金属构件失效分析王凤芹第一章第一章 概述概述第二章第二章 失效分析基础知识失效分析基础知识第三章第三章 金属构金属构件常见失效形式及其判断件常见失效形式及其判断第四章第四章 失失效分析的思路、程序和基本技能效分析的思路、程序和基本技能第五章第五章 失效分析实例失效分析实例1 概概 述述1.1 金属构件的失效及失效分析金属构件的失效及失效分析1、失效、失效 金属装备及其构件在使用过程中，由于压力、时间、温度和金属装备及其构件在使用过程中，由于压力、时间、温度和环境介质和操作失误等因素的作用，丧失其规定功能的现象。环境介质和操作失误等因素的作用，丧失其规定功能的现象。例子：例子： 1979年年9月月7日日，中国某电化厂氯气车间的液氯钢瓶爆炸，使，中国某电化厂氯气车间的液氯钢瓶爆炸，使10t液液氯外溢扩散，波及范围氯外溢扩散，波及范围725km2，致使，致使59人死亡，人死亡，779人中毒，当时人中毒，当时统计的直接经济损失达统计的直接经济损失达63万元。万元。 1984年年12月月3日凌晨日凌晨，在印度博帕尔市的美国联合碳化物公司所属，在印度博帕尔市的美国联合碳化物公司所属的的家化工厂，由于安全装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄家化工厂，由于安全装置失灵，系统升压导致储罐管路破裂，泄出大量毒气，造成出大量毒气，造成375人死亡，人死亡，2000人重伤。该市人重伤。该市50万居民中有万居民中有20万受万受到毒气的侵害，其中到毒气的侵害，其中2万人需要住院治疗。有关方面要求美国公司赔偿万人需要住院治疗。有关方面要求美国公司赔偿150亿美元的损失费。亿美元的损失费。2 2、失效分析、失效分析、失效分析、失效分析 对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征特征及规律及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效原因及防止失效的措施的措施，称为失效分析。，称为失效分析。3 3、失效分析目的、失效分析目的、失效分析目的、失效分析目的 通过对失效件的分析，明确失效类型、找出失效原因，采取通过对失效件的分析，明确失效类型、找出失效原因，采取通过对失效件的分析，明确失效类型、找出失效原因，采取通过对失效件的分析，明确失效类型、找出失效原因，采取改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命范围内再发生，对改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命范围内再发生，对改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命范围内再发生，对改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命范围内再发生，对装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用都有指导意义装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用都有指导意义装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用都有指导意义装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用都有指导意义。 从技术上和经济上都没有必要要求金属装备永不失效，失效从技术上和经济上都没有必要要求金属装备永不失效，失效从技术上和经济上都没有必要要求金属装备永不失效，失效从技术上和经济上都没有必要要求金属装备永不失效，失效分析的目的不在于造出具有无限使用寿命的装备，而是确保装备分析的目的不在于造出具有无限使用寿命的装备，而是确保装备分析的目的不在于造出具有无限使用寿命的装备，而是确保装备分析的目的不在于造出具有无限使用寿命的装备，而是确保装备在给定的寿命期限内不发生早期失效，或只需要更换易损构件，在给定的寿命期限内不发生早期失效，或只需要更换易损构件，在给定的寿命期限内不发生早期失效，或只需要更换易损构件，在给定的寿命期限内不发生早期失效，或只需要更换易损构件，或把装备的失效限制在预先规定的范围之内，或把装备的失效限制在预先规定的范围之内，或把装备的失效限制在预先规定的范围之内，或把装备的失效限制在预先规定的范围之内，希望对失效的过程希望对失效的过程希望对失效的过程希望对失效的过程进行监测、预警，以便采取紧急措施，避免机毁人亡的灾难进行监测、预警，以便采取紧急措施，避免机毁人亡的灾难进行监测、预警，以便采取紧急措施，避免机毁人亡的灾难进行监测、预警，以便采取紧急措施，避免机毁人亡的灾难。1.21.2失效分析的意义失效分析的意义失效分析的意义失效分析的意义1、促进科学技术的发展、促进科学技术的发展 失效分析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学科交叉失效分析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学科交叉分析，找到失效的原因，不仅可以防止同样的失效再发生，而分析，找到失效的原因，不仅可以防止同样的失效再发生，而且能更进一步完善装备构件的功能，并促进与之相关的各项工且能更进一步完善装备构件的功能，并促进与之相关的各项工作的改进。作的改进。失效、认识失效、认识(失效分析失效分析)、提高、再失效、再认识、提高、再失效、再认识、再提高再提高，由此促进了科学技术的发展。，由此促进了科学技术的发展。2、提高装备及其构件的质量、提高装备及其构件的质量 从设计、材料、制造等各方面进行改进，便可提高装备及从设计、材料、制造等各方面进行改进，便可提高装备及其构件的质量。其构件的质量。3、具有高经济效益和社会效益、具有高经济效益和社会效益1.31.3金属构件的失效形式及失效原因金属构件的失效形式及失效原因金属构件的失效形式及失效原因金属构件的失效形式及失效原因 金属构件的失效形式及失效原因是密切相关的，金属构件的失效形式及失效原因是密切相关的，失效形式是失效形式是构件失效过程的表观特征，是可以观察的。构件失效过程的表观特征，是可以观察的。而失效原因是导致构而失效原因是导致构件失效的物理化学机制，件失效的物理化学机制，是需要通过失效过程调查研究及对失效是需要通过失效过程调查研究及对失效件的宏观、微观分析去诊断、发现和论证的。件的宏观、微观分析去诊断、发现和论证的。1、失效形式、失效形式 弹性变形失效弹性变形失效 当应力或温度引起构件可恢复的弹性变形大当应力或温度引起构件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现弹性变形失效。到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现弹性变形失效。 塑性变形失效塑性变形失效 当受裁荷的构件产生不可恢复的塑性变形大当受裁荷的构件产生不可恢复的塑性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现塑性变形失效。到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现塑性变形失效。 韧性断裂失效韧性断裂失效 构件在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的构件在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂失效。断裂称为韧性断裂失效。 脆性断裂失效脆性断裂失效 构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。 疲劳断裂失效疲劳断裂失效 构件在交变载荷作用下，经过一定的周期构件在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。 腐蚀失效腐蚀失效 腐蚀是材料表面与服投环境发生物理或化学的腐蚀是材料表面与服投环境发生物理或化学的反应，使材料发生损坏或变质的现象，构件发生的腐蚀使其不反应，使材料发生损坏或变质的现象，构件发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式，有均匀能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式，有均匀遍及构件表面的遍及构件表面的均匀腐蚀均匀腐蚀和只在局部地方出现的和只在局部地方出现的局部腐蚀局部腐蚀，局，局部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。蚀疲劳等。 磨磨损损失失效效 当当材材料料的的表表面面相相互互接接触触或或材材料料表表面面与与流流体体接接触触并并作作相相对对运运动动时时，由由于于物物理理和和化化学学的的作作用用，材材料料表表面面的的形形状状、尺尺寸寸或或质质量量发发生生变变化化的的过过程程，称称为为磨磨损损。由由磨磨损损而而导导致致构构件件功功能能丧丧失失，称称为为磨磨损损失失效效。磨磨损损有有多多种种形形式式，其其中中常常见见粘粘着着磨磨损损、磨料磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。磨料磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。2、引起失效的原因、引起失效的原因 设计不合理设计不合理 其中结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同其中结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区，未能恰当设计引起的失效比较常见。形状过渡区等高应力区，未能恰当设计引起的失效比较常见。 总总之，设计中的过载荷、应力集中、结构选择不当、安全系数过小之，设计中的过载荷、应力集中、结构选择不当、安全系数过小(追求轻巧和高速度追求轻巧和高速度)及配合不合适等都会导致构件及装备失效。及配合不合适等都会导致构件及装备失效。构件及装备的设计要有足够的强度、刚度、稳定性，结构设计要构件及装备的设计要有足够的强度、刚度、稳定性，结构设计要合理。合理。 分析设计原因引起失效尤其要注意：分析设计原因引起失效尤其要注意：对复杂构件未作可靠的对复杂构件未作可靠的应力计算；或对构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及应力计算；或对构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及大小未作考虑；甚至于对工作载荷确定和应力分析准确的构件来大小未作考虑；甚至于对工作载荷确定和应力分析准确的构件来说，如果只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视说，如果只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视了脆性断裂、低循环疲劳、应力腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起了脆性断裂、低循环疲劳、应力腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效，都会在设计上造成严重的错误。的失效，都会在设计上造成严重的错误。 选材不当及材料缺陷选材不当及材料缺陷 金属装备及构件的材料选择要遵循金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、加工工艺使用性原则、加工工艺性能原则及经济性原则性能原则及经济性原则，遵循使用性原则是首先要考虑的。使，遵循使用性原则是首先要考虑的。使用在特定环境中的构件，对可预见的失效形式要为其选择足够用在特定环境中的构件，对可预见的失效形式要为其选择足够的抵抗失效的能力。的抵抗失效的能力。如如对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂，对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂，应该选择足够的拉伸强度和屈服强度；但对可能产生的脆性断应该选择足够的拉伸强度和屈服强度；但对可能产生的脆性断裂、疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件，高强度的材料往往适得裂、疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件，高强度的材料往往适得其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、加工工艺性形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、加工工艺性能要求的前题下，经济性也是必须考虑的。能要求的前题下，经济性也是必须考虑的。 制造工艺不合理制造工艺不合理 金属装备及其构件往往要经过金属装备及其构件往往要经过机加工机加工(车、铣、刨、磨、车、铣、刨、磨、钻等钻等)、冷热成形冷热成形(冲、压、卷、弯等冲、压、卷、弯等)、焊接、装配焊接、装配等制造工艺等制造工艺过程。若工艺规范制订欠合理，则金属设备或构件在这些加工过程。若工艺规范制订欠合理，则金属设备或构件在这些加工成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。如成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。如机加工机加工常出现的常出现的圆角过小、倒角尖锐、裂纹、划痕；圆角过小、倒角尖锐、裂纹、划痕；冷热成形冷热成形的表面凹凸不平、的表面凹凸不平、不直度、不圆度和裂纹；在不直度、不圆度和裂纹；在焊接焊接时可能产生的焊缝表面缺陷时可能产生的焊缝表面缺陷(咬边、焊缝凹陷、焊缝过高咬边、焊缝凹陷、焊缝过高)、焊接裂纹、焊缝内部缺陷、焊接裂纹、焊缝内部缺陷(未焊未焊透、气孔、夹渣透、气孔、夹渣)，焊接的热影响区更因在焊接过程经受的温，焊接的热影响区更因在焊接过程经受的温度不同，使其发生组织转变不同，有可能产生组织脆化和裂纹度不同，使其发生组织转变不同，有可能产生组织脆化和裂纹等缺陷；等缺陷；组装组装的错位、不同心度、不对中及强行组装留下较大的错位、不同心度、不对中及强行组装留下较大的内应力等。所有这些缺陷如超过限度则会导致构件以及装备的内应力等。所有这些缺陷如超过限度则会导致构件以及装备早期失效。早期失效。使用操作不当和维修不当使用操作不当和维修不当 使用操作不当是金属装备失效的重要原因之一，使用操作不当是金属装备失效的重要原因之一，如违章操如违章操作，超载、超温、超速；缺乏经验、判断错误；无知和训练不作，超载、超温、超速；缺乏经验、判断错误；无知和训练不够；主观臆测、责任心不强、粗心大意等都是不安全的行为够；主观臆测、责任心不强、粗心大意等都是不安全的行为。某时期统计某时期统计260次压力容器和锅炉事故中，操作事故次压力容器和锅炉事故中，操作事故194次，占次，占74.5。 装备是要进行定期维修和保养的，如对装备的检查、检修装备是要进行定期维修和保养的，如对装备的检查、检修和更换不及时或没有采取适当的修理、防护措施，也会引起装和更换不及时或没有采取适当的修理、防护措施，也会引起装备早期失效。备早期失效。1.4 失效分析与其他学科的关系失效分析与其他学科的关系1.5 失效分析的历史发展状况失效分析的历史发展状况 一一般般把把失失效效分分析析的的发发展展历历史史分分为为三三个个阶阶段段，即即失失效效分分析析的的初初级阶段、近代失效分析阶段及现代失效分析阶段。级阶段、近代失效分析阶段及现代失效分析阶段。 第第一一次次世世界界工工业业革革命命前前是是失失效效分分析析的的初初级级阶阶段段，失失效效分分析析受受到到真真正正重重视视是是从从以以蒸蒸汽汽动动力力和和大大机机器器生生产产为为代代表表的的世世界界工工业业革革命命开开始始，此此为为失失效效分分析析的的第第二二阶阶段段，此此阶阶段段一一直直延延至至20世世纪纪50年年代代末末，又又称称为为近近代代失失效效分分析析阶阶段段。20世世纪纪50年年代代以以后后，随随着着电电子子行行业业的的兴兴起起，微微观观观观测测仪仪器器的的出出现现，特特别别是是分分辨辨率率高高、放放大大倍倍率率大大、景景深深长长的的透透射射及及扫扫描描电电子子显显微微镜镜的的问问世世，使使失失效效分分析析扩扩大大了了视视野野，洞洞穿穿失失效效的的微微观观机机制制，随随后后大大量量现现代代物物理理测测试试技技术术的的应应用用，失失效效分分析析现现处处在在第第三三阶阶段段的的历历史史发发展展时时期期，这这是是现现代代失失效效分析阶段。分析阶段。1.6 失效分析工作者的主要任务和应具备的基本素质失效分析工作者的主要任务和应具备的基本素质1、主要任务、主要任务 深入装备失效现场、广泛收集、调查失效信息，寻找深入装备失效现场、广泛收集、调查失效信息，寻找失效构件及相关失效构件及相关实物证据实物证据。 对失效构件进行全面深入的对失效构件进行全面深入的宏观分析宏观分析，通过种类认定，通过种类认定推理，初步确定失效件的失效类型。推理，初步确定失效件的失效类型。 对失效件及其相关证物展开必要的对失效件及其相关证物展开必要的微观分析微观分析、理化检、理化检验，进一步查找失效的原因。验，进一步查找失效的原因。 通过归纳、演绎、类比、假设、选择性推理，建立整通过归纳、演绎、类比、假设、选择性推理，建立整个失效过程及其失效原因之间的联系，进行个失效过程及其失效原因之间的联系，进行综合性分析综合性分析。 在可能的情况下，对重大的失效事件进行在可能的情况下，对重大的失效事件进行模拟试验模拟试验，验证因果分析的正确性。验证因果分析的正确性。 2、应具备的基本素质、应具备的基本素质 鉴于失效分析的重要性、复杂性和特殊性，失效分析人员鉴于失效分析的重要性、复杂性和特殊性，失效分析人员应在实践中逐步完善，并应具备以下基本素质。应在实践中逐步完善，并应具备以下基本素质。 彻底的求实精神和严谨的工作态度彻底的求实精神和严谨的工作态度，在任何情况下都要，在任何情况下都要坚持实事求是，认真负责，勇于坚持真理，修正错误。坚持实事求是，认真负责，勇于坚持真理，修正错误。 敏锐的观察力和熟练的分析技术敏锐的观察力和熟练的分析技术，善于利用一切手段，善于利用一切手段(包括先进的仪器、设备包括先进的仪器、设备)取得失效的信息和证据。取得失效的信息和证据。 正确的失效分析思路和对失效分析形式、失效原因有良正确的失效分析思路和对失效分析形式、失效原因有良好的判断能力好的判断能力，要有，要有“医生的思路，侦探的技巧医生的思路，侦探的技巧”。 善于学习，向书本学习，向实践学习，向同行学习，向善于学习，向书本学习，向实践学习，向同行学习，向一切可能共事的人们学习。一切可能共事的人们学习。 要有扎实的专业基础知识和较要有扎实的专业基础知识和较宽广的知识面宽广的知识面，工作能力，工作能力要强，办事效率要高。要强，办事效率要高。2 失效分析基础知识失效分析基础知识2.1 金属构件中可能引起失效的常见缺陷金属构件中可能引起失效的常见缺陷1、铸态金属组织缺陷、铸态金属组织缺陷 铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏忻、内裂纹、铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏忻、内裂纹、气泡和白点等。气泡和白点等。(1)缩孔与疏松缩孔与疏松 金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状成管状(或喇叭状或喇叭状)或分散的孔洞，称为缩孔或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔的相对体积，。缩孔的相对体积，与液态金属的温度、冷却条件以及铸锭的大小等有关。液态金与液态金属的温度、冷却条件以及铸锭的大小等有关。液态金属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体积也越大。向薄壁铸型中浇注金属时，型壁越薄、则受热越快，积也越大。向薄壁铸型中浇注金属时，型壁越薄、则受热越快，液态金属越不易冷却，在刚浇完铸型时，液态金属的体积就越液态金属越不易冷却，在刚浇完铸型时，液态金属的体积就越大，金属冷凝后的缩孔也就越大。大，金属冷凝后的缩孔也就越大。 如在如在急剧冷却急剧冷却的条件下浇注金属，可以避免在铸锭上部形的条件下浇注金属，可以避免在铸锭上部形成集中缩孔。但在此情况下，液态金属与固态金属之间的体积成集中缩孔。但在此情况下，液态金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经“消除消除”了大的了大的缩孔，可是缩孔，可是有许多细小缩孔即疏松有许多细小缩孔即疏松，分布在金属的整个体积中。，分布在金属的整个体积中。 钢材在钢材在锻造和轧制锻造和轧制过程中，疏松情况可得到很大程度的改过程中，疏松情况可得到很大程度的改善，但如由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因，则善，但如由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因，则在热加工后较严重的疏松仍会存在。图在热加工后较严重的疏松仍会存在。图2-2(b)所示为所示为2crl3钢热钢热轧后退火仍有黑色小点显示的中心疏松。此外，如原钢锭中存轧后退火仍有黑色小点显示的中心疏松。此外，如原钢锭中存在着较多的气泡，而在热轧过程中焊合不良，或沸腾钢中的气在着较多的气泡，而在热轧过程中焊合不良，或沸腾钢中的气泡分布不良，以致影响焊合，亦可能形成疏松。泡分布不良，以致影响焊合，亦可能形成疏松。 疏松的存在具有较大的危害性，主要有以下几种疏松的存在具有较大的危害性，主要有以下几种: 在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使其在使用过程中成为疲劳源发生断裂。能使其在使用过程中成为疲劳源发生断裂。此外，此外，在用作液体在用作液体容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象。致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象。 钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比工过程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件的小。铸件的小。 金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表面粗糙度金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表面粗糙度有一定的影响。有一定的影响。（2）偏析）偏析 金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。分不均匀现象称为偏析。 晶内偏析与晶间偏析晶内偏析与晶间偏析 由于扩散不足，在凝固后的金属中，由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。基于同一便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同，即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析。会不同，即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析。 区域偏析区域偏析 在浇注铸锭在浇注铸锭(或铸件或铸件)时，由于通过铸型壁强烈时，由于通过铸型壁强烈的定向散热，在进行着凝固的合金内便形成一个较大的温差。的定向散热，在进行着凝固的合金内便形成一个较大的温差。结果就结果就必然导致外层区域富集高熔点组元，而心部则富集低熔必然导致外层区域富集高熔点组元，而心部则富集低熔点组元点组元，同时也富集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这，同时也富集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。种偏析称为区域偏析。 比重偏析比重偏析 在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上的溶液两者密度不同时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化学成分的不均匀现象，称为比重偏析。浮。由此所形成的化学成分的不均匀现象，称为比重偏析。 晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成种密度差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。分差。如果冷却越缓慢如果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而缓慢，则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重比重偏析也越强烈偏析也越强烈。 (3)气泡与白点气泡与白点 金属在熔融状态时能溶解大量的气体，在冷凝过程中由于金属在熔融状态时能溶解大量的气体，在冷凝过程中由于溶解度随温度的降低而急剧地减小，致使气体从液态金属中释溶解度随温度的降低而急剧地减小，致使气体从液态金属中释放出来。若此时金属已完全凝固，放出来。若此时金属已完全凝固，则剩下的气体不易逸出有一则剩下的气体不易逸出有一部分就包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成了气孔，这部分就包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成了气孔，这种气孔称为气泡。种气孔称为气泡。 气泡的有害影响表现如下：气泡的有害影响表现如下： 气泡减少金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大气泡减少金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大降低了材料的强度。降低了材料的强度。 当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时它们可能被氧当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时它们可能被氧化，以致在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝。化，以致在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝。 在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏析，导致裂缝。析，导致裂缝。 在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝；而在纵向断面上会发现表面光滑的、银白色的圆丝状裂缝；而在纵向断面上会发现表面光滑的、银白色的圆形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为白点白点。 白点最容易产生在以镍、铬、锰作为合金元素的合金结构白点最容易产生在以镍、铬、锰作为合金元素的合金结构钢及低合金工具钢中。奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白钢及低合金工具钢中。奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白点；铸钢中也有可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊点；铸钢中也有可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊金属中偶尔也会产生白点。此外，白点的产生与钢材的尺寸也金属中偶尔也会产生白点。此外，白点的产生与钢材的尺寸也有一定的关系，横截面的直径或厚度有一定的关系，横截面的直径或厚度小于小于30 mm的钢材不易产的钢材不易产生白点。生白点。 通常，具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低得并通常，具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低得并不多，但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降不多，但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能又低得更多，有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能又比纵向的降低得更多。比纵向的降低得更多。因此，具有白点的钢材一般是不能使用因此，具有白点的钢材一般是不能使用的。的。2、金属锻造及轧制件缺陷、金属锻造及轧制件缺陷(1)内部组织缺陷内部组织缺陷 a粗大的魏氏体组织粗大的魏氏体组织 在热轧或停锻温度较高时，由于奥在热轧或停锻温度较高时，由于奥氏体晶粒粗大，在随后冷却时的先析出物沿晶界析出，并以一氏体晶粒粗大，在随后冷却时的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角度。这种形定方向向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角度。这种形貌称为魏氏体组织。先析出物与钢的成分有关，亚共析钢为铁貌称为魏氏体组织。先析出物与钢的成分有关，亚共析钢为铁素体，过共析钢为渗碳体。素体，过共析钢为渗碳体。 魏氏体组织因其组魏氏体组织因其组织粗大而使材料脆性增织粗大而使材料脆性增加，强度下降。比较重加，强度下降。比较重要的工件不允许魏氏体要的工件不允许魏氏体组织存在。组织存在。 b. 网络状碳化物及带状组织网络状碳化物及带状组织 对于工具钢，锻造和轧制的对于工具钢，锻造和轧制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其内部的碳化物碎化和分目的不但是毛坯成形，更重要的是使其内部的碳化物碎化和分布均匀。布均匀。 c 钢材表层脱碳钢材表层脱碳 钢加热时，金属表层的碳原子烧损，使钢加热时，金属表层的碳原子烧损，使金属表层碳成分低于内层，这种现象称为脱碳，凡降低了碳量金属表层碳成分低于内层，这种现象称为脱碳，凡降低了碳量的表面层叫做脱碳层。的表面层叫做脱碳层。 脱碳层的硬脱碳层的硬度、强度较低，度、强度较低，受力时易开裂而受力时易开裂而成为裂源。成为裂源。大多大多数零件，特别是数零件，特别是要求强度高、受要求强度高、受弯曲力作用的零弯曲力作用的零件，要避免脱碳件，要避免脱碳层。因此锻、轧层。因此锻、轧的钢件随后的钢件随后应安应安排去除脱碳层的排去除脱碳层的切削加工。切削加工。 (2)钢材的表面缺陷钢材的表面缺陷 影响钢材影响钢材表面完整性表面完整性和和表面粗糙度表面粗糙度等的表面质量的缺陷，等的表面质量的缺陷，统称为表面质量缺陷，简称表面缺陷。统称为表面质量缺陷，简称表面缺陷。 a 折叠折叠 折叠通常折叠通常是由于材料表面在前一是由于材料表面在前一道锻、轧中所产生的道锻、轧中所产生的尖尖角或耳子角或耳子，在随后的锻、，在随后的锻、轧时压入金属本身而形轧时压入金属本身而形成的。成的。 钢材表面的折叠，钢材表面的折叠，可采用机械加工的方法可采用机械加工的方法进行去除。进行去除。 b划痕划痕 在生产、运输等过程中，钢材表面受到机械刮伤在生产、运输等过程中，钢材表面受到机械刮伤形成的沟痕，称划痕，也称刮伤或擦伤。形成的沟痕，称划痕，也称刮伤或擦伤。 划痕缺陷的存在，能降低金属的强度；对薄钢板，除降低划痕缺陷的存在，能降低金属的强度；对薄钢板，除降低强度外，还会像切口一样地造成应力集中而导致断裂；尤其是强度外，还会像切口一样地造成应力集中而导致断裂；尤其是在压制时，它会成为裂纹或裂纹扩展的中心。在压制时，它会成为裂纹或裂纹扩展的中心。对于压力容器来对于压力容器来说说，表面是不允许有严重的划痕存在的，否则会成为使用过程，表面是不允许有严重的划痕存在的，否则会成为使用过程中发生事故的起点。中发生事故的起点。 c斑疤斑疤 金属锭及型材的表面由于处理不当，往往会造成金属锭及型材的表面由于处理不当，往往会造成粗糙不平的凹坑。这些凹坑是不深的，一般只有粗糙不平的凹坑。这些凹坑是不深的，一般只有23mm。因。因其形状不规则，且大小不一，故称这种粗糙不平的凹坑为结疤，其形状不规则，且大小不一，故称这种粗糙不平的凹坑为结疤，也称为斑疤。也称为斑疤。 若结疤存在于板材上，尤其是在薄板上，则不仅能成为板若结疤存在于板材上，尤其是在薄板上，则不仅能成为板材腐蚀的中心，在冲制时还会因此产生裂纹。此外，材腐蚀的中心，在冲制时还会因此产生裂纹。此外，在制造弹在制造弹簧等零件用的钢材上簧等零件用的钢材上，是不允许存在结疤缺陷的。因为结疤容，是不允许存在结疤缺陷的。因为结疤容易造成应力集中，导致疲劳裂纹的产生，大大地影响弹簧的寿易造成应力集中，导致疲劳裂纹的产生，大大地影响弹簧的寿命和安全性。命和安全性。 d表面裂纹表面裂纹 钢材表面出现的网状龟裂或缺口，是由于钢钢材表面出现的网状龟裂或缺口，是由于钢中硫高锰低引起热脆，或因铜含量过高、钢中非金属夹杂物过中硫高锰低引起热脆，或因铜含量过高、钢中非金属夹杂物过多所致。多所致。 e. 分层分层 由于非金属夹杂、未焊合的内裂纹、残余缩孔、由于非金属夹杂、未焊合的内裂纹、残余缩孔、气孔等原因，使剪切后的钢材断面呈黑线或黑带，将钢材分离气孔等原因，使剪切后的钢材断面呈黑线或黑带，将钢材分离成两层或多层的现象，称为分层。成两层或多层的现象，称为分层。3、夹杂物及其对钢性能的影响、夹杂物及其对钢性能的影响 (1)夹杂物的分类夹杂物的分类 钢在加工变形中，各类夹杂物变形性不同，按其变形能力可分为三类。钢在加工变形中，各类夹杂物变形性不同，按其变形能力可分为三类。 a 脆性夹杂物脆性夹杂物 一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物(如如Al2O3、Cr2O3、ZrO2等等)、双氧化物双氧化物(如如FeOAl2O3、MgOAl2O3 、CaO6Al2O3 等等)、氮化物氮化物 (如如TiN、Ti(CN) AlN、VN等等)和和不变形的球状不变形的球状(或点状或点状)夹杂物夹杂物(如球状铝如球状铝酸钙和含酸钙和含SiO2较高的硅酸盐等）。较高的硅酸盐等）。 钢中铝硅钙夹杂物具有较高的熔点和硬度，当压力加工变钢中铝硅钙夹杂物具有较高的熔点和硬度，当压力加工变形量增大时，铝硅钙被压碎并沿着加工方向呈串链状分布，严形量增大时，铝硅钙被压碎并沿着加工方向呈串链状分布，严重地破坏了钢基体均匀的连续性。重地破坏了钢基体均匀的连续性。 b塑性夹杂物塑性夹杂物 这类夹杂物这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的流变方向延伸成条带状，塑性，沿着钢的流变方向延伸成条带状，属于这类的夹杂物属于这类的夹杂物有含有含SiO2量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰(MnS)、(Fe，Mn)S等。等。夹杂物与钢基体之间的交界面处结合很好夹杂物与钢基体之间的交界面处结合很好，产生裂纹的倾向，产生裂纹的倾向性较小。性较小。 c半塑性变形的夹杂物半塑性变形的夹杂物 一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物，复合夹杂物一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物，复合夹杂物中的基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物中的基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物(如铝酸钙、尖晶石型的双氧化物等如铝酸钙、尖晶石型的双氧化物等)不变形，基体夹杂物随着钢基体的变形不变形，基体夹杂物随着钢基体的变形而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状，因此将阻碍邻近的而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状，因此将阻碍邻近的塑性夹杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由塑性夹杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由延伸。延伸。 (2)夹杂物对钢性能的影响夹杂物对钢性能的影响 大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧性危害较大，其危害程度又随钢的强度的增高而增加。性危害较大，其危害程度又随钢的强度的增高而增加。 a夹杂物变形性对钢性能的影响夹杂物变形性对钢性能的影响 钢中非金属夹杂物的变形行为与钢基休之间的关系，可用钢中非金属夹杂物的变形行为与钢基休之间的关系，可用夹杂物与钢基体之间的相对变形量来表示，即夹杂物的变形率夹杂物与钢基体之间的相对变形量来表示，即夹杂物的变形率v，夹杂物的变形率可在，夹杂物的变形率可在v01这个范围受化，若变形率低，这个范围受化，若变形率低，钢经加工变形后由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本不变形，钢经加工变形后由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。引起疲劳破坏的隐患。b 夹杂物引起应力集中夹杂物引起应力集中 夹杂物的热膨胀系数越小，形成的拉应力越大，对钢的危害夹杂物的热膨胀系数越小，形成的拉应力越大，对钢的危害性越大。性越大。在高温下加工变形时。由于夹杂物与钢基体热收缩的差在高温下加工变形时。由于夹杂物与钢基体热收缩的差别，裂纹在交界面处产生。别，裂纹在交界面处产生。它很可能成为留住基体中潜在的疲劳它很可能成为留住基体中潜在的疲劳破坏源。破坏源。 危害性最大的夹杂物是来源于炉渣和耐火材料的外来危害性最大的夹杂物是来源于炉渣和耐火材料的外来氧化物。氧化物。 c 夹杂物与钢的韧性夹杂物与钢的韧性 i超高强度钢和碳钢中超高强度钢和碳钢中Mns夹杂物的含量对强度无明显影夹杂物的含量对强度无明显影响，但可使韧性降低。其中断裂韧性随响，但可使韧性降低。其中断裂韧性随s含量增加而降低，具有含量增加而降低，具有明显的规律性。明显的规律性。 从夹杂物类型比较，硫化物对韧性的影响大于氮化物，从夹杂物类型比较，硫化物对韧性的影响大于氮化物，在氮化物中在氮化物中zrN对韧性的危害较小，夹杂物类型不同而含量相近对韧性的危害较小，夹杂物类型不同而含量相近的情况下，变形成长条状的的情况下，变形成长条状的Mns对断裂韧性影响大于不变形的硫对断裂韧性影响大于不变形的硫化物化物(Ti-s，Zr-S)。 . 串状或球状硫化物对串状或球状硫化物对和和Akv均不利，就对短横试样的危均不利，就对短横试样的危害而言，串状比球状危害更严重。害而言，串状比球状危害更严重。4、金属焊接组织缺陷、金属焊接组织缺陷(1)焊接接头的形成与区域特征焊接接头的形成与区域特征(2)焊接裂纹焊接裂纹 a 热裂纹热裂纹 在高温下产生，面且在高温下产生，面且都是沿奥氏体晶界开裂。都是沿奥氏体晶界开裂。 结晶裂纹结晶裂纹 焊缝在结晶过程中，焊缝在结晶过程中，固相线附近由于凝固金属收缩时，固相线附近由于凝固金属收缩时，残余液相不足，致使沿晶界开裂，残余液相不足，致使沿晶界开裂，故称结晶裂纹。故称结晶裂纹。 结晶裂纹主要结晶裂纹主要出现在含杂质较多的碳钢焊缝中出现在含杂质较多的碳钢焊缝中(特别是含硫、磷、硅、碳较多特别是含硫、磷、硅、碳较多的钢种焊缝的钢种焊缝)和单相奥氏体钢、和单相奥氏体钢、镍基合金，以及某些铝及铝合金镍基合金，以及某些铝及铝合金的焊缝中。的焊缝中。 高温液化裂纹高温液化裂纹 在焊接热循环峰值温度作用下，母材近缝区和多在焊接热循环峰值温度作用下，母材近缝区和多层焊缝的层间金属中，由于含有低熔共晶组成物层焊缝的层间金属中，由于含有低熔共晶组成物(如硫、磷、硅、如硫、磷、硅、镍等镍等)面被重新熔化，在收缩应力作用下，沿奥氏体晶间发生开面被重新熔化，在收缩应力作用下，沿奥氏体晶间发生开裂。裂。多边化裂纹多边化裂纹 焊接时焊缝或近缝区在固相线温度以下的高温区间，由于刚焊接时焊缝或近缝区在固相线温度以下的高温区间，由于刚凝固的金属存在很多凝固的金属存在很多晶格缺陷晶格缺陷(主要是位错和空位主要是位错和空位)和严重的物理及化学和严重的物理及化学的不均匀性的不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于晶格缺陷的移动和聚集，在一定的温度和应力作用下，由于晶格缺陷的移动和聚集，便形成了二次边界，即便形成了二次边界，即“多边化边界多边化边界”，这个边界上堆积了大量的晶格，这个边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的缺陷，所以它的组织疏松组织疏松，高温时的强度和塑性都很低，只要此时受少，高温时的强度和塑性都很低，只要此时受少量的拉伸变形，就会沿着多边化的边界开裂，产生多边化裂纹，又称高量的拉伸变形，就会沿着多边化的边界开裂，产生多边化裂纹，又称高温塑性裂纹。这种裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近温塑性裂纹。这种裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区。缝区。b再热裂纹再热裂纹 在进行消除应力热处理的过程中，在进行消除应力热处理的过程中，在焊接热影响区在焊接热影响区的粗的粗晶部位产生裂纹。这种裂纹是在重新加热晶部位产生裂纹。这种裂纹是在重新加热(热处理热处理)过程中产生过程中产生的，故称的，故称“再热裂纹再热裂纹”，又称，又称“消除应力处理裂纹消除应力处理裂纹”，国外，国外简称简称“双裂纹双裂纹”(即即Stress Relief Cracking)。 再热裂纹的机理：再热裂纹的机理：在消除应力热处理过程中，热影响区在消除应力热处理过程中，热影响区的粗晶区存在不同程度的应力集中，由于的粗晶区存在不同程度的应力集中，由于应力松弛应力松弛所产生附所产生附加变形加变形大于大于该部位的该部位的蠕变塑性蠕变塑性，则产生再热裂纹。，则产生再热裂纹。 再热裂纹与热裂纹虽然都是沿晶界开裂，但是再热裂纹再热裂纹与热裂纹虽然都是沿晶界开裂，但是再热裂纹产生的本质与热裂纹根本不同，产生的本质与热裂纹根本不同，再热裂纹只在一定的温度区再热裂纹只在一定的温度区间间(约约550650)敏感，而热裂纹是发生在固相线附近。敏感，而热裂纹是发生在固相线附近。 再热裂纹多再热裂纹多发生在低合金高发生在低合金高强钢、珠光体耐强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不热钢、奥氏体不锈钢，以及镍基锈钢，以及镍基合金的焊接接头合金的焊接接头中中 c冷裂纹冷裂纹 在相当低的温在相当低的温度，大约在钢的马氏体转度，大约在钢的马氏体转变温度变温度(即即Ms点点)附近，由附近，由于拘束应力、淬硬组织和于拘束应力、淬硬组织和氢的作用下，在焊接接头氢的作用下，在焊接接头产生的裂纹属冷裂纹。冷产生的裂纹属冷裂纹。冷裂纹主要发生在低合金钢、裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的热影中合金钢和高碳钢的热影响区。响区。 延迟裂纹延迟裂纹的特点不是在的特点不是在焊后立即出现，而是有一焊后立即出现，而是有一段孕育期，产生延迟现象，段孕育期，产生延迟现象，故称延迟裂纹。故称延迟裂纹。 淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹(淬火裂纹淬火裂纹)。这种裂纹除了出现在热影响区，。这种裂纹除了出现在热影响区，有时还出现在焊缝上，主要是由淬硬组织引起的，故又称淬有时还出现在焊缝上，主要是由淬硬组织引起的，故又称淬火裂纹。火裂纹。 焊接马焊接马氏体类不锈氏体类不锈钢、工具钢，钢、工具钢，以及异种钢以及异种钢等均可能出等均可能出现这种淬硬现这种淬硬脆化脆化裂纹。裂纹。 低塑性脆化裂纹。低塑性脆化裂纹。某些材料焊接时，在比较低的温度下，某些材料焊接时，在比较低的温度下，由由于收缩应变超过了材料本身的塑性储备而产生的裂纹称为低塑于收缩应变超过了材料本身的塑性储备而产生的裂纹称为低塑性脆化裂纹。性脆化裂纹。它与一般的延迟裂纹不同，这种裂纹前端圆钝，它与一般的延迟裂纹不同，这种裂纹前端圆钝，裂纹本身具有一定的宽度，走向直通，似乎有脆断的特征。裂纹本身具有一定的宽度，走向直通，似乎有脆断的特征。 d层状撕裂层状撕裂 属低温开裂，撕裂温度不超过属低温开裂，撕裂温度不超过400。层状撕裂层状撕裂与一般的冷裂纹不同，与一般的冷裂纹不同，它主要是由于轧制钢材的内部存在有分它主要是由于轧制钢材的内部存在有分层的夹杂物层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物特别是硫化物夹杂物)和在焊接时产生的垂直轧制方和在焊接时产生的垂直轧制方向的应力向的应力，致使焊接热影响区附近或稍远的地方产生呈，致使焊接热影响区附近或稍远的地方产生呈“台阶台阶”状的层状开裂，并具有穿晶发展。状的层状开裂，并具有穿晶发展。 层状撕裂主要发生在屈服强度较高的低合金高强钢层状撕裂主要发生在屈服强度较高的低合金高强钢(或调质或调质钢钢)的厚板结构，如采油平台、厚壁容器、潜艇等，且材质含有的厚板结构，如采油平台、厚壁容器、潜艇等，且材质含有不同程度的夹杂物。层状撕裂在不同程度的夹杂物。层状撕裂在T形接头，十字接头和角接头比形接头，十字接头和角接头比较多见。较多见。5、钢铁热处理产生的组织缺陷、钢铁热处理产生的组织缺陷 内应力来源有两个方面：内应力来源有两个方面：一方面一方面由于冷却过程中零件表面由于冷却过程中零件表面与中心冷却速度不同、其体积收缩在表面与中心也就不一样。与中心冷却速度不同、其体积收缩在表面与中心也就不一样。这种由于温度差而产生体积收缩量不同所引起的内应力称做这种由于温度差而产生体积收缩量不同所引起的内应力称做“热应力热应力”。另一方面另一方面，钢件在组织转变时比体积发生变化，比，钢件在组织转变时比体积发生变化，比如奥氏体转变为马氏体时比体积增大。由于零件断面上各处转如奥氏体转变为马氏体时比体积增大。由于零件断面上各处转变的先后不同，其体积变化各处不同，由此引起的内应力称做变的先后不同，其体积变化各处不同，由此引起的内应力称做“组织应力组织应力”。 导致淬裂的原因：导致淬裂的原因： (1)原材料已有缺陷；原材料已有缺陷；(2)原原始组织不良；始组织不良；(3)夹杂物；夹杂物；(4)淬淬火温度不当；火温度不当；(5)淬火时冷却不淬火时冷却不当；当；(6)机械加工缺陷；机械加工缺陷；(7)不及不及时回火时回火。 2.2 力学计算基本概念力学计算基本概念1 传统强度理论及其适用范围传统强度理论及其适用范围 从从17世纪中期开始的近世纪中期开始的近300年的历史时期内，装备构件的设年的历史时期内，装备构件的设计都是按照一定的强度条件进行的。计都是按照一定的强度条件进行的。强度被定义为抵抗外力使强度被定义为抵抗外力使构件失效的能力构件失效的能力。所设计的构件的安全使用性能以构件有足够。所设计的构件的安全使用性能以构件有足够的强度为设计推则，再辅以合理的结构设计满足其余使用性能的强度为设计推则，再辅以合理的结构设计满足其余使用性能的要求。的要求。构件强度条件的建立依据强度理论构件强度条件的建立依据强度理论。构件受外力作用。构件受外力作用后，构件内部存在应力、应变，且积聚了应变能，归纳构件失后，构件内部存在应力、应变，且积聚了应变能，归纳构件失效的情况，无论构件应力状态是简单的或是复杂的，效的情况，无论构件应力状态是简单的或是复杂的，基本的失基本的失效形式有两种：断裂及屈服效形式有两种：断裂及屈服。其失效往往是由危险点处的最大。其失效往往是由危险点处的最大正应力、最大线应变、最大切应力或形状改变比能等因素起主正应力、最大线应变、最大切应力或形状改变比能等因素起主导作用。因而按构件强度失效不同的决定性因素便产生了各种导作用。因而按构件强度失效不同的决定性因素便产生了各种假设的解释理论，称为假设的解释理论，称为强度理论强度理论。 (1)强度理论强度理论 a最大拉应力理论最大拉应力理论(第一强度理论第一强度理论) 脆性材料的失效大多脆性材料的失效大多数是由拉应力作用造成的断裂数是由拉应力作用造成的断裂。故这一理论认为，决定构件产。故这一理论认为，决定构件产生断裂失效的主要因素是单元体的最大拉应力生断裂失效的主要因素是单元体的最大拉应力1。 将拉伸强度将拉伸强度极限极限b除以安全系数，得到许用应力除以安全系数，得到许用应力，于是按第一强度理论于是按第一强度理论建立的强度条件是建立的强度条件是 1 试验与实践证明，试验与实践证明，这一理论与铸铁、石料、混凝土等脆件这一理论与铸铁、石料、混凝土等脆件材料的失效现象相符合材料的失效现象相符合。例如，由铸铁等脆性材料制成的构件，。例如，由铸铁等脆性材料制成的构件，在轴向拉伸试验时，得到与轴向应力相垂直的平直断口在轴向拉伸试验时，得到与轴向应力相垂直的平直断口(有时有时在试样边缘有不大的剪切唇边在试样边缘有不大的剪切唇边)；在扭转试验时，得到沿扭转；在扭转试验时，得到沿扭转轴表面层成轴表面层成45的螺旋曲面；甚至在复杂应力状态下，其断裂的螺旋曲面；甚至在复杂应力状态下，其断裂面也是发生在最大拉应力的截面上。面也是发生在最大拉应力的截面上。 因因此此，第第一一强强度度理理论论适适用用于于以以拉拉伸伸为为主主的的脆脆性性材材料料。但但这这个个理理论论没没有有考考虑虑到到其其他他两两个个主主应应力力对对材材料料断断裂裂失失效效的的影影响响，而而且对于单向压缩、三向压缩等应力状态也无法应用。且对于单向压缩、三向压缩等应力状态也无法应用。 b最最大大拉拉应应变变理理论论(第第二二强强度度理理论论) 这这一一强强度度理理论论的的根根据据是是，当当作作用用在在构构件件上上的的外外力力过过大大时时，其其危危险险点点处处的的材材料料就就会会沿沿最最大大伸伸长长线线应应变变的的方方向向发发生生脆脆性性断断裂裂。因因此此这这一一理理论论认认为为，决决定定材材料料发发生生断断裂裂失失效效的的主主要要因因素素是是单单元元体体中中的的最最大大拉拉应应变变1。即即不不论论它它是是单单向向应应力力状状态态或或是是复复杂杂应应力力状状态态，只只要要单单元元体体中中的的最最大大拉拉应应变变1达达到到单单向向拉拉伸伸情情况况下下发发生生断断裂裂失失效效时时的的拉拉应变极限值应变极限值 f时，材料就将发生断裂失效。时，材料就将发生断裂失效。 1 1- - ( (2 2+ +3 3) ) 第第二强度理论能很好地解释脆性材料受轴向压缩时，沿纵向二强度理论能很好地解释脆性材料受轴向压缩时，沿纵向发生的断裂失效现象发生的断裂失效现象，这无疑是因为最大拉应变发生于横向的，这无疑是因为最大拉应变发生于横向的缘故。此外，由脆性材料的断裂失效试验指出，对于工程中最缘故。此外，由脆性材料的断裂失效试验指出，对于工程中最常遇到的两个主应力是一拉一压的二向应力状态，试验结果也常遇到的两个主应力是一拉一压的二向应力状态，试验结果也与按这一理论计算结果相近。与按这一理论计算结果相近。 但是必须注意，但是必须注意，第二强度理论公式第二强度理论公式中所用的中所用的是材料在单是材料在单向拉伸时的许用拉向拉伸时的许用拉应应力，这只对于在单向拉伸时沿横截面发生力，这只对于在单向拉伸时沿横截面发生脆断失效的材料才适用。至于像低碳钢这样的塑性材料，是不脆断失效的材料才适用。至于像低碳钢这样的塑性材料，是不可能通过单向拉伸试验得到材料在脆断时的极限值可能通过单向拉伸试验得到材料在脆断时的极限值f f 的。所以，的。所以，第二强度理论对塑性材料第二强度理论对塑性材料是不适用的是不适用的。 此外，对于两个主应力均为拉应力的二向应力状态，其试此外，对于两个主应力均为拉应力的二向应力状态，其试验结果与第一强度理论验结果与第一强度理论(最大拉应力理论最大拉应力理论)计算的结果更为符合。计算的结果更为符合。 c最大切应力理论最大切应力理论(第三强度理论第三强度理论) 对于塑性好的材料，对于塑性好的材料，当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会沿最当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会沿最大切应力所在的截面滑移而产生屈服，从而引起构件失效。大切应力所在的截面滑移而产生屈服，从而引起构件失效。因此这一理论认为，因此这一理论认为，决定材料塑性屈服而失效的主要因素是决定材料塑性屈服而失效的主要因素是单元体中的最大切应力单元体中的最大切应力。即不论它是单向应力状态或是复杂。即不论它是单向应力状态或是复杂应力状态，只要单元体中的最大切应力应力状态，只要单元体中的最大切应力max达到在单向拉伸下达到在单向拉伸下发生塑性屈服时的极限切应力时，材料就将发生塑性屈服而发生塑性屈服时的极限切应力时，材料就将发生塑性屈服而引起构件失效。引起构件失效。 第三强度理论建立的强度条件是第三强度理论建立的强度条件是 1-3 第三强度理论实际上是一种塑性屈服判据，而不是断裂判第三强度理论实际上是一种塑性屈服判据，而不是断裂判据。这一理论能圆满地解释塑性材料出现塑性变形的条件和据。这一理论能圆满地解释塑性材料出现塑性变形的条件和现象。现象。d. 形状改变比能理论形状改变比能理论(第四强度理论第四强度理论) 这一理论认为，这一理论认为，对于塑性对于塑性材料，构件形状改变比能是引起屈服的主要因素材料，构件形状改变比能是引起屈服的主要因素。即认为无论。即认为无论构件处在什么应力状态下，只要形状改变比能达到材料在单向构件处在什么应力状态下，只要形状改变比能达到材料在单向拉伸时发生屈服应力相应的形状改变比能，材料就发生屈服，拉伸时发生屈服应力相应的形状改变比能，材料就发生屈服，从而引起构件失效。按第四强度理论建立的强度条件是从而引起构件失效。按第四强度理论建立的强度条件是 几种塑性好的材料，如钢、铝、铜等的试验数据与第四强几种塑性好的材料，如钢、铝、铜等的试验数据与第四强度理论的屈服条件非常接近，这一理论与试验结果吻合程度比度理论的屈服条件非常接近，这一理论与试验结果吻合程度比第二强度理论更好。第二强度理论更好。第四强度理轮实际上也是一种塑性屈服判第四强度理轮实际上也是一种塑性屈服判据，而不是断裂判据。据，而不是断裂判据。(1- 2)2 + (2- 3)2 + (3- 1)2 21(2)各种强度理论的适用范围各种强度理论的适用范围为说明方便，把上面四个强度理论所建立的强度条件统一写为为说明方便，把上面四个强度理论所建立的强度条件统一写为 e 式式中中，e为为根根据据不不同同强强度度理理论论所所得得到到的的构构件件危危险险点点处处三三个个主主应应力的某种组合。力的某种组合。 按某一个强度理论的相当应力对危险点处于复杂应力状态按某一个强度理论的相当应力对危险点处于复杂应力状态下的构件进行强度校核，下的构件进行强度校核，一方面要保证所用的强度理论与在该一方面要保证所用的强度理论与在该种应力状态下发生的失效形式相适应，另一方面要求采用的种应力状态下发生的失效形式相适应，另一方面要求采用的也应与该失效形式的极限应力相符合，也应与该失效形式的极限应力相符合，这两个条件若有一个不这两个条件若有一个不能能满足满足，某种强度理论的应用就失掉依据。因此，某种强度理论的应用就失掉依据。因此，要要搞清楚各搞清楚各种强度理论的适用范围。种强度理论的适用范围。 对于脆性材料，在单向及两向拉伸应力状态下应采用最对于脆性材料，在单向及两向拉伸应力状态下应采用最大拉应力理论大拉应力理论。其。其是材料在单向拉伸试验时测出的拉伸强度是材料在单向拉伸试验时测出的拉伸强度取用的许用应力值。取用的许用应力值。 不论是脆性材料或塑性材料，在三向拉不论是脆性材料或塑性材料，在三向拉伸应力状态下，都会发生脆性断裂，因此宜采用最大拉应力理伸应力状态下，都会发生脆性断裂，因此宜采用最大拉应力理论论。 对于塑性材料对于塑性材料，由于从单向拉伸试验结果不可能得到材，由于从单向拉伸试验结果不可能得到材料发生脆断的极限应力，所以，在料发生脆断的极限应力，所以，在按最大拉应力理论按最大拉应力理论对于用这对于用这类材料制成的构件进行强度校核时，公式中的类材料制成的构件进行强度校核时，公式中的 就不能再用这就不能再用这类材料在单向拉伸时的许用应力值。类材料在单向拉伸时的许用应力值。 对于像低碳钢这一类的对于像低碳钢这一类的塑性材料塑性材料，在除了，在除了三向拉伸应力状三向拉伸应力状态态以外的各种复杂应力状态下，材料都会发生屈服现象。对于以外的各种复杂应力状态下，材料都会发生屈服现象。对于这类材料制成的薄壁圆筒来说，以采用这类材料制成的薄壁圆筒来说，以采用形状改变比能理论形状改变比能理论为宜。为宜。但有时也可采用但有时也可采用最大切应力理论最大切应力理论，这是因为最大切应力理论的，这是因为最大切应力理论的物理概念较为直观，且按此理论所计算结果也偏于安全。物理概念较为直观，且按此理论所计算结果也偏于安全。 在在三向压缩应力状态三向压缩应力状态下，不论是塑性材料还是脆性材料，下，不论是塑性材料还是脆性材料，通常都发生屈服破坏，故一般应采用通常都发生屈服破坏，故一般应采用形状改变比能理论形状改变比能理论。但因。但因脆性材料不可能由单向拉伸试验结果得到材料发生屈服的极限脆性材料不可能由单向拉伸试验结果得到材料发生屈服的极限应力，所以，在按此强度理论作强度计算时，公式中的应力，所以，在按此强度理论作强度计算时，公式中的也不也不能用脆性材料在单向拉伸时的许用应力值。能用脆性材料在单向拉伸时的许用应力值。 (3)对传统强度理论的评论对传统强度理论的评论 传统的强度计算方法传统的强度计算方法简单易行，但不够准确，因为简单易行，但不够准确，因为假设材假设材料为均匀连续、无损伤的前提料为均匀连续、无损伤的前提，与材料的实际情况是有区别的。，与材料的实际情况是有区别的。为了保证构件的安全，传统强度计算方法采用了较高的安全系为了保证构件的安全，传统强度计算方法采用了较高的安全系数。安全系数既包容了材料的实际情况与均匀连续无损伤假设数。安全系数既包容了材料的实际情况与均匀连续无损伤假设的差异，也包容了真实变形体与受力假设模型的差异，甚至包的差异，也包容了真实变形体与受力假设模型的差异，甚至包容了制造、使用等过程产生的变化与理论假设的差异在内，全容了制造、使用等过程产生的变化与理论假设的差异在内，全部用一个打新扣的数字概括了，这是一个模糊的概念，是一个部用一个打新扣的数字概括了，这是一个模糊的概念，是一个无知程度系数。当这个安全系数取值未能包含以经验取值的因无知程度系数。当这个安全系数取值未能包含以经验取值的因素出现时，事故就可能发生。素出现时，事故就可能发生。2 断裂力学基本概念断裂力学基本概念 断裂力学研究带有宏观裂纹断裂力学研究带有宏观裂纹(大于等于大于等于0.1mm)的均匀连续的均匀连续基体的力学行为，基体的力学行为，认为引起构件断裂失效的主要原因是构件材认为引起构件断裂失效的主要原因是构件材料存在宏观裂纹的成长及其失稳扩展料存在宏观裂纹的成长及其失稳扩展。 裂纹的失稳扩展，通常由裂纹端点开始，裂端区的应力应裂纹的失稳扩展，通常由裂纹端点开始，裂端区的应力应变场强度大小与裂纹的稳定性密切相关，当裂端表征应力应变变场强度大小与裂纹的稳定性密切相关，当裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时，裂纹迅速扩展，至构件断裂。这场强度的参量达到临界值时，裂纹迅速扩展，至构件断裂。这里提出了两个问题，里提出了两个问题，一是裂纹体在裂端区应力变场强度的表征一是裂纹体在裂端区应力变场强度的表征及变化规律；二是裂纹体发生失稳扩展的临界值及变化规律；二是裂纹体发生失稳扩展的临界值。前者是含裂。前者是含裂纹体的构件在外力作用下裂纹失稳扩展的能力，它必然与构件纹体的构件在外力作用下裂纹失稳扩展的能力，它必然与构件受外载引起的应力应变状态及环境作用有关，也与原有裂纹的受外载引起的应力应变状态及环境作用有关，也与原有裂纹的性质及尺寸有关；后者是制造该构件材料抵抗裂纹扩展的能力，性质及尺寸有关；后者是制造该构件材料抵抗裂纹扩展的能力，具有特定组织结构、性能和质量的材料，具有特定组织结构、性能和质量的材料，其抵抗裂纹扩展的能其抵抗裂纹扩展的能力应该是一个常数。力应该是一个常数。 断裂力学通过对裂纹端部应力应变场的大小和分布的研究，断裂力学通过对裂纹端部应力应变场的大小和分布的研究，建立了构件裂纹尺寸、工作应力与材料抵抗裂纹扩展能力之间建立了构件裂纹尺寸、工作应力与材料抵抗裂纹扩展能力之间的定量关系的定量关系。为构件的安全设计、定量或半定量地估计含裂纹。为构件的安全设计、定量或半定量地估计含裂纹构件的寿命、失效分析、选材规范乃至研制新材料提供了更切构件的寿命、失效分析、选材规范乃至研制新材料提供了更切合实际的理论基础。合实际的理论基础。 工程结构常用的金属材料的断裂主要有两种不同的性质：工程结构常用的金属材料的断裂主要有两种不同的性质：脆性断裂脆性断裂与与韧性断裂韧性断裂。 断裂力学分为线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学断裂力学分为线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学，前者解，前者解决具有图决具有图2-26(a)所示关系的脆性断裂；后者解决具有图所示关系的脆性断裂；后者解决具有图2-26(b)所示关系的韧性断裂。所示关系的韧性断裂。 (1)线弹性断裂力学的基本概念及其应用线弹性断裂力学的基本概念及其应用a. 裂纹扩展的三种基本类型裂纹扩展的三种基本类型 式式(2-6)是裂纹尖端区域的应力是裂纹尖端区域的应力场近似表达式，场近似表达式，越接近裂纹尖端，越接近裂纹尖端，应力越大，且精确度越高应力越大，且精确度越高。在裂纹。在裂纹尖端扩展线尖端扩展线(即即x轴轴)上，上，=0，sin=0，式，式(2-6)变为变为 b张开型裂纹尖端附近的二向应力场方程张开型裂纹尖端附近的二向应力场方程 c应力场强度因子应力场强度因子KI 对于裂纹端部任意一点对于裂纹端部任意一点A(r,)该该点的应力分量完全由点的应力分量完全由KI所决定。所决定。KI控制了应力的大小，故称为控制了应力的大小，故称为应力场强度因子应力场强度因子，下标，下标I表示表示I型裂纹型裂纹(张开型裂纹张开型裂纹)。式。式(2-6)是针是针对无限大板中心贯穿裂纹推导出来的。对于其他裂纹状态的张对无限大板中心贯穿裂纹推导出来的。对于其他裂纹状态的张开型裂纹，式开型裂纹，式(2-6)也是成立的，但也是成立的，但KI应为应为 式中，式中，Y是一个和载荷无关，而与裂纹形状、加载方式以是一个和载荷无关，而与裂纹形状、加载方式以及试样几何形状有关的量称为及试样几何形状有关的量称为几何因子或形状因子几何因子或形状因子。 d临界应力场强度因子临界应力场强度因子KIC KI和外加应力及裂纹长度有和外加应力及裂纹长度有关，当关，当KI大到足以使裂纹失稳扩展，从而导致试样或构件断裂大到足以使裂纹失稳扩展，从而导致试样或构件断裂时，就称为临界状态。时，就称为临界状态。裂纹失稳扩展的临界应力场强度因子也裂纹失稳扩展的临界应力场强度因子也称为断裂韧度，用称为断裂韧度，用KIC表示表示，即，即 （2-9） 式中，式中，c和和ac分别为临界状态的应力及裂纹尺寸分别为临界状态的应力及裂纹尺寸。如裂纹。如裂纹长度不变，通过长度不变，通过增大到增大到= c，KI增大而达到裂纹失稳扩展的增大而达到裂纹失稳扩展的临界状态时，临界状态时，c属断裂应力，式属断裂应力，式(2-9)中的中的a指原始裂纹尺寸指原始裂纹尺寸a0。如果外加工作应力如果外加工作应力不变，通过裂纹从不变，通过裂纹从a0增大到增大到ac(如疲劳、氢如疲劳、氢致开裂或应力腐蚀开裂致开裂或应力腐蚀开裂)，从而使，从而使KI增大而到达临界状态时，增大而到达临界状态时，ac是临界裂纹尺寸，式是临界裂纹尺寸，式(2-9)中的中的 是工作应力。是工作应力。 式式(2-9)表明，如用预制裂纹试样表明，如用预制裂纹试样(a和和Y已知已知)在空气中加载，在空气中加载，测出裂纹失稳扩展所对应的应力测出裂纹失稳扩展所对应的应力c c，代人式，代人式(2-9)就可测得此就可测得此材料的材料的KIC值（材料平面应变断裂韧度值（材料平面应变断裂韧度KIC的测量参考的测量参考GB 4161）。）。由于由于KIC是材料性能，故用试样测出的是材料性能，故用试样测出的KIC值就是实际值就是实际含裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的含裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的KIC值。值。因此、当构件中裂纹因此、当构件中裂纹的形状和大小一定时的形状和大小一定时(即即a和和Y一定一定)，如果该材料的断裂韧性如果该材料的断裂韧性 KIC 值大，则由裂纹失稳扩展使构件脆断所需的外应力值大，则由裂纹失稳扩展使构件脆断所需的外应力c c 也高，也高，即构件愈不容易发生低应力脆断即构件愈不容易发生低应力脆断，反之，如构件在工作应力下，反之，如构件在工作应力下脆断，这时构件内的裂纹长度必须大于或脆断，这时构件内的裂纹长度必须大于或等于式等于式(2-9)所确定的临界所确定的临界 。显然，。显然，随着材料的随着材料的KIC愈高时，可容许构件中存在更长的裂纹。愈高时，可容许构件中存在更长的裂纹。 e脆性断裂判据及工程应用脆性断裂判据及工程应用 按线弹性力学分析，当按线弹性力学分析，当I型型裂纹尖端的应力场强度因子裂纹尖端的应力场强度因子KI因为应力增大或是裂纹增大使其因为应力增大或是裂纹增大使其数值超过材料抵抗断裂的临界值数值超过材料抵抗断裂的临界值KIC时，裂纹会迅速扩展而导致时，裂纹会迅速扩展而导致构件断裂构件断裂。因此脆性断裂失效的判据可写为。因此脆性断裂失效的判据可写为 KIKIC （2-10） 这个判据称为应力强度因子判据，这个判据称为应力强度因子判据，简称简称K判据判据。按照这个判。按照这个判据可以解决工程结构很多实际问题。据可以解决工程结构很多实际问题。 解释低应力脆断失效的原因，这是因为材料有裂纹状缺解释低应力脆断失效的原因，这是因为材料有裂纹状缺陷存在是客观的，裂纹在构件服役期间的长大及失稳扩展引起陷存在是客观的，裂纹在构件服役期间的长大及失稳扩展引起脆断。脆断。 计算构件在服役条件下的最大裂纹容限，对构件做出安计算构件在服役条件下的最大裂纹容限，对构件做出安全评估。全评估。 根据构件现存的裂纹尺寸，确定构件的最大工作应力或根据构件现存的裂纹尺寸，确定构件的最大工作应力或最大允许载荷。最大允许载荷。 若能检出或从经验得出裂纹扩展速率，可计算出构件的若能检出或从经验得出裂纹扩展速率，可计算出构件的安全寿命，并制订出合理的裂纹检测周期。安全寿命，并制订出合理的裂纹检测周期。 确立材料强韧化的设计思想，既要求材料有高强度以节确立材料强韧化的设计思想，既要求材料有高强度以节约资源，更要求材料有高韧性储备抵抗脆断。设计构件时选择约资源，更要求材料有高韧性储备抵抗脆断。设计构件时选择 KIC高的材料，或通过工艺处理提高材料的高的材料，或通过工艺处理提高材料的KIC。 f裂纹尖端的塑性区及小范围屈服的修正裂纹尖端的塑性区及小范围屈服的修正 从式从式(2-6)可知，可知，越靠近裂纹尖端越靠近裂纹尖端(ro)，应力越大，但出现无穷大的应力是不可，应力越大，但出现无穷大的应力是不可能的，尤其是塑性比较好的金属材料，边缘应力的自限性使裂能的，尤其是塑性比较好的金属材料，边缘应力的自限性使裂纹尖端的应力受到屈服强度的限制，纹尖端的应力受到屈服强度的限制，当该应力达到屈服强度当该应力达到屈服强度s s时，材料就因屈服而发生塑性变形。发生塑性变形的区域，称时，材料就因屈服而发生塑性变形。发生塑性变形的区域，称为塑性区。为塑性区。正是裂纹尖端的高应力导致了塑性区的产生及扩大。正是裂纹尖端的高应力导致了塑性区的产生及扩大。 对于对于I型裂纹端部的塑性区大小表达式如下，型裂纹端部的塑性区大小表达式如下，rp是是的函数。的函数。当当0，即在，即在x轴上时，有轴上时，有(2-11)(2-12) 对于金属材料，对于金属材料，平面应变平面应变状态下塑状态下塑性区在性区在x轴上宽度较之轴上宽度较之平面应力平面应力情况情况小小很很多，若取多，若取0.3，rp=0.16rP。 对于实际构件，由于从表而到中心的约束不一样，即使内对于实际构件，由于从表而到中心的约束不一样，即使内部呈平面应变状态，其表面也总是处在平面应力状态。如穿透部呈平面应变状态，其表面也总是处在平面应力状态。如穿透厚板的裂纹，厚板的裂纹，虽然板内是平面应变状态，裂尖塑性区比较小，虽然板内是平面应变状态，裂尖塑性区比较小，但板表面是平面应力状态，其裂尖塑性区是比较大的。但板表面是平面应力状态，其裂尖塑性区是比较大的。 只有只有rp/a非常小，用线弹性断裂判据才是合理的。非常小，用线弹性断裂判据才是合理的。如果塑如果塑性区的存在仍属小范围屈服条件，但其影响不可忽略，一般对性区的存在仍属小范围屈服条件，但其影响不可忽略，一般对塑性区进行修正，如对于工业上广泛应用的中低强度钢，由于塑性区进行修正，如对于工业上广泛应用的中低强度钢，由于s s低，而低，而KIC又高，则又高，则(KIC/s s)2比较大。这时只有当构件厚度比较大。这时只有当构件厚度尺寸很大时，一般认为板厚尺寸很大时，一般认为板厚B 2.5 (KIC/s s)2，即，即d为为rP的的25倍左倍左右右(如厚壁容器如厚壁容器)，构件内部裂纹尖端塑性区相对尺寸才比较小，构件内部裂纹尖端塑性区相对尺寸才比较小，这时通过对塑性区进行修正，可应用线弹性断裂判据解决问题。这时通过对塑性区进行修正，可应用线弹性断裂判据解决问题。如果中小型构件塑性区相对尺寸很大。这时裂端区已大范围屈如果中小型构件塑性区相对尺寸很大。这时裂端区已大范围屈服，不再适用线弹性断裂力学，必须采用弹塑性断裂力学的判服，不再适用线弹性断裂力学，必须采用弹塑性断裂力学的判据来解决问题。据来解决问题。对厚板穿透裂纹裂尖塑性区的修正：对厚板穿透裂纹裂尖塑性区的修正：即把裂纹尖端塑性变形看即把裂纹尖端塑性变形看作相对于使裂纹长度较实际尺寸作相对于使裂纹长度较实际尺寸a增加了增加了a，等效裂纹长度为，等效裂纹长度为ae= a+a，即，即ae= a+rp，0。(2-13) 用式用式(2- -13)的的ae代替式代替式(2- -8)的的a，即即KI=Y ae ，则可以用线弹性断裂力学的判据则可以用线弹性断裂力学的判据KI KIC解解释裂尖区小范围屈服的断裂问题。释裂尖区小范围屈服的断裂问题。裂纹尖端的裂纹尖端的塑性区相当于使裂纹增长了。因而在同样的拉塑性区相当于使裂纹增长了。因而在同样的拉伸应力作用下，伸应力作用下，应力场强度因子应力场强度因子KI 比原来提高比原来提高了了。 不考虑塑性区不考虑塑性区(2-13) 考虑塑性区考虑塑性区 以以 作为裂纹当量半长，得作为裂纹当量半长，得例子：例子：如厚如厚l0 mm、宽、宽200 mm的乎板两端承受均匀拉伸应力的乎板两端承受均匀拉伸应力640MPa，板中央有一，板中央有一20 mm长的穿透裂纹钢板的长的穿透裂纹钢板的s s1200MPa。该板属于平面应力状态。该板属于平面应力状态。 a裂纹张开位移理论裂纹张开位移理论 裂纹张开位移理论又称为裂纹张开位移理论又称为COD理论，理论，COD理论原来是建立在大量的理论原来是建立在大量的实验结果实验结果上的经验性的方法，随上的经验性的方法，随后才出现对后才出现对COD方法的方法的解释理论解释理论。实验与分析结果都证实，裂。实验与分析结果都证实，裂纹体受力后，裂纹尖端附近存在高应力纹体受力后，裂纹尖端附近存在高应力(s s)的塑性区使得裂纹的塑性区使得裂纹面分离，裂纹尖端有张开的位移面分离，裂纹尖端有张开的位移(见图见图2-32)。COD理论认为，理论认为，当裂纹尖端张开位移当裂纹尖端张开位移达到材料的临界值达到材料的临界值c时，裂纹就失稳扩时，裂纹就失稳扩展发生断裂。展发生断裂。有有COD判据为判据为 c c （2-14）（2）弹塑性断裂力学简介）弹塑性断裂力学简介 大量的实验研究证明，大量的实验研究证明，对于一种材料来说，裂纹开对于一种材料来说，裂纹开始扩展时，尖端的张开位移始扩展时，尖端的张开位移c c是材料常数是材料常数，与试祥的几，与试祥的几何尺寸、加载方式等无关，何尺寸、加载方式等无关，是材料对裂纹扩展阻力的量是材料对裂纹扩展阻力的量度，是材料弹塑性断裂韧性度，是材料弹塑性断裂韧性的指标，与温度有关。的指标，与温度有关。c c是是裂纹开裂临界值，不是裂纹裂纹开裂临界值，不是裂纹最后失稳的临界值。因此最后失稳的临界值。因此c c称为称为启裂断裂韧度启裂断裂韧度。 构件中存在长度为构件中存在长度为2a的穿透裂纹，裂纹张开位的穿透裂纹，裂纹张开位移移的计算因裂纹塑性区的计算因裂纹塑性区建模不同有不同的表示公建模不同有不同的表示公式。其中式。其中窄条形塑性区窄条形塑性区简简化模型的解析解应用较广。化模型的解析解应用较广。(2-15) 式式(2-15)是是COD理论的基本公式，用位错理论导出来的结理论的基本公式，用位错理论导出来的结果完全一样：当构件断裂应力比果完全一样：当构件断裂应力比s s小得多时，式小得多时，式(2-15)与线与线弹性断裂力学得到结果也完全一致。弹性断裂力学得到结果也完全一致。 因为因为KI= aa ，所以，所以(2-16) 材料的临界材料的临界COD值值c c， 按按GB 2358在实验室中用小试样在实验室中用小试样即可测出。即可测出。由于由于COD理论应用在线弹性范围内与线弹性断裂理论应用在线弹性范围内与线弹性断裂力学是等价的，因而可通过测出的力学是等价的，因而可通过测出的c c 而求出久而求出久KIC。=(2-17) 将式将式(2-15)按级数展开，并当按级数展开，并当 较小时，近似地只取第一项，较小时，近似地只取第一项，得得3 金属构件常见失效形式及其判断金属构件常见失效形式及其判断3.1 变形失效变形失效 在常温或温度不很在常温或温度不很高的情况下的变形失高的情况下的变形失效主要有效主要有弹性变形失弹性变形失效和塑性变形失效效和塑性变形失效，弹性变形失效主要是弹性变形失效主要是变形过量或丧失原设变形过量或丧失原设计的弹性功能计的弹性功能，塑性塑性变形失效一般是变形变形失效一般是变形过量。过量。在高温下的变在高温下的变形失效有形失效有蠕变失效和蠕变失效和热松弛失效。热松弛失效。1、金属构件的弹性变形失效、金属构件的弹性变形失效 EE(1)弹性变形弹性变形 在在弹弹性性状状态态下下，固固体体材材料料吸吸收收了了加加裁裁的的能能量量，依依靠靠原原子子间间距距的的变变化化而而产产生生变变形形，但但因因未未超超过过原原子子之之间间的的结结合合力力，当当卸卸裁裁时时，全全部部能能量量释释放放，变变形形完完全全消消失失，恢恢复复材材料料的的原原样样。 要有好的弹性，应从提高材要有好的弹性，应从提高材料的弹性极限及降低弹性模量入料的弹性极限及降低弹性模量入手。手。(2)金属弹性变形的特点金属弹性变形的特点 a可逆性可逆性 金属材料的弹性变形具有可逆的性质，即加载时金属材料的弹性变形具有可逆的性质，即加载时产生，卸载后恢复到原状的性质。产生，卸载后恢复到原状的性质。 b单值性单值性 金属材料在弹性变形过程中，不论是加载阶段还金属材料在弹性变形过程中，不论是加载阶段还是卸载阶段，只要在缓慢的加载条件下，应力与应变都保持是卸载阶段，只要在缓慢的加载条件下，应力与应变都保持正比的单值对应的线性关系，即符合虎克定律。正比的单值对应的线性关系，即符合虎克定律。 c 变形量很小变形量很小 金属的弹性变形主要发生在弹性阶段，但在金属的弹性变形主要发生在弹性阶段，但在塑性阶段也伴随着发生定量的弹性交形。但两个阶段弹性变塑性阶段也伴随着发生定量的弹性交形。但两个阶段弹性变形的总量是很小的，加起来一般小于形的总量是很小的，加起来一般小于0.5%-1.0%。(3)过量的弹性变形失效过量的弹性变形失效 构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值，称构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值，称为过量的弹性变形失效。为过量的弹性变形失效。判断方法如下：判断方法如下：失效的构件是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低失效的构件是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温的工作条件。温的工作条件。注意观察在正常工作时，构件互相不接触，而又很靠近的注意观察在正常工作时，构件互相不接触，而又很靠近的表面上是否有划伤、擦伤或磨损的痕迹。只要观察到这种痕表面上是否有划伤、擦伤或磨损的痕迹。只要观察到这种痕迹而且构件停工时，构件相互间仍有间隙，便可作为判断迹而且构件停工时，构件相互间仍有间隙，便可作为判断的依据。的依据。在设计时是否考虑了弹性变形的影响及采取了相应的措施。在设计时是否考虑了弹性变形的影响及采取了相应的措施。通过计算验证是否有过量弹性变形的可能。通过计算验证是否有过量弹性变形的可能。由于弹性变形是晶格的变形，可用由于弹性变形是晶格的变形，可用x射线法测量金属在受射线法测量金属在受载时的晶格常数的变化验证是否符合要求。载时的晶格常数的变化验证是否符合要求。 (4)失去弹性功能的弹性变形失效失去弹性功能的弹性变形失效 当构件的弹性变形已不遵循变形可逆性、单值对应性当构件的弹性变形已不遵循变形可逆性、单值对应性及小变形量的特性时，则构件失去了弹性功能而失效。及小变形量的特性时，则构件失去了弹性功能而失效。(5)弹性变形失效的原因及防护措施弹性变形失效的原因及防护措施 过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效的原因过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效的原因。预。预防措施：防措施：选择合适的材料或构件结构。选择合适的材料或构件结构。确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件。对于拉压变形对于拉压变形的杆柱类零件、弯扭变形的的杆柱类零件、弯扭变形的轴类零件轴类零件，其过量的弹性变形都会，其过量的弹性变形都会因构件丧失配合精度导致动作失误，因构件丧失配合精度导致动作失误，要求精确计算可能产生的要求精确计算可能产生的弹性变形及变形约束弹性变形及变形约束而达到适当的配合尺寸。而达到适当的配合尺寸。采用减少变形影响的连接件采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、软管连接、柔性，如皮带传动、软管连接、柔性轴、椭圆管板等。轴、椭圆管板等。2、金属构件的塑性变形失效、金属构件的塑性变形失效(1)塑性变形塑性变形 塑性表示材料中的应力超过屈服极限后，能产生显著的塑性表示材料中的应力超过屈服极限后，能产生显著的不可逆变形而不立即破坏的性态不可逆变形而不立即破坏的性态。这种显著且不可逆的变形。这种显著且不可逆的变形称为塑性变形称为塑性变形。通常反映材料塑性性能优劣的指标是。通常反映材料塑性性能优劣的指标是伸长率伸长率和断面收缩牢和断面收缩牢。伸长率和断而收缩率越高，则塑性越好。金。伸长率和断而收缩率越高，则塑性越好。金属的塑性变形一般可看作是晶体的缺陷运动。属的塑性变形一般可看作是晶体的缺陷运动。(2)金属塑性变形的特点金属塑性变形的特点a不可逆性不可逆性 金属材料的塑性交形是不可恢复的，当材料应金属材料的塑性交形是不可恢复的，当材料应力等于或高于屈服极限后产生的变形，在卸裁后，其变形仍力等于或高于屈服极限后产生的变形，在卸裁后，其变形仍然保留在材料内。塑性交形的然保留在材料内。塑性交形的微观机制微观机制表明，位错运动及增表明，位错运动及增殖使晶体实现一个晶面在另一个晶面上的逐步滑移，殖使晶体实现一个晶面在另一个晶面上的逐步滑移，宏观表宏观表征征是卸载后塑性变形保留至可观察及测量。是卸载后塑性变形保留至可观察及测量。b变形量不恒定变形量不恒定 金属是多晶体，各个晶粒取向不同，晶面金属是多晶体，各个晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，从面使滑移先后不同，从面使各晶粒变形有不同时性及不均匀性各晶粒变形有不同时性及不均匀性。一个构件在各个部位的塑性变形量不相同，因而个别塑性变一个构件在各个部位的塑性变形量不相同，因而个别塑性变形量大的部位将出现材料的不连续形量大的部位将出现材料的不连续(成为断裂失效的裂源成为断裂失效的裂源)。c慢速变形慢速变形 金属的弹性变形是以声速传播的，但塑性变形金属的弹性变形是以声速传播的，但塑性变形的传播是很慢的。的传播是很慢的。d伴随材料性能的变化伴随材料性能的变化 这主要是因为塑性变形时，这主要是因为塑性变形时，金属内金属内部组织结构发生变化，部组织结构发生变化，由位错运动及增殖实现了晶面的滑移，由位错运动及增殖实现了晶面的滑移，亚晶结构形成；晶粒歪扭，微裂纹等缺陷产生。如在材料加亚晶结构形成；晶粒歪扭，微裂纹等缺陷产生。如在材料加工中，随塑性交形量增加，即产生了工中，随塑性交形量增加，即产生了加工硬化加工硬化，原因是位错，原因是位错密度增加、位错缠结、位错运动相互作用及运动阻力增加，密度增加、位错缠结、位错运动相互作用及运动阻力增加，其宏观表现就是应变硬化。其宏观表现就是应变硬化。 (3)塑性变形失效塑性变形失效 金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效。形失效。其变形失效判断以影响构件执行正常功能为依据其变形失效判断以影响构件执行正常功能为依据。(4)塑性变形失效的原因及预防措施塑性变形失效的原因及预防措施 构件塑性变形失效的原因主要是过载构件塑性变形失效的原因主要是过载，使构件的受力过，使构件的受力过大，出现影响构件使用功能的过量的塑性变形。大，出现影响构件使用功能的过量的塑性变形。过载不仅是过载不仅是对构件承受的外载荷估计不足，还应该包括偏载引起局部应对构件承受的外载荷估计不足，还应该包括偏载引起局部应力、复杂结构应力计算误差及应力集中、加工及热处理产生力、复杂结构应力计算误差及应力集中、加工及热处理产生残余应力、材料微观不均匀的附加应力等因素，使构件受力残余应力、材料微观不均匀的附加应力等因素，使构件受力不均，局部区域的总应力超值。不均，局部区域的总应力超值。 塑性变形失效预防措施：塑性变形失效预防措施： 合理选材合理选材，提高金属材料抵抗塑性变形的能力，除了，提高金属材料抵抗塑性变形的能力，除了选择合适的屈服强度的材料，还要保证金属材料质量，控选择合适的屈服强度的材料，还要保证金属材料质量，控制组织状态及冶金缺陷。制组织状态及冶金缺陷。 准确地确定构件的工作载荷准确地确定构件的工作载荷，正确进行应力计算，合，正确进行应力计算，合理选取安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应理选取安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应力集中水平。力集中水平。 严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力。严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力。 严禁构件运行超载。严禁构件运行超载。 监测腐蚀环境构件强度尺寸的减小。监测腐蚀环境构件强度尺寸的减小。3、高温作用下金属构件的变形失效、高温作用下金属构件的变形失效 金属构件在高温长时间作用下，金属构件在高温长时间作用下，即使其应力恒小于屈服强即使其应力恒小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形度，也会缓慢地产生塑性变形，当该变形量超过规定的要求时，当该变形量超过规定的要求时，会导致构件的塑性变形失效。此时所称的高温为高于会导致构件的塑性变形失效。此时所称的高温为高于0.3Tm(Tm是以绝对温度表示的是以绝对温度表示的金属材料的熔点金属材料的熔点)，一般情况下，一般情况下碳钢构件在碳钢构件在300以上，低合金强度钢构件在以上，低合金强度钢构件在400以上。以上。 (1)蠕变变形失效蠕变变形失效 金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变。服强度，也会缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变。蠕变曲线可分为蠕变曲线可分为三个阶段：三个阶段：第第阶段阶段ab是减速是减速蠕变阶段蠕变阶段第第阶段阶段bc是恒速是恒速蠕变阶段蠕变阶段第第阶段阶段cd是加是加速蠕变阶段速蠕变阶段 压力容器的蠕变变形量一般规定在压力容器的蠕变变形量一般规定在105h为为1，即蠕变速，即蠕变速率为率为10-7mm(mmh)。特点：特点：蠕变变形失效也是一种塑性变形失效，有塑性变形失蠕变变形失效也是一种塑性变形失效，有塑性变形失效的特点，但蠕变失效并不一定是过载，只是载荷大时，蠕效的特点，但蠕变失效并不一定是过载，只是载荷大时，蠕变变形失效的时间短，恒速蠕变阶段蠕变速度大。变变形失效的时间短，恒速蠕变阶段蠕变速度大。高温下不高温下不仅有蠕变变形引起的构件外部尺寸的变化，还有金属内部组仅有蠕变变形引起的构件外部尺寸的变化，还有金属内部组织结构特有的变化，导致高温力学性能下降、构件承载能力织结构特有的变化，导致高温力学性能下降、构件承载能力降、蠕变速度加快、失效加快。降、蠕变速度加快、失效加快。衡量指标：衡量指标：材料抵抗蠕变的能力用蠕变极限及持久强度来衡材料抵抗蠕变的能力用蠕变极限及持久强度来衡量。量。蠕变极限蠕变极限是高温长期载荷下材料抵抗塑性变形的抗力指是高温长期载荷下材料抵抗塑性变形的抗力指标，用给定温度下材料产生规定蠕变速率的标，用给定温度下材料产生规定蠕变速率的应力值应力值或材料产或材料产生一定蠕变变形量的应力值来表示。生一定蠕变变形量的应力值来表示。持久强度持久强度则是材料在高则是材料在高温长期载荷下，温长期载荷下，不发生蠕变断裂的最大应力值不发生蠕变断裂的最大应力值。材料的蠕变。材料的蠕变极限及持久强度高，则抗高温蠕变性能好。极限及持久强度高，则抗高温蠕变性能好。预防措施：预防措施：选用抗蠕变性能合适的材料与防止装备中构件的选用抗蠕变性能合适的材料与防止装备中构件的超温使用。超温使用。典型例子：典型例子：图图3-5过过热热管管蠕蠕变变变变形形及及胀胀裂裂(2)应力松弛变形失效应力松弛变形失效 金属的蠕变是在应力不变的条件下，构件不断产生塑性变形的金属的蠕变是在应力不变的条件下，构件不断产生塑性变形的过程；过程；而金属的松弛则是在总变形不变的条件下，构件弹性变形不而金属的松弛则是在总变形不变的条件下，构件弹性变形不断转为塑性变形从而使应力不断降低的过程。断转为塑性变形从而使应力不断降低的过程。处于应力松弛条件的处于应力松弛条件的构件，在构件，在定的温度下，弹性变形量与塑性变形量的变化可用下式定的温度下，弹性变形量与塑性变形量的变化可用下式表示：表示： 总变形量总变形量 0弹弹塑塑常数常数 金属的应力松弛曲线金属的应力松弛曲线: 第第阶段阶段持续时间较短，持续时间较短，应力随时间增加而急剧下降；应力随时间增加而急剧下降； 第第阶段阶段持续时间很长，持续时间很长，应力缓慢下降。而且往往经应力缓慢下降。而且往往经很长时间仍然看不到松弛的很长时间仍然看不到松弛的下限应力。下限应力。 在某一时间段上构件所在某一时间段上构件所保持的应力称为残余应力。保持的应力称为残余应力。松弛稳定性的衡量指标：松弛稳定性的衡量指标：材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，用残余应力定性，用残余应力残残来衡量。残余应力高则松弛稳定性好。来衡量。残余应力高则松弛稳定性好。 构件构件在高温长期使用中都会出现应力松弛的问题，在高温长期使用中都会出现应力松弛的问题，当残余应力当残余应力降低至影响构件执行正常功能时，则产生应力松弛失效或松弛降低至影响构件执行正常功能时，则产生应力松弛失效或松弛变形失效。变形失效。 预防高温松弛失效的措施：预防高温松弛失效的措施：是选用松弛稳定性好的材料。对紧是选用松弛稳定性好的材料。对紧固性构件的实际使用也可以在构件使用过程中对其进行一次或固性构件的实际使用也可以在构件使用过程中对其进行一次或多次再紧固，即在构件应力松弛到一定程度时重新紧固，这是多次再紧固，即在构件应力松弛到一定程度时重新紧固，这是经济而又有效的方法。经济而又有效的方法。但要注意到再紧固会对松弛性能有所影但要注意到再紧固会对松弛性能有所影响，因为每进行一次再紧固，材料都产生应变硬化响，因为每进行一次再紧固，材料都产生应变硬化，残余应力，残余应力有所下降，随着塑性应变的总量增加，材料最终是会断裂的。有所下降，随着塑性应变的总量增加，材料最终是会断裂的。3.2 断裂失效断裂失效 断裂是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的断裂是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象。两个或两个以上部分的现象。 金属材料的断裂过程一般有三个阶段金属材料的断裂过程一般有三个阶段，即裂纹的萌生，即裂纹的萌生，裂纹的亚稳扩展及失稳扩展，最后是断裂裂纹的亚稳扩展及失稳扩展，最后是断裂。金属构件可能。金属构件可能在材料制造、构件成形或使用阶段的不同条件下启裂、萌在材料制造、构件成形或使用阶段的不同条件下启裂、萌生裂纹；并受不同的环境因素及承载状态的影响而使裂纹生裂纹；并受不同的环境因素及承载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。扩展直至断裂。 金属构件断裂后，在断裂部位都有金属构件断裂后，在断裂部位都有匹配的两个断裂表匹配的两个断裂表面，称为断口，面，称为断口，断口及其周围留下与断裂过程有密切相关断口及其周围留下与断裂过程有密切相关的信息。通过断口分析可以判断断裂的类型、断裂过程的的信息。通过断口分析可以判断断裂的类型、断裂过程的机理，从而找出断裂的原因和预防断裂的措施。机理，从而找出断裂的原因和预防断裂的措施。 统一断裂要素：统一断裂要素：加载条件：加载条件：中、低速列入静载荷，高速列人冲击载荷；交变中、低速列入静载荷，高速列人冲击载荷；交变载荷指循环载荷。用拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、接触作载荷指循环载荷。用拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、接触作为加载方向。为加载方向。裂纹扩展速率：裂纹扩展速率：裂纹低速稳态扩展每秒小于裂纹低速稳态扩展每秒小于5米；裂纹非稳米；裂纹非稳态快速扩展，高达每秒上千米。态快速扩展，高达每秒上千米。最终断裂前的应变状态用脆性、韧性来说明；宏观断裂方向最终断裂前的应变状态用脆性、韧性来说明；宏观断裂方向用平直面用平直面(平面应变状态平面应变状态)和剪切面和剪切面(平面应力状态平面应力状态)来说明。来说明。断口表面的宏观形貌用肉眼、放大镜或低倍显微镜观察后用断口表面的宏观形貌用肉眼、放大镜或低倍显微镜观察后用光反射光反射(发亮或发灰发亮或发灰)和纹理和纹理(光滑或粗糙、结晶或丝光、颗粒或光滑或粗糙、结晶或丝光、颗粒或纤维、自然现象景观等纤维、自然现象景观等)来表示。来表示。断口表面的微观形貌用显微镜观察的图像缘像形来表示断口表面的微观形貌用显微镜观察的图像缘像形来表示(韧韧窝、解理小平面、辉纹、自然现象景观等窝、解理小平面、辉纹、自然现象景观等)。1、断裂失效的分类、断裂失效的分类 (1)按断裂前变形程度分类按断裂前变形程度分类 a.韧性断裂韧性断裂 断裂前产生明显的塑性变形，断裂过程中吸收了较多断裂前产生明显的塑性变形，断裂过程中吸收了较多的能量，的能量，般是在高于材料屈服应力条件下的高能断裂。般是在高于材料屈服应力条件下的高能断裂。 b.脆性断裂脆性断裂 断裂前的变形量很小，没有明显的可以觉察出来的宏断裂前的变形量很小，没有明显的可以觉察出来的宏观变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力观变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力条件下的低能断裂。条件下的低能断裂。(2)按造成断裂的应力类型及断面的宏观取向与应力的相对位置分类按造成断裂的应力类型及断面的宏观取向与应力的相对位置分类 a.正断正断 当外加作用力引起构件的当外加作用力引起构件的正应力分量超过材料的正断抗力正应力分量超过材料的正断抗力时发生的断裂时发生的断裂。断裂面垂直于正应力或最大的拉伸应变方向。断裂面垂直于正应力或最大的拉伸应变方向。 b.切断切断 当外加作用力引起构件的当外加作用力引起构件的切应力分量超过材料在滑移面上切应力分量超过材料在滑移面上的切断抗力时发生的断裂。的切断抗力时发生的断裂。断裂面平行于最大切应力或最大切应变方断裂面平行于最大切应力或最大切应变方向，与最大正应力约呈向，与最大正应力约呈45。交角。交角。 正断可能是脆性的，也可能是韧性的，而切断一般总是韧性的。正断可能是脆性的，也可能是韧性的，而切断一般总是韧性的。表表3-1不同类型负荷下的断裂形式不同类型负荷下的断裂形式表表3-1不同类型负荷下的断裂形式不同类型负荷下的断裂形式(3)按断裂过程中裂纹扩按断裂过程中裂纹扩展所经的途径分类展所经的途径分类a.沿晶断裂沿晶断裂 裂纹沿晶界扩裂纹沿晶界扩展至断裂。沿晶断裂多属展至断裂。沿晶断裂多属脆性断裂。脆性断裂。 b 穿晶断裂穿晶断裂 裂纹的萌生裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断和扩展穿过晶粒内部的断裂。穿晶断裂可以是韧性裂。穿晶断裂可以是韧性的也可以是脆性的。的也可以是脆性的。c 混晶断裂混晶断裂 在多晶体金在多晶体金属材料的断裂过程中，多属材料的断裂过程中，多数是其裂纹的扩展既有穿数是其裂纹的扩展既有穿晶型、也有晶间型的混晶晶型、也有晶间型的混晶断裂。如马氏体或回火马断裂。如马氏体或回火马氏体材料的瞬间断裂。氏体材料的瞬间断裂。(4)按负荷的性质及应力产生的原因分类按负荷的性质及应力产生的原因分类 a.疲劳断裂疲劳断裂 材料在交变负荷下发生的断裂材料在交变负荷下发生的断裂 b.环境断裂环境断裂 材料在环境作用下引起的低应力断裂。主要包括应材料在环境作用下引起的低应力断裂。主要包括应力腐蚀断裂和氢脆断裂。力腐蚀断裂和氢脆断裂。 (5)按微观断裂机制分类按微观断裂机制分类 a.解理断裂解理断裂 在正应力在正应力(拉力拉力)作用下，裂纹沿特定的结晶学平面扩作用下，裂纹沿特定的结晶学平面扩展而导致的穿晶脆断，但有时也可沿滑移面或孪晶界分离。展而导致的穿晶脆断，但有时也可沿滑移面或孪晶界分离。 b. 韧窝断裂韧窝断裂 在外力作用下因微孔聚集相互连通而造成的断裂。在外力作用下因微孔聚集相互连通而造成的断裂。 c. 疲劳断裂疲劳断裂 在交变应力作用下以疲劳辉纹为标志的断裂。在交变应力作用下以疲劳辉纹为标志的断裂。 d. 蠕变断裂蠕变断裂 材料在一定温度下，恒载经一定时间后产生累进式材料在一定温度下，恒载经一定时间后产生累进式形变而导致的断裂。形变而导致的断裂。 e.结合力弱化断裂结合力弱化断裂 裂纹沿着出于各种原因而引起的结合力弱化裂纹沿着出于各种原因而引起的结合力弱化所造成的脆弱区域扩展而形成的断裂。所造成的脆弱区域扩展而形成的断裂。2、韧性断裂、韧性断裂 在构件断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为在构件断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂。韧性断裂。1)韧性断裂特征韧性断裂特征 韧性断裂是一个韧性断裂是一个缓慢的断裂过程缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹成长，塑性变形与裂纹成长同时进行。裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢，材料在断裂同时进行。裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢，材料在断裂过程中需要过程中需要不断消耗相当多的能量不断消耗相当多的能量。随着塑性变形的不断增加，。随着塑性变形的不断增加，承载截面积减小，至材料承受的载荷超过了强度极限承载截面积减小，至材料承受的载荷超过了强度极限b时，时，裂纹扩展达到临界长度，发生韧性断裂。裂纹扩展达到临界长度，发生韧性断裂。韧性断裂有两种类型：韧性断裂有两种类型：一种是一种是宏观断面取向与最大正应力相垂宏观断面取向与最大正应力相垂直的直的正断型断裂，又称平面断裂正断型断裂，又称平面断裂，这种断裂出现在形变约束较，这种断裂出现在形变约束较大的场合，如大的场合，如平面应变平面应变条件下的断裂；条件下的断裂；另一种是另一种是宏观断面取向宏观断面取向与最大切应力方向相一致的切断，即与最大正应力约呈与最大切应力方向相一致的切断，即与最大正应力约呈45角，角，又称又称斜断裂斜断裂，这种断裂出现在滑移形变不受约束或，这种断裂出现在滑移形变不受约束或约束较小约束较小的的情况，如情况，如平面应力平面应力条件下的断裂。条件下的断裂。工程构件最常出现的两种韧性断裂宏现形貌工程构件最常出现的两种韧性断裂宏现形貌2）韧性断裂的断口形貌）韧性断裂的断口形貌 (1)韧性断裂断口宏现形貌韧性断裂断口宏现形貌 在直径大的圆棒钢试样新断裂的金属灰色断口上能观察到在直径大的圆棒钢试样新断裂的金属灰色断口上能观察到三个区：三个区：凹凸不平暗灰色且无光泽的凹凸不平暗灰色且无光泽的纤维区纤维区、放射线纹理的灰、放射线纹理的灰色有光色有光放射区放射区及平滑丝光的亮灰色及平滑丝光的亮灰色剪切唇区剪切唇区。 纤维区纤维区是材料内部处在是材料内部处在平面应变三向应力平面应变三向应力作用下启裂，在试样中作用下启裂，在试样中心形成很多小裂纹及裂纹缓慢扩展而形成的。纤维区外显示出平行于心形成很多小裂纹及裂纹缓慢扩展而形成的。纤维区外显示出平行于裂纹扩展的放射线状的纹理，这是裂纹扩展的放射线状的纹理，这是中心裂纹向四周放射状快速扩展的中心裂纹向四周放射状快速扩展的结果，结果，该区称为该区称为放射区放射区。当裂纹快速扩展到试样表面附近时，由于试。当裂纹快速扩展到试样表面附近时，由于试样剩余厚度很小，故变为样剩余厚度很小，故变为平面应力状态平面应力状态，从而剩余的外围部分剪切断，从而剩余的外围部分剪切断裂。断裂面沿最大切应力面和拉伸轴成裂。断裂面沿最大切应力面和拉伸轴成45。角，此区称为角，此区称为剪切唇区剪切唇区。 从韧性断裂宏观形貌三区的特征从韧性断裂宏观形貌三区的特征可分析断口的类型、断裂的可分析断口的类型、断裂的方式及性质方式及性质，有助于判断失效的机理及找出失效的原因。根据，有助于判断失效的机理及找出失效的原因。根据纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初步纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初步评价材评价材料的性能料的性能。如纤维区较大，材料的塑性和韧性比较好；如放射如纤维区较大，材料的塑性和韧性比较好；如放射区比较大，则材料的塑性降低，而脆性增大区比较大，则材料的塑性降低，而脆性增大。(2)韧性断裂断口微观形貌韧性断裂断口微观形貌 a.韧窝韧窝 韧性断裂断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心韧性断裂断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心常有夹杂物或第二相质点。常有夹杂物或第二相质点。 韧窝的分类。韧窝的分类。根据受力状态的不同，通常可以出现三种不根据受力状态的不同，通常可以出现三种不同形态的韧窝。同形态的韧窝。 等轴韧窝等轴韧窝 在在正应力正应力(即垂直于断面的最大主应力即垂直于断面的最大主应力)的均匀作用的均匀作用下，显微孔洞沿空间下，显微孔洞沿空间三个方向上的长大速度相同三个方向上的长大速度相同，因而形成等，因而形成等轴韧窝。拉伸试样断口的杯形底部和锥形顶部就是由等轴韧窝轴韧窝。拉伸试样断口的杯形底部和锥形顶部就是由等轴韧窝组成的。组成的。剪切韧窝剪切韧窝 在在切应力切应力(平行于断面的最大切应力平行于断面的最大切应力)的作用下、塑的作用下、塑性变形使显微孔洞沿切应力方向的长大速度达到最大，同时，性变形使显微孔洞沿切应力方向的长大速度达到最大，同时，显微孔被拉长，显微孔被拉长，形成抛物线状或半椭圆状的韧窝形成抛物线状或半椭圆状的韧窝，这时两个匹，这时两个匹配面上的韧窝朝着配面上的韧窝朝着相反方向相反方向，这种韧窝称为剪切韧窝。剪切韧，这种韧窝称为剪切韧窝。剪切韧窝通常出现在拉伸断口的窝通常出现在拉伸断口的剪切唇区剪切唇区。撕裂韧窝撕裂韧窝 撕裂应力撕裂应力作用下出现作用下出现伸长的或呈抛物线伸长的或呈抛物线状的韧窝。状的韧窝。此时两个匹配面上的韧窝朝着此时两个匹配面上的韧窝朝着相同的方向相同的方向，这种韧窝称为撕，这种韧窝称为撕裂韧窝。撕裂韧窝的方向指向裂纹源，而其反方向则是裂纹裂韧窝。撕裂韧窝的方向指向裂纹源，而其反方向则是裂纹的扩展方向。撕裂韧窝与剪切韧窝在形貌上没有什么不同，的扩展方向。撕裂韧窝与剪切韧窝在形貌上没有什么不同，大多是长形、抛物线状。只是在对应的两个断面上，其抛物大多是长形、抛物线状。只是在对应的两个断面上，其抛物线韧窝的方向不同，对剪切韧窝凸向相反，对撕裂韧窝凸向线韧窝的方向不同，对剪切韧窝凸向相反，对撕裂韧窝凸向相同。相同。等轴韧窝与拉长韧窝的电子断口形貌等轴韧窝与拉长韧窝的电子断口形貌 韧窝的大小和深浅韧窝的大小和深浅，决决定于材料断裂时微孔的核定于材料断裂时微孔的核心数量和材料本身的相对心数量和材料本身的相对塑性塑性，如果微孔的核心数，如果微孔的核心数量很多或材料的相对塑性量很多或材料的相对塑性较低，则韧窝的尺寸较小较低，则韧窝的尺寸较小或较浅；反之，韧窝的尺或较浅；反之，韧窝的尺寸较大或较深。寸较大或较深。通常韧窝通常韧窝越大越深，材料的塑性越越大越深，材料的塑性越好。好。韧窝尺寸与夹杂物的韧窝尺寸与夹杂物的大小直接相关，而正当夹大小直接相关，而正当夹杂物呈圆颗粒时，韧窝呈杂物呈圆颗粒时，韧窝呈等轴状，当夹杂物呈条状等轴状，当夹杂物呈条状时，韧窝也呈长条形。时，韧窝也呈长条形。 韧窝数量的多少取决于显微孔洞数目的多少。韧窝数量的多少取决于显微孔洞数目的多少。当材料含有较当材料含有较多的第二相质点或夹杂物时，则在形成韧窝过程中，第二相质多的第二相质点或夹杂物时，则在形成韧窝过程中，第二相质点或夹杂物往往存在于韧窝底部，形成的韧窝数量较多，而且点或夹杂物往往存在于韧窝底部，形成的韧窝数量较多，而且较小。较小。 b蛇行花样蛇行花样 在某些金属材料中，尤其是杂质、缺陷少的金在某些金属材料中，尤其是杂质、缺陷少的金属材料，在较大的塑性变形后，沿滑移面剪切分离，属材料，在较大的塑性变形后，沿滑移面剪切分离，因位向不因位向不同的晶粒之间的相互约束和牵制，同的晶粒之间的相互约束和牵制，不可能仅仅沿某一个滑移面不可能仅仅沿某一个滑移面滑移，而是沿着许多相互交叉的滑移面滑移。滑移，而是沿着许多相互交叉的滑移面滑移。形成起伏弯曲的形成起伏弯曲的条纹形貌，一般称为条纹形貌，一般称为“蛇行花样蛇行花样”。3）产生韧性断裂的影咱因素及防止措施）产生韧性断裂的影咱因素及防止措施 韧性断裂的韧性断裂的原因原因多是各种影响因素造成的材料强度不足，多是各种影响因素造成的材料强度不足，如构件受到较大的载荷或过载、局部应力集中等。如构件受到较大的载荷或过载、局部应力集中等。预防的措预防的措施如下：施如下： 设计时充分考虑构件的承载能力，在可能的情况下设设计时充分考虑构件的承载能力，在可能的情况下设计变形限位装置或者增加变形保护系统等，尽可能使塑性变计变形限位装置或者增加变形保护系统等，尽可能使塑性变形不要发展为断裂。形不要发展为断裂。 操作时保持仪表完好的状态，准确显示操作工况。操作时保持仪表完好的状态，准确显示操作工况。 严格遵守操作规程，严禁超载、超温、超速等。严格遵守操作规程，严禁超载、超温、超速等。 随时注意有无异常变形。随时注意有无异常变形。 定期测厚，尤其有腐蚀、高温氧化等引起壁厚减薄的工定期测厚，尤其有腐蚀、高温氧化等引起壁厚减薄的工况。况。3、脆性断裂、脆性断裂(1)脆性断裂的特征脆性断裂的特征 脆性断裂时工作应力是不高的，往往低于材料的屈服点，脆性断裂时工作应力是不高的，往往低于材料的屈服点，甚至低于设计时的许用应力。甚至低于设计时的许用应力。中、低强度钢的脆性断中、低强度钢的脆性断裂一般是在裂一般是在比较低的温度比较低的温度下发生的下发生的，因此人们也把，因此人们也把脆性断裂叫做脆性断裂叫做“低温脆性低温脆性断裂断裂”。与面心立方金属与面心立方金属比较，体心立方金属随温比较，体心立方金属随温度的下降，塑性将明显下度的下降，塑性将明显下降，屈服应力升高。降，屈服应力升高。 脆性断裂是从金属构件内部存在的脆性断裂是从金属构件内部存在的裂纹作为裂纹源裂纹作为裂纹源而开始的。而开始的。 脆性断裂通常在脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现体心立方和密排六方金属材料中出现，而面，而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。 脆性断裂一般脆性断裂一般沿低指数晶面沿低指数晶面穿晶解理，穿晶解理，解理是金属在正应力解理是金属在正应力的作用下沿解理面发生的一种低能断裂的作用下沿解理面发生的一种低能断裂。由于解理是通过破坏。由于解理是通过破坏原子间的接合力来实现的，而原子间的接合力来实现的，而密排面之间的原子间隙最大密排面之间的原子间隙最大，接，接合力最弱，故绝大多数解理面是原子密排面。合力最弱，故绝大多数解理面是原子密排面。(2)脆性断裂的断口形貌脆性断裂的断口形貌a断口的宏现形貌断口的宏现形貌 小刻面小刻面 脆性解理断裂的断口是平滑明亮结晶状的。脆性解理断裂的断口是平滑明亮结晶状的。人字条纹或山形条纹人字条纹或山形条纹 脆性解理断口还脆性解理断口还具有另一特殊的宏观形貌特征，即具有另一特殊的宏观形貌特征，即从从断裂源点形成断裂源点形成“人字条纹人字条纹“或或“山形山形条纹条纹” 。随着裂纹的发展，人字条纹。随着裂纹的发展，人字条纹或山形条纹变粗。或山形条纹变粗。因而根据断口人字因而根据断口人字条纹或山形条纹的图形可以判断脆性条纹或山形条纹的图形可以判断脆性断裂的裂纹扩展方向和寻找断裂起源断裂的裂纹扩展方向和寻找断裂起源点。点。人字条纹或山形条纹从细变租的人字条纹或山形条纹从细变租的方向为裂纹扩展的方向；相反的方向，方向为裂纹扩展的方向；相反的方向，指向裂纹起源点。这个判断方法对于指向裂纹起源点。这个判断方法对于寻找脆性断裂源，从而正确分析失效寻找脆性断裂源，从而正确分析失效原因是有实际意义的。原因是有实际意义的。 实例实例，美国顺纳德球形储氢压力容器，美国顺纳德球形储氢压力容器(直径直径11.7m)爆炸成为爆炸成为20个个碎片，断口呈人字条纹，脆性断裂总长达碎片，断口呈人字条纹，脆性断裂总长达198m。失效分析工作。失效分析工作者将者将20个碎片拼合，根据断口人字条纹矢形方向汇集到清扫孔个碎片拼合，根据断口人字条纹矢形方向汇集到清扫孔A、B、C处从而断定裂纹源于清扫孔处。处从而断定裂纹源于清扫孔处。 b断口的微观形貌断口的微观形貌 河流花样河流花样 实际上是断裂面上的微小解理台阶在图像上的表现，实际上是断裂面上的微小解理台阶在图像上的表现，河流条纹就是相当于各个解理河流条纹就是相当于各个解理平面的交割。平面的交割。河流条纹的流向也河流条纹的流向也是裂纹扩展的方向，河流的上游是裂纹扩展的方向，河流的上游(即河流分叉方向即河流分叉方向)是裂纹源。是裂纹源。舌状花样舌状花样 当材料的脆性大、温度低，临界变形困难，晶体当材料的脆性大、温度低，临界变形困难，晶体变形以形变孪晶方式进行。变形以形变孪晶方式进行。其他花样其他花样 有羽毛花样、青鱼骨状花样及瓦纳线花样。有羽毛花样、青鱼骨状花样及瓦纳线花样。 (3)脆性断裂的影响因素脆性断裂的影响因素 a应力状态与缺口效应应力状态与缺口效应 应力状态是指构件内应力的类型、应力状态是指构件内应力的类型、分布、大小和方向。不同的应力状态对脆性断裂有不同的影响，分布、大小和方向。不同的应力状态对脆性断裂有不同的影响，如最大拉伸应力和最大切应力对形变和断裂起不同的作用。如最大拉伸应力和最大切应力对形变和断裂起不同的作用。最最大切应力促进塑性滑移的发展大切应力促进塑性滑移的发展，是位错移动的推动力，它对形，是位错移动的推动力，它对形变和断裂的发生及发展过程都产生影响；变和断裂的发生及发展过程都产生影响；而最大拉伸应力则只而最大拉伸应力则只促进脆性裂纹的扩展促进脆性裂纹的扩展。因此，最大拉应力与最大切应力的比值因此，最大拉应力与最大切应力的比值越大，构件失效脆性断裂可能性越大，在三向拉伸应力状态下越大，构件失效脆性断裂可能性越大，在三向拉伸应力状态下比值最大，极易导致脆性断裂。比值最大，极易导致脆性断裂。 在实际金属构件中，常见由于在实际金属构件中，常见由于应力分布不均匀而造成三向应力分布不均匀而造成三向应力状态应力状态，如构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、，如构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀痕、尖锐缺口尖端处往往由应力集中而引起应力不均匀分布，刀痕、尖锐缺口尖端处往往由应力集中而引起应力不均匀分布，周围区域为了保持变形协调，便对高应力区以约束，即造成三周围区域为了保持变形协调，便对高应力区以约束，即造成三向拉伸应力状态。向拉伸应力状态。这是造成金属构件在静态低负荷下产生脆性这是造成金属构件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。断裂的重要原因。b温度温度 低温下造成构件的脆性断裂是由于温度的改变而引低温下造成构件的脆性断裂是由于温度的改变而引起材料本身的性能变化。随着温度的降低，钢的屈服应力增加，起材料本身的性能变化。随着温度的降低，钢的屈服应力增加，韧性下降，解理应力也随着下降。当温度在材料脆件转变温度韧性下降，解理应力也随着下降。当温度在材料脆件转变温度以下时，材料的解理应力小于其屈服应力，材料的断裂由原来以下时，材料的解理应力小于其屈服应力，材料的断裂由原来的正常韧性断裂转为脆性断裂。的正常韧性断裂转为脆性断裂。c尺寸效应尺寸效应 随着钢板厚度的增加，脆性转变温度升高。钢随着钢板厚度的增加，脆性转变温度升高。钢件的缺口脆性增加；关于板厚的脆化原因一般认为与件的缺口脆性增加；关于板厚的脆化原因一般认为与冶金质量冶金质量和应力状态有关。和应力状态有关。d 焊接质量焊接质量 焊接缺陷一般有夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹焊接缺陷一般有夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹等，而其中焊接裂纹的存在对焊接构件的断裂起着重要作用。等，而其中焊接裂纹的存在对焊接构件的断裂起着重要作用。e工作介质工作介质 金属构件在腐蚀介质中，受应力金属构件在腐蚀介质中，受应力(尤其拉应力尤其拉应力)作用，同时又有电化学腐蚀时，极易导致早期脆性断裂。作用，同时又有电化学腐蚀时，极易导致早期脆性断裂。f材料和组织因素材料和组织因素 脆性材料、劣等冶金质量、有氢脆倾向脆性材料、劣等冶金质量、有氢脆倾向的材料以及缺口敏感性大的钢种都能促使发生脆性断裂；不的材料以及缺口敏感性大的钢种都能促使发生脆性断裂；不良热处理产生脆性组织状态，如组织偏析、脆性相析出、晶良热处理产生脆性组织状态，如组织偏析、脆性相析出、晶间脆性析出物、淬火裂纹、淬火后消除应力处理不及时或不间脆性析出物、淬火裂纹、淬火后消除应力处理不及时或不充分等也能促进脆性断裂的发生。充分等也能促进脆性断裂的发生。 (4)预防脆性断裂的途径预防脆性断裂的途径温度温度是引起构件脆断的重要因素之一，是引起构件脆断的重要因素之一，设计者必须考虑构件设计者必须考虑构件的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度。若所设计的构件。若所设计的构件工作温度较低，甚至低于该材料的脆性转变温度，则必须降低工作温度较低，甚至低于该材料的脆性转变温度，则必须降低设计应力水平，使应力低于不会发生裂纹扩展的水平；若其设设计应力水平，使应力低于不会发生裂纹扩展的水平；若其设计应力不能降低，则应更换材料。选择韧性更高、脆性转变温计应力不能降低，则应更换材料。选择韧性更高、脆性转变温度更低的材料。度更低的材料。设计者在设计者在选择材料选择材料时，除考虑材料的强度外，还应保证材料时，除考虑材料的强度外，还应保证材料有足够的韧性。应该从断裂力学的观点来选择材料，若材料有有足够的韧性。应该从断裂力学的观点来选择材料，若材料有较高的断裂韧性较高的断裂韧性时，则构件中允许有较大的缺陷存在。时，则构件中允许有较大的缺陷存在。为减少构件脆性断裂，在为减少构件脆性断裂，在设计设计时应使由缺陷所产生的时应使由缺陷所产生的应应力集中减小力集中减小到最低限度；如减少尖锐角；消除未焊透的焊到最低限度；如减少尖锐角；消除未焊透的焊缝；结构设计时应尽量保证结构几何尺寸的连续性缝；结构设计时应尽量保证结构几何尺寸的连续性(因为在因为在结构不连续的过渡部位往往使构件应力集中而形成高应力结构不连续的过渡部位往往使构件应力集中而形成高应力区区)；过渡段的连接应采用正确的焊接方法。；过渡段的连接应采用正确的焊接方法。 尽量尽量减少由焊接产生的缺陷减少由焊接产生的缺陷。这种设计包括选择适当的。这种设计包括选择适当的焊缝金属缺口韧性，焊接预热和焊后的热处理制度，适当焊缝金属缺口韧性，焊接预热和焊后的热处理制度，适当设计焊接条件以减少缺陷。设计焊接条件以减少缺陷。4、疲劳断裂、疲劳断裂 金属构件在交变载荷的作用下，虽然应力水平金属构件在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于金属材低于金属材料的抗拉强度，有时甚至低于屈服极限料的抗拉强度，有时甚至低于屈服极限，但经过一定的循环周，但经过一定的循环周期后，金属构件会发生突然的断裂，这种断裂称为疲劳断裂。期后，金属构件会发生突然的断裂，这种断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂是脆性断裂的一种形式。疲劳断裂是脆性断裂的一种形式。(1)疲劳断裂的现象及特征疲劳断裂的现象及特征疲劳负荷是交变负荷。疲劳负荷是交变负荷。 金属构件在交变负荷作用下，金属构件在交变负荷作用下，一一 次应力循环对构件不产生明显次应力循环对构件不产生明显的破坏作用，不足以使构件发生的破坏作用，不足以使构件发生断裂。断裂。构件疲劳断裂是在负荷经构件疲劳断裂是在负荷经多次循环以后才发生的，高周疲多次循环以后才发生的，高周疲劳断裂的循环次数劳断裂的循环次数Nf104，而低，而低周疲劳断裂的循环次数较少，一周疲劳断裂的循环次数较少，一般般Nf102104。疲劳断裂应力还。疲劳断裂应力还小于抗拉强度小于抗拉强度b b，其至也小于，其至也小于屈服点屈服点s s。高周疲劳断裂应力高周疲劳断裂应力水平，一般水平，一般f f s s，也称低应，也称低应力疲劳；而低周疲劳断裂应力水力疲劳；而低周疲劳断裂应力水平较高，一般平较高，一般f f s s ，往往，往往有塑性应变发生，也称高应力疲有塑性应变发生，也称高应力疲劳或应变疲劳。劳或应变疲劳。疲劳断裂只可能在有使材料分离扯开的反复拉伸应力和反复疲劳断裂只可能在有使材料分离扯开的反复拉伸应力和反复切应力的情况下出现。切应力的情况下出现。纯压缩负荷不会出现疲劳断裂，疲劳起纯压缩负荷不会出现疲劳断裂，疲劳起源点往往出现在最大拉应力处。源点往往出现在最大拉应力处。疲劳断裂过程包括疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展和瞬时疲劳断裂过程包括疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段。断裂三个阶段。 疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生 大量研究表明，疲劳裂纹都大量研究表明，疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移裂引起的，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷，工艺缺陷等类冶金缺陷，工艺缺陷等。金属。金属构件由于受到交变负荷的作用，构件由于受到交变负荷的作用，金属表面晶体在平行于最大切应金属表面晶体在平行于最大切应力平面上产生无拘束相对滑移，力平面上产生无拘束相对滑移，产生了一种复杂的表面状态，常产生了一种复杂的表面状态，常称为表面的称为表面的“挤出。和挤出。和“挤入挤入”现象，形成了滑移带，当金属表现象，形成了滑移带，当金属表面的滑移带形成尖锐而狭窄的缺面的滑移带形成尖锐而狭窄的缺口时，便产生疲劳裂纹的裂纹源。口时，便产生疲劳裂纹的裂纹源。疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹扩展的第一阶段为切向扩展阶段疲劳裂纹扩展的第一阶段为切向扩展阶段。裂纹尖端将沿着与拉。裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈伸轴呈45方向的滑移面扩展。方向的滑移面扩展。 疲劳裂纹扩展的第二阶段为正向扩展阶段疲劳裂纹扩展的第二阶段为正向扩展阶段。在交变应力作用下，。在交变应力作用下，疲劳裂纹从原来与拉伸轴呈疲劳裂纹从原来与拉伸轴呈45的滑移面，发展到与拉伸轴呈的滑移面，发展到与拉伸轴呈90，即，即由平面应力状态转变为平面应变状态，这一阶段中最突出的显微特征由平面应力状态转变为平面应变状态，这一阶段中最突出的显微特征是存在着是存在着大量的、相互平行的条纹，称为大量的、相互平行的条纹，称为“疲劳辉纹疲劳辉纹”。 瞬时断裂瞬时断裂 疲劳裂纹在第二阶段扩展疲劳裂纹在第二阶段扩展到一定深度后，由于剩余工作到一定深度后，由于剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展。纹加速扩展。当剩余面积小到当剩余面积小到不足以承受负荷时，在交变应不足以承受负荷时，在交变应力作用下，即发生突然的瞬时力作用下，即发生突然的瞬时断裂，断裂，其断裂过程同单调加裁其断裂过程同单调加裁的情形相似。的情形相似。 疲劳断裂与其他一次负荷疲劳断裂与其他一次负荷断裂有所区别，它是一种断裂有所区别，它是一种累进累进式断裂。式断裂。 即使是塑性良好的合金钢或即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断裂构件断口附铝合金，疲劳断裂构件断口附近通常也观察不到宏观的塑性近通常也观察不到宏观的塑性变形。变形。(2)疲劳断裂的断裂形貌疲劳断裂的断裂形貌a断口的宏观形貌断口的宏观形貌 疲劳裂纹起源区疲劳裂纹起源区 即为疲劳裂纹萌生区。这个区域在整个疲劳断口中即为疲劳裂纹萌生区。这个区域在整个疲劳断口中所所占的比例很小占的比例很小。通常就是指断面上。通常就是指断面上疲劳花样放射源的中心点或疲劳疲劳花样放射源的中心点或疲劳弧线的曲率中心点弧线的曲率中心点。疲劳裂纹源一般位于构件表面应力集中处或不同。疲劳裂纹源一般位于构件表面应力集中处或不同类型的缺陷部位。一般情况下，一个疲劳断口有一个疲劳源。类型的缺陷部位。一般情况下，一个疲劳断口有一个疲劳源。 疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区 在此区中常可看到有如波浪推赶海岸沙滩而形成的在此区中常可看到有如波浪推赶海岸沙滩而形成的“沙滩花样沙滩花样”，又称，又称“贝壳状条纹贝壳状条纹”、“疲劳弧带疲劳弧带”等等，这种沙滩花，这种沙滩花样是疲劳裂纹样是疲劳裂纹前沿线间断扩展的痕迹，每一条条带的边界是疲劳裂纹前沿线间断扩展的痕迹，每一条条带的边界是疲劳裂纹在某一个时间的推进位置，在某一个时间的推进位置，沙滩花样是由于裂纹扩展时受到障碍，时沙滩花样是由于裂纹扩展时受到障碍，时而扩展、时而停止，或由于开车停车、加速减速、加载卸载导致负荷而扩展、时而停止，或由于开车停车、加速减速、加载卸载导致负荷周期性突变而产生的。周期性突变而产生的。 疲劳裂纹扩展区是在一个相当长时间内，在交变负荷作用下裂疲劳裂纹扩展区是在一个相当长时间内，在交变负荷作用下裂纹扩展的结果。纹扩展的结果。拉应力使裂纹扩张，压应力使裂纹闭合拉应力使裂纹扩张，压应力使裂纹闭合(或大小或大小应力使裂纹张合应力使裂纹张合)，裂纹两侧反复张合，使得疲劳裂纹扩展区在，裂纹两侧反复张合，使得疲劳裂纹扩展区在客观上是一个客观上是一个明亮的磨光区，越接近疲劳起源点越光滑明亮的磨光区，越接近疲劳起源点越光滑。如果。如果在宏观上观察到沙滩花样时，就可判别这个断口是疲劳断裂。在宏观上观察到沙滩花样时，就可判别这个断口是疲劳断裂。多源疲劳的裂纹扩展区，各个裂源不一定在一个平面上，随着多源疲劳的裂纹扩展区，各个裂源不一定在一个平面上，随着裂纹扩展被此相连时，同的平面间的连接处形成疲劳台阶或折裂纹扩展被此相连时，同的平面间的连接处形成疲劳台阶或折纹。纹。疲劳台阶越多，表示其应力或应力集中越大。疲劳台阶越多，表示其应力或应力集中越大。最终断裂区最终断裂区 当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，构件承载截面减小至强构件承载截面减小至强度不足引起瞬时断裂，该瞬时断裂区域是最终断裂区度不足引起瞬时断裂，该瞬时断裂区域是最终断裂区。最终断裂区的。最终断裂区的断口形貌较多呈现断口形貌较多呈现宏观的脆性断裂特征宏观的脆性断裂特征，即粗糙，即粗糙“晶粒晶粒”状结构，其状结构，其断口与主应力基本垂直。只有当材料的塑性很大时，最终断裂区才具断口与主应力基本垂直。只有当材料的塑性很大时，最终断裂区才具有纤维状的结构，并出现较大的有纤维状的结构，并出现较大的45剪切唇区。剪切唇区。从一个疲劳断口的宏观特征，能够判断以下几个问题：从一个疲劳断口的宏观特征，能够判断以下几个问题：i判断疲劳起源点及裂纹扩展方向。判断疲劳起源点及裂纹扩展方向。 可以在条纹稠密处、条纹曲率半径最小的地方寻找疲劳裂可以在条纹稠密处、条纹曲率半径最小的地方寻找疲劳裂纹起源点。纹起源点。疲劳裂纹起源点可能在构件表面上，也可能在构件疲劳裂纹起源点可能在构件表面上，也可能在构件的亚表面处或零件的心部。的亚表面处或零件的心部。如果如果疲劳裂纹起源点在构件的表面疲劳裂纹起源点在构件的表面上，那么应当从构件表面质量和表面应力状态及工作介质等方上，那么应当从构件表面质量和表面应力状态及工作介质等方面去查明疲劳断裂的原因；面去查明疲劳断裂的原因；如果如果疲劳裂纹起源点处于亚表面上，疲劳裂纹起源点处于亚表面上，则应考虑亚表面是否有拉应力峰值或表面热处理的过渡层质量则应考虑亚表面是否有拉应力峰值或表面热处理的过渡层质量问题，或其他材质缺陷；问题，或其他材质缺陷；如果如果疲劳裂纹起源点落于构件内部，疲劳裂纹起源点落于构件内部，则疲劳断裂多半是材料内部质量则疲劳断裂多半是材料内部质量(夹杂物、内裂纹等夹杂物、内裂纹等)所引起的。所引起的。 最初疲劳源区相对于其他疲劳源区所承受的应力较小。最初疲劳源区相对于其他疲劳源区所承受的应力较小。裂纹扩展速率较慢，经历交变负荷作用的时间长裂纹扩展速率较慢，经历交变负荷作用的时间长(摩擦次数多摩擦次数多)。因此没有台阶，疲劳裂纹密度大，且密度越大起源的时间越因此没有台阶，疲劳裂纹密度大，且密度越大起源的时间越早，同时比较光泽明亮。早，同时比较光泽明亮。 沙滩花样从疲劳裂纹起源点向最终断裂区放射的方向就沙滩花样从疲劳裂纹起源点向最终断裂区放射的方向就是疲劳裂纹扩展的方向。是疲劳裂纹扩展的方向。 判断应力大小。判断应力大小。如果如果最终断裂区在断裂构件的中心，那么疲劳最终断裂区在断裂构件的中心，那么疲劳断裂应力等级是很高的，名义应力可能超过疲劳极限的断裂应力等级是很高的，名义应力可能超过疲劳极限的 30100，断裂循环次数大约不超过，断裂循环次数大约不超过3105周次；周次；如果如果最终断裂最终断裂区在构件的表面或接近于表面，那么引起疲劳断裂的实际应力区在构件的表面或接近于表面，那么引起疲劳断裂的实际应力可能高出疲劳极限不多，最多高出可能高出疲劳极限不多，最多高出10左右，构件可能是经历左右，构件可能是经历了几百万周次循环后才断裂。了几百万周次循环后才断裂。 最终断裂面所占断口面积的比例反映应力数值的大小，最终断裂面所占断口面积的比例反映应力数值的大小，最最终断裂面的面积大，则应力大；反之则应力小。终断裂面的面积大，则应力大；反之则应力小。 材料的缺口敏感性常常影响疲劳断裂的断口形态。材料的缺口敏感性常常影响疲劳断裂的断口形态。若材料对若材料对缺口不敏感缺口不敏感，则疲劳条纹绕着裂纹源或为向外凸起的同心圆状；，则疲劳条纹绕着裂纹源或为向外凸起的同心圆状；若材料对缺口敏感若材料对缺口敏感，则疲劳条纹绕着裂源开始较为平坦，向前，则疲劳条纹绕着裂源开始较为平坦，向前扩展一定距离后即以反弧形向前扩展。扩展一定距离后即以反弧形向前扩展。 判断负荷类型。判断负荷类型。b断口的微观形貌断口的微观形貌疲劳辉纹具有以下的几个特征：疲劳辉纹具有以下的几个特征：疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状。状。并与裂纹微观扩展方向相垂直。并与裂纹微观扩展方向相垂直。裂纹的扩展方向均朝向波裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧。纹凸出的一侧。辉纹的间距辉纹的间距(每两条相邻疲劳条纹之间的距离每两条相邻疲劳条纹之间的距离)在很大程度上与外加交变负荷的大小有关，条纹的清晰度则取在很大程度上与外加交变负荷的大小有关，条纹的清晰度则取决于材料的韧性。决于材料的韧性。因此，高应力水平比接近疲劳极限应力下更因此，高应力水平比接近疲劳极限应力下更易观察到疲劳辉纹；高强钢疲劳就不如铝合金疲劳那样容易观易观察到疲劳辉纹；高强钢疲劳就不如铝合金疲劳那样容易观察到疲劳辉纹。察到疲劳辉纹。 每一条疲劳辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿线在前进过每一条疲劳辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿线在前进过程中的瞬时微观位置。程中的瞬时微观位置。裂纹三阶段有不同的微观特征：疲劳起裂纹三阶段有不同的微观特征：疲劳起源部位由很多细滑移线组成，以后形成致密的条纹，源部位由很多细滑移线组成，以后形成致密的条纹，随着裂纹随着裂纹的扩展，应力逐渐增加，疲劳条纹的间距也随之增加。的扩展，应力逐渐增加，疲劳条纹的间距也随之增加。 疲劳辉纹可分为疲劳辉纹可分为韧性辉纹韧性辉纹和和脆性辉纹脆性辉纹两类。两类。脆性疲劳辉纹脆性疲劳辉纹的形成与的形成与裂纹扩展中沿某些裂纹扩展中沿某些解理面发生解理有关解理面发生解理有关，在疲劳辉纹上可以看到把疲，在疲劳辉纹上可以看到把疲劳辉纹切割成一段段的解理台阶，因此，劳辉纹切割成一段段的解理台阶，因此，脆性疲劳辉纹的间距呈不均脆性疲劳辉纹的间距呈不均匀，断断续续的，脆性疲劳辉纹一般不常见匀，断断续续的，脆性疲劳辉纹一般不常见。韧性疲劳辉纹较为常见，。韧性疲劳辉纹较为常见，它的形成与材料的结晶学之间无明显关系，有较大塑性变形，疲劳辉它的形成与材料的结晶学之间无明显关系，有较大塑性变形，疲劳辉纹的间距均匀规则。纹的间距均匀规则。图图3-38 韧性和脆性疲劳辉纹韧性和脆性疲劳辉纹 疲劳断口的微观范疲劳断口的微观范围内，通常由许多大围内，通常由许多大小不同、高低不同的小不同、高低不同的小断片组成。小断片组成。疲劳辉疲劳辉纹均匀分布在断片上，纹均匀分布在断片上，每一小断片上的疲劳每一小断片上的疲劳辉纹连续且相互平行辉纹连续且相互平行分布，但相邻断片上分布，但相邻断片上的疲劳辉纹是不连续、的疲劳辉纹是不连续、不平行的。不平行的。图图3-39 疲劳辉纹与小断片示意图疲劳辉纹与小断片示意图疲劳辉纹中每一条辉纹一般代表一次裁荷循环，辉纹的数目疲劳辉纹中每一条辉纹一般代表一次裁荷循环，辉纹的数目与载荷循环次数相等。与载荷循环次数相等。轮胎压痕花样轮胎压痕花样 它是由于疲劳断口的两个匹配断面之间重复冲它是由于疲劳断口的两个匹配断面之间重复冲击和相互运动所形成的击和相互运动所形成的机械损伤机械损伤，也可能是由于松动的自由粒，也可能是由于松动的自由粒子子(硬质点硬质点)在匹配断裂面上作用留下的在匹配断裂面上作用留下的微观变形痕迹微观变形痕迹。轮胎压轮胎压痕花祥不是疲劳本身的形态，但却是疲劳断裂的一个表征。痕花祥不是疲劳本身的形态，但却是疲劳断裂的一个表征。(3)影响疲劳断裂的因素及其改善的途径影响疲劳断裂的因素及其改善的途径a构件表面状态构件表面状态 大量疲劳失效分析表明，大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂多数起源于构件的表面疲劳断裂多数起源于构件的表面或亚表面或亚表面，这是由于承受交变载荷的构件工作时其表面应力往，这是由于承受交变载荷的构件工作时其表面应力往往较高，典型的是弯曲疲劳构件表面拉应力最大，加上各类工往较高，典型的是弯曲疲劳构件表面拉应力最大，加上各类工艺程序难以确保表面加工质量而造成的。因此，凡是制造工艺艺程序难以确保表面加工质量而造成的。因此，凡是制造工艺过程中产生过程中产生预生裂纹预生裂纹(如淬火裂纹如淬火裂纹)、尖锐缺口尖锐缺口(如表面祖糙度不如表面祖糙度不符合要求，有加工刀痕等符合要求，有加工刀痕等)和和任何削弱表面强度的弊病任何削弱表面强度的弊病(如表面如表面氧化、脱碳等氧化、脱碳等)都将严重地影响构件的疲劳寿命。而且，都将严重地影响构件的疲劳寿命。而且，材料材料的强度越高，则表面状态对疲劳的影内也越大。的强度越高，则表面状态对疲劳的影内也越大。 b缺口效应与应力集中缺口效应与应力集中 许多构件包含有缺口、螺纹、孔洞、许多构件包含有缺口、螺纹、孔洞、台阶以及与其相类似的表面几何形状，也可能有刀痕、机械划台阶以及与其相类似的表面几何形状，也可能有刀痕、机械划伤等表面缺陷，这些部位使表面应力提高和形成应力集中区，伤等表面缺陷，这些部位使表面应力提高和形成应力集中区，且往往成为疲劳断裂的起源。且往往成为疲劳断裂的起源。c 残余应力残余应力 如果构件表面存在着残余拉应力，对疲劳是极为不利的。如果构件表面存在着残余拉应力，对疲劳是极为不利的。但是，但是，如果使构件表面诱发产生残余压应力，则对抗疲劳大有好处。如果使构件表面诱发产生残余压应力，则对抗疲劳大有好处。因为残余压应力起着削减表面拉应力数值的作用。因为残余压应力起着削减表面拉应力数值的作用。 一些表面热处理工一些表面热处理工序，如表而淬火、渗碳和氮化；一些机械加工工序，如喷丸、表面滚序，如表而淬火、渗碳和氮化；一些机械加工工序，如喷丸、表面滚压、冷拔、挤压和抛光都产生有利的残余压应力。因此，工程上经常压、冷拔、挤压和抛光都产生有利的残余压应力。因此，工程上经常采用这些方法来提高构件的疲劳抗力。采用这些方法来提高构件的疲劳抗力。d 材料的成分和组织材料的成分和组织 在各类工程材料中，在各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，在结构钢中，疲劳强度随着含碳量增加而增高疲劳强度随着含碳量增加而增高，铂、铬、镍等也有类，铂、铬、镍等也有类似的效应。碳是影响疲劳强度的重要元素，碳既可间隙固溶强化基体，似的效应。碳是影响疲劳强度的重要元素，碳既可间隙固溶强化基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高钢材的形变抗力，阻止循环又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高钢材的形变抗力，阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，以及提高疲滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，以及提高疲劳强度。劳强度。其他合金元素主要通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来其他合金元素主要通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来改善疲劳强度。改善疲劳强度。 质量均匀、无表面或内在连续性缺陷的材料组织抗疲劳性能好质量均匀、无表面或内在连续性缺陷的材料组织抗疲劳性能好。试验表明，减少夹杂物的数量，减小夹杂物的尺寸和改善夹杂物形状试验表明，减少夹杂物的数量，减小夹杂物的尺寸和改善夹杂物形状(减少尖角减少尖角)都能有效地提高疲劳强度。都能有效地提高疲劳强度。e 工作条件工作条件 载荷频率对疲劳强度的影响是其在一定范围内可以提高疲劳载荷频率对疲劳强度的影响是其在一定范围内可以提高疲劳强度。强度。 低于疲劳极限的应力称为次载。低于疲劳极限的应力称为次载。金属在低于疲劳极限的应力金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数之后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强下先运转一定次数之后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。化作用称为次载锻炼。这种现象可能是由于应力应变循环产生这种现象可能是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。的硬化及局部应力集中松弛的结果。 次载锻炼效果的大小和下列因素有关；次载锻炼效果的大小和下列因素有关；次载应力水平越接次载应力水平越接近疲劳极限，其锻炼效果越明显；次载锻炼的循环周次越长，近疲劳极限，其锻炼效果越明显；次载锻炼的循环周次越长，其锻炼效果越好，但达到一定循环周次之后效果就不再提高。其锻炼效果越好，但达到一定循环周次之后效果就不再提高。实际构件在工作时都是非连续实际构件在工作时都是非连续(有间歇有间歇)运行的运行的。 试验表明，试验表明，当加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比当加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至还会降低较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至还会降低疲劳强度。这种间歇加载影响疲劳强度的规律，可以指导制订疲劳强度。这种间歇加载影响疲劳强度的规律，可以指导制订机器运行操作规程和检验规程。机器运行操作规程和检验规程。 温度对疲劳强度的影响一般是温度降低，疲劳强度升温度对疲劳强度的影响一般是温度降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。高；温度升高，疲劳强度降低。 腐蚀环境介质使构件腐蚀环境介质使构件表面产生蚀抗、微裂纹等表面产生蚀抗、微裂纹等缺陷，将会加速疲劳源萌缺陷，将会加速疲劳源萌生而促进腐蚀疲劳。生而促进腐蚀疲劳。3.4 磨损失效磨损失效 相互接触并作相对运动相互接触并作相对运动的物体由于的物体由于机械、物理和化学机械、物理和化学作用，作用，造成物体表面造成物体表面材料的位移及分离材料的位移及分离，使，使表面形状、尺寸、组织及表面形状、尺寸、组织及性能性能发生变化的过程称为磨损。发生变化的过程称为磨损。1、磨损的类型、磨损的类型 按磨损机理来划分，将磨损分为磨料磨损、粘着磨损、冲按磨损机理来划分，将磨损分为磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、微动磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。蚀磨损、微动磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。2、磨料磨损、磨料磨损 (1)磨料磨损的定义和分类磨料磨损的定义和分类 磨料磨损是指磨料磨损是指硬的磨硬的磨(颗颗)粒或硬的凸出物粒或硬的凸出物在与摩擦表面相在与摩擦表面相互接触运动过程中，使材料表面损耗的一种现象或过程。互接触运动过程中，使材料表面损耗的一种现象或过程。磨料磨损有几种分类方法：磨料磨损有几种分类方法： a 按力的作用特点分按力的作用特点分 可以分为可以分为划伤式磨损、碾碎式磨损和凿划伤式磨损、碾碎式磨损和凿削式磨损。削式磨损。划伤式磨损属低应力磨损。划伤式磨损属低应力磨损。低应力的含义是指磨料与构件表低应力的含义是指磨料与构件表面之间的作用力小于磨料本身压溃强度。面之间的作用力小于磨料本身压溃强度。碾碎式磨损属高应力磨损。碾碎式磨损属高应力磨损。当磨料与构件表面之间接触压应当磨料与构件表面之间接触压应力大于磨料的压溃强度时，磨粒被压碎，一般金属材料表面被力大于磨料的压溃强度时，磨粒被压碎，一般金属材料表面被划伤，韧性材料产生塑性变形或疲劳，脆性材料则发生碎裂或划伤，韧性材料产生塑性变形或疲劳，脆性材料则发生碎裂或剥落。剥落。 凿削式磨损凿削式磨损的产生主要是由于磨料中包含的产生主要是由于磨料中包含大块磨粒大块磨粒，而且，而且具有具有尖锐棱角尖锐棱角，对构件表面进行，对构件表面进行冲击式的高应力冲击式的高应力作用、使构作用、使构件表面撕裂出很大的颗粒或碎块，表面件表面撕裂出很大的颗粒或碎块，表面形成较深的犁构或形成较深的犁构或深坑深坑。这种磨损常在运输或破碎大块磨料时发生、典型实例。这种磨损常在运输或破碎大块磨料时发生、典型实例如颚式破碎机的齿板、辗辊等。如颚式破碎机的齿板、辗辊等。图图3-80凿削式磨损示意凿削式磨损示意 b. 按金属与磨料的相对硬度分类按金属与磨料的相对硬度分类 可以分为硬磨料磨损和软磨可以分为硬磨料磨损和软磨料磨损。如果金属的硬度料磨损。如果金属的硬度H Hm m与磨料的硬度与磨料的硬度Ha之比小于之比小于0.8，属硬，属硬磨料磨损；如果比值大于磨料磨损；如果比值大于0.8，则属软磨料磨损。，则属软磨料磨损。c. 按磨损表面数量分类按磨损表面数量分类 当外界硬粒移动于两摩擦表面之间，称当外界硬粒移动于两摩擦表面之间，称为为三体磨损三体磨损，如矿石在破碎机定、动齿饭之间的磨损；硬粒料，如矿石在破碎机定、动齿饭之间的磨损；硬粒料沿固体表面相对运动，作用于被磨构件表面称为沿固体表面相对运动，作用于被磨构件表面称为二体磨损二体磨损。d. 按相对运动分类按相对运动分类 分为分为固定磨料磨损和自由磨料磨损固定磨料磨损和自由磨料磨损。(2)磨料磨损的简化模型和机理磨料磨损的简化模型和机理a 磨料磨损的简化模型磨料磨损的简化模型 式中，式中，K为磨料磨损系数为磨料磨损系数。可见磨粒磨可见磨粒磨损量与法向力和摩擦距离成正比、与材料硬损量与法向力和摩擦距离成正比、与材料硬度成反比，磨损量还与磨粒的形状有关度成反比，磨损量还与磨粒的形状有关。b磨料磨损的机理磨料磨损的机理 微观切削磨损机理微观切削磨损机理 并非所有的磨粒都可以产生切削并非所有的磨粒都可以产生切削。实际中。实际中有的有的磨粒无锐利的棱角；磨粒无锐利的棱角；有的有的磨粒棱角的棱边不是对着构件表磨粒棱角的棱边不是对着构件表面运动方向；面运动方向；有的有的磨粒和被磨表面之间的夹角太小；磨粒和被磨表面之间的夹角太小；有的有的表面表面材料塑性很高。所以微观切削类型的磨损虽然经常可见，但由材料塑性很高。所以微观切削类型的磨损虽然经常可见，但由于上述原因，于上述原因，在一个磨损而上，切削的分量不多。在一个磨损而上，切削的分量不多。多次塑变磨损机理多次塑变磨损机理 如果磨粒的棱角不适合切削，只能在被磨如果磨粒的棱角不适合切削，只能在被磨金属表面滑行，将金属推向磨粒运动的前方或两侧，金属表面滑行，将金属推向磨粒运动的前方或两侧，产生堆积产生堆积，这些堆积物这些堆积物没有脱离母体没有脱离母体，但使表面产生很大塑性变在受随后，但使表面产生很大塑性变在受随后的磨粒作用时，有可能把堆积物重新压平，也有可能使已变形的磨粒作用时，有可能把堆积物重新压平，也有可能使已变形的沟底材料遭受再次犁皱变形，如此反复塑变，导致材料上产的沟底材料遭受再次犁皱变形，如此反复塑变，导致材料上产生加工硬化或其他强化作用，终于剥落而成为磨屑。生加工硬化或其他强化作用，终于剥落而成为磨屑。 疲劳磨损机理疲劳磨损机理 该观点认为，磨损之所以发生，是因为材料表层该观点认为，磨损之所以发生，是因为材料表层微观组织受磨料施加的微观组织受磨料施加的反复应力反复应力作用所致。作用所致。微观断裂磨损机理微观断裂磨损机理 微观断裂磨损机理认为，脆性材料在磨料微观断裂磨损机理认为，脆性材料在磨料磨损时会使磨损时会使横向裂纹互相交叉或扩散到表面横向裂纹互相交叉或扩散到表面，造成材料剥落。，造成材料剥落。 (3)影响磨料磨损的因索影响磨料磨损的因索a磨料磨损与硬度磨料磨损与硬度 低磨损区低磨损区 在在Hm1.25Ha：的范围内，磨损系数：的范围内，磨损系数KHm-6。过渡磨损区过渡磨损区 在在0.8HaHm1.25Ha的范围内，磨损系数的范围内，磨损系数K Hm-2.5。高磨损区高磨损区 在在Ha0.8Ha的范围内，磨损系数的范围内，磨损系数K基本保持恒定。基本保持恒定。 由此可见，磨料磨损不仅决定于材料的硬度由此可见，磨料磨损不仅决定于材料的硬度Hm更主要是更主要是决定于材料的硬度决定于材料的硬度Hm与磨粒硬度与磨粒硬度Ha的比值的比值。当。当HmHa超过超过一定值后，磨损量会迅速降低。一定值后，磨损量会迅速降低。 b磨粒尺寸与几何形状磨粒尺寸与几何形状 磨粒尺寸存在一个临界值，当磨粒的磨粒尺寸存在一个临界值，当磨粒的大小在临界值以下，体积磨损量随磨粒尺寸的增大而按比例增大小在临界值以下，体积磨损量随磨粒尺寸的增大而按比例增加，当磨粒的大小超过临界尺寸、磨损体积增加的幅度明显降加，当磨粒的大小超过临界尺寸、磨损体积增加的幅度明显降低。低。3、粘着磨损、粘着磨损 (1)粘着磨损的定义和分类粘着磨损的定义和分类 粘着磨损也称咬合粘着磨损也称咬合(胶合胶合)磨损或摩擦磨损。相对运动物体的磨损或摩擦磨损。相对运动物体的真实接触面积上发生固相粘着，使真实接触面积上发生固相粘着，使材料从一个表面转移到另一表材料从一个表面转移到另一表面的现象面的现象，称为粘着磨损。，称为粘着磨损。 根据根据粘合强度、金属本体强度与切应力粘合强度、金属本体强度与切应力三者之间的不同关系，三者之间的不同关系，可以把粘着磨损分为四类：可以把粘着磨损分为四类：(2)常见的粘着磨损及其特征常见的粘着磨损及其特征 粘着磨损的特征粘着磨损的特征是磨损表面有细的划痕，沿滑动方向可能形成是磨损表面有细的划痕，沿滑动方向可能形成交替的裂口、凹穴。最突出的特征是摩擦副之间有金属转移，交替的裂口、凹穴。最突出的特征是摩擦副之间有金属转移，表层金相组织和化学成分均有明显变化。表层金相组织和化学成分均有明显变化。磨损产物多为片状或磨损产物多为片状或小颗粒。小颗粒。(3)粘着磨损的机理和模型粘着磨损的机理和模型 接触微凸体形成粘结后，在随后的滑动中粘结点破坏，又有接触微凸体形成粘结后，在随后的滑动中粘结点破坏，又有一些接触微凸体发生粘着，如此一些接触微凸体发生粘着，如此粘着、破坏、再粘着、再破坏粘着、破坏、再粘着、再破坏的循环过程就构成粘着磨损。的循环过程就构成粘着磨损。粘着磨损模型粘着磨损模型式式(3-10)表明粘着磨损时有如下规律：表明粘着磨损时有如下规律：滑动磨损量与所加法向载荷大小成正比。滑动磨损量与所加法向载荷大小成正比。滑动磨损量与较软材料的强度或硬度成反比。滑动磨损量与较软材料的强度或硬度成反比。滑动磨损量与运动的路程成正比。滑动磨损量与运动的路程成正比。 后来的实验表明，后来的实验表明，结论的第结论的第点只适用于有限的载荷范围。点只适用于有限的载荷范围。有试验表明，当接触压应力不超过钢的硬度的有试验表明，当接触压应力不超过钢的硬度的1/3时，磨损量与时，磨损量与载荷成直线关系。若超过这个范围，直线关系不成立。对于第载荷成直线关系。若超过这个范围，直线关系不成立。对于第点规律，应予以正确理解，不能认为只有提高硬度才能改善点规律，应予以正确理解，不能认为只有提高硬度才能改善粘着磨损，试验表明，渗硫、氧化以及涂软金属等降低表层硬粘着磨损，试验表明，渗硫、氧化以及涂软金属等降低表层硬度的处理常常对降低粘着磨损有利，因为这些处理避免了裸金度的处理常常对降低粘着磨损有利，因为这些处理避免了裸金属接触，减轻了粘着现象。属接触，减轻了粘着现象。 (4)影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素 a材料特性材料特性 金属点阵属密徘六方结构的材料粘着倾向小，面属面心立方金属点阵属密徘六方结构的材料粘着倾向小，面属面心立方点阵的金属粘着倾向明显大于其他点阵的金属。点阵的金属粘着倾向明显大于其他点阵的金属。 从金属组织结构考虑从金属组织结构考虑，细经粒抗粘着倾向优于粗晶粒；多相，细经粒抗粘着倾向优于粗晶粒；多相的金属比单相的金属粘着倾向小；混合物合金比固溶体合金粘的金属比单相的金属粘着倾向小；混合物合金比固溶体合金粘着倾向小；抗粘着性能，片状珠光体组织优于粒状珠光体组织，着倾向小；抗粘着性能，片状珠光体组织优于粒状珠光体组织，同样硬度下，贝氏体优于马氏体。概括而言，同样硬度下，贝氏体优于马氏体。概括而言，金属组织的连续金属组织的连续性和性能的均一性不利于抗粘着磨损。性和性能的均一性不利于抗粘着磨损。 互溶性大的材料互溶性大的材料(包括相同金属或相同晶格类型的金属以及包括相同金属或相同晶格类型的金属以及有相近的晶格间距、电子密度、电化学性能的金属有相近的晶格间距、电子密度、电化学性能的金属)所组成的所组成的摩擦副粘着倾向大摩擦副粘着倾向大；互溶性小的材料；互溶性小的材料(异种金属或晶格结构不异种金属或晶格结构不相近的金属相近的金属)组成的摩擦副粘着倾向小。组成的摩擦副粘着倾向小。 硬度的影响比较复杂。理硬度的影响比较复杂。理想的抗粘着磨损的材料，想的抗粘着磨损的材料，表表层层(I)应软些，亚表层应软些，亚表层()要硬，要硬，下面应有一层平缓过渡区下面应有一层平缓过渡区() 。即希望最表层润滑性即希望最表层润滑性好，亚表层有良好的支撑作好，亚表层有良好的支撑作用，高的屈服强度，平缓过用，高的屈服强度，平缓过渡区可防止层状剥落的发生。渡区可防止层状剥落的发生。 b工作环境工作环境压力压力 相对运动速度一定时，相对运动速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增粘着磨损量随法向力增大而增加。加。当接触压应力超过材料硬度的当接触压应力超过材料硬度的1/3时，粘着磨损量急增，时，粘着磨损量急增，严重时会发生咬死。所以严重时会发生咬死。所以表面接触随力不宜大于材料硬度的表面接触随力不宜大于材料硬度的l/3。滑动摩擦速度滑动摩擦速度 当滑动速度较低时，真实接触点的温度不高，当滑动速度较低时，真实接触点的温度不高，相对运动速度增加导致的轻微温升，有助于氧化面不会削弱相对运动速度增加导致的轻微温升，有助于氧化面不会削弱表面强度，在一定速度表面强度，在一定速度vk前，温度上升有利于抗粘着磨损；前，温度上升有利于抗粘着磨损；而超过而超过vk后，不利子抗粘着磨损的影响占主导，使粘着磨损后，不利子抗粘着磨损的影响占主导，使粘着磨损增加。另外随滑动速度的增加，磨损机制可能发生变化，如增加。另外随滑动速度的增加，磨损机制可能发生变化，如由粘着磨损转变为氧化磨损。由粘着磨损转变为氧化磨损。4、冲蚀磨损、冲蚀磨损 (1)冲蚀磨损的定义和分类冲蚀磨损的定义和分类 冲蚀磨损亦称浸蚀磨损，它是指冲蚀磨损亦称浸蚀磨损，它是指流体或固体流体或固体以松散的小颗粒以松散的小颗粒按一定的速度和角度按一定的速度和角度对材料表面进行冲击对材料表面进行冲击所造成的磨损。冲蚀磨所造成的磨损。冲蚀磨损的松散颗粒一般小于损的松散颗粒一般小于l000m，冲击速度在，冲击速度在550 ms内。造成内。造成冲蚀的粒子通常都比被冲蚀的材料的硬度大。冲蚀的粒子通常都比被冲蚀的材料的硬度大。 冲蚀磨损与腐蚀磨损的区别冲蚀磨损与腐蚀磨损的区别是前者对材料表面的破坏主要是是前者对材料表面的破坏主要是机械力作用引起的，腐蚀只是第二位的因素；而后者则是在腐蚀机械力作用引起的，腐蚀只是第二位的因素；而后者则是在腐蚀介质中摩擦副的磨损，是腐蚀和磨损综合作用的结果。介质中摩擦副的磨损，是腐蚀和磨损综合作用的结果。 (2)工程中常见的冲蚀现象工程中常见的冲蚀现象 a 喷砂式冲蚀喷砂式冲蚀 据介绍，空气中的尘埃和砂粒如果入侵到据介绍，空气中的尘埃和砂粒如果入侵到直升直升机发动机机发动机内，可降低其寿命内，可降低其寿命90；气流输送物料管路气流输送物料管路中弯头的中弯头的冲蚀可能大于直管段的五十倍，即使输送木屑一类软质物料，冲蚀可能大于直管段的五十倍，即使输送木屑一类软质物料，钢制弯头的寿命也只有钢制弯头的寿命也只有34个月；个月；火力发电厂火力发电厂粉煤锅炉燃烧尾粉煤锅炉燃烧尾气对换热器管路的冲蚀造成的破坏大致占管路破坏的气对换热器管路的冲蚀造成的破坏大致占管路破坏的1/3，其，其最低寿命只有最低寿命只有16000h；石油化工厂烟气发电设备石油化工厂烟气发电设备中，烟气携中，烟气携带的破碎催化剂粉粒对回收过热气流能量的涡轮叶片也会造成带的破碎催化剂粉粒对回收过热气流能量的涡轮叶片也会造成冲蚀。冲蚀。 b雨滴、水滴冲蚀雨滴、水滴冲蚀 高速飞行器穿过雨区时高速飞行器穿过雨区时，会受到水滴的冲，会受到水滴的冲击，如在暴风雨中飞行的飞机迎风面上首先出现漆层剥落，同击，如在暴风雨中飞行的飞机迎风面上首先出现漆层剥落，同时材料表面出现破坏痕迹；时材料表面出现破坏痕迹；蒸汽轮机叶片蒸汽轮机叶片在高温过热蒸汽中运在高温过热蒸汽中运行时，会出现水滴冲蚀，它主要发生在末级叶片上，这时蒸汽行时，会出现水滴冲蚀，它主要发生在末级叶片上，这时蒸汽中可能含中可能含1015的水滴；的水滴；高速转动叶片高速转动叶片背面受到水滴的冲背面受到水滴的冲击，其速度差不多和叶片运行的线速度相当，经过一段时间后。击，其速度差不多和叶片运行的线速度相当，经过一段时间后。叶片上会出现小的冲蚀坑；近几十年来受到注意的水滴冲蚀问叶片上会出现小的冲蚀坑；近几十年来受到注意的水滴冲蚀问题是题是导弹飞行穿过大气层及雨区发生的雨蚀现象导弹飞行穿过大气层及雨区发生的雨蚀现象。在导弹的鼻。在导弹的鼻锥、防热罩、载人飞行器的迎风面上，只要受到高速的单颗液锥、防热罩、载人飞行器的迎风面上，只要受到高速的单颗液滴冲击便会立刻出现蚀坑，多个蚀坑交织造成材料流失。滴冲击便会立刻出现蚀坑，多个蚀坑交织造成材料流失。c泥浆冲浊泥浆冲浊 水轮机叶片在多泥沙河流中受到冲蚀；建筑行业、水轮机叶片在多泥沙河流中受到冲蚀；建筑行业、石油钻探、煤矿开采、冶金矿山选矿场中及火力发电站中使用石油钻探、煤矿开采、冶金矿山选矿场中及火力发电站中使用的泥浆泵、杂质泵的过流部件也受到严重的冲蚀。的泥浆泵、杂质泵的过流部件也受到严重的冲蚀。d气蚀气蚀 船用螺旋桨船用螺旋桨常有气蚀发生，一艘新船的推进螺旋桨常有气蚀发生，一艘新船的推进螺旋桨有时使用两个月后便出现深达有时使用两个月后便出现深达5070 mm的气蚀坑；的气蚀坑；水泵叶轮水泵叶轮、输送液体的管线阀门，甚至输送液体的管线阀门，甚至柴油机汽缸套外壁与冷却水接触部柴油机汽缸套外壁与冷却水接触部位位过窄的流道处经常可见到气蚀破坏；在过窄的流道处经常可见到气蚀破坏；在原子核电站原子核电站中，也发中，也发现液体金属工作介质对反应堆及控制器换热器部件的气蚀性冲现液体金属工作介质对反应堆及控制器换热器部件的气蚀性冲蚀。蚀。(3)冲蚀磨损的模型和机理冲蚀磨损的模型和机理a喷砂式冲蚀模型喷砂式冲蚀模型 从磨屑考虑有三种类型：从磨屑考虑有三种类型：切削屑，切削屑，棱边锋利的粒子在合适的角棱边锋利的粒子在合适的角度和方向时，对靶面切削，这和磨料磨损的切削作用相似；度和方向时，对靶面切削，这和磨料磨损的切削作用相似；薄薄片屑，片屑，单次冲击时，靶面受冲点处的材料仅被推到受冲点附近，单次冲击时，靶面受冲点处的材料仅被推到受冲点附近，并未发生材料流失，随后连续不断的冲击，揉搓表面层，形成并未发生材料流失，随后连续不断的冲击，揉搓表面层，形成强烈变形的表面层结构，最后表面加工硬化，造成脆性断裂，强烈变形的表面层结构，最后表面加工硬化，造成脆性断裂，形成薄片屑；形成薄片屑；簇团状屑簇团状屑，冲蚀造成极不平整的表面形貌，表面，冲蚀造成极不平整的表面形貌，表面凸起部分受粒子冲击时，受冲击局部产生高温，凸起部分软化，凸起部分受粒子冲击时，受冲击局部产生高温，凸起部分软化，断裂脱离靶面，形成簇团状屑。断裂脱离靶面，形成簇团状屑。 当单颗粒冲击脆性靶材时当单颗粒冲击脆性靶材时，依冲击粒子形状不同，可以产生，依冲击粒子形状不同，可以产生两类不同的裂纹，这些裂纹一般萌生于受粒子冲击的部位附近两类不同的裂纹，这些裂纹一般萌生于受粒子冲击的部位附近存在缺陷的地方。存在缺陷的地方。钝头粒子钝头粒子冲击时，冲击时，裂纹吴环形裂纹吴环形，出现在接触，出现在接触圆周稍外侧，反复冲击，这些环形裂纹会与横向裂纹交互，从圆周稍外侧，反复冲击，这些环形裂纹会与横向裂纹交互，从而产生材料流失；而产生材料流失；尖角粒子尖角粒子冲击靶面时，冲击靶面时，会出现垂直于靶面的会出现垂直于靶面的初生径向裂纹和平行于靶面的横向裂纹初生径向裂纹和平行于靶面的横向裂纹，前一种裂纹使靶材强，前一种裂纹使靶材强度退化，而后一种裂纹是冲蚀中材料流失的根源。度退化，而后一种裂纹是冲蚀中材料流失的根源。 b 泥浆冲蚀机理泥浆冲蚀机理 泥浆冲蚀过程往往伴生材料腐蚀。泥浆冲蚀过程往往伴生材料腐蚀。泥浆冲蚀泥浆冲蚀中，除攻角和速度外，固体粒子性质如硬度、形状、粒度、密中，除攻角和速度外，固体粒子性质如硬度、形状、粒度、密度、固体粒子用量度、固体粒子用量(固液比固液比)、流体的密度、粘度、流体的密度、粘度等对材料冲蚀等对材料冲蚀均有影响，要用一个物理模型或从设想的单元过程做出数量表均有影响，要用一个物理模型或从设想的单元过程做出数量表达来描述泥浆冲蚀还比较困难。达来描述泥浆冲蚀还比较困难。 c 气蚀机理气蚀机理 气蚀是由于材料表面附近的液体有气泡产生及破气蚀是由于材料表面附近的液体有气泡产生及破灭造成的灭造成的。当构件与高速流体相对运动时，如果流速高，在工。当构件与高速流体相对运动时，如果流速高，在工作面附近的某局部的区域压力就可能下降到等于或小于流体在作面附近的某局部的区域压力就可能下降到等于或小于流体在该温度下的饱和蒸汽压，这样该该温度下的饱和蒸汽压，这样该局部区域因发生局部区域因发生“沸腾沸腾”现象现象而产生气泡而产生气泡。气泡在低压区形成并随流体运动，。气泡在低压区形成并随流体运动，当气泡周围压当气泡周围压力大于气泡内蒸汽压时力大于气泡内蒸汽压时，气泡内蒸汽就会迅速冷凝，降低泡的，气泡内蒸汽就会迅速冷凝，降低泡的压力，但流动液体的各向压力不均使气泡变形，最后溃灭。压力，但流动液体的各向压力不均使气泡变形，最后溃灭。在在损灭瞬间，冷凝液滴及泡周围介质以非常高的速度冲向材料表损灭瞬间，冷凝液滴及泡周围介质以非常高的速度冲向材料表面，使之形成非常高速的水滴冲击。面，使之形成非常高速的水滴冲击。这种多次水滴冲击作用而这种多次水滴冲击作用而造成材料的破坏就是气蚀。造成材料的破坏就是气蚀。冲蚀的历程大致是：冲蚀的历程大致是：金属表面膜上金属表面膜上生成气泡生成气泡；气泡破灭气泡破灭，其冲，其冲击波使金属发生塑性变形，导致膜破裂；击波使金属发生塑性变形，导致膜破裂；裸露金属表面腐蚀裸露金属表面腐蚀，随着再发生钝化成膜；在同一地点生成新气泡；气泡再破灭，随着再发生钝化成膜；在同一地点生成新气泡；气泡再破灭，膜再次破裂；裸露的金属表面进一步腐蚀，表面再次钝化膜再次破裂；裸露的金属表面进一步腐蚀，表面再次钝化这些步骤反复连续进行，金属表面便形成空穴。这些步骤反复连续进行，金属表面便形成空穴。(4)影响冲蚀磨损的因素影响冲蚀磨损的因素a冲蚀粒子冲蚀粒子 粒度粒度对冲蚀磨损有明显的影响，一般粒子尺寸在对冲蚀磨损有明显的影响，一般粒子尺寸在20-200m范围内，材料磨损率随粒子尺寸增大而上升。当粒子范围内，材料磨损率随粒子尺寸增大而上升。当粒子尺寸增加到某一临界值时，材料的磨损率几乎不变或变化缓慢，尺寸增加到某一临界值时，材料的磨损率几乎不变或变化缓慢，这一现象称为这一现象称为“尺寸效应尺寸效应”。粒子的形状粒子的形状也有很大影响，尖角也有很大影响，尖角形粒子与圆形粒子比较，在相同条件下，都是形粒子与圆形粒子比较，在相同条件下，都是45冲击角时，多冲击角时，多角形粒子比圆形粒子的磨损大角形粒子比圆形粒子的磨损大4倍，甚至低硬度的多角形粒子比倍，甚至低硬度的多角形粒子比较高硬度的圆形粒子产生的磨损还要大。粒子的硬度和可破碎较高硬度的圆形粒子产生的磨损还要大。粒子的硬度和可破碎性对冲蚀率有影响，因为粒子破碎后会产生性对冲蚀率有影响，因为粒子破碎后会产生二次冲蚀二次冲蚀。b. 攻角攻角 材料的冲蚀率和粒子的攻角有密切关系。当粒子攻角材料的冲蚀率和粒子的攻角有密切关系。当粒子攻角为为2030时，典型的塑性材料冲蚀率达最大值，而脆性材料时，典型的塑性材料冲蚀率达最大值，而脆性材料最大冲蚀率出现在攻角接近最大冲蚀率出现在攻角接近90处。攻处。攻角与冲蚀率关系几乎不角与冲蚀率关系几乎不随入射粒子种类、形状及速度而改变。随入射粒子种类、形状及速度而改变。 c 速度速度 粒子的速度存在一个门槛值，低于门槛值，粒子与靶粒子的速度存在一个门槛值，低于门槛值，粒子与靶面之间只出现弹性碰撞而观察不到破坏，即不发生冲蚀。速面之间只出现弹性碰撞而观察不到破坏，即不发生冲蚀。速度门槛值与粒子尺寸和材料有关。度门槛值与粒子尺寸和材料有关。 d冲蚀时间冲蚀时间 冲蚀磨损存在一个较长的潜伏期或孕育期，磨粒冲蚀磨损存在一个较长的潜伏期或孕育期，磨粒冲击靶面后先是使表面粗糙，产生加工硬化，此时未发生材料冲击靶面后先是使表面粗糙，产生加工硬化，此时未发生材料流失，经过一段时间的损伤积累后才逐步产生冲蚀磨损。流失，经过一段时间的损伤积累后才逐步产生冲蚀磨损。e环境温度环境温度 温度对冲浊磨损的影响比较复杂，有些材料在冲温度对冲浊磨损的影响比较复杂，有些材料在冲蚀磨损中随温度升高磨损率上升；但也些材料随温度升高磨损蚀磨损中随温度升高磨损率上升；但也些材料随温度升高磨损有所减少，这可能是高温时形成的氧化膜提高了材料的抗冲蚀有所减少，这可能是高温时形成的氧化膜提高了材料的抗冲蚀磨损能力，也有可能是温度升高，材料塑性增加，抗冲蚀性能磨损能力，也有可能是温度升高，材料塑性增加，抗冲蚀性能提高。提高。 f 靶材靶材 靶材除本身的性质以外，还与磨粒的几何形状、尺寸、靶材除本身的性质以外，还与磨粒的几何形状、尺寸、硬度、攻角、速度和温度等条件密切相关。就靶材本身性能而硬度、攻角、速度和温度等条件密切相关。就靶材本身性能而言，主要是硬度。言，主要是硬度。5、微动磨损、微动磨损 (1)微动磨损的定义和分类微动磨损的定义和分类 两个两个配合表面配合表面之间由之间由一微小振幅的相对振动一微小振幅的相对振动所引起的表面所引起的表面损伤，包括材料损失、表面形貌变化、表面或亚表层塑性变形损伤，包括材料损失、表面形貌变化、表面或亚表层塑性变形或出现裂纹等，称为微动磨损。或出现裂纹等，称为微动磨损。 微动磨损可以分为两类。微动磨损可以分为两类。第一类第一类是该构件原设计的两物体是该构件原设计的两物体接触面是静止的，只是由于受到振动或交变应力作用，使两个接触面是静止的，只是由于受到振动或交变应力作用，使两个匹配面之间产生微小的相对滑动，由此造成磨损。匹配面之间产生微小的相对滑动，由此造成磨损。第二类第二类是各是各种运动副在停止运转时，由于环境振动而产生微振造成磨损。种运动副在停止运转时，由于环境振动而产生微振造成磨损。(2)工程中常见的微动磨损工程中常见的微动磨损a轴承轴承 滚动轴承有三个部位可能发生微动损伤，轴承和轴承滚动轴承有三个部位可能发生微动损伤，轴承和轴承座、轴的紧配合面及滚珠或滚柱和座圈之间。座、轴的紧配合面及滚珠或滚柱和座圈之间。 b. 压配合压配合 机车主轴一般用压配合装入轮毂中，运行过程中，机车主轴一般用压配合装入轮毂中，运行过程中，由于负荷作用，轴发生弯曲，和轮毂配合段的两端出现微动。由于负荷作用，轴发生弯曲，和轮毂配合段的两端出现微动。c榫槽配合榫槽配合 航空发动机的涡轮叶片榫头和轮盘配合，叶片相航空发动机的涡轮叶片榫头和轮盘配合，叶片相当于一端固定的悬臂梁，由于受强烈气流冲击而处在弯扭复合当于一端固定的悬臂梁，由于受强烈气流冲击而处在弯扭复合振动状态，从而使榫槽受到微动磨损，导致配合松动并萌生疲振动状态，从而使榫槽受到微动磨损，导致配合松动并萌生疲劳裂纹。劳裂纹。d铆接铆接 飞机上广泛使用铆接。据估计，各种飞机上疲劳裂飞机上广泛使用铆接。据估计，各种飞机上疲劳裂纹有纹有90起源于微动部位，而其中又以铆接和螺纹联接占多数。起源于微动部位，而其中又以铆接和螺纹联接占多数。e钢丝缆钢丝缆(绳绳) 由于其本身的柔性必然导致丝对丝或股对股之由于其本身的柔性必然导致丝对丝或股对股之间的滑动，缆的往复运动造成一复杂的疲劳应力。间的滑动，缆的往复运动造成一复杂的疲劳应力。f核工业中的热交换器和压力管燃料元件核工业中的热交换器和压力管燃料元件 反应堆中的燃料，反应堆中的燃料，用耐辐射和耐磨性好的锆合金和镁合金包覆，在冷却液流作用用耐辐射和耐磨性好的锆合金和镁合金包覆，在冷却液流作用下，各包覆件之间发生微动磨损，最终将包覆层磨穿。下，各包覆件之间发生微动磨损，最终将包覆层磨穿。(3)微动磨损过程及模型和机理微动磨损过程及模型和机理 微动磨损是一个复杂的过程，包含微动磨损是一个复杂的过程，包含粘着、氧化、磨粒和疲粘着、氧化、磨粒和疲劳等的综合作用劳等的综合作用。 a 微动磨损过程微动磨损过程 相互接触的两个物体表面，由于接触压力的相互接触的两个物体表面，由于接触压力的作用使微凸体产生塑性变形和粘着，在小振幅振动作用下，粘作用使微凸体产生塑性变形和粘着，在小振幅振动作用下，粘着点可能被剪切并脱落，剪切表面被氧化。由于表面紧密配合，着点可能被剪切并脱落，剪切表面被氧化。由于表面紧密配合，脱落的磨屑不易排出，在两表面间起着磨粒作用，加速微动磨脱落的磨屑不易排出，在两表面间起着磨粒作用，加速微动磨损过程。损过程。 OA阶段阶段 称粘着磨损称粘着磨损阶段阶段。它表示由于微凸体。它表示由于微凸体的粘着作用，金属从一表的粘着作用，金属从一表面迁移到另一表面。面迁移到另一表面。 AB阶段阶段 称磨粒磨损。称磨粒磨损。被加工硬化的磨损碎屑磨被加工硬化的磨损碎屑磨蚀金属表面，是具较高磨蚀金属表面，是具较高磨损速率的阶段。损速率的阶段。 BC阶段阶段 称加工硬化称加工硬化阶段阶段。被磨表面被加工硬。被磨表面被加工硬化，磨粒磨损速率下降。化，磨粒磨损速率下降。 CD阶段阶段 称稳态磨损称稳态磨损阶段阶段。这一阶段产生磨屑。这一阶段产生磨屑的速率基本不变。的速率基本不变。b 微动磨损模型和机理微动磨损模型和机理 Feng模型：模型： 由载荷引起微凸体的粘着由载荷引起微凸体的粘着作用，在接触表面滑动时，产生作用，在接触表面滑动时，产生少量磨损碎屑，并落入接触的凸少量磨损碎屑，并落入接触的凸峰之间。峰之间。 随着磨屑增加，该空间逐随着磨屑增加，该空间逐步被充满，微动作用因此由步被充满，微动作用因此由普通普通磨损变成磨料磨损磨损变成磨料磨损，在磨料的作，在磨料的作用下，一个小区域的许多峰合成用下，一个小区域的许多峰合成一个小平台。一个小平台。 磨屑随着磨料磨损过程而磨屑随着磨料磨损过程而增加，最后磨屑开始流进邻近的增加，最后磨屑开始流进邻近的低洼区，并在边缘溢出。低洼区，并在边缘溢出。 磨损过程中，接触区压力再分布，由于中心区粒子密磨损过程中，接触区压力再分布，由于中心区粒子密实而不易溢出，中心垂直区压力变高，边缘压力则降低，实而不易溢出，中心垂直区压力变高，边缘压力则降低，中中心的磨料磨损比边沿较强烈心的磨料磨损比边沿较强烈，坑也迅速加深，而且溢出的磨，坑也迅速加深，而且溢出的磨屑逐步充满邻近的低洼区并形成新坑，最终许多相邻的小坑屑逐步充满邻近的低洼区并形成新坑，最终许多相邻的小坑合并成较大的坑。合并成较大的坑。（d）中心区由于磨料磨损形成曲线形大麻坑）中心区由于磨料磨损形成曲线形大麻坑Such提出的脱层理论的要点如下：提出的脱层理论的要点如下： 两个滑动面之间的两个滑动面之间的表面切应力表面切应力促使材料表面发生塑性变促使材料表面发生塑性变形，较软表面的凸峰点变形较大，在周期性反复应力作用下，形，较软表面的凸峰点变形较大，在周期性反复应力作用下，塑性变形逐渐积累，变形区将沿着材料中存在的应力场扩展至塑性变形逐渐积累，变形区将沿着材料中存在的应力场扩展至表面下一定深度；表面下一定深度； 由于材料塑性变形而产生位错，在距表面一定距离将有由于材料塑性变形而产生位错，在距表面一定距离将有位错积累位错积累，若这些位错与某些，若这些位错与某些障碍障碍(如夹杂、孪晶、相界如夹杂、孪晶、相界)相通，相通，就聚集成就聚集成空穴空穴； 在连续滑动的剪切作用下，上述空穴在连续滑动的剪切作用下，上述空穴(也可能是原有的也可能是原有的孔洞孔洞)就成为萌生裂纹的核心，裂纹一旦萌生并和邻近裂纹相就成为萌生裂纹的核心，裂纹一旦萌生并和邻近裂纹相连，便连，便形成平行于表面的裂纹形成平行于表面的裂纹，随着过程进展，裂纹在表面下，随着过程进展，裂纹在表面下某一深度不断扩展；某一深度不断扩展； 当裂纹达到某一临界长度时，将沿着某些薄弱点向表面当裂纹达到某一临界长度时，将沿着某些薄弱点向表面剪切，使材料脱离母体，形成剪切，使材料脱离母体，形成长方形的薄片长方形的薄片。Bill按氧化的情况将微动分四种类型：按氧化的情况将微动分四种类型： 完全无氧化膜的微动，这时破坏主要是粘着及塑性变形；完全无氧化膜的微动，这时破坏主要是粘着及塑性变形； 薄的氧化膜在前半次循环的间隔形成，面在后半次循环薄的氧化膜在前半次循环的间隔形成，面在后半次循环中被刮去，这时是中被刮去，这时是氧化和机械氧化和机械联合作用；联合作用； 氧化和疲劳相互作用。微动使表面疲劳，疲劳产生的微氧化和疲劳相互作用。微动使表面疲劳，疲劳产生的微裂纹利于氧扩散进入，氧化加速裂纹的发展和脱层；裂纹利于氧扩散进入，氧化加速裂纹的发展和脱层； 氧化膜足以支持接触负荷而不破裂，由于氧化膜的存在，氧化膜足以支持接触负荷而不破裂，由于氧化膜的存在，没有裸金属之间的接触，即没有粘着，以粘着为开始阶段的微没有裸金属之间的接触，即没有粘着，以粘着为开始阶段的微动磨损受阻止。动磨损受阻止。 综合这些研究工作，微动磨损可能是按以下机理进行综合这些研究工作，微动磨损可能是按以下机理进行。 微动磨损初始阶段微动磨损初始阶段材料流失机制主要是粘着和转移，其材料流失机制主要是粘着和转移，其次是凸峰点的犁削作用次是凸峰点的犁削作用，对于较软材料可出现严重塑性变形，对于较软材料可出现严重塑性变形，由挤压直接撕裂材料，这个阶段摩擦因数及磨损率均较高。由挤压直接撕裂材料，这个阶段摩擦因数及磨损率均较高。 当产生的磨屑足以覆盖表面后，粘着减弱，逐步进入当产生的磨屑足以覆盖表面后，粘着减弱，逐步进入稳态稳态阶段阶段。这时，摩擦因数及磨损率均明显降低，磨损量和循环。这时，摩擦因数及磨损率均明显降低，磨损量和循环数成线性关系。数成线性关系。由于微动的反复切应力作用由于微动的反复切应力作用，造成亚表面裂，造成亚表面裂纹萌生，纹萌生，形成脱层损伤形成脱层损伤，材料以薄片形式脱离母体。刚脱离，材料以薄片形式脱离母体。刚脱离母体的材料主要是金属形态。它们在二次微动中变得越来越母体的材料主要是金属形态。它们在二次微动中变得越来越细并吸收足够的机械能以致具有极大的化学活性，在接触空细并吸收足够的机械能以致具有极大的化学活性，在接触空气瞬间即完成氧化过程，成为氧化物。气瞬间即完成氧化过程，成为氧化物。氧化磨屑既可作为磨氧化磨屑既可作为磨料加速表面损伤，又可分开两表面料加速表面损伤，又可分开两表面，减少金属间接触，起缓，减少金属间接触，起缓冲垫作用，大部分情况下，后者作用更显著，即冲垫作用，大部分情况下，后者作用更显著，即磨屑的主要磨屑的主要作用是减轻表面损伤。作用是减轻表面损伤。 (4)微动磨损的特征与判断微动磨损的特征与判断 a微动磨损的表面特征微动磨损的表面特征 钢的微动损伤表面粘附着钢的微动损伤表面粘附着一层红棕色一层红棕色粉末粉末，当将其除去后，观察到许多小麻坑。其形状不同于点蚀，当将其除去后，观察到许多小麻坑。其形状不同于点蚀，它有两种类型，它有两种类型，一种为一种为深度不到深度不到5m的不规则的长方形浅平坑，的不规则的长方形浅平坑，另一种另一种为较深为较深(可达可达50m左右左右)且形状较规则的圆坑。且形状较规则的圆坑。 b磨屑的特征磨屑的特征 钢铁微动磨屑的特征钢铁微动磨屑的特征 重要标志是红棕色磨屑，其结构是菱重要标志是红棕色磨屑，其结构是菱形六面体的非磁性形六面体的非磁性-Fe2O3，此外也有此外也有FeO和金属铁，和金属铁，-Fe2O3占占绝大多数。绝大多数。 其他金属微动磨屑的特征其他金属微动磨屑的特征 大多数情况下，大多数情况下，磨屑为该种金属磨屑为该种金属的最终氧化态的最终氧化态。不活泼的金属如金和铂的磨屑由纯金属组成。不活泼的金属如金和铂的磨屑由纯金属组成。磨屑的大小和成分与振幅有关磨屑的大小和成分与振幅有关，振幅较大时，磨屑直径较大，振幅较大时，磨屑直径较大，金属的比例也较高。金属的比例也较高。材料的硬度影响磨损量材料的硬度影响磨损量，也影响磨屑的大，也影响磨屑的大小和成分，材料越硬，磨屑越细，氧化物的比例也越大。小和成分，材料越硬，磨屑越细，氧化物的比例也越大。c微动磨损的诊断微动磨损的诊断 大致可从三个方面分析。大致可从三个方面分析。 是否存在可引起微动的振动源或交变应力。是否存在可引起微动的振动源或交变应力。除机械作用除机械作用外，电磁作用、噪声、冷热循环及流体运动也可导致微动。外，电磁作用、噪声、冷热循环及流体运动也可导致微动。 是否存在破坏的表面形貌。是否存在破坏的表面形貌。主要检查表面租糙度的变化、主要检查表面租糙度的变化、方向一致的划痕、塑性变形或硬结斑、硬度或结构变化、表面方向一致的划痕、塑性变形或硬结斑、硬度或结构变化、表面或亚表层的微裂纹等。或亚表层的微裂纹等。 磨屑是重要的依据。磨屑是重要的依据。各种材料的磨屑的组成、颜色、形各种材料的磨屑的组成、颜色、形状等。状等。6、腐蚀磨损、腐蚀磨损 (1)腐蚀磨损的定义和分类腐蚀磨损的定义和分类 两物体表面产生摩擦时，工作环境中的介质如液体、气体两物体表面产生摩擦时，工作环境中的介质如液体、气体或者润滑剂等，与材料表面或者润滑剂等，与材料表面起化学反应或电化学反应起化学反应或电化学反应，形成腐，形成腐蚀产物，这些产物往往粘附不牢，在摩擦过程中蚀产物，这些产物往往粘附不牢，在摩擦过程中剥落下来剥落下来，其，其后新的表面又后新的表面又继续与介质发生反应继续与介质发生反应。这种腐蚀和磨损的反复过。这种腐蚀和磨损的反复过程称为腐蚀磨损。程称为腐蚀磨损。 腐蚀磨损可分为腐蚀磨损可分为化学腐蚀磨损化学腐蚀磨损和和电化学腐蚀磨损电化学腐蚀磨损。化学腐。化学腐蚀磨损又可分为氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。蚀磨损又可分为氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。 腐蚀磨损是一种极为复杂的磨损形式，它是材料受腐蚀磨损是一种极为复杂的磨损形式，它是材料受腐蚀和腐蚀和磨损综合作用的磨损过程磨损综合作用的磨损过程，对环境、温度、介质、滑动速度、，对环境、温度、介质、滑动速度、载荷大小及润滑条件等极为敏感，稍有变化就可使腐蚀磨损发载荷大小及润滑条件等极为敏感，稍有变化就可使腐蚀磨损发生很大变化。生很大变化。(2)腐蚀磨损模型与原理腐蚀磨损模型与原理 a化学腐蚀磨损化学腐蚀磨损 腐蚀磨损中最常见的是氧化磨损。腐蚀磨损中最常见的是氧化磨损。氧化氧化磨损的实质是金属表面与气体介质发生氧化反应，生成氧化膜磨损的实质是金属表面与气体介质发生氧化反应，生成氧化膜。 脆性氧化膜的氧化磨损脆性氧化膜的氧化磨损 脆性氧化膜与金属基体差别大，脆性氧化膜与金属基体差别大，在达到一定厚度时，很容易被在达到一定厚度时，很容易被摩擦表面上的微凸体的机械作摩擦表面上的微凸体的机械作用去除，用去除，暴露出新的基体表面，暴露出新的基体表面，又开始新的氧化过程，膜的生又开始新的氧化过程，膜的生长与去除反复进行。长与去除反复进行。 韧性氧化膜的氧化磨损韧性氧化膜的氧化磨损 氧化膜是韧性，而且比金属基体氧化膜是韧性，而且比金属基体还软时，若受摩擦表面微凸体机械作用，可能有部分被去除，还软时，若受摩擦表面微凸体机械作用，可能有部分被去除，在继续磨损过程中，氧化仍然在原有氧化膜的基础上发生，在继续磨损过程中，氧化仍然在原有氧化膜的基础上发生，这种磨损较脆性氧化膜的磨损轻这种磨损较脆性氧化膜的磨损轻。 b. 电化学腐蚀磨损电化学腐蚀磨损 按腐蚀磨损产物被机械或腐蚀去除按腐蚀磨损产物被机械或腐蚀去除的特点也可分为两种磨损。的特点也可分为两种磨损。一种是一种是在均匀腐蚀条件的磨损过在均匀腐蚀条件的磨损过程中，局部腐蚀产物被磨料或硬质点的机械作用去除，使之程中，局部腐蚀产物被磨料或硬质点的机械作用去除，使之裸露金属基底，但随后又在磨损处形成新的腐蚀产物，经过裸露金属基底，但随后又在磨损处形成新的腐蚀产物，经过反复作用，此处腐蚀速度比腐蚀产物始终覆盖的其他部分快反复作用，此处腐蚀速度比腐蚀产物始终覆盖的其他部分快得多，严重得多。此类磨损称得多，严重得多。此类磨损称均匀腐蚀条件下的腐蚀磨损均匀腐蚀条件下的腐蚀磨损。 多相材料，尤其是含有碳化物的耐磨材料多相材料，尤其是含有碳化物的耐磨材料，由于碳化，由于碳化物与基体之间存在较大的电位差，物与基体之间存在较大的电位差，形成腐蚀电池形成腐蚀电池，产生相，产生相间腐蚀，极大地削弱了碳化物与基体结合力，在磨料或硬间腐蚀，极大地削弱了碳化物与基体结合力，在磨料或硬质点的作用下，碳化物很容易从基体脱落或发生断裂。质点的作用下，碳化物很容易从基体脱落或发生断裂。 另一种情况是形成局部腐蚀电池另一种情况是形成局部腐蚀电池。例如，由于磨料的磨。例如，由于磨料的磨损作用，金属材料表面产生不均匀的塑性变形，损作用，金属材料表面产生不均匀的塑性变形，塑性变形强塑性变形强烈的部位成为阳极烈的部位成为阳极，首先受到腐蚀破坏，或者溶解，或者形，首先受到腐蚀破坏，或者溶解，或者形成腐蚀产物，在磨料的继续作用下，腐蚀产物很容易被去除成腐蚀产物，在磨料的继续作用下，腐蚀产物很容易被去除形成二次磨损。形成二次磨损。这一塑性变形就是应变差异腐蚀电池的作用这一塑性变形就是应变差异腐蚀电池的作用，它可使腐蚀速度提高两个数量级左右。它可使腐蚀速度提高两个数量级左右。 在具有电活性的磨料与金属材料接触时，会形成磨料在具有电活性的磨料与金属材料接触时，会形成磨料与金属材料与金属材料电偶腐蚀电池电偶腐蚀电池。例如，球磨机在湿磨条件下，。例如，球磨机在湿磨条件下，每一个磨球表面与大量的矿石接触就会形成众多的电偶腐每一个磨球表面与大量的矿石接触就会形成众多的电偶腐蚀电池。蚀电池。 在各类腐蚀磨损中，首先产生化学反应，然后由于机械在各类腐蚀磨损中，首先产生化学反应，然后由于机械磨损作用使化学生成物质脱离表面磨损作用使化学生成物质脱离表面。在这里腐蚀的作用很明。在这里腐蚀的作用很明显。如显。如拖拉机履带板拖拉机履带板一类零件，若在水砂中运动之后在空气一类零件，若在水砂中运动之后在空气中停留一段时间，然后又再次进入水砂中，这种干湿交替环中停留一段时间，然后又再次进入水砂中，这种干湿交替环境工作将使磨损加快，比完全在水砂中连续运行所造成的磨境工作将使磨损加快，比完全在水砂中连续运行所造成的磨损更快。用高锰钢制成的拖拉机履带板，在北方旱田耕作，损更快。用高锰钢制成的拖拉机履带板，在北方旱田耕作，可使用可使用2000 h，但在南方水田中耕作，其寿命仅，但在南方水田中耕作，其寿命仅500 h。在低。在低应力细磨料对腐蚀产物的研磨中，新鲜表面裸露出来，通过应力细磨料对腐蚀产物的研磨中，新鲜表面裸露出来，通过腐蚀一研磨一再腐蚀腐蚀一研磨一再腐蚀的循环过程，腐蚀加速了磨损，磨的循环过程，腐蚀加速了磨损，磨损又促进了进一步的腐蚀。损又促进了进一步的腐蚀。 (3)腐蚀磨损的特征腐蚀磨损的特征 腐蚀磨损过程中，氧化膜断裂和剥落，形成了新的磨腐蚀磨损过程中，氧化膜断裂和剥落，形成了新的磨料，使腐蚀磨损兼有腐蚀与磨损双重作用料，使腐蚀磨损兼有腐蚀与磨损双重作用。但腐蚀磨损又。但腐蚀磨损又不同于一般的磨料磨损。不同于一般的磨料磨损。腐蚀磨损不产生显微切削和表面腐蚀磨损不产生显微切削和表面变形，它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻点。变形，它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻点。麻点比较光滑，磨屑多是显微细粉末状的氧化物，也有薄麻点比较光滑，磨屑多是显微细粉末状的氧化物，也有薄的碎片的碎片。钢摩擦副相互滑动的氧化磨损，沿滑动方向呈现。钢摩擦副相互滑动的氧化磨损，沿滑动方向呈现出匀细的磨痕。磨屑是暗色的片状或丝状物，片状磨屑为出匀细的磨痕。磨屑是暗色的片状或丝状物，片状磨屑为红褐色的红褐色的Fe2O3，而丝状的是灰黑色的，而丝状的是灰黑色的Fe304。 (4)影响腐蚀磨损的因素影响腐蚀磨损的因素 PH值值 一般来讲，在一般来讲，在pH7时，随酸性增加腐蚀磨损时，随酸性增加腐蚀磨损量增加。在量增加。在7 pH12在相对运动速度不太高的情况下，在相对运动速度不太高的情况下，随碱性增加，腐蚀磨损量下降。随碱性增加，腐蚀磨损量下降。 温度温度 在其他条件相同的情况下，腐蚀磨损的速度一在其他条件相同的情况下，腐蚀磨损的速度一般般随温度升高而增加随温度升高而增加。 影响耐磨材料的主要因素是化学成分影响耐磨材料的主要因素是化学成分。对不同介质条。对不同介质条件，在铁碳合金中，加入适量的铬、钒、硼等元素可提高件，在铁碳合金中，加入适量的铬、钒、硼等元素可提高材料耐磨性。不同的介质应加入不同的合金元素，才能获材料耐磨性。不同的介质应加入不同的合金元素，才能获得良好效果。得良好效果。7、疲劳磨损、疲劳磨损(1)疲劳磨损的定义疲劳磨损的定义 当两个接触体相对滚动或滑动时当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的，在接触区形成的循环循环应力超过材料的疲劳强度应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹并的情况下，在表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落材料断裂剥落下来的磨损过程下来的磨损过程称称疲劳磨损疲劳磨损。由前面的叙述可知，。由前面的叙述可知，磨料磨损磨料磨损是由于磨料题粒是由于磨料题粒与零件表面之间的相互作用面造成的金属流失；与零件表面之间的相互作用面造成的金属流失；粘着磨损粘着磨损是是摩擦表面间因直接接触而发生的金属流失。如果有润滑油将摩擦表面间因直接接触而发生的金属流失。如果有润滑油将两表面隔开，同时又消除磨料颗粒的作用，则上述两类磨损两表面隔开，同时又消除磨料颗粒的作用，则上述两类磨损可大为减少，但仍可能发生疲劳磨损。可大为减少，但仍可能发生疲劳磨损。 (2)疲劳磨损与整体疲劳的区别疲劳磨损与整体疲劳的区别 疲劳磨损与整体疲劳具有不同的特点。疲劳磨损与整体疲劳具有不同的特点。 其一，裂纹源与裂纹扩展不同。其一，裂纹源与裂纹扩展不同。整体疲劳的裂纹源都是从整体疲劳的裂纹源都是从表面开始的表面开始的，一般从表面沿与外加应力成，一般从表面沿与外加应力成45的方向扩展，超的方向扩展，超过两、三个晶粒以后，即转向与应力垂直的方向。过两、三个晶粒以后，即转向与应力垂直的方向。而疲劳磨损而疲劳磨损裂纹除来源于表面外，也产生在亚表面内，裂纹扩展的方向是裂纹除来源于表面外，也产生在亚表面内，裂纹扩展的方向是平行于表面，平行于表面，或与表面成一定角度，一般为或与表面成一定角度，一般为1030，而且，而且只限于在表面层内扩展。只限于在表面层内扩展。 其二，疲劳寿命不同。其二，疲劳寿命不同。整体疲劳一般有一个明显的疲劳极整体疲劳一般有一个明显的疲劳极限，限，低于这个极限，疲劳寿命可以认为是无限的。而疲劳磨损低于这个极限，疲劳寿命可以认为是无限的。而疲劳磨损尚未发现这样的疲劳极限，疲劳磨损的零件寿命波动很大。尚未发现这样的疲劳极限，疲劳磨损的零件寿命波动很大。 其三其三，疲劳磨损疲劳磨损除循环应力作用外，还经受复杂的摩擦过除循环应力作用外，还经受复杂的摩擦过程，可能引起表面层一系列物理化学变化以及各种力学性能与程，可能引起表面层一系列物理化学变化以及各种力学性能与物理性能变化等，所以物理性能变化等，所以比整体疲劳处于更复杂更恶劣的工作条比整体疲劳处于更复杂更恶劣的工作条件中。件中。 (3)疲劳磨损的特征疲劳磨损的特征 其典型特征是零件表面出现深浅不同，大小不一的痘斑其典型特征是零件表面出现深浅不同，大小不一的痘斑状凹坑，或较大面积的表面剥落，简称状凹坑，或较大面积的表面剥落，简称点蚀及剥落点蚀及剥落。 点蚀裂纹点蚀裂纹一般都从表面开始，向内倾斜扩展一般都从表面开始，向内倾斜扩展(与表面成与表面成1030角角)，最后二次裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落，最后二次裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即成点蚀，因此单个的点蚀坑的表面形貌常表现为下来即成点蚀，因此单个的点蚀坑的表面形貌常表现为“扇扇形形”。剥落的裂纹剥落的裂纹一般起源于亚表层内部较深的层次一般起源于亚表层内部较深的层次(如可达如可达几百微米几百微米)。 研究表明，研究表明，纯滚动接触时，裂纹发生在亚表层最大切应纯滚动接触时，裂纹发生在亚表层最大切应力处，裂纹发展慢，经历时间比裂纹萌生长，裂纹断口颜色力处，裂纹发展慢，经历时间比裂纹萌生长，裂纹断口颜色比较光亮。比较光亮。滚动加滑动的疲劳磨损，因存在切应力和压应力，滚动加滑动的疲劳磨损，因存在切应力和压应力，易在表面上产生微裂纹，它的萌生阶段往往大于扩展阶段，易在表面上产生微裂纹，它的萌生阶段往往大于扩展阶段，断口较暗。断口较暗。(4)疲劳磨损的基本原理疲劳磨损的基本原理 最大的正应力发生在表面，最大的切应力发生在离表面一最大的正应力发生在表面，最大的切应力发生在离表面一定距离处，定距离处，对于两球体的点接触，此值为对于两球体的点接触，此值为0.47a，对于两圆柱体，对于两圆柱体的线接触，此值为的线接触，此值为0.78a，a为接触宽度的为接触宽度的1/2。滚动接触时在交。滚动接触时在交变应力的影响下，裂纹就容易在这些部位形核，并扩展到表面变应力的影响下，裂纹就容易在这些部位形核，并扩展到表面而产生剥落。若除滚动接触外还有滑动接触，破坏位置就逐渐而产生剥落。若除滚动接触外还有滑动接触，破坏位置就逐渐移向表面。这是因为纯滑动时，最大的切应力发生在表面。移向表面。这是因为纯滑动时，最大的切应力发生在表面。 实际中，由于构件表面粗糙实际中，由于构件表面粗糙度、材料不均、夹杂物、微裂纹度、材料不均、夹杂物、微裂纹及硬质点，疲劳破坏的位置会改及硬质点，疲劳破坏的位置会改变，所以有些裂纹从表面开始，变，所以有些裂纹从表面开始，而有些从次表面开始。而有些从次表面开始。(5)影响疲劳磨损的因素影响疲劳磨损的因素 a材质材质 材料纯度越高寿命越长，钢中的非金属夹杂物，材料纯度越高寿命越长，钢中的非金属夹杂物，特别是脆性的带有棱角的氧化物、硅酸盐以及其他各种复杂特别是脆性的带有棱角的氧化物、硅酸盐以及其他各种复杂成分的点状、球状夹杂物破坏基体的连续性，对疲劳磨损有成分的点状、球状夹杂物破坏基体的连续性，对疲劳磨损有严重不良影响。此外要控制金属的组织结构。严重不良影响。此外要控制金属的组织结构。 增加材料的加工硬化硬度增加材料的加工硬化硬度对疲劳磨损有重要影响，硬度对疲劳磨损有重要影响，硬度越高裂纹越难形成，越高裂纹越难形成，降低表面粗糙度降低表面粗糙度可有效提高抗疲劳磨损可有效提高抗疲劳磨损的能力；表层内一定深度的的能力；表层内一定深度的残余压应力残余压应力可提高对接触疲劳磨可提高对接触疲劳磨损的抗力，表面渗碳、淬火、喷丸、滚压等处理都可使表面损的抗力，表面渗碳、淬火、喷丸、滚压等处理都可使表面产生压应力。产生压应力。 b裁荷裁荷 是影响疲劳磨损寿命的主要原因之一。例如，一般是影响疲劳磨损寿命的主要原因之一。例如，一般认为球轴承的寿命与载荷的立方成反比，即认为球轴承的寿命与载荷的立方成反比，即 NP3常数常数 c润滑油膜厚度润滑油膜厚度 润滑油黏度高且足够厚时，可使表面微凸润滑油黏度高且足够厚时，可使表面微凸体不发生接触，从而不容易产生接触疲劳磨损。由于接触表体不发生接触，从而不容易产生接触疲劳磨损。由于接触表面压力很高，要选择在超高压下黏度高的润滑油。面压力很高，要选择在超高压下黏度高的润滑油。d 环境环境 周围环境，如空气中的水、海水中的盐、润滑油中有周围环境，如空气中的水、海水中的盐、润滑油中有腐蚀性的添加剂对材料的疲劳磨损有不利的影响。如润滑油腐蚀性的添加剂对材料的疲劳磨损有不利的影响。如润滑油中的水会加速轴承钢的接触疲劳失效，甚至很少量都危害重中的水会加速轴承钢的接触疲劳失效，甚至很少量都危害重大。大。8、提高耐磨性的途径、提高耐磨性的途径 金属材料的磨损主要是发生在金属材料的磨损主要是发生在表面的变形和断裂过程表面的变形和断裂过程，因此，因此，提高承受摩擦作用的构件表面的提高承受摩擦作用的构件表面的强度强度(或硬度或硬度)和韧性和韧性，可望能提，可望能提高耐磨性。高耐磨性。 对于粘着磨损而言对于粘着磨损而言，改善润滑条件改善润滑条件，提高氧化膜与基体金属，提高氧化膜与基体金属的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等都可以减轻粘着磨损。如果是沿接触面上以及降低表面粗糙度等都可以减轻粘着磨损。如果是沿接触面上产生粘着磨损，只需降低摩擦副原子间的结合力，最好是采用表产生粘着磨损，只需降低摩擦副原子间的结合力，最好是采用表面处理。面处理。如渗硫、渗磷及渗氮等如渗硫、渗磷及渗氮等。表面处理实际上是在金属表面。表面处理实际上是在金属表面形成一层化合物层或非金属层，避免摩擦副直接接触，既降低原形成一层化合物层或非金属层，避免摩擦副直接接触，既降低原子间结合力，又减小摩擦因数，可防止粘着。渗硫并不提高硬度，子间结合力，又减小摩擦因数，可防止粘着。渗硫并不提高硬度，但因降低了摩擦因数，故可防止粘着，特别对高温下和不可能润但因降低了摩擦因数，故可防止粘着，特别对高温下和不可能润滑的构件更为有效。滑的构件更为有效。如果粘着磨损发生在较软一方材料构件内部，如果粘着磨损发生在较软一方材料构件内部，则不但应降低摩擦副的结合力，而且要提高构件本身表层硬度，则不但应降低摩擦副的结合力，而且要提高构件本身表层硬度，采用渗碳、渗氮、碳氮共渗及碳氮硼三元共渗等热处理工艺都有采用渗碳、渗氮、碳氮共渗及碳氮硼三元共渗等热处理工艺都有一定效果。一定效果。 对于磨粒磨损而言，对于磨粒磨损而言，如果是低应力磨粒磨损，则应设法提如果是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬度。高表面硬度。选用含碳较高的钢，并经热处理后获得马氏体组选用含碳较高的钢，并经热处理后获得马氏体组织，这是提高抗磨粒磨损性能简单而易行的方法。织，这是提高抗磨粒磨损性能简单而易行的方法。但当构件受但当构件受重载荷重载荷，特别是在较大冲击载荷下工作，则基体，特别是在较大冲击载荷下工作，则基体组织最好是下组织最好是下贝氏体贝氏体，因为这种组织既有较高硬度又有良好韧性。对于合金，因为这种组织既有较高硬度又有良好韧性。对于合金钢，控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能钢，控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能力有决定性影响。力有决定性影响。消除基体中初生碳化物，并使次生碳化物均消除基体中初生碳化物，并使次生碳化物均匀弥散分布，就可以显著提高耐磨性。匀弥散分布，就可以显著提高耐磨性。提高钢中碳化物体积比，提高钢中碳化物体积比，一般也能提高耐磨性。钢中含有适量残余奥氏体对提高抗磨粒一般也能提高耐磨性。钢中含有适量残余奥氏体对提高抗磨粒磨损能力也是有益的。因为残余奥氏体能增加整体韧性，给碳磨损能力也是有益的。因为残余奥氏体能增加整体韧性，给碳化物以支承，并在受磨损时能部分转变为马氏体使硬度提高。化物以支承，并在受磨损时能部分转变为马氏体使硬度提高。采用采用渗碳、碳氮共渗渗碳、碳氮共渗等表面热处理也能有效地提高抗磨粒磨损等表面热处理也能有效地提高抗磨粒磨损能力。能力。经常注意构件的防尘和清洗能大大减轻磨粒磨损。经常注意构件的防尘和清洗能大大减轻磨粒磨损。4失效分析的思路、程序和基本技能失效分析的思路、程序和基本技能54.1 失效分析思路和逻辑方法失效分析思路和逻辑方法 失效分析思路以装备构件失效分析思路以装备构件失效的规律为理论依据失效的规律为理论依据，把通过把通过调查、观察、检测和实验调查、观察、检测和实验获得的失效信息分别加获得的失效信息分别加以考察，然后有机结合起来作为一个统一整体进行综合以考察，然后有机结合起来作为一个统一整体进行综合分析。分析。1、失效分析思路的重要性、失效分析思路的重要性 掌握并运用正确的分析思路，才可能对失效事件有掌握并运用正确的分析思路，才可能对失效事件有本质的认识，减少失效分析工作中的本质的认识，减少失效分析工作中的盲目性、片面性和盲目性、片面性和主观随意性主观随意性，大大提高工作的效率和质量。因此，失效，大大提高工作的效率和质量。因此，失效分析思路不仅是失效分析学科的重要组成部分，而且是分析思路不仅是失效分析学科的重要组成部分，而且是失效分析的灵魂。失效分析的灵魂。2、构件失效过程及其原因和特点、构件失效过程及其原因和特点（1）失效过程的几个特点）失效过程的几个特点 a.不可逆性不可逆性 任何一个构件失效过程都是不可逆过程，因此，任何一个构件失效过程都是不可逆过程，因此，某一个构件的具体失效过程是某一个构件的具体失效过程是无法完全再现的无法完全再现的，任何模拟再现，任何模拟再现试验都不可能完全代替某一构件的实际失效过程。试验都不可能完全代替某一构件的实际失效过程。 b.有序性有序性 构件失效的任一失效类型，客观上都有一个或构件失效的任一失效类型，客观上都有一个或长或短、或快或慢的发展过程，长或短、或快或慢的发展过程，一般要经过起始状态、中间状一般要经过起始状态、中间状态、完成状态三个阶段态、完成状态三个阶段。在时间序列上，这是一个有序的过程，。在时间序列上，这是一个有序的过程，不可颠倒，是不可逆过程在时序上的表征。不可颠倒，是不可逆过程在时序上的表征。 c.不稳定性不稳定性 除了起始状态和完成状态这两个状态比较稳除了起始状态和完成状态这两个状态比较稳定之外，定之外，中间状态往往是不稳定的，中间状态往往是不稳定的，可变的，甚至不连续的，可变的，甚至不连续的，不确定的因素较多。不确定的因素较多。 d.积累性积累性 任何构件失效，对该构件所用的材料而言是一任何构件失效，对该构件所用的材料而言是一个个累积损伤过程累积损伤过程，当总的损伤量达到某一临界损伤量时，失效，当总的损伤量达到某一临界损伤量时，失效便随之暴露。便随之暴露。(2)失效原因的几个特点失效原因的几个特点 a. 必要性必要性 不论何种构件失效的累积损伤过程，都不是自不论何种构件失效的累积损伤过程，都不是自发的过程，都是有条件的即有原因的。发的过程，都是有条件的即有原因的。 b. 多样性和相关性多样性和相关性 构件失效过程常常是由多个相关环节构件失效过程常常是由多个相关环节事件发展演变而成的，瞬时造成的失效后果往往是多环节事件事件发展演变而成的，瞬时造成的失效后果往往是多环节事件(原因原因)失败而酿成的。失败而酿成的。 c. 可变性可变性 这主要表现在以下几方面。这主要表现在以下几方面。 有的原因可能在失效全过程中发挥作用，但影响力却可有的原因可能在失效全过程中发挥作用，但影响力却可能发生变化，有的原因可能只在失效过程某一进程发生作用。能发生变化，有的原因可能只在失效过程某一进程发生作用。 有的原因可能在失效全过程中始终存在，但有的原因却有的原因可能在失效全过程中始终存在，但有的原因却可能是可能是随机性的出现或不连续性的存在随机性的出现或不连续性的存在，这时某一构件失效过，这时某一构件失效过程也可能表现出过程的不连续性，甚至可能出现两种或多种失程也可能表现出过程的不连续性，甚至可能出现两种或多种失效类型。效类型。 原因之间也可能有交互作用。如腐蚀失效，温度升高一原因之间也可能有交互作用。如腐蚀失效，温度升高一般可加速冷凝液对构件的腐蚀，但温度很高时，冷凝液全部挥般可加速冷凝液对构件的腐蚀，但温度很高时，冷凝液全部挥发后，对构件的腐蚀反而减少。发后，对构件的腐蚀反而减少。 d. 偶然性偶然性 一般出现概率很小。一般出现概率很小。 有时不属技术性的，而是管理不善或疏忽大意造成的。有时不属技术性的，而是管理不善或疏忽大意造成的。 极少数的意外情况，如人为性破坏或恶作剧等。极少数的意外情况，如人为性破坏或恶作剧等。 (3)失效过程和失效原因之间的联系失效过程和失效原因之间的联系 a 普遍性普遍性 b 必然性必然性 c 双重性双重性 d 时序性时序性 3、失效分析思路的方向性及基本原则、失效分析思路的方向性及基本原则（1）方向性）方向性1)失效分析不是简单的从果求因过程失效分析不是简单的从果求因过程构件失效的完成状态呈现失效过程的总的结果。构件失效的完成状态呈现失效过程的总的结果。失效分析常常是失效分析常常是先判断失效类型，后查找失效原因先判断失效类型，后查找失效原因。失效过程的起始状态应作为分析重点。失效过程的起始状态应作为分析重点。2)失效分析思路方向的多种选择失效分析思路方向的多种选择顺藤摸瓜。顺藤摸瓜。即以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程即以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。进一步发展的结果，直至过程的终点结果。顺藤找根。顺藤找根。即以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过即以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因。程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因。 顺瓜摸藤。顺瓜摸藤。即从过程的终点结果出发，不断由过程的结果即从过程的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。推断其原因。顺根摸藤。顺根摸藤。即从过程起始状态的原因出发，不断由过程的即从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。原因推断其结果。顺瓜摸藤顺藤找根。顺瓜摸藤顺藤找根。顺根摸藤顺藤摸瓜。顺根摸藤顺藤摸瓜。顺藤摸瓜顺藤摸瓜 顺藤找根。顺藤找根。（2）基本原则）基本原则1)整体观念原则整体观念原则 旦有装备构件失效，就要把旦有装备构件失效，就要把“装备装备环境环境人人”当作当作一个系统来考虑。一个系统来考虑。 2)立体性原则立体性原则 即要求分析工作者应从多方位来综合思考问题。如同系统即要求分析工作者应从多方位来综合思考问题。如同系统工程提倡的工程提倡的“三维结构方法三维结构方法”，要求人人可从三个方面来考虑，要求人人可从三个方面来考虑问题，即问题，即逻辑维、时间维及知识维逻辑维、时间维及知识维。具体结合构件的失效分析，。具体结合构件的失效分析，其其逻辑维逻辑维即从构件规划、设计、制造、安装直至使用来思考问即从构件规划、设计、制造、安装直至使用来思考问题；而题；而时间维时间维即按分析程序的先后，调查、观察、检测、试验即按分析程序的先后，调查、观察、检测、试验直至结论；直至结论；知识维知识维则要全面应用管理学知识、心理学知识及失则要全面应用管理学知识、心理学知识及失效分析知识。效分析知识。3)从现象到本质的原则从现象到本质的原则4)动态性原则动态性原则5)两分法的原则两分法的原则6)以信息异常论为失效分析的总的指导原则以信息异常论为失效分析的总的指导原则4、几种失效分析思路简介、几种失效分析思路简介(1) “撒网撒网”式的失效分析思路式的失效分析思路(2) 按失效类型的分析思路按失效类型的分析思路(3) 逻辑推理思路逻辑推理思路失效分析的基本思路失效分析的基本思路(4) FTA(Fault Tree Analysis)系统工程学的分析思路在构件失效系统工程学的分析思路在构件失效分析中的合理性评价分析中的合理性评价5、几种常用的逻辑推理方法、几种常用的逻辑推理方法(1)归纳推理归纳推理(2)演绎推理演绎推理(3)类比推理类比推理(4)选择性推理选择性推理(5)假设性推理假设性推理4.2 失效分析的程序失效分析的程序1、接受任务明确目的要求、接受任务明确目的要求 不管失效分析是何种目的，失效分析的宗旨都是找出失不管失效分析是何种目的，失效分析的宗旨都是找出失效的原因，避免同样的失效事件再发生。对于不同目的要求效的原因，避免同样的失效事件再发生。对于不同目的要求的情况，失效分析的深度和广度将会有很大的差别。的情况，失效分析的深度和广度将会有很大的差别。2、调查现场及收集背景资料、调查现场及收集背景资料(1)现场失效信息的收集、保留与记录现场失效信息的收集、保留与记录 要收集的失效信息一般有两类：要收集的失效信息一般有两类：一类一类是已经确认能反映是已经确认能反映失效事故的过程和起因的现象和物质；失效事故的过程和起因的现象和物质；一类一类是估计可能用得是估计可能用得着的物质和值得进一步分析的现象。着的物质和值得进一步分析的现象。 记录的方法包括摄影、录像、笔记、画草图等记录的方法包括摄影、录像、笔记、画草图等。现场收集的信息，包括物质和记录的文献，应满足如下条件：现场收集的信息，包括物质和记录的文献，应满足如下条件： 能全面地、三维地、定量地反映失效后的现场。能全面地、三维地、定量地反映失效后的现场。 能反映出各个装备或零部件失效先后顺序的各种迹象。能反映出各个装备或零部件失效先后顺序的各种迹象。 能反映出失效机理的各种现象。能反映出失效机理的各种现象。例子：断裂失效例子：断裂失效 要做出失效现场的草图，在其中标出坐标的空间尺度。要做出失效现场的草图，在其中标出坐标的空间尺度。 对重大的爆炸失效，要将装备的所有残骸、碎片的散落对重大的爆炸失效，要将装备的所有残骸、碎片的散落地点用坐标注在草图上，并收集、清点、编号。做出残骸恢复地点用坐标注在草图上，并收集、清点、编号。做出残骸恢复图。重要的失效件要拼装将形状恢复起来，进行清点和分析。图。重要的失效件要拼装将形状恢复起来，进行清点和分析。 记录记录(拍照拍照)并测量断裂区的塑性变形、断口角度和纹并测量断裂区的塑性变形、断口角度和纹理、颜色、光泽等能反映断裂时的受力情况、变形和断裂发理、颜色、光泽等能反映断裂时的受力情况、变形和断裂发展过程的各种现象，展过程的各种现象，绘出裂纹扩展方向图绘出裂纹扩展方向图。 收集与失效有关的物质，如气氛、物料粉尘、飞溅物、收集与失效有关的物质，如气氛、物料粉尘、飞溅物、反应物，并注意机械划伤、污染吸附等痕迹。反应物，并注意机械划伤、污染吸附等痕迹。 采集残骸的重要关键性部位，供实验室分析用。采集残骸的重要关键性部位，供实验室分析用。 清理现场时将编号的无用残骸尽量有秩序地堆放在避清理现场时将编号的无用残骸尽量有秩序地堆放在避风雨的地方暂存、备用。风雨的地方暂存、备用。(2)调查、访问和背景资料的收集调查、访问和背景资料的收集 失效装备的工作原理及运行技术数据和有关的规程、标准。失效装备的工作原理及运行技术数据和有关的规程、标准。 设计的原始依据，如工作压力、温度、介质、应力状态和应力水平、安设计的原始依据，如工作压力、温度、介质、应力状态和应力水平、安全系数，预计寿命，设计思想和所采用的公式或规程、标准。全系数，预计寿命，设计思想和所采用的公式或规程、标准。 选材的依据，如材料性能数据、焊缝系数等。选材的依据，如材料性能数据、焊缝系数等。 实用材料的牌号、性能指标、质量保证书、供应状态时间等。实用材料的牌号、性能指标、质量保证书、供应状态时间等。 加工、制造、装配的技术文件，包括毛坯制造工艺加工、制造、装配的技术文件，包括毛坯制造工艺(各个环节各个环节)的文件，的文件，工艺卡工艺卡(工艺流程工艺流程)及实施记录、检验报告实录乃至复查无损检验报告等。及实施记录、检验报告实录乃至复查无损检验报告等。 运行记录，包括工作压力、温度、介质、时间、开停车情况及开停车次运行记录，包括工作压力、温度、介质、时间、开停车情况及开停车次数，异常载荷、反常操作数，异常载荷、反常操作(如超温如超温)及已运行时间等。及已运行时间等。 操作维修资料如操作规程、试车记录、操作记录、检修记录等。操作维修资料如操作规程、试车记录、操作记录、检修记录等。 涉及到合同、法律责任或经济责任，往往还需查阅来往文件和倍函。涉及到合同、法律责任或经济责任，往往还需查阅来往文件和倍函。3、失效件的观察、检测和试验、失效件的观察、检测和试验(1)观察观察(2)检测检测 a 化学成分分析化学成分分析 包括对失效构件金属材料化学成分、环境包括对失效构件金属材料化学成分、环境介质及反应物、生成物、痕迹物等的化学成分的分析。介质及反应物、生成物、痕迹物等的化学成分的分析。 b 性能测试性能测试 力学性能包括构件金属材料的力学性能包括构件金属材料的强度指标、塑性强度指标、塑性指标和韧性指标指标和韧性指标b b、s 、n 、D 、A AKVKV、K KICIC、c c及硬及硬度等度等；化学性能包括金属材料在所处环境介质中的电极电位、极；化学性能包括金属材料在所处环境介质中的电极电位、极化曲线及腐蚀速率等；物理性能如环境介质在所处工艺条件下的化曲线及腐蚀速率等；物理性能如环境介质在所处工艺条件下的反应热、燃烧热等。反应热、燃烧热等。 c 无损检测无损检测 采用物理的方法，在不改变材料或构件的性能采用物理的方法，在不改变材料或构件的性能和形状的条件下，迅速而可靠地确定构件表面或内部裂纹和其他和形状的条件下，迅速而可靠地确定构件表面或内部裂纹和其他缺陷的大小、数量和位置。缺陷的大小、数量和位置。金属构件表面裂纹及缺陷常用渗透法金属构件表面裂纹及缺陷常用渗透法及电磁法检测；内部缺陷则多用放射性检测，声发射常用于动态及电磁法检测；内部缺陷则多用放射性检测，声发射常用于动态无损检测，如探测裂纹扩展情况。无损检测，如探测裂纹扩展情况。 d 组织结构分析组织结构分析 包括构件金属材料包括构件金属材料表面和心部的金相组织及表面和心部的金相组织及缺陷。常用金相法分析金属的显微组织是否正常、有否存在晶粒缺陷。常用金相法分析金属的显微组织是否正常、有否存在晶粒粗大、脱碳、过热、偏析等缺陷；夹杂物的类型、大小、数量和粗大、脱碳、过热、偏析等缺陷；夹杂物的类型、大小、数量和分布；晶界上有无析出物，裂纹的数量、分布及其附近组织有无分布；晶界上有无析出物，裂纹的数量、分布及其附近组织有无异常，是否存在氧化或腐蚀产物等。异常，是否存在氧化或腐蚀产物等。 e 应力测试及计算应力测试及计算 构件残余应力的测定是在无外加载荷的构件残余应力的测定是在无外加载荷的作用下进行测定，作用下进行测定，目前多用目前多用X射线应力测定法射线应力测定法。(3)试验试验 模拟试验就是设计一种试验，使其绝大多数条件同失效件工模拟试验就是设计一种试验，使其绝大多数条件同失效件工况相同或相近，但改变其中某些不重要、且模拟价高、时间太长、况相同或相近，但改变其中某些不重要、且模拟价高、时间太长、危险太大的影响因素，看是否发生失效及失效的情况。危险太大的影响因素，看是否发生失效及失效的情况。 4、 确定失效原因并提出改进措施确定失效原因并提出改进措施 正确判断失效形式是确定失效原因的基础正确判断失效形式是确定失效原因的基础，但失效形式不等，但失效形式不等于失效原因。还要结合材料、设计、制造、使用等背景和现场情于失效原因。还要结合材料、设计、制造、使用等背景和现场情况对照查找。况对照查找。4.3 失效件的保护、取样及试样清洗、保存失效件的保护、取样及试样清洗、保存1、失效件的保护、失效件的保护 断口保护主要是断口保护主要是防止机械损伤或化学损伤防止机械损伤或化学损伤。 对于机械损伤的防止对于机械损伤的防止，应当在断裂事故发生后马上把断口，应当在断裂事故发生后马上把断口保护起来。保护起来。在搬运在搬运时将断口保护好，在有些信况下还需利用衬时将断口保护好，在有些信况下还需利用衬垫材料，尽量使断口表面不要相互摩擦和碰撞。有时断口上可垫材料，尽量使断口表面不要相互摩擦和碰撞。有时断口上可能沾上一些油污或脏物，千万不可用硬刷于刷断口，并避免用能沾上一些油污或脏物，千万不可用硬刷于刷断口，并避免用手指直接接触断口。手指直接接触断口。 对于化学损伤的防止对于化学损伤的防止，主要是防止来自空气和水或其他化，主要是防止来自空气和水或其他化学药品对断口的腐蚀。一般可采用学药品对断口的腐蚀。一般可采用涂层的方法涂层的方法，即在断口上涂，即在断口上涂一层防腐物质，原则是涂层物质不使断口受腐蚀及易于被完全一层防腐物质，原则是涂层物质不使断口受腐蚀及易于被完全清洗掉。清洗掉。2、失效件的取样、失效件的取样 为了全面地进行失效分析，需要各种试样，如力学性能为了全面地进行失效分析，需要各种试样，如力学性能试样、化学分析试样、断口分析试样、电子探针试样、金相试样、化学分析试样、断口分析试样、电子探针试样、金相试样、表面分析试样和模拟试验用的试样等。这些试样、表面分析试样和模拟试验用的试样等。这些试样要从试样要从有代表性的部位上截取有代表性的部位上截取，要对截取全部试样有计划安排。，要对截取全部试样有计划安排。在在截取的部位，用草图或照相记录，标明是哪种试样截取的部位，用草图或照相记录，标明是哪种试样，以免弄，以免弄混而导致错误的分析结果。混而导致错误的分析结果。3、试样的清洗、试样的清洗 清洗的目的是为了清洗的目的是为了除去保护用的涂层和断口上的腐蚀产除去保护用的涂层和断口上的腐蚀产物及外来沾污物物及外来沾污物如灰尘等。常用以下几种方法。如灰尘等。常用以下几种方法。 用干燥压缩空气吹断口，这可以清除粘附在上面的灰用干燥压缩空气吹断口，这可以清除粘附在上面的灰尘以及其他外来赃物；用柔软的毛刷轻轻擦断口，有利于把尘以及其他外来赃物；用柔软的毛刷轻轻擦断口，有利于把灰尘清除干净。灰尘清除干净。 对断口上的油污或有机涂层，可以用汽油、石油醚、对断口上的油污或有机涂层，可以用汽油、石油醚、苯、丙酮等有机溶剂进行清除，清除干净后用无水酒精清洗苯、丙酮等有机溶剂进行清除，清除干净后用无水酒精清洗后吹干。后吹干。 超声波清洗能相当有效地清除断口表面的沉淀物，且不超声波清洗能相当有效地清除断口表面的沉淀物，且不损坏断口。损坏断口。 应用乙酸纤维膜复型剥离应用乙酸纤维膜复型剥离。通常对于粘在断口上的灰尘。通常对于粘在断口上的灰尘和硫松的氧化腐蚀产物可采用这种方法，就是用乙酸纤维脂反和硫松的氧化腐蚀产物可采用这种方法，就是用乙酸纤维脂反复复25次覆在断口上，这样可以剥离断口上的脏物。这种方法次覆在断口上，这样可以剥离断口上的脏物。这种方法操作简单，既可去掉断口上的油污，对断口又无损伤，操作简单，既可去掉断口上的油污，对断口又无损伤，故对一故对一般断口建议用此法清洗。般断口建议用此法清洗。 使用化学或电化学方法清洗。这种方法主要用于清洗断使用化学或电化学方法清洗。这种方法主要用于清洗断口口表面的腐蚀产物或氧化层表面的腐蚀产物或氧化层，但可能破坏断口上的一些细节，但可能破坏断口上的一些细节，所以使用时必须十分小心。一般只有在其他方法不能清洗掉的所以使用时必须十分小心。一般只有在其他方法不能清洗掉的情况下经备用试样试用后才使用。情况下经备用试样试用后才使用。4.5 失效分析的几种基本技能失效分析的几种基本技能1、断口分析、断口分析 (1)断口分析的重要性断口分析的重要性 在断口上忠实地记录了在断口上忠实地记录了金属断裂时的全过程金属断裂时的全过程，即裂纹的产，即裂纹的产生、扩展直至开裂；外部因素对裂纹萌生的影响及材料本身的生、扩展直至开裂；外部因素对裂纹萌生的影响及材料本身的缺陷对裂纹萌生的促进作用；同时也记录着裂纹扩展的途径、缺陷对裂纹萌生的促进作用；同时也记录着裂纹扩展的途径、扩展过程及内外因素对裂纹扩展的影响。扩展过程及内外因素对裂纹扩展的影响。 (2)断口分析的依据断口分析的依据 a断口的颜色与光泽断口的颜色与光泽 观察断口表面光泽与颜色时，主要观察断口表面光泽与颜色时，主要观察有无氧化色、有无腐蚀的痕迹、有无夹杂物的特殊色彩与观察有无氧化色、有无腐蚀的痕迹、有无夹杂物的特殊色彩与其他颜色。是红锈、黄锈或是其他颜色的锈蚀；是否有深灰色其他颜色。是红锈、黄锈或是其他颜色的锈蚀；是否有深灰色的金属光泽、发蓝颜色的金属光泽、发蓝颜色(或呈深紫色、紫黑色金属光泽或呈深紫色、紫黑色金属光泽)等。等。 例如，高温工作下的断裂构件，例如，高温工作下的断裂构件，从断口的颜色可以判断裂从断口的颜色可以判断裂纹形成的过程和发展速度纹形成的过程和发展速度，深黄色是先裂的，蓝色是后裂的；深黄色是先裂的，蓝色是后裂的；若两种颜色的距离很靠近，可判断裂纹扩展的速度很快若两种颜色的距离很靠近，可判断裂纹扩展的速度很快。 又如，钢件断口若是又如，钢件断口若是深灰色的金属光泽深灰色的金属光泽，是钢材的原色，是，是钢材的原色，是纯机械断口纯机械断口；断口有；断口有红锈红锈是富氧条件腐蚀的是富氧条件腐蚀的Fe203 ；断口有；断口有黑锈黑锈是缺氧条件腐蚀的是缺氧条件腐蚀的Fe304等。等。 根据疲劳断口的光亮程度，可以判断疲劳源的位置根据疲劳断口的光亮程度，可以判断疲劳源的位置。如果。如果不是腐蚀疲劳，则源区是最光滑的。不是腐蚀疲劳，则源区是最光滑的。 b. 断口上的花纹断口上的花纹 疲劳断裂断口宏观上有时可见疲劳断裂断口宏观上有时可见沙滩条纹沙滩条纹，微观上有微观上有疲劳辉纹疲劳辉纹。脆性断裂有解理特征，断口宏观上有闪闪。脆性断裂有解理特征，断口宏观上有闪闪发光的小刻面或人字、山形条纹，而微观上有河流条纹。舌状发光的小刻面或人字、山形条纹，而微观上有河流条纹。舌状花样等。韧性断裂宏观有花样等。韧性断裂宏观有纤维状纤维状断口，微观上则多有断口，微观上则多有韧窝或蛇韧窝或蛇行花样行花样等。等。 c断口上的粗糙度断口上的粗糙度 断口的表面实际上由许多微小的小断面断口的表面实际上由许多微小的小断面构成构成，其大小、高度差决定着断口的粗糙度。不同材料、不同，其大小、高度差决定着断口的粗糙度。不同材料、不同断裂方式，其断口粗糙度也不同。断裂方式，其断口粗糙度也不同。 一般来说，一般来说，属于剪切型的韧性断裂的剪切唇比较光滑属于剪切型的韧性断裂的剪切唇比较光滑；而而正断型的纤维区则较粗糙正断型的纤维区则较粗糙。属于脆性断裂的解理断裂形成的结属于脆性断裂的解理断裂形成的结晶状断口较粗糙晶状断口较粗糙，而准解理断裂形成的瓷状断口则较光滑而准解理断裂形成的瓷状断口则较光滑。疲疲劳断口的粗糙度与裂纹扩展速度有关劳断口的粗糙度与裂纹扩展速度有关(成正比成正比)，扩展速度越快，扩展速度越快，断口越粗糙。断口越粗糙。 d断口与最大正应力的交角断口与最大正应力的交角 韧性材料韧性材料的拉伸断口往往呈杯锥状或呈的拉伸断口往往呈杯锥状或呈45切断的外形，它的切断的外形，它的塑性变形是以缩颈的方式表现出来。即断口与拉伸轴向最大正应塑性变形是以缩颈的方式表现出来。即断口与拉伸轴向最大正应力交角是力交角是45。 脆性材料脆性材料的拉伸断口一般与最大拉伸正应力垂直，断口表面的拉伸断口一般与最大拉伸正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘通常没有剪切平齐，断口边缘通常没有剪切“唇口唇口”。断口附近没有缩颈现象。断口附近没有缩颈现象。 韧性材料韧性材料的扭转断口呈切断型。断口与扭转正应力交角也是的扭转断口呈切断型。断口与扭转正应力交角也是45。 脆性材料脆性材料的扭转断口呈麻花状，在纯扭矩的作用下，沿与最的扭转断口呈麻花状，在纯扭矩的作用下，沿与最大主应力垂直的方向分离。大主应力垂直的方向分离。 e断口上的冶金缺陷断口上的冶金缺陷 夹杂、分层、晶粒粗大、白点、白斑、夹杂、分层、晶粒粗大、白点、白斑、氧化膜、疏松、气孔、撕裂等，常可在失效件断口上经宏观或微氧化膜、疏松、气孔、撕裂等，常可在失效件断口上经宏观或微观观察而发现。观观察而发现。 (3)断口的宏观观察与微观观察断口的宏观观察与微观观察 断口的宏观观察断口的宏观观察是指用肉眼、放大镜、低倍率的光学显是指用肉眼、放大镜、低倍率的光学显微镜微镜(体视显微镜体视显微镜)或扫描电子显微镜来观察断口的表面形貌。或扫描电子显微镜来观察断口的表面形貌。通过宏观观察收集了断口上的宏观信息，则通过宏观观察收集了断口上的宏观信息，则可初步确定断裂的可初步确定断裂的性质性质(脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂等脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂等)，可可以分析裂源的位置和裂纹扩展方向，可以判断冶金质量和热处以分析裂源的位置和裂纹扩展方向，可以判断冶金质量和热处理质量等。理质量等。 断口的微观观察断口的微观观察是用显微镜对断口进行是用显微镜对断口进行高放大倍率高放大倍率的观的观察，用金相显微镜及扫描电镜的为多。断口微观观察包括断口察，用金相显微镜及扫描电镜的为多。断口微观观察包括断口表面的直接观察及断口剖面的观察。表面的直接观察及断口剖面的观察。通过微观观察进一步核实通过微观观察进一步核实宏观观察收集的信息，确定断裂的性质、裂源的位置及裂纹走宏观观察收集的信息，确定断裂的性质、裂源的位置及裂纹走向、扩展速度，找出断裂原因及机理等。向、扩展速度，找出断裂原因及机理等。 剖面观察。剖面观察。 裁取剖面要求有一定的方向，裁取剖面要求有一定的方向，通常是用与通常是用与断口表面垂直的平面来截取断口表面垂直的平面来截取(裁取时注意保护断口表面不受任裁取时注意保护断口表面不受任何损伤何损伤)，垂直于断口表面有两种切法。，垂直于断口表面有两种切法。 .平行裂纹扩展方向截取平行裂纹扩展方向截取，则可研究断裂过程。因为在断，则可研究断裂过程。因为在断口的剖面上，能包含断裂不同的各区域。口的剖面上，能包含断裂不同的各区域。 .垂直裂纹扩展方向裁取垂直裂纹扩展方向裁取，在一定位置的断口剖面上，可，在一定位置的断口剖面上，可研究某一特定位置的区域。研究某一特定位置的区域。 2、裂纹分析、裂纹分析 裂纹分析的目的是确定裂纹的位置及裂纹产生的原因。裂纹分析的目的是确定裂纹的位置及裂纹产生的原因。裂纹形成的原因往往是复杂的，裂纹形成的原因往往是复杂的，如设计上的不合理、选材不如设计上的不合理、选材不当、材质不良、制造工艺不当以及维护和使用不当等均有可当、材质不良、制造工艺不当以及维护和使用不当等均有可能导致裂纹的产生。能导致裂纹的产生。 它往往需要从原材料的冶金质量、材料的力学性能、构它往往需要从原材料的冶金质量、材料的力学性能、构件成形的工艺流程和每道工序的工艺参数、构件的形状及其件成形的工艺流程和每道工序的工艺参数、构件的形状及其工作条件以及裂纹宏观和微观的特征等方向做综合的分析。工作条件以及裂纹宏观和微观的特征等方向做综合的分析。它牵涉到多种技术方法和专门知识，如无损探伤、化学成分它牵涉到多种技术方法和专门知识，如无损探伤、化学成分分析、力学性能试验、金相分析、分析、力学性能试验、金相分析、X射线微区分析等。射线微区分析等。 (1)金属裂纹的基本形貌特征金属裂纹的基本形貌特征 裂纹两侧凹凸不平，耦合自然裂纹两侧凹凸不平，耦合自然。这种耦合特征是与主应。这种耦合特征是与主应力性质有关的：若主应力属切应力则裂纹一般呈平滑的大耦合；力性质有关的：若主应力属切应力则裂纹一般呈平滑的大耦合；若主应力属拉应力则裂纹一般呈锯齿状的小耦合。若主应力属拉应力则裂纹一般呈锯齿状的小耦合。 除某些沿晶裂纹外，绝大多数裂纹的除某些沿晶裂纹外，绝大多数裂纹的尾端是尖锐的尾端是尖锐的。 裂纹具有一定的深度，深度与宽度不等，深度大于宽度，裂纹具有一定的深度，深度与宽度不等，深度大于宽度，是连续性的缺陷。是连续性的缺陷。 裂纹有各种形状，直线状、分枝状、龟裂状、辐射状、裂纹有各种形状，直线状、分枝状、龟裂状、辐射状、环形状、弧形状，各种形状往往与形成的原因密切相关。环形状、弧形状，各种形状往往与形成的原因密切相关。 (2)裂纹的宏观检查裂纹的宏观检查 裂纹的宏观检查的主要目的是确定检查对象是否存在裂裂纹的宏观检查的主要目的是确定检查对象是否存在裂纹。纹。裂纹的宏观检查，除通过肉眼进行裂纹的宏观检查，除通过肉眼进行直接外观检查和采取直接外观检查和采取简易的敲击测音法简易的敲击测音法外，通常采用外，通常采用无损探伤法，如无损探伤法，如X射线、磁力射线、磁力渗透着色、超声波、荧光渗透着色、超声波、荧光等物理探伤法检测裂纹是常用的方等物理探伤法检测裂纹是常用的方法。法。 (3)裂纹的微观检查裂纹的微观检查 裂纹形态特征，其分布是穿晶的，还是沿晶的，主裂裂纹形态特征，其分布是穿晶的，还是沿晶的，主裂纹附近有无微裂纹和分支。纹附近有无微裂纹和分支。 裂纹处及附近的晶粒度有无显著粗大或细化或大小极裂纹处及附近的晶粒度有无显著粗大或细化或大小极不均匀的现象，晶粒是否变形，裂纹与晶粒变形的方向相平不均匀的现象，晶粒是否变形，裂纹与晶粒变形的方向相平行或相垂直。行或相垂直。 裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物，它们的形态、，它们的形态、大小数量及分布情况如何，裂纹源是否产生于碳化物或非金属大小数量及分布情况如何，裂纹源是否产生于碳化物或非金属夹杂物周围，裂纹扩展与夹杂物之间有无联系。夹杂物周围，裂纹扩展与夹杂物之间有无联系。 裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象，有无氧化物和脱碳，有无氧化物和脱碳组织。组织。 产生裂纹的表面是否存在加工硬化层或回火层。产生裂纹的表面是否存在加工硬化层或回火层。 裂纹萌生处及扩展路径周围是否有裂纹萌生处及扩展路径周围是否有过热组织、魏氏组织、过热组织、魏氏组织、带状组织以及其他形式的组织缺陷带状组织以及其他形式的组织缺陷。(4)产生裂纹部位的分析产生裂纹部位的分析 a构件结构形状引起的裂纹构件结构形状引起的裂纹 由于构件结构上的需要或由由于构件结构上的需要或由于设计上的不合理，或加工制造过程中没有按设计要求进行，于设计上的不合理，或加工制造过程中没有按设计要求进行，或在运输过程中碰撞而导致在构件上往往有或在运输过程中碰撞而导致在构件上往往有尖锐的凹角、凸边尖锐的凹角、凸边或缺口，截面尺寸突变或台阶等或缺口，截面尺寸突变或台阶等“结构上的缺陷结构上的缺陷”，这些结构，这些结构上的缺陷在构件制造和使用过程中将产生很大的上的缺陷在构件制造和使用过程中将产生很大的应力集中应力集中并可并可能导致裂纹。所以，能导致裂纹。所以，要注意裂纹所在部位与构件结构形状之间要注意裂纹所在部位与构件结构形状之间关系的分析。关系的分析。 b材料缺陷引起的裂纹材料缺陷引起的裂纹 金属材料本身的缺陷，金属材料本身的缺陷，特别是表特别是表面缺陷面缺陷，如夹杂、斑疤、划痕、折叠、氧化、脱碳、粗晶以及，如夹杂、斑疤、划痕、折叠、氧化、脱碳、粗晶以及气泡、疏松、偏析、白点、过热、过烧、发纹等，不仅其本身气泡、疏松、偏析、白点、过热、过烧、发纹等，不仅其本身直接破坏了材料的连续性，降低了材料的强度与塑性，而且往直接破坏了材料的连续性，降低了材料的强度与塑性，而且往住在这些缺陷的尖锐的前沿，造成很大的应力集中，使得材料住在这些缺陷的尖锐的前沿，造成很大的应力集中，使得材料在很低的平均应力下产生裂纹并得以扩展，最后导致断裂。在很低的平均应力下产生裂纹并得以扩展，最后导致断裂。 c . 受力状况引起的裂纹受力状况引起的裂纹 在金属材料质量合格，构件形在金属材料质量合格，构件形状设计合理的情况下，裂纹将在应力最大处形成，或有随机状设计合理的情况下，裂纹将在应力最大处形成，或有随机分初布的特点。在这种情况下，为判别裂纹起裂的真实原因，分初布的特点。在这种情况下，为判别裂纹起裂的真实原因，要特别侧重对应力状态的分析要特别侧重对应力状态的分析。尤其是非正常操作工况下构。尤其是非正常操作工况下构件的应力状态，件的应力状态，如超载、超温如超载、超温等、等、(5)主裂纹的判别主裂纹的判别 T形法形法 将散落的碎片按相匹配的断口合并在一起，其将散落的碎片按相匹配的断口合并在一起，其裂纹形成裂纹形成T形形。在一般情况下横贯裂纹。在一般情况下横贯裂纹A为首先开裂的，为首先开裂的，A裂纹阻止裂纹阻止B裂纹扩展或者裂纹扩展或者B裂纹的扩展受到裂纹的扩展受到A裂纹的阻止时，裂纹的阻止时，A裂纹为主裂纹，裂纹为主裂纹，B裂纹为二次裂纹裂纹为二次裂纹。 分枝法分枝法 将散落碎片按相匹配断口合并，其裂纹形成树枝将散落碎片按相匹配断口合并，其裂纹形成树枝形：在断裂失效中，往往在出现一个裂纹后，产生很多的分形：在断裂失效中，往往在出现一个裂纹后，产生很多的分叉或分枝裂纹。叉或分枝裂纹。裂纹的分叉或分枝方向通常为裂纹的局部扩裂纹的分叉或分枝方向通常为裂纹的局部扩展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹为二次裂纹，汇展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹。合裂纹为主裂纹。 变形法变形法 将散落碎片按相匹配断口合并起来，构成原来构将散落碎片按相匹配断口合并起来，构成原来构件的几何外形，测量其几何形状的变化情况，件的几何外形，测量其几何形状的变化情况，变形量较大的变形量较大的部位为主裂纹、其他部位为二次裂纹。部位为主裂纹、其他部位为二次裂纹。 氧化法氧化法 在受环境因素影响较大的断裂失效中，在受环境因素影响较大的断裂失效中，检验断口检验断口各个部位的氧化程度各个部位的氧化程度，其中，其中氧化程度最严重者为最先断裂者氧化程度最严重者为最先断裂者即主裂纹所形成的断口即主裂纹所形成的断口，因为氧化严重者说明断裂的时间较，因为氧化严重者说明断裂的时间较长，而氧化轻者或未被氧化者为最后断裂所形成的断口。长，而氧化轻者或未被氧化者为最后断裂所形成的断口。(6)裂纹的走向裂纹的走向 a 应力原则应力原则 在金属脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断在金属脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂时，裂纹的扩展方向一般都裂时，裂纹的扩展方向一般都垂直于主应力的方向垂直于主应力的方向，当韧，当韧性金属承受扭转载荷或金属在平面应力的情况下，其裂纹性金属承受扭转载荷或金属在平面应力的情况下，其裂纹的扩展方向一般的扩展方向一般平行于切应力的方向平行于切应力的方向，如韧性材料切断断，如韧性材料切断断口。口。 b. 强度原则强度原则 强度原则即指裂纹总是倾向沿着最小阻强度原则即指裂纹总是倾向沿着最小阻力路线，即材料的薄弱环节或缺陷处扩展的情况力路线，即材料的薄弱环节或缺陷处扩展的情况。有时按。有时按应力原则扩展的裂纹，途中突然发生转折，显然这种转折应力原则扩展的裂纹，途中突然发生转折，显然这种转折的原因是由于材料内部的缺陷。在这种情况下，的原因是由于材料内部的缺陷。在这种情况下，在转折处在转折处常常能够找到缺陷的痕迹或者证据。常常能够找到缺陷的痕迹或者证据。 在一般情况下，在一般情况下，当材质比较均匀时当材质比较均匀时，应力原则起主导作用，应力原则起主导作用，裂纹按应力原则进行扩展，而裂纹按应力原则进行扩展，而当材质存在着明显不均匀时当材质存在着明显不均匀时，强，强度原则将起主导作用，裂纹将按强度原则进行扩展。度原则将起主导作用，裂纹将按强度原则进行扩展。 裂纹扩展方向到底是沿晶的还是穿晶的，裂纹扩展方向到底是沿晶的还是穿晶的，取决于取决于在某种具在某种具体条件下，体条件下，晶内强度和晶界强度的相对比值晶内强度和晶界强度的相对比值。 在一般情况下，应力腐蚀裂纹、氢脆裂纹、回火脆性、在一般情况下，应力腐蚀裂纹、氢脆裂纹、回火脆性、磨削裂纹、焊接热裂纹，冷热疲劳裂纹、过烧引起的锻造磨削裂纹、焊接热裂纹，冷热疲劳裂纹、过烧引起的锻造裂纹、铸造热裂纹、蠕变裂纹、热脆等晶界是薄弱环节，裂纹、铸造热裂纹、蠕变裂纹、热脆等晶界是薄弱环节，因此它们的因此它们的裂纹是沿晶界扩展的裂纹是沿晶界扩展的；而疲劳裂纹、解理断裂；而疲劳裂纹、解理断裂裂纹、淬火裂纹，焊接裂纹及其他韧性断裂的情况下，晶裂纹、淬火裂纹，焊接裂纹及其他韧性断裂的情况下，晶界强度一般大于晶内强度，因此它们的界强度一般大于晶内强度，因此它们的裂纹是穿晶的裂纹是穿晶的，这，这时裂纹遇到亚晶界、晶界、硬质点或其他组织和性能的不时裂纹遇到亚晶界、晶界、硬质点或其他组织和性能的不均匀区时，往往会改变扩展方向。因此认为晶界能够阻碍均匀区时，往往会改变扩展方向。因此认为晶界能够阻碍疲劳裂纹的扩展，疲劳裂纹的扩展，这就是常常用细化晶粒的方法来提高金这就是常常用细化晶粒的方法来提高金属材料的疲劳寿命的原因之一。属材料的疲劳寿命的原因之一。(7)裂纹周围和裂纹末端情况裂纹周围和裂纹末端情况 金属表面和内部缺陷为裂纹源处，一般都能找到作为裂金属表面和内部缺陷为裂纹源处，一般都能找到作为裂纹源的缺陷；裂纹的转折往往也可以找到某种材料的缺陷；纹源的缺陷；裂纹的转折往往也可以找到某种材料的缺陷；在高温下产生的裂纹，或经历了高温的过程裂纹，在其裂纹在高温下产生的裂纹，或经历了高温的过程裂纹，在其裂纹的周围也常常有氧化和脱碳的痕迹。所以的周围也常常有氧化和脱碳的痕迹。所以对裂纹周围情况的对裂纹周围情况的分析，可以了解裂纹经历的温度范围和构件的工艺历史，从分析，可以了解裂纹经历的温度范围和构件的工艺历史，从而判断产生裂纹的具体过程而判断产生裂纹的具体过程。 一般情况下，疲劳裂纹、淬火裂纹的一般情况下，疲劳裂纹、淬火裂纹的末端是尖锐末端是尖锐的，而的，而铸造热裂纹、磨削裂纹、折叠裂纹和发纹等铸造热裂纹、磨削裂纹、折叠裂纹和发纹等末端呈圆秃状末端呈圆秃状。因此裂纹末端情况也是综合分析判断裂纹性质和原因的一个因此裂纹末端情况也是综合分析判断裂纹性质和原因的一个参考凭证。参考凭证。3、痕迹分析、痕迹分析 构件失效时，由于力学、化学、热学、电学等环境因素构件失效时，由于力学、化学、热学、电学等环境因素单独或协同地作用，并在构件表面或表面层留下了某种标记，单独或协同地作用，并在构件表面或表面层留下了某种标记，称为痕迹。称为痕迹。(1)痕迹的种类痕迹的种类 a机械接触痕迹机械接触痕迹 构件之间接触的痕迹，包括压入、撞构件之间接触的痕迹，包括压入、撞击、滑动、滚压、微动等的单独作用或联合作用，这种痕迹击、滑动、滚压、微动等的单独作用或联合作用，这种痕迹称为机械接触痕迹，称为机械接触痕迹，其待点是其待点是塑性变形或材料转移、断裂等，塑性变形或材料转移、断裂等，集中发生于接触部位，并且塑性变形极不均匀。集中发生于接触部位，并且塑性变形极不均匀。 b. 腐蚀痕迹腐蚀痕迹 由于构件材料与周围的环境介质发生化学由于构件材料与周围的环境介质发生化学或电化学作用而在构件表面留下的腐蚀产物及构件材料表面或电化学作用而在构件表面留下的腐蚀产物及构件材料表面损伤的标记，称为腐蚀痕迹。损伤的标记，称为腐蚀痕迹。 腐蚀痕迹分析可有以下几个方面：腐蚀痕迹分析可有以下几个方面： 构件表面形貌的变化构件表面形貌的变化，如点蚀坑、麻点、剥蚀、缝隙腐，如点蚀坑、麻点、剥蚀、缝隙腐蚀、鼓泡、生物腐蚀、气蚀等。蚀、鼓泡、生物腐蚀、气蚀等。 表面层化学成分的改变或腐蚀产物成分的确定。表面层化学成分的改变或腐蚀产物成分的确定。 颜色的变化和区别。颜色的变化和区别。 物质结构的变化。物质结构的变化。 导电、导热、表面电阻等表面性能的变化。导电、导热、表面电阻等表面性能的变化。 是否失去金属的声音等。是否失去金属的声音等。 c 电侵蚀痕迹电侵蚀痕迹 由于电能的作用，在与电接触或放电的由于电能的作用，在与电接触或放电的构件部位留下的痕迹称为电侵蚀痕迹。电侵蚀痕迹分为两构件部位留下的痕迹称为电侵蚀痕迹。电侵蚀痕迹分为两类。类。 电接触痕迹电接触痕迹 由于电接触现象而在电接触部位留下的电由于电接触现象而在电接触部位留下的电侵蚀痕迹。侵蚀痕迹。 静电放电痕迹静电放电痕迹 由于静电放电现象面在放电部位留下的由于静电放电现象面在放电部位留下的电侵蚀痕迹电侵蚀痕迹 d 热损伤痕迹热损伤痕迹 由于接触部位在热能作用下发生局部不由于接触部位在热能作用下发生局部不均匀的温度变化而留下的痕迹。金属表面层局部过热、过均匀的温度变化而留下的痕迹。金属表面层局部过热、过烧、熔化、直至烧穿、表面保护层的烧焦都会留下热损伤烧、熔化、直至烧穿、表面保护层的烧焦都会留下热损伤痕迹。痕迹。不同的温度有不同的热损伤颜色，且构件材料表面不同的温度有不同的热损伤颜色，且构件材料表面层成分、结构会发生变化，表面性能有所改变。层成分、结构会发生变化，表面性能有所改变。 e 加工痕迹加工痕迹 对失效分析有帮助的主要是非正常加工痕对失效分析有帮助的主要是非正常加工痕迹，即留在构件表面的各种加工缺陷，如刀痕、划痕、烧迹，即留在构件表面的各种加工缺陷，如刀痕、划痕、烧伤、变形约束等。伤、变形约束等。 f 污染痕迹污染痕迹 各种外来污染物附着在构件表面而留下的各种外来污染物附着在构件表面而留下的痕迹是污染痕迹。痕迹是污染痕迹。 (2)痕迹分析的主要内容痕迹分析的主要内容 痕迹的形貌痕迹的形貌(或称花样或称花样)，特别是塑性变形、反应产特别是塑性变形、反应产物、变色区、分离物和污染物的具体形状、尺寸、数量及物、变色区、分离物和污染物的具体形状、尺寸、数量及分布；分布； 痕迹区以及污染物、反应产物的化学成分；痕迹区以及污染物、反应产物的化学成分； 痕迹颜色的种类、色度和分布、反光性等；痕迹颜色的种类、色度和分布、反光性等； 痕迹区材料的组织和结构；痕迹区材料的组织和结构； 痕迹区的表面性能痕迹区的表面性能(耐磨性、耐蚀性、显微硬度、表耐磨性、耐蚀性、显微硬度、表面电阻、涂镀层的结合力等）；面电阻、涂镀层的结合力等）； 痕迹区的残余应力分布；痕迹区的残余应力分布； 从痕迹区散发出来的各种气味；从痕迹区散发出来的各种气味； 痕迹区的电荷分布和磁性等。痕迹区的电荷分布和磁性等。(3)痕迹分析的程序痕迹分析的程序 寻找、发现和显现痕迹。寻找、发现和显现痕迹。 痕迹的提取、固定、显现、清洗、记录和保存。痕迹的提取、固定、显现、清洗、记录和保存。 鉴定痕迹。鉴定痕迹。 一般原则是由表及里，由简而繁，先宏观一般原则是由表及里，由简而繁，先宏观后微观，先定性后定量。遵循形貌成分一组织结构一性能后微观，先定性后定量。遵循形貌成分一组织结构一性能的分析顺序。的分析顺序。(4)痕迹分析的重要性痕迹分析的重要性 4、模拟实验、模拟实验 模拟试验是模拟试验是根据现场调查和失效件分析的情况，在装备构根据现场调查和失效件分析的情况，在装备构件发生失效的实际工况条件下，使其再次发生同样的失效形件发生失效的实际工况条件下，使其再次发生同样的失效形式，然后根据试验的结果分析其失效原因。式，然后根据试验的结果分析其失效原因。 失效模拟是失效分析中经常采用的一种分析和验证方法。失效模拟是失效分析中经常采用的一种分析和验证方法。失效事故再现失效事故再现可以验证可以验证现场调查和失效件分析中所得出的事现场调查和失效件分析中所得出的事故直接原因；故直接原因；可以可以在失效件不全、证据不充分的情况下，提在失效件不全、证据不充分的情况下，提供事故的可能原因；供事故的可能原因；可以可以解决失效分析中的某些疑点，排除解决失效分析中的某些疑点，排除某些现象；某些现象；还可以还可以显示失效事故的发展过程、失效件的破坏显示失效事故的发展过程、失效件的破坏顺序等。因此，为了查清失效的直接原因，在整个失效分析顺序等。因此，为了查清失效的直接原因，在整个失效分析中，往往需要进行多次失效模拟工作。中，往往需要进行多次失效模拟工作。5 失效分析实例失效分析实例 对对292个典型案例进行构件失效分析，按失效原因统计，个典型案例进行构件失效分析，按失效原因统计，其中金属构件在各种失效原因中，其中金属构件在各种失效原因中，由于构件加工缺陷及装配不由于构件加工缺陷及装配不当当引起失效的原因占失效总数的引起失效的原因占失效总数的45.4，几乎占全部原因的几乎占全部原因的l/2；而在加工缺陷引起的失效中，；而在加工缺陷引起的失效中，热加工问题最多热加工问题最多，占，占30.5，其中热处理就占其中热处理就占16.2。冶金缺陷及材质问题所占的比例达。冶金缺陷及材质问题所占的比例达13.5，也是不容忽略的。，也是不容忽略的。5.1 设计或材料因素为主引起的失效实例设计或材料因素为主引起的失效实例实例实例1 锅炉过热管蠕胀开裂锅炉过热管蠕胀开裂(1)实例简介实例简介 某厂一台动力锅炉的二级过热管束低某厂一台动力锅炉的二级过热管束低温段为温段为20钢管钢管，高温段为，高温段为12CrlMoV低合低合金耐热钢管金耐热钢管。低温段。低温段20钢管端部经扩管，钢管端部经扩管，高温段高温段12CrlMoV 钢管端部开坡口，两者钢管端部开坡口，两者在等厚度下对接焊接而成。在在等厚度下对接焊接而成。在3年使用过年使用过程中，多根管子的异种钢接头处程中，多根管子的异种钢接头处均在均在20钢钢管端部爆管管端部爆管，图，图5-l所示为爆管位置及接头所示为爆管位置及接头形式的示意。此过热管内部通过热蒸汽，形式的示意。此过热管内部通过热蒸汽，外部受高温火焰加热，火焰工作温度由外部受高温火焰加热，火焰工作温度由966降至降至846，过热蒸汽设计压力为，过热蒸汽设计压力为3.82MPa，蒸汽温度由，蒸汽温度由352上升至上升至450。 图图5-2所示为过热管蠕胀部位的所示为过热管蠕胀部位的实物照片，图中焊缝下部为实物照片，图中焊缝下部为12CrlMov钢管，上部为钢管，上部为20钢管，左钢管，左边为蠕胀爆裂管，右边为蠕胀未爆边为蠕胀爆裂管，右边为蠕胀未爆裂管。裂管。 受火焰作用受火焰作用20钢管扩管处向外鼓胀，鼓胀处管子外表面有钢管扩管处向外鼓胀，鼓胀处管子外表面有许多许多平行轴向的裂纹，形貌如老树皮；鼓胀而致爆裂的爆口平行轴向的裂纹，形貌如老树皮；鼓胀而致爆裂的爆口面粗糙、不平整面粗糙、不平整，如图，如图5-3所示。爆口宏观形貌显示超温幅度所示。爆口宏观形貌显示超温幅度不大，却由于长期在应力作用下发生了蠕变韧性断裂。不大，却由于长期在应力作用下发生了蠕变韧性断裂。鼓胀鼓胀处管子内壁有一层较厚垢层，厚度约处管子内壁有一层较厚垢层，厚度约l mm，如图，如图5-4所示。所示。 (2)测试分析测试分析 图图5-5照片右边为外壁表面，管壁裂纹从外向内有明显的沿晶裂纹，照片右边为外壁表面，管壁裂纹从外向内有明显的沿晶裂纹，靠内壁则无沿晶裂纹，说明裂纹靠内壁则无沿晶裂纹，说明裂纹始于外壁而向内扩展始于外壁而向内扩展。 20钢正常金相钢正常金相组织应为组织应为铁素体铁素体+珠光体珠光体，而鼓胀区微观组织显示，而鼓胀区微观组织显示珠光体形态已经球化珠光体形态已经球化，相当于珠光体球化标准相当于珠光体球化标准6级，即严重球化。图级，即严重球化。图5-6显示非胀区金属显微组显示非胀区金属显微组织，珠光体也已球化，但球化级别相当于织，珠光体也已球化，但球化级别相当于4级，为中度球化。级，为中度球化。 在爆管的非鼓胀区取三个在爆管的非鼓胀区取三个20钢试样钢试样测试力学性能测试力学性能，其室温，其室温抗拉强度分别为抗拉强度分别为307.3MPa、353.8MPa、356.8MPa都低于都低于GBT81631987标准中标准中20钢抗拉强度钢抗拉强度390530 MPa的下限，说的下限，说明此爆管金属的强度严重下降。明此爆管金属的强度严重下降。 通过通过建立数学模型建立数学模型来分析过热管束壁温与水垢的关系。结来分析过热管束壁温与水垢的关系。结果表明由于水垢的存在，使得壁温增加。水垢厚度果表明由于水垢的存在，使得壁温增加。水垢厚度lmm，壁温，壁温增加到增加到501，比无水垢时的温度，比无水垢时的温度(440)高出高出61。 水垢厚度水垢厚度不一致，使过热管的温度不均匀，在局部地区超过了不一致，使过热管的温度不均匀，在局部地区超过了20碳钢的碳钢的允许最大温度。允许最大温度。 (3)结论结论 水垢是引起管壁超温的主要原因。水垢是引起管壁超温的主要原因。 爆管处为爆管处为20钢扩管与钢扩管与12crlMov焊接处附近，此焊接处附近，此焊接连接焊接连接成形工艺设计不合理成形工艺设计不合理，20钢管此处壁厚由钢管此处壁厚由3.5mm减至减至3mm，并，并有残余应力，而垢层和氧化膜的生成使管壁进一步减薄，从而有残余应力，而垢层和氧化膜的生成使管壁进一步减薄，从而此处在正常运行时应力较大。此处在正常运行时应力较大。 管壁金属长期过热运行，导致内部金属组织珠光体严重管壁金属长期过热运行，导致内部金属组织珠光体严重球化，高温蠕变加速，加之钢材高温强度下降，最终导致管子球化，高温蠕变加速，加之钢材高温强度下降，最终导致管子在强度薄弱处或有缺陷处，即在强度薄弱处或有缺陷处，即20钢管扩管处鼓胀、爆管。钢管扩管处鼓胀、爆管。实例实例4 钎杆的疲劳断裂钎杆的疲劳断裂（1）实例简介）实例简介 六角小钎杆广泛使六角小钎杆广泛使用于矿山凿岩用于矿山凿岩。其几何尺寸一般长。其几何尺寸一般长2.2m，截面呈中空（，截面呈中空（6mm6mm孔孔）六角型，两平行对边宽）六角型，两平行对边宽22mm，属细长类杆件。工作状况为每分钟受，属细长类杆件。工作状况为每分钟受2000次、次、700 kPa轴向冲击力和轴向冲击力和200r/min弯曲弯曲-扭转力的作用，内孔扭转力的作用，内孔(46mm)通通300kPa循环矿水，外表受凿岩泥浆的冲刷磨损循环矿水，外表受凿岩泥浆的冲刷磨损作用。凿花岗岩的平均寿命为每根作用。凿花岗岩的平均寿命为每根150m。据统计钎杆失效据统计钎杆失效95属疲劳断裂。属疲劳断裂。 图图5-12所示为三条钎杆的疲劳断口。三条钎杆的寿命每根所示为三条钎杆的疲劳断口。三条钎杆的寿命每根都只有都只有50m左右。左右。中间一条钎杆断在钎体部分中间一条钎杆断在钎体部分，疲劳源起于外，疲劳源起于外表箭头表箭头A处；处；其余两条断在钎肩其余两条断在钎肩(锻造成直径锻造成直径40 mm圆盘圆盘)，疲疲劳起源于内孔表面劳起源于内孔表面。断裂之后，由于矿水作用，表面都有不同。断裂之后，由于矿水作用，表面都有不同程度的锈蚀，但疲劳贝纹线仍清晰可见。这三条钎杆的硬度和程度的锈蚀，但疲劳贝纹线仍清晰可见。这三条钎杆的硬度和金相组织都是正常的。而早期疲劳的原因，金相组织都是正常的。而早期疲劳的原因，图上中间那条钎杆图上中间那条钎杆为箭头为箭头A所指处的亚表面的夹杂物引起；另两条钎杆都是因内所指处的亚表面的夹杂物引起；另两条钎杆都是因内孔缺陷，如尖角和裂纹引起。孔缺陷，如尖角和裂纹引起。 实际使用中，实际使用中，疲劳源起于内表面者占疲劳断裂的疲劳源起于内表面者占疲劳断裂的80。将一根凿岩寿命超过将一根凿岩寿命超过100m的钎杆解剖，其内表面的宏观疲劳的钎杆解剖，其内表面的宏观疲劳裂纹异常之多，如图裂纹异常之多，如图5-13所示。所示。（2）测试分析）测试分析 55SiMnMo钢钎杆的热处理，其杆体经钢钎杆的热处理，其杆体经900奥氏体化奥氏体化30min后空冷，空冷速度为后空冷，空冷速度为80/min，所获得的金相组织如图，所获得的金相组织如图5-14所示。所示。组织中有组织中有70-90为特殊上贝氏体为特殊上贝氏体，特殊上贝氏，特殊上贝氏体含体含35左右的奥氏体，其余为铁素体；左右的奥氏体，其余为铁素体；30-10为块状复为块状复合结构合结构。钢材硬度值钢材硬度值HRC33-37。 对失效钎杆横截面磨制金相，如图对失效钎杆横截面磨制金相，如图5-15所示，发现所示，发现裂纹沿裂纹沿着块状复合结构的边缘扩展而不易穿过块状复合结构着块状复合结构的边缘扩展而不易穿过块状复合结构，因为其，因为其强度和韧性都高。还可以观察到裂纹易沿奥氏体并平行于块状强度和韧性都高。还可以观察到裂纹易沿奥氏体并平行于块状复合结构的边缘扩展。复合结构的边缘扩展。 在在SEM下仔细观察下仔细观察图图5-12中间那个钎杆断口箭头中间那个钎杆断口箭头A所指所指处，如图处，如图5-16所示，所示，可见在亚表面有一个空洞可见在亚表面有一个空洞，裂纹向两端，裂纹向两端扩展。经能谱探测，在空洞里还残存有扩展。经能谱探测，在空洞里还残存有Ca。这是原夹杂物。这是原夹杂物所在之处的空洞。所在之处的空洞。 (3)结论结论 奥氏体和块状复合结构都是阻止裂纹扩展的因素奥氏体和块状复合结构都是阻止裂纹扩展的因素。根。根据此观点，据此观点，提高奥氏体和块状复合结构的体积百分数，都将提高奥氏体和块状复合结构的体积百分数，都将有助于提高钎杆寿命。有助于提高钎杆寿命。但两者是矛盾的，只有减少块状复合但两者是矛盾的，只有减少块状复合结构的百分比，才能提高奥氏体的百分比；反之亦然。此外结构的百分比，才能提高奥氏体的百分比；反之亦然。此外奥氏体百分比太大，钎杆的硬度达不到奥氏体百分比太大，钎杆的硬度达不到HRC33-37。如果块状。如果块状复合结构百分比增加，钎杆的硬度太高，裂纹易沿块状之间复合结构百分比增加，钎杆的硬度太高，裂纹易沿块状之间扩展。扩展。经过失效分析和矿山凿岩实践，控制钎杆的块状复合经过失效分析和矿山凿岩实践，控制钎杆的块状复合结构在结构在20-30，保证，保证HRC3337，其寿命最长。，其寿命最长。 为提高钎杆寿命，减少夹杂物，纯化钢材，有很好的为提高钎杆寿命，减少夹杂物，纯化钢材，有很好的效果。效果。实例实例5 电动凿岩机机芯齿轮脆性断裂电动凿岩机机芯齿轮脆性断裂 电动凿岩机的机芯由电动凿岩机的机芯由11个零件组成，它在工作时要求其个零件组成，它在工作时要求其施加给钎杆的冲击周次为施加给钎杆的冲击周次为1800-2000次次min，扭转周次为，扭转周次为200次次min，冲击力为，冲击力为70-100MPa。除外壳外，。除外壳外，机芯的全部零件机芯的全部零件均采用均采用20钢，经渗碳淬火低温回火处理钢，经渗碳淬火低温回火处理。热处理是按标。热处理是按标准工艺进行的。当机器装备好后，投入使用不到准工艺进行的。当机器装备好后，投入使用不到2h，机芯的，机芯的七个主要零件损坏。七个主要零件损坏。 件号为件号为1#4#的四个主要零件的失效如图的四个主要零件的失效如图5-17所示，所示，1#零零件箭头所指处件箭头所指处表层剥落，杆体弯曲表层剥落，杆体弯曲；2#-4#零件除表层剥落外，零件除表层剥落外，均破裂成两半均破裂成两半。其中件号为。其中件号为5#-7#的三个的三个齿轮的损坏齿轮的损坏情况如图情况如图5-18所示，所示，主要是断裂和变形主要是断裂和变形。 根据检查结果分析，上述各根据检查结果分析，上述各齿轮的断裂属一次脆断失效齿轮的断裂属一次脆断失效，其其主要原因是渗碳淬火加热温度过主要原因是渗碳淬火加热温度过高，回火不足，造成过热组织，高，回火不足，造成过热组织，内部出现淬火裂纹，大大增高了内部出现淬火裂纹，大大增高了齿轮脆性。齿轮脆性。其次是选材不当其次是选材不当，5#齿轮断口形貌是以准解理为主，齿轮断口形貌是以准解理为主，观察到图观察到图5-19所示的沿晶裂纹的所示的沿晶裂纹的特征。特征。低碳钢渗碳不能满足齿轮低碳钢渗碳不能满足齿轮使用时对心部的强度要求，齿轮使用时对心部的强度要求，齿轮有明显变形有明显变形。经建议改用。经建议改用40Cr钢钢进行进行氰化氰化处理后，问题得到圆满处理后，问题得到圆满解决。解决。5.2 制造因素为主引起的失效实例制造因素为主引起的失效实例实例实例8 950型轧钢机主传动轴断裂型轧钢机主传动轴断裂(1)实例简介实例简介 950型轧钢机主传动轴为型轧钢机主传动轴为45钢以正火钢以正火状态使用，工作时用水状态使用，工作时用水冷却轴颈。由于在服役过程中轴颈的锈蚀和磨损，采用奥冷却轴颈。由于在服役过程中轴颈的锈蚀和磨损，采用奥-202焊条以堆焊方法在轴颈处焊上一层不锈钢，经加工恢复至原尺焊条以堆焊方法在轴颈处焊上一层不锈钢，经加工恢复至原尺寸继续使用。在运行中，该主传动轴寸继续使用。在运行中，该主传动轴突然断成三截突然断成三截，造成毁坏，造成毁坏轧机事故，损失严重。轧机事故，损失严重。 (2)测试分析测试分析 图图5-30所示形貌表明疲劳纹所示形貌表明疲劳纹由表面开始向内扩展由表面开始向内扩展，疲劳，疲劳纹已扩展至纹已扩展至250 mm左右，左右，最后静断区所占区域极少最后静断区所占区域极少。从断口。从断口特征看，传动轴在弯曲循环力作用时，轴的表面在最大弯曲特征看，传动轴在弯曲循环力作用时，轴的表面在最大弯曲力或局部材料缺陷的地方始终受一个切向拉应力作用而引起力或局部材料缺陷的地方始终受一个切向拉应力作用而引起疲劳断裂。疲劳断裂。 图图5-3l所示主要由轴向拉应力作用而引起的所示主要由轴向拉应力作用而引起的多源疲劳，但疲多源疲劳，但疲劳区所占面积小劳区所占面积小，而从颜色上看这些多源疲劳是在断裂前早已形，而从颜色上看这些多源疲劳是在断裂前早已形成的，新断口主要为静断区。从疲劳区和静断区面积比例来分析成的，新断口主要为静断区。从疲劳区和静断区面积比例来分析前者先断，而后者是由于前者断裂后与轧机一起毁坏所致。前者先断，而后者是由于前者断裂后与轧机一起毁坏所致。 (3)结论结论 通过以上通过以上分析，这起事分析，这起事故故主要是由于主要是由于对其表面多次对其表面多次反复堆焊，产反复堆焊，产生焊接缺陷和生焊接缺陷和表面应力集中，表面应力集中，从而导致轧钢从而导致轧钢机主传动铀发机主传动铀发生生疲劳疲劳脆性脆性断裂。断裂。实例实例12 冷轧辊的热处理失效冷轧辊的热处理失效(1)实例简介实例简介 冷轧辊冷轧辊(400)材料为材料为9Cr2W2，热处理规范为，热处理规范为900奥氏体奥氏体化化4h经加压力的冰水喷淬火，然后在经加压力的冰水喷淬火，然后在140油槽中回火油槽中回火10 h。失。失效冷轧辊在回火过程中，当回火进行到约效冷轧辊在回火过程中，当回火进行到约30 min时，一声清脆时，一声清脆的声响，轧辊沿与轴向成的声响，轧辊沿与轴向成45的截面处爆裂成两半。的截面处爆裂成两半。 图中可见淬硬层厚达图中可见淬硬层厚达28mm(一般进口同类产品的淬硬层为一般进口同类产品的淬硬层为10-15mm)，如箭头所指。，如箭头所指。断裂从表面开始，沿径向直指中心断裂从表面开始，沿径向直指中心，故淬硬层的解理台阶也与径向一致，断面平整。硬度故淬硬层的解理台阶也与径向一致，断面平整。硬度HRC6l，垂直淬硬层的台阶密度大，表明应力集中很大。二次裂纹刚直，垂直淬硬层的台阶密度大，表明应力集中很大。二次裂纹刚直，属典型的淬火裂纹。属典型的淬火裂纹。 (2)测试分析测试分析 淬硬层的金相组织淬硬层的金相组织以淬火马氏体为主，以淬火马氏体为主，很很少回火马氏体少回火马氏体，还有颗，还有颗粒状碳化物。从距轧辊粒状碳化物。从距轧辊表面表面200 mm处取金相处取金相样品，即样品，即心部心部取样，金取样，金相组织为类似相组织为类似索氏体索氏体的的一种组织状态并可观察一种组织状态并可观察到到硫化物硫化物，二次裂纹有，二次裂纹有沿晶走向的趋势。沿晶走向的趋势。 心部断口的微观形貌以解理为主，心部断口的微观形貌以解理为主，兼有准解理的形貌特征，图中央为兼有准解理的形貌特征，图中央为沿晶分布的硫化物夹杂。沿晶分布的硫化物夹杂。 (3)结论结论 冷轧辊的断裂失效冷轧辊的断裂失效属淬火开裂属淬火开裂，主要是淬火喷冰水速度过快，内外主要是淬火喷冰水速度过快，内外温差引起的热应力很大，喷冰水的温差引起的热应力很大，喷冰水的时间过长，时间过长，未能及时回火未能及时回火。其次是。其次是沿晶分布的硫化物过多，增加了钢沿晶分布的硫化物过多，增加了钢的脆断倾向性。经失效分析后，改的脆断倾向性。经失效分析后，改进工艺，收到较好效果。进工艺，收到较好效果。5.3 环境作用因素为主引起的失效实例环境作用因素为主引起的失效实例实例实例15 矿浆泵磨损矿浆泵磨损 LC250-580高铬钢矿浆泵用于泵送经球磨机研磨后的高铬钢矿浆泵用于泵送经球磨机研磨后的铝矿浆，一般入泵铝矿石粒度小于铝矿浆，一般入泵铝矿石粒度小于l mm，矿浆浓度，矿浆浓度(质量质量百分比百分比)40-45，泵流量，泵流量630m3/h。矿浆碱浓度。矿浆碱浓度230g/L(Na20)，pH14，温度，温度80-100。该泵经较短的服。该泵经较短的服役时间后，泵壳及叶轮失效。役时间后，泵壳及叶轮失效。 固固5-54(a)所示是泵壳护板，图中可见护板所示是泵壳护板，图中可见护板布满叠加的磨浊布满叠加的磨浊沟沟，磨蚀沟特征由浅变深，由窄变宽，左上角出现磨穿孔。图，磨蚀沟特征由浅变深，由窄变宽，左上角出现磨穿孔。图5-54(b)所示是泵叶轮，叶轮两侧板、主叶片和副叶片越靠近外所示是泵叶轮，叶轮两侧板、主叶片和副叶片越靠近外缘缘腐蚀磨损腐蚀磨损越严重，叶道磨成犬牙状，并最终磨至穿透。越严重，叶道磨成犬牙状，并最终磨至穿透。 (2)测试分析测试分析 泵壳和叶轮材料为高铬铸铁泵壳和叶轮材料为高铬铸铁(含含Cr约约13)，硬度为，硬度为HRC58，冲击韧度，冲击韧度K5J/5J/cm2。 微观分析发现，叶轮和泵壳的形貌有共同特点，这就是微观分析发现，叶轮和泵壳的形貌有共同特点，这就是碳化物凸起，基体凹陷碳化物凸起，基体凹陷，基体区域有网状微裂纹及高低起伏，基体区域有网状微裂纹及高低起伏剥落痕迹。碳化物与基体相界有明显的腐蚀磨损沟槽。剥落痕迹。碳化物与基体相界有明显的腐蚀磨损沟槽。 (3)结论结论 这起失效是这起失效是冲蚀磨损和腐蚀磨损冲蚀磨损和腐蚀磨损共同作用的结果。其中共同作用的结果。其中腐蚀所起的作用更为重要。严重的碳化物相界腐蚀使碳化物腐蚀所起的作用更为重要。严重的碳化物相界腐蚀使碳化物与基体分离，失去良好的支撑，在冲蚀磨损过程中逐渐断裂与基体分离，失去良好的支撑，在冲蚀磨损过程中逐渐断裂剥落，即腐蚀促进了磨损；矿浆对泵壳和叶轮的冲蚀，不仅剥落，即腐蚀促进了磨损；矿浆对泵壳和叶轮的冲蚀，不仅使材料直接损失，又使材料产生更大的应力，加速了碱脆裂使材料直接损失，又使材料产生更大的应力，加速了碱脆裂纹的萌生与扩展，促进了腐蚀。纹的萌生与扩展，促进了腐蚀。5.4 使用不当或其他因素为主引起的失效实例使用不当或其他因素为主引起的失效实例实例实例22 不锈钢混合机爆炸不锈钢混合机爆炸(1)实例简介实例简介 某食品化工厂在生产某食品化工厂在生产1号食品添加剂时发生了爆炸事故。图号食品添加剂时发生了爆炸事故。图5-80所示为被炸毁的所示为被炸毁的1000 L混合机示意。其不锈钢旋转容器由两混合机示意。其不锈钢旋转容器由两段圆筒以互为一定角度的段圆筒以互为一定角度的v形焊接连接而成。两圆筒连接截面与旋形焊接连接而成。两圆筒连接截面与旋转轴垂直。旋转轴为两段短的水平轴，与蜗轮减速器连接。转轴垂直。旋转轴为两段短的水平轴，与蜗轮减速器连接。 混合机安装在混合机安装在54m2的钢筋混凝土结构车间内。爆炸使建筑的钢筋混凝土结构车间内。爆炸使建筑物横梁、楼顶及周围墙壁倒塌，立柱错位变形、钢筋歪扭；地物横梁、楼顶及周围墙壁倒塌，立柱错位变形、钢筋歪扭；地面被炸出深坑。面被炸出深坑。所有不锈钢残片都是由容器内壁向外壁卷曲所有不锈钢残片都是由容器内壁向外壁卷曲，内壁面粘附烧焦的物料碳化物内壁面粘附烧焦的物料碳化物；断口面与壁面倾斜；断口面与壁面倾斜30-40；断；断口面与内壁面交截处光滑，而与外壁面交截处则有刮手感，具口面与内壁面交截处光滑，而与外壁面交截处则有刮手感，具有剪切唇特征，有剪切唇特征，从上种种特征可推断爆炸发生在容器内腔从上种种特征可推断爆炸发生在容器内腔，容容器的破裂是从内壁起裂向外壁面扩展；断口平齐，具有瞬间撕器的破裂是从内壁起裂向外壁面扩展；断口平齐，具有瞬间撕裂的特征。裂的特征。 在翘曲的混合机出料阀法兰的下法兰面上，分布了形状、在翘曲的混合机出料阀法兰的下法兰面上，分布了形状、大小不一、类似燃放鞭炮时因瞬间爆燃而留下的花样痕迹，大小不一、类似燃放鞭炮时因瞬间爆燃而留下的花样痕迹，花花样显示是从内向外爆燃样显示是从内向外爆燃，如图，如图5-82所示。出料阀连接法兰螺栓所示。出料阀连接法兰螺栓都有不同程度的弯曲变形或折断，如图都有不同程度的弯曲变形或折断，如图5-83所示。折断的螺栓所示。折断的螺栓断口大部分与螺栓轴线垂直、平整、呈蓝黑色，放射花纹明显，断口大部分与螺栓轴线垂直、平整、呈蓝黑色，放射花纹明显，有脆性断裂的特征。有脆性断裂的特征。(2)测试分析测试分析 取残片观察断口，大块的不锈钢残片内外壁平滑光亮，从内壁、取残片观察断口，大块的不锈钢残片内外壁平滑光亮，从内壁、中间到外壁各部位都呈韧窝形花样，差异是近内壁断口微观形貌除韧中间到外壁各部位都呈韧窝形花样，差异是近内壁断口微观形貌除韧窝外，还有撕裂韧带，中部仅有韧窝，这些韧窝都是等轴韧窝；而靠窝外，还有撕裂韧带，中部仅有韧窝，这些韧窝都是等轴韧窝；而靠外壁面的韧窝呈抛物线状，这是终断区剪切撕裂微观特征花样。外壁面的韧窝呈抛物线状，这是终断区剪切撕裂微观特征花样。上述上述断口微观形貌说明，容器材料质量合格，韧性较好断口微观形貌说明，容器材料质量合格，韧性较好。另外，也可断定。另外，也可断定观察分析的大块残片距离爆炸中心较远，受到的瞬间冲击能量相对较观察分析的大块残片距离爆炸中心较远，受到的瞬间冲击能量相对较少，故其少，故其仍然具有韧性断口的微观特征仍然具有韧性断口的微观特征。 小块残片断口多被爆炸产物污染，微观细节较模糊，但仍可显示小块残片断口多被爆炸产物污染，微观细节较模糊，但仍可显示韧窝及韧带花样。而靠近外壁处，只有韧窝及滑移变形而出现的蛇形韧窝及韧带花样。而靠近外壁处，只有韧窝及滑移变形而出现的蛇形花样、与断口垂直的次裂纹及摩擦痕迹，如图花样、与断口垂直的次裂纹及摩擦痕迹，如图5-85所示，此特征显示所示，此特征显示小残片十分接近起爆点。折断螺栓断口可据宏观放射花样特征分为三小残片十分接近起爆点。折断螺栓断口可据宏观放射花样特征分为三个区：个区：断裂源区、裂纹扩展区及终断区断裂源区、裂纹扩展区及终断区。经微观观察显示，在源区及。经微观观察显示，在源区及扩展区可见脆性撕裂的解理特征，而终断区有明显的剪切唇，并因剪扩展区可见脆性撕裂的解理特征，而终断区有明显的剪切唇，并因剪切滑移而具有蛇形花样。瞬间的爆炸力使塑性和韧性较好的螺栓发生切滑移而具有蛇形花样。瞬间的爆炸力使塑性和韧性较好的螺栓发生突然的脆性断裂。突然的脆性断裂。 容器内爆燃时释放的能量主要包括可燃物质燃烧放出的燃容器内爆燃时释放的能量主要包括可燃物质燃烧放出的燃烧热及可热分解物质受热分解放出的热量。烧热及可热分解物质受热分解放出的热量。实验测定，爆燃时实验测定，爆燃时释放的总能量相当于释放的总能量相当于108.79kgTNT炸药爆炸所释放的能量。炸药爆炸所释放的能量。 (3)结论结论 混合机容器的材料未发现明显质量问题，混合机制造质混合机容器的材料未发现明显质量问题，混合机制造质量不是引起爆炸的原因。量不是引起爆炸的原因。 混合机爆炸的巨大能量主要来源于机内物料释放的燃烧混合机爆炸的巨大能量主要来源于机内物料释放的燃烧热及分解热。热及分解热。 物料在正常情况下是热稳定的。但在当时的低湿度气候物料在正常情况下是热稳定的。但在当时的低湿度气候条件下，加上设备导静电不良，由物料搅拌、摩擦产生静电引条件下，加上设备导静电不良，由物料搅拌、摩擦产生静电引燃高比表面及多孔隙超微细粉末，使容器内燃高比表面及多孔隙超微细粉末，使容器内200 kg物料瞬间燃物料瞬间燃烧导致爆炸。烧导致爆炸。 混合机的起爆区域在混合机下部，现场收集的碎片残骸混合机的起爆区域在混合机下部，现场收集的碎片残骸中，大的碎片多属混合机的上部区域而且干净；小的碎片、粉中，大的碎片多属混合机的上部区域而且干净；小的碎片、粉碎性碎片属混合机的下部区域，且有燃烧物痕迹，显然为下部碎性碎片属混合机的下部区域，且有燃烧物痕迹，显然为下部引燃起爆。引燃起爆。 爆炸发生于物料混合完毕出料期间，而此时设备积聚的爆炸发生于物料混合完毕出料期间，而此时设备积聚的静电荷是最多的。静电荷是最多的。 现场构筑物破坏所需能量与测算出的混合机内物料燃烧现场构筑物破坏所需能量与测算出的混合机内物料燃烧及分解所产生的能量是比较吻合的。及分解所产生的能量是比较吻合的。(4)改进措施改进措施 易燃易爆物料的生产宜采用自控式的全封闭操作，生易燃易爆物料的生产宜采用自控式的全封闭操作，生产车间应采用防爆破设计。产车间应采用防爆破设计。 易燃易爆物料混合宜选用混合机内物料瞬时存量少的易燃易爆物料混合宜选用混合机内物料瞬时存量少的专用设备，混合机容器应有泄压装置。专用设备，混合机容器应有泄压装置。 工作间内应控制温度和适当的湿度。工作间内应控制温度和适当的湿度。 混合机应有良好的静电导流装置，并定期检查，避免混合机应有良好的静电导流装置，并定期检查，避免静电引爆。静电引爆。 加强安全教育，严格工艺操作规范及管理制度，提高加强安全教育，严格工艺操作规范及管理制度，提高管理人员及操作人员的安全防范意识。管理人员及操作人员的安全防范意识。