焊接、冶炼、焊接、 熔铸熔铸（2 2）金属材料在含氢的高温气氛中加热时，进金属内）金属材料在含氢的高温气氛中加热时，进金属内部的氢部的氢（3 3）金属材料在化学及电化学处理过程中，进入金属）金属材料在化学及电化学处理过程中，进入金属内部的氢（电镀、酸洗）内部的氢（电镀、酸洗）49 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，由此产生的处结合成分子状态，由此产生的高压高压，使材料变脆。，使材料变脆。 钢中的钢中的“白点白点”即属于此种类型。即属于此种类型。5.3 5.3 5.3 5.3 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下进入金属内部，并夺取钢 中的碳形成中的碳形成甲烷甲烷，使钢变脆。，使钢变脆。（3）固溶氢引起的可逆性氢脆，即进入金属内部的氢，以固溶氢引起的可逆性氢脆，即进入金属内部的氢，以间隙固溶体的形式存在，当金属材料受到缓慢加载的附加间隙固溶体的形式存在，当金属材料受到缓慢加载的附加应力时（包括残余应力），原子氢由固溶体中析出并结合应力时（包括残余应力），原子氢由固溶体中析出并结合成分子状态，使钢材变脆（延迟性）。成分子状态，使钢材变脆（延迟性）。 机械零件通常发生的氢致断裂，一般属于此种氢脆。机械零件通常发生的氢致断裂，一般属于此种氢脆。505.3 5.3 5.3 5.3 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，仅含少量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迟断的氢即可引起氢脆。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（裂的性质。仅在一定的温度范围内（-100-100150150 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。51 3 3、氢致脆断的断口形貌特征、氢致脆断的断口形貌特征 5.3 5.3 5.3 5.3 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）宏宏观观断断口口齐齐平平，为为脆脆性性的的结结晶晶状状，表表面面洁洁净净呈呈亮亮灰灰色色；实实际际构构件件的的氢氢脆脆断断裂裂又又往往往往与与机机械械断断裂裂同同时时出出现现，因因此此断断口口上上常常常常包包括括这这两两种种断断裂裂的的特特征征 。对对于于延延迟迟断断裂裂断断口口，通通常常有有两两个个区区域域，一一是是氢氢脆脆裂裂纹纹的的亚亚临临界界扩扩展展区区（齐齐平平），二二是是机械撕裂区（斜面，机械撕裂区（斜面，粗糙粗糙 ，有放射线花样），有放射线花样）（2 2）微微观观断断口口沿沿晶晶分分离离，晶晶粒粒轮轮廓廓鲜鲜明明，晶晶界界有有时时可可看看到到变变形形线线（呈呈发发纹纹或或鸡鸡爪爪痕痕花花样样）；应应力力较较大大时时也也可可能能出出现现微微孔型的穿晶断裂孔型的穿晶断裂。52 3 3、氢致脆断的断口形貌特征、氢致脆断的断口形貌特征 5.3 5.3 5.3 5.3 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）显微裂纹呈断续而弯曲的锯齿状显微裂纹呈断续而弯曲的锯齿状。（4 4）在在应应力力集集中中较较大大的的部部位位起起裂裂时时，微微裂裂纹纹源源于于表表面面或或靠靠近近缺缺口口底底部部。应应力力集集中中比比较较小小时时，微微裂裂纹纹多多源源于于次次表表面面或或远远离缺口底部（渗碳等表面硬化件出现的氢脆多源于次表面）。离缺口底部（渗碳等表面硬化件出现的氢脆多源于次表面）。（5）对对于于在在高高温温下下氢氢与与钢钢中中的的碳碳形形成成CH4气气泡泡导导致致的的脆脆性性断断裂裂，其其断断口口表表面面具具有有氧氧化化色色及及晶晶粒粒状状。微微观观断断口口可可见见晶晶界界明明显显加加宽宽及沿晶型的断裂特征及沿晶型的断裂特征，裂纹附近珠光体有脱碳现象裂纹附近珠光体有脱碳现象。（6）氢氢化化物物致致脆脆断断裂裂，沿沿晶晶型型，只只有有在在高高速速变变形形（如如冲冲击击载载荷荷）时才表现出来，微观断口上可见到时才表现出来，微观断口上可见到氢化物第二相质点氢化物第二相质点。535.3 5.3 5.3 5.3 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20钢水冷壁管氢脆爆破爆口和裂纹形貌钢水冷壁管氢脆爆破爆口和裂纹形貌 较长时间处于较长时间处于pH值低的给水状态运行，爆口附近氢含量为值低的给水状态运行，爆口附近氢含量为6.10mL/100g，爆口呈窗口状，管壁未减薄，为脆性断裂，爆口呈窗口状，管壁未减薄，为脆性断裂，管内壁腐蚀坑处可见多道宏观裂纹。微观裂纹沿晶扩展裂纹管内壁腐蚀坑处可见多道宏观裂纹。微观裂纹沿晶扩展裂纹两侧有脱碳现象。（氢夺取钢中的碳形成气态两侧有脱碳现象。（氢夺取钢中的碳形成气态CH4）545.3 5.3 5.3 5.3 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铁素体钢氢脆断口形貌铁素体钢氢脆断口形貌 555.3 5.3 5.3 5.3 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脆断口微观形貌氢脆断口微观形貌 氢脆裂纹的走向形态氢脆裂纹的走向形态断续而弯曲的锯齿状断续而弯曲的锯齿状 沿晶，晶界有变形线（发纹沿晶，晶界有变形线（发纹或鸡爪痕）或鸡爪痕）565.3 5.3 5.3 5.3 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Tritium autoradiograph of deformed iron 57 5.3.3 5.3.3 低熔点金属的接触致脆断裂失效低熔点金属的接触致脆断裂失效5.3 5.3 5.3 5.3 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产生的条件产生的条件与低熔点金属相接触的金属零件，在一定的温度和拉应力下，低熔点金与低熔点金属相接触的金属零件，在一定的温度和拉应力下，低熔点金属从零件表面沿晶界内部扩散，引起材料脆化并由此导致构件断裂属从零件表面沿晶界内部扩散，引起材料脆化并由此导致构件断裂（1 1）金属零件与低熔点金属长时间接触。）金属零件与低熔点金属长时间接触。（2 2）存在拉应力和较高的温度条件（低熔点金属随裂纹的扩展而扩）存在拉应力和较高的温度条件（低熔点金属随裂纹的扩展而扩散并使裂纹顶端金属发生合金化）。散并使裂纹顶端金属发生合金化）。（3 3）基体金属与低熔点金属存在一定的环境体系（润湿性）。）基体金属与低熔点金属存在一定的环境体系（润湿性）。（4 4）只有在低速加载的条件下才能发生（保证裂纹的扩展速度低于）只有在低速加载的条件下才能发生（保证裂纹的扩展速度低于低熔点金属的浸润能力）。低熔点金属的浸润能力）。58 5.3.3 5.3.3 低熔点金属的接触致脆断裂失效低熔点金属的接触致脆断裂失效5.3 5.3 5.3 5.3 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断口特点及断口形貌断口特点及断口形貌（1 1）裂裂纹纹源源于于表表面面。（低低熔熔点点金金属属沿沿表表面面金金属属的的晶晶粒粒间间界界选选择择性扩展）性扩展）（2 2）裂裂纹纹的的走走向向为为沿沿晶晶型型，宏宏观观上上为为脆脆性性断断裂裂，断断裂裂界界面面与与拉拉应力垂直。应力垂直。（3 3）主裂纹明显，其周围有许多支裂纹。）主裂纹明显，其周围有许多支裂纹。（4 4）断口表面通常有低熔点金属留下的特殊色泽及堆积物。）断口表面通常有低熔点金属留下的特殊色泽及堆积物。59 5.3.3 5.3.3 低熔点金属的接触致脆断裂失效低熔点金属的接触致脆断裂失效5.3 5.3 5.3 5.3 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常见的低熔点金属致脆断裂常见的低熔点金属致脆断裂（1 1）金属镉致脆断裂（镉具有较好的电化学保护性能，镀镉）金属镉致脆断裂（镉具有较好的电化学保护性能，镀镉）宏宏观观断断口口上上通通常常明明显显地地分分为为蓝蓝黑黑色色和和银银灰灰色色两两部部分分。前前者者为为镉镉脆脆区区，后后者者为为基基体体金金属属的的瞬瞬时时断断裂裂区区。在在镉镉脆脆区区，断断口口边边缘缘的的黑黑色色堆堆积积物物为为金金属属镉镉，其其余余呈蓝色或蓝绿色部分为合金化区，微观断口为沿晶型。呈蓝色或蓝绿色部分为合金化区，微观断口为沿晶型。为了防止镉脆，镀镉前先镀一层镍以阻止镉向基体金属内部扩散。为了防止镉脆，镀镉前先镀一层镍以阻止镉向基体金属内部扩散。（2 2）金属焊锡致脆断裂（锡封装黄铜组合件）金属焊锡致脆断裂（锡封装黄铜组合件）锡锡致致黄黄铜铜脆脆性性断断裂裂的的宏宏观观断断口口为为银银白白色色的的脆脆性性断断裂裂，温温度度区区间间为为170170350350，断断口口为为正正常常的的金金黄黄色色的的韧韧性性断断裂裂。单单相相黄黄铜铜为为沿沿晶晶型型断断裂裂；双双相相黄黄铜为穿晶型断裂。断口表面及附近区域可见锡的合金化特征及锡的富集现象。铜为穿晶型断裂。断口表面及附近区域可见锡的合金化特征及锡的富集现象。 60 5.3.4 5.3.4 高温长时致脆断裂（热脆）失效高温长时致脆断裂（热脆）失效5.3 5.3 5.3 5.3 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不低，）呈现热脆性的钢材，在高温下的冲击韧性并不低，而而室温冲击韧性室温冲击韧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，其它强度指标及塑性指标均不发生明显变化。奥氏体以上，其它强度指标及塑性指标均不发生明显变化。奥氏体钢的热脆性有所不同，在热脆发生的同时还往往发生强度和钢的热脆性有所不同，在热脆发生的同时还往往发生强度和塑性等指标的变化。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）断裂的宏观表现是脆性的，断口呈粗晶状宏观表现是脆性的，断口呈粗晶状。微观微观上为沿晶的正向断裂上为沿晶的正向断裂。 金属材料在较高的温度（400500）下长时间工作而引起韧度显著降低的现象。61 5.3.4 5.3.4 高温长时致脆断裂（热脆）失效高温长时致脆断裂（热脆）失效5.3 5.3 5.3 5.3 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，其金相组织上可以看到）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黑色的网状特征，并有第二相质点析出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。这是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。组织中的黑色网状如图所示。 （4 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。625.3 5.3 5.3 5.3 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 石墨化显微组织石墨化显微组织 63 5.3.4 5.3.4 高温长时致脆断裂（热脆）失效高温长时致脆断裂（热脆）失效5.3 5.3 5.3 5.3 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 金属材料金属材料在高温下长时间受到拉应力的作用下将发生在高温下长时间受到拉应力的作用下将发生一系列的组织结构变化一系列的组织结构变化。例如，珠光体耐热钢中可能发生。例如，珠光体耐热钢中可能发生珠光体的球化，晶粒长大，碳化物析出，石墨化及微量元珠光体的球化，晶粒长大，碳化物析出，石墨化及微量元素的偏聚等。素的偏聚等。2 2、热脆断裂的一般解释、热脆断裂的一般解释 对于热脆性程度不严重的零件，可以通过返修热处理，对于热脆性程度不严重的零件，可以通过返修热处理，如如600-650回火或正火（淬火）回火并快冷。回火或正火（淬火）回火并快冷。64 5.3.5 5.3.5 蠕变断裂失效蠕变断裂失效5.3 5.3 5.3 5.3 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）对数蠕变断裂）对数蠕变断裂 在（在（00.15）Tm（Tm为金属材料的熔点为金属材料的熔点K）的温度范围内，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，因此蠕变率随时间的延续一直在下降，故称之为对数蠕晶，因此蠕变率随时间的延续一直在下降，故称之为对数蠕变。变。金金属属材材料料在在外外力力作作用用下下，缓缓慢慢而而连连续续地地发发生生塑塑性性变变形形，称称为为蠕蠕变变，所所发发生生的的变变形形称称为为蠕蠕变变变变形形，由由此此而而导导致致的的断断裂裂，则称为蠕变断裂。则称为蠕变断裂。1蠕变断裂的类型蠕变断裂的类型65 5.3.5 5.3.5 蠕变断裂失效蠕变断裂失效5.3 5.3 5.3 5.3 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（0.150.85 ）Tm的的温温度度范范围围内内，由由于于温温度度高高，材材料料足足以以进进行行回回复复再再结结晶晶，蠕蠕变变率率基基本本上上是是个个定定值值，此此时时发发生生的的断裂称为回复蠕变断裂。断裂称为回复蠕变断裂。 在在工工程程上上最最常常出出现现的的蠕蠕变变断断裂裂是是回回复复蠕蠕变变断断裂裂或或称称高高温温蠕变断裂。蠕变断裂。 66 蠕变曲线：描述在恒定温度、恒定拉应力下金属的变形蠕变曲线：描述在恒定温度、恒定拉应力下金属的变形随时间的变化规律曲线。随时间的变化规律曲线。 5.3 5.3 5.3 5.3 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蠕变变第第二二阶阶段段（第第二二期期蠕蠕变变，）：稳稳定定蠕蠕变变阶阶段段 ，蠕蠕变变以以固固定定的的，对对于于该该应应力力和和温温度度下下最最小小的的蠕蠕变变速速度度进进行行，蠕蠕变变曲曲线线为为一一固固定定斜斜率率的的近近乎乎直直线线段段，又又称称为为蠕蠕变变的的等等速速阶阶段段或或恒恒速速阶阶段段。这这一一段段越越长长，则则金金属属在在该该温温度度、应应力力下下蠕蠕变变变变形形持持续续时时间间就就越越长长，直直到到B点进入第三阶段。点进入第三阶段。蠕蠕变变第第三三阶阶段段（第第三三期期蠕蠕变变，）：失失稳稳蠕蠕变变阶阶段段，蠕蠕变变以以迅迅速速增增大大的的速速度度进进行行，直直到到C点断裂，又称为蠕变的加速阶段。点断裂，又称为蠕变的加速阶段。 三个部分：三个部分：典型蠕变曲线典型蠕变曲线蠕变第一阶段蠕变第一阶段（初期蠕变，（初期蠕变，）：非稳定的蠕变阶段，开始蠕变速度较大，）：非稳定的蠕变阶段，开始蠕变速度较大，随着时间的延长，蠕变速度逐渐减小，直到达到最小值随着时间的延长，蠕变速度逐渐减小，直到达到最小值A点进入第二阶段。点进入第二阶段。675.3 5.3 5.3 5.3 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 4温度固定，应力越大，稳定蠕变阶段越短；应力固定，温度越高，温度固定，应力越大，稳定蠕变阶段越短；应力固定，温度越高，稳定蠕变阶段越短。稳定蠕变阶段越短。68 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明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征。在。在断口附近产生许多裂纹断口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现，使断裂件的表面呈现龟龟裂现象裂现象。蠕变断裂的另一个特征是。蠕变断裂的另一个特征是高温氧化现象高温氧化现象，在断口表面形成一层在断口表面形成一层氧化膜氧化膜。5.3 5.3 5.3 5.3 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69 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。5.3 5.3 5.3 5.3 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70 3 3、蠕变断裂失效分析、蠕变断裂失效分析 5.3 5.3 5.3 5.3 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导致的宏观脆性的蒸汽管爆管蠕变导致的宏观脆性的蒸汽管爆管 断口形态（宏观上无明显塑断口形态（宏观上无明显塑性变形，管壁没有减薄，表性变形，管壁没有减薄，表面严重氧化，氧化层致密面严重氧化，氧化层致密金属组织（珠光体完全球化，金属组织（珠光体完全球化，碳化物在晶内和晶界上聚集，碳化物在晶内和晶界上聚集，晶界上已形成蠕变裂纹）晶界上已形成蠕变裂纹）珠珠光光体体类类耐耐热热钢钢，在在一一定定温温度度和和工工作作应应力力下下长长期期运运行行，出出现现珠珠光光体体分分解解，即即原原为为层层片片状状的的珠珠光光体体逐逐步步分分解解为为粒粒状状珠珠光光体体。随随着着时时间间的的延延长长，珠珠光光体体中中的的碳碳化化物物分分解解，并并进进一一步步聚聚集集长长大大，形形成成球球状状碳碳化化物物。由由于于晶晶界界上上具具有有更更适适宜宜碳碳化化物物分分解解、聚聚集集、长长大大的的条条件件，所所以以沿沿晶晶界界分分布布的的球球状状碳碳化化物物多多于于晶晶内内。进进一一步步在在晶晶界界上上可可能能形形成成空空洞或微裂纹，材料变脆，最后造成脆性的断裂。洞或微裂纹，材料变脆，最后造成脆性的断裂。