金属断口分析教案.doc

备 课 本课程名称 金属断口分析 课 时 数 24 适用班级 材料091/092/093 授课教师 高 建 祥 使用时间 2010-2011学年第 2学期 冶 金 工 程 学 院金属断口分析课程授课教案 课程编号： 课程名称：金属断口分析课程总学时/学分：24/1.5（其中理论24学时，实验0学时，课程设计0周）适用专业：金属材料一、课程地位 机械产品失效分析是一门新的跨学科的综合性技术，在一些国家中已将它作为一门新的独立学科加以研究和发展。本课程的教学目的在于让学生了解失效分析中经常涉及的断裂力学基本知识，金属材料断裂的分类，断口分析技术及典型断裂：延性断裂、解理断裂、准解理断裂、疲劳断裂、氢脆断裂、应力腐蚀断裂及其它断裂断口的宏观、微观特征，断裂失效机理及影响因素。二、教材及主要参考资料1 崔约贤. 金属断口分析M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社. 1998.2 吴连生. 失效分析技术M. 成都：四川科学技术出版社.1985.三、课时分配序号授 课 内 容 提 要讲课习题课实验0第一章 金属的断裂61第二章 断口分析技术42第三章 延性断裂23第四章 解理断裂24第五章 疲劳断裂25第六章 氢脆断裂26第七章 应力腐蚀断裂27第八章 其他断裂48合计24四、考核方式与成绩核定办法1. 考核方式：闭卷考试2. 成绩核定办法：总分70×考试成绩30×平时成绩五、授课方案章次名称第一章 金属的断裂本章学时16课堂讲授6实验0观看教学片0教学内容断裂的分类；材料的韧性及断裂力学。教学要求使学生掌握金属材料断裂方式的分类；金属材料的韧性及其断裂力学。教学重点难点重点: 断裂的分类；材料的韧性及断裂力学。难点: 断裂力学。教学策略（1）课堂讲授；（2）多媒体教学；（3）课堂讨论。（4）习题巩固。教学预习教材第一章习题1. 简述金属断裂的分类方法2. 简述K准则与应力强度因子的区别于联系章次名称第二章 断口分析技术本章学时14课堂讲授4实验0参观/上机0教学内容裂纹源位置的判别方法；宏观断口分析技术；微观断口分析技术。教学要求使学生能够正确理解并掌握金属断口分析技术中常用的一些术语、概念和分析方法。教学重点难点重点：裂纹源位置的判别；断口分析技术。难点：断口分析技术教学策略（1）课堂讲授；（2）多媒体教学；（3）课堂讨论；（4）习题巩固。教学预习教材第二章习题简述、的应用章次名称第三章 延性断裂本章学时1课堂讲授0实验参观/上机0教学内容韧窝断口的宏观和微观形貌特征；韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理。教学要求要求学生掌握韧窝断口的宏观和微观形貌特征；韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理。教学重点难点重点：韧窝断口的宏观和微观形貌特征；韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理。难点：韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理。教学策略（1）课堂讲授；（2）多媒体教学；（3）课堂讨论；（4）习题巩固。教学预习教材第三章习题韧窝断口的宏观和微观形貌特征韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理章次名称第四章解理断裂本章学时1课堂讲授习题参观/上机0教学内容解理断口的宏观和微观形貌特征；解理裂纹的萌生及扩展；解理断裂的影响因素。教学要求要求学生掌握解理断口的宏观和微观形貌特征；解理裂纹的萌生及扩展；解理断裂的影响因素。教学重点难点重点：解理断口的宏观和微观形貌特征；解理裂纹的萌生及扩展；解理断裂的影响因素。难点：解理裂纹的萌生及扩展；解理断裂的影响因素。教学策略（1）课堂讲授；（2）多媒体教学；（3）课堂讨论；（4）习题巩固。教学预习教材第四章习题简述解理断裂的影响因素章次名称第五章疲劳断裂本章学时1课堂讲授习题0参观/上机0教学内容疲劳断口的宏观和微观形貌特征；疲劳破坏机理；疲劳断口的定量分析。教学要求要求学生掌握疲劳断口的宏观和微观形貌特征；疲劳破坏机理；疲劳断口的定量分析。教学重点难点重点：疲劳断口的宏观和微观形貌特征；疲劳破坏机理。难点：疲劳破坏机理。教学策略（1）课堂讲授；（2）多媒体教学；（3）课堂讨论；（4）习题巩固。教学预习教材第五章习题分析疲劳断口的宏观和微观形貌特征；疲劳破坏机理；疲劳辉纹四要素章次名称第六章氢脆断裂本章学时1课堂讲授习题参观/上机0教学内容自清脆断口的形貌特征；氢脆的机理；钢中的白点。教学要求通过本章要求学生深入掌握清脆断口的形貌特征；氢脆的机理；钢中的白点。教学重点难点重点：氢脆断口的形貌特征；氢脆的机理。难点：氢脆的机理。教学策略（1）课堂讲授；（2）多媒体教学；（3）课堂讨论；（4）习题巩固。教学预习教材第六章习题简述氢脆断口的形貌特征；氢脆的机理。章次名称第七章应力腐蚀断裂本章学时1课堂讲授实验0参观/上机0教学内容应力腐蚀断口形貌特征；应力腐蚀断裂过程及机理；应力腐蚀的影响因素及防护措施。教学要求熟练掌握：应力腐蚀断口形貌特征；应力腐蚀断裂过程及机理；应力腐蚀的影响因素及防护措施。教学重点难点重点：应力腐蚀断裂过程及机理；应力腐蚀的影响因素及防护措施。难点：应力腐蚀断裂过程及机理。教学策略（1）课堂讲授；（2）多媒体教学；（3）课堂讨论；（4）习题巩固。教学预习教材第七章习题 应力腐蚀断裂过程及机理； 应力腐蚀断裂过程及机理章次名称第八章其他断裂本章学时1课堂讲授习题参观/上机0教学内容脆性沿晶断裂；延性沿晶断裂；过烧断口；蠕变断裂教学要求熟练掌握：脆性沿晶断裂；延性沿晶断裂；过烧断口；蠕变断裂教学重点难点重点：蠕变断裂。难点：蠕变断裂。教学策略（1）课堂讲授；（2）多媒体教学；（3）课堂讨论；（4）习题巩固。教学预习教材第八章习题 沿晶断裂的影响因素及分类 蠕变断裂的曲线第一章 金属的断裂1.1 断裂的分类 1.1.1 脆性断裂和延伸断裂：根据宏观现象分 脆性断裂：1).裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹； 2).裂纹扩展所需应力：较低<屈服应力； 3).塑性变形：少或无； 4).断口：平齐、与正应力相垂直 。延性断裂：1).裂纹源：孔穴的形成和合并; 2).塑性变形：较大; 3).断口：无光泽的纤维状、剪切面断裂、与拉伸轴线成45º .1.1.2穿晶断裂与沿晶断裂：根据断裂扩展途径的不同来分 穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可 能是延性断裂； 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。 1.1.3韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂：根据微观断裂的机制上分 1.1.4正断、切断：根据断面的宏观取向与最大正应力的交角正断：断面取向与最大正应力相垂直切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45º交角1.2 材料的韧性及断裂力学简介1.2.1.材料的韧性：反映材料抗脆断能力的新指标 概念：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。 韧性的实验测定： 冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。1.2.2.断裂力学：（脆断）以线弹性理论为基础 裂纹尺寸与断裂强度的关系：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K准则相似） ：断裂应力（剩余强度） a：裂纹深度（长度）Y：形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关）应力场强度分析与断裂韧性： 根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：型：裂纹张开型 型：边缘滑开型（正向滑开型） 型：侧向滑开型（撒开型）在平面应力、应变条件下有（型） ：应力强度因子KN·mn-3/2a：裂纹半长Y：裂纹形状系数K准则：当裂纹有缓慢扩展过渡到迅速扩展的瞬间，应力强度因子达到一个临界值KIC （以无限大板穿透裂纹为例）即为：脆性断裂的K准则 KC：材料常数，材料的平面应变断裂韧度 KI是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量；KIC是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量。型、型裂纹的应力强度因子： 型、型裂纹的失稳扩展条件：第二章 断口分析技术2.1裂纹源位置的判别2.1.1 T型法如果在一个零件，型，如图2.1示，在通常情况下横穿裂纹A为首先开裂。因为在同一零件上后产生的裂纹不可能穿越原有裂纹扩展，裂纹扩展方向平行于A裂纹。裂源位置在裂源区的裂纹较宽、较深。A为主裂纹，B为二次裂纹为裂纹源。2.1.2分叉法:零件断裂过程中常常产生许多分叉，通常情况下裂纹分叉的方向为裂纹扩展方向，扩展的反方向指向裂源位置。裂源在主裂纹上，一般情况下主裂纹宽而长。见图2.2图2.2分叉法示意图2.3.1变形法:延性断裂的零件在断裂过程中发生变形后碎成几块，将碎片拼合后变形盆大的部份为主裂纹，裂纹源在主裂纹所形成的断口上，见图2.3。图中A为主裂纹，B，C为二次裂纹。2.2断口试样制备技术2.2.1断口的截取a.在打开裂纹之前，要对零件的断裂部位进行拍照。照片要包括零件全貌及宏观细节放大。要求所拍照片主题明确、轮廓清楚、立体感强、没有多余的阴影。b.打开裂纹：在分析判断裂源位置及裂纹扩展方向后，一般都是沿着裂纹扩展方向将裂纹打开形成断口。如果已知零件开裂原因可用同类型更大应力打开裂纹。若不清楚引起开裂的应力可采用三点弯曲打开裂纹，如图2.4所示。图2.4三点弯曲法2.2.2清洗a.对油污染的断口先用汽油沉去油腻，再把断口放入盛有丙酮、石油醚或三氯甲烷等有机溶液的玻璃皿内，将玻璃皿故人超声波振荡器件进行超声清洗。b.对在潮湿空气中暴露时间比较长锈蚀比较严重的断口，去除氧化膜后才能观察。可先用有机溶液、超声波或复型法清洗。如果效果不好的话就要用化学方法清洗见表2.1。经化学清洗后的断口应立即放入稀Na2CO3或NaHCO3溶液中清洗，然后再用蒸馏水、酒精清洗、吹干保存。c.在腐蚀环境下发生断裂断口，一般先用X射线、电子探针或能谱仪分析腐蚀产物成份、结构后再观察分析断口。因为这些腐蚀产物对分析断裂原因是有利的。化学清洗或多或少损坏断口形貌，一般只能最后使用。 事故断口分析中不急于清除表面覆盖物，必须认真分析覆盖物确认对分析无价值后再消洗。表2.1化学方法清洗2.2.3断口的保存：拿到断口属最好立即观察，否则采用如下方法保存a.在大气中的新鲜断口应立即放人燥器内放置或其它干燥、无尘的场所保存以避免断口受潮氧化。b.不要用手触摸断口表面或匹配对接断面以免产生人为的损伤。c.为防止断口生锈或腐蚀可在其表面涂抹保护材料如醋酸纤维素丙酮溶液、环节树脂或防锈漆。d.从大块断口上取试样要采取保护措施。如用醋酸纤维素丙酮溶液涂在断口上待干后切割，并防止锯屑赃物落在断口表面。e.如发现断口上有细小外来物，为了防止落下，可用AC纸固定。2.3 断口分析2.3.1扫面电子显微见（SEM）常用功能n 观察断口表面形貌。n 观察与断口成一定角度的剖面组织，研究断口形貌与显微组织之间的对应关系、裂纹走向、断裂机理。图为双相钢断口剖面照片。n 配有能谱或波谱的扫描电镜上可进行断口上夹杂物、第二相或微区成份分析。n 在配有动态拉伸台的扫描电镜上可以观察拍照拉仲样品裂纹萌生、扩展直至断裂全过程。n 采用与金相浸蚀剂相同的腐蚀试剂浅腐蚀断口表面可同时显示断口形貌与显微组织。n 利用位向腐蚀坑技术即利用品体材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。表中给出腐蚀坑技术中常用腐蚀剂。腐蚀时间一般为几秒至十几秒。2.3.2透射电子显微镜（TEM）n 塑料-碳二级复型用来观察断口形态，它能给出扫描电镜所不能分辨的细节并可以在更高的倍率下观察这些细节。例如图中为钢的疲劳条纹，放大28000倍。n 断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构，如结合能谱分析所给出的质点成份就能更准确的确定结构。n 为搞清断裂的原因有时需要从断口上切取金属薄膜进行透射电镜分析。研究引起断裂的质点形态、大小及分布以及与母相间位向关系。图中为12CrlVoV钢解理断口从该断口上切取金属薄膜的透射电镜照片及衍射谱。经分析产生解理断裂的原因是在(001)面上片状钒的氮化物析出所致。2.3.3常见断口特征第三章 延性断裂3.1韧窝断口的宏观形貌特征 n 韧窝微观聚集型断裂： 外力作用（拉伸、剪切、冲击等）滑移位错堆积（或夹杂物破碎）微孔微孔长大、聚集断裂n 韧断宏观特征：纤维区（表面颜色灰暗，无金属光泽）、放射区、剪切唇3.2韧窝断口的微观形貌特征 韧窝的形状取决于应力状态n 等轴韧窝：拉伸正应力、均匀分布等轴n 剪切韧窝：剪切应力、抛物线形状（对于拉伸、冲击断口：剪切唇部位属于此类）n 撕裂韧窝：撕裂应力、抛物线形状（沿应力方向）n 卵形韧窝：大韧窝与小韧窝的交截结果 3.3韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理3.3.1韧窝裂纹的萌生和扩展韧窝断裂包括三个阶段裂纹的萌生一形成显微孔洞裂纹的扩展聚集和最终断裂见图3.12。研究表明能否在质点处萌生裂纹，和质点与基体结合致密程度有关。结合紧固不易萌生裂纹，反之，容易萌生裂纹。微孔形成后，扩展方式有两种，一种为内颈缩扩展、另一种为剪切扩展。内颈缩展是质点大小、分布均匀，韧窝在多处形核起裂，以后随变形的增加，微孔壁变薄，通过撕裂方式相连接.3.3.2裂纹形成的微观机理材料中在夹杂物或第二相粒丁一周围堆积者位错外，见图。位错环一方面受第二相粒子或夹杂物的排斥作用，另一方面又受到位错堆积应力的作用而被推向第二相粒子或夹杂物。无外力作用时它们处丁平衡状态，见当受外力作用时，平衡遭到破坏，位错环被推向第二相粒子。当一个或一对位错环被推到半，一户与基体界面_t:以后，界面将沿图-11(c)中的AB面分开形成微孔。由于微孔的形成，使后面的位错受到的排斥力大大减少。另一方面原位错环后面的位错源又重新激活，产生新的位错环，并被不断地推向微孔，导致微孔迅速扩展，见图。由于位错可以沿不同滑移面开往粒子边界，因此微孔可以由几个滑移面上开来的位错共同形成，图3-17(F。或其它滑移面上的位错向该微孔运动而使其长大。第四章 解理断裂4.1解理断口宏观形貌特征解理断裂前几乎没有塑性变形，断口边缘没有或很少有剪切唇:断日表面一般垂直于最大正应力方向。解理断口宏观形貌特征是结晶状小刻面、“放射状”或“人字形”花样。 结晶状小刻面:解理断口上的结晶正宏观上呈现无规则取向，当在光线照射下转动断口时呈现许许多多闪闪发光的平面.“放射状”或.人早形”花样:解理断口另一宏观特征是具有放射状条纹或人字条纹。放射条纹的收敛处和人字纹的尖端为裂纹源。“人字纹”形态反映材料性质与加载速度。材料机械性能相同时加载速度越大“人字纹”愈明显。加载速度相同时，材料脆性越大“人字纹”愈明显。4.2解理断口微观形貌特征在实际使用的金属材料中晶体取向是无序的，解理裂缝沿不同取向解理面扩展过程中裂缝会相交成具有不同特征的花样，其中最突出最常见的特征是河流花样，另外还有舌状花样、扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳(Wallner线及二次裂纹。4.2.1河流花样解理裂纹沿晶粒内许多个互相平行的解理面扩展时相互平行的裂纹通过二次解理;与螺位错相交;撕裂或通过基体和孪晶的界面发生开裂而相互连接，由此产生的条纹花样类似河流称为河流花样;解理裂纹扩展过程中为减少能量的消耗，河流花样会趋于小河流合并成大河流。根据河流的流向可以判断裂纹扩展方向及由此找出裂纹源。河流花样的起源：n 晶界、亚晶界、孪晶界n 夹杂物和析出相n 晶粒内部(解理面与螺型位错产生交截的地方)解理断裂的萌生和扩展 1.裂纹萌生机制：n 位错塞积极制 位错运动运动受阻（晶界、孪晶界、第二相夹杂物）位错堆积（理论断裂强度）产生微裂纹n 位错反应机制： 位错运动位错相遇产生新位错（不动位错）阻碍随后的位错运动位错堆积产生微裂纹n 滑移解理机制 位错运动排列成小角度晶界部分晶界被阻碍产生拉应力微裂纹 2.裂纹的扩展：n 根据格里菲斯表达式来解释：  c ：垂直裂纹面得外加平均应力（材料实际断裂强度）E：弹性模量：裂纹面比表面能C：裂纹半长度上式只适应于完全脆性材料，当材料发生伴随少量塑性变形的解理断裂时，格里菲斯判据改为： P：塑性变形功 4.3解理断裂的影响因素 n 试验温度T，裂纹尖端塑性变形区裂纹扩展阻力解理断裂发生的容易程度上升 ；n 应变速率解理断裂发生的容易程度 ；n hcp、 bcc类型金属、合金易发生解理断裂，fcc类型金属、合金不易发生解理断裂（滑移系） ；n 晶粒尺寸发生解理断裂的可能性；n 5显微组织不同，解理断裂路径不同。断口形貌不同；n 6第二相粒子越粗大越容易发生解理断裂 。4.4准解理断裂n 概念：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口n 宏观特征：宏观断口较平整，少或无宏观塑性变形，结晶状小刻面，亮但不发光，较明显的放射状花样第五章 疲劳断裂5.1 概论通常所说的疲劳间题实际上包含了循环应力和循环应变两个性质上不同的领域，它们的失效可能有着不同的机理。对于某些循环载荷作用下的疲劳问题，在每一个循环期间内都出现很大的塑性变形，这种情况一般在载荷较大或有严重应力集中时出现，其相应的疲劳寿命较短，一般在I护一1护左右，通常称之为低周疲劳或应变疲劳。另一类是应变循环幅度主要限制在弹性范围内，应力不大于屈服极限，这种情况通常是在轻载或应力分布较均匀的情况下出现，其相应的疲劳寿命较长，疲劳失效循环数达105以上.一般称为高周疲劳。工程中的疲劳断裂有着不同的原因、过程和结果，但下述几点是疲劳断裂的一般特征：1，疲劳断裂应力远比静载下材料的抗拉强度低，甚至比屈服强度低很多，且无论脆性材料还是塑性材料，都是在没有出现明显的塑性变形情况下突然断裂的，是一种低应力脆断破坏现象;2.疲劳断裂是损伤积累过程的结果，是与时间相关的破坏方式，它包括了裂纹萌生、裂纹扩展和失稳断裂三个部分，不同阶段损伤方式和损伤量不同;3.工程构件对疲劳载荷的抗力比对静载荷要敏感得多，其疲劳抗力不仅取决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件和环境等密切相关;4.微观上，疲劳断裂一般为穿晶断裂。5.2疲劳断口的宏观形貌特征5.2.1疲劳核心(或称疲劳源)用肉眼或用低倍放大镜就能大致判断其位置，它是疲劳破坏的起点。在疲劳断日上，它是一个光滑、细洁的扇形小区域。实际上，真正的疲劳源是大致位于“扇”柄处的裂纹萌生和微观裂纹(几十微米长)扩展处。 疲劳核心一般总是在表面处形成，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物、空洞、化学成份的偏析，或进行了某种表面处理等，也可能在“皮下”或内部产生。疲劳核心的数目有时不止一个，可能有两个甚至两个以上，尤其是低周疲劳，断口常有几个位于不同位置的疲劳核心。5.2.2疲劳裂纹扩展区这是疲劳断口上最重要的特征区域，很多情况下，它占据了断见呈现贝纹状、蛤壳状或海滩波纹状的条纹。这些条纹以裂纹核心为中心，向四周扩散，形成一簇弧形线条，它们垂直于裂纹扩展方向。裂纹形成后，拉应力作用时，裂纹张开，尖端钝化，受压或卸载时闭合，裂纹尖端重新锐化，再一次循环受拉，由于尖端的应力集中，发生亚临界扩展，便留下一条疲劳辉纹，这些辉纹肉眼难于分辨。5.2.3瞬断区 这是疲劳裂纹扩展到临界尺寸后失稳扩展所形成的区域，它的特征与静载拉伸断口中快速断裂的放射区及剪切唇相似，放射区和剪切唇的有无、大小与材斜的特性及载荷的历程有关。载荷较大或有突然超载的情况时两个特征形貌明显，且占断口的比例也较大，若载荷较稳定，对某些材料的断口就可能看不到明显的放射区，而只有剪切唇，瞬断区也较小。但有些较脆材料的断口，瞬断区就呈结晶状的脆性断口特征了。根据所受载荷的特点，疲劳断口可分为弯曲疲劳、轴向(拉-拉，拉一压或脉动)疲劳断口、扭转疲劳断口及复合疲劳断口，其中以弯曲疲劳断口最为常见，纯粹的轴向疲劳断口较少见。5.3疲劳断口的微观特征 在疲劳断口宏观断日形貌分析时，我们将断口分为疲劳源、裂纹扩展和瞬时断裂三个区域。但曾指出，宏观匕惯称的疲劳源区实际上包括了裂纹在1 rtm以下的裂纹扩展过程。裂纹成核后，扩展至零点几毫米的扩展历程与后期的裂纹扩展有着不同的特点。所以，在进行疲劳断口的微观形貌分析时，我们将根据裂纹产生至断裂的微观特性把整个过程分为裂纹萌生、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和瞬时断裂四个阶段。裂纹的萌生是局部切应力作用的结果。在最大切应力的作用下，材料表层的位错移动便会形成细小的滑移带，其高度约为10-7厘米。疲劳应力越大，滑移带的数量越多，高度越大，这些滑移带最终将成为萌生疲劳裂纹的区域。在反复载荷的作用下，在相邻的滑移平面上将引起反向滑移，疲劳滑移带就会在表面上形成沟槽和隆脊。 疲劳辉纹的一般特点 经长期观察与研究，人们对疲劳辉纹总结了如下一般特点: (l)疲劳辉纹为一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲呈波浪形，并与裂纹局部扩展方向相垂直; (2)每一条辉纹代表一次载荷循环，辉纹个数等于载荷循环次数; (3)辉纹间距随应力强度因子幅的变化而变化; (4)通常在同一小断块上的疲劳辉纹是连续而平行的，但相邻小断块上的辉纹不连续，不平行。称以上为疲劳辉纹的四要素。5.4疲劳断口的定量分析5.4.1以疲劳辉纹间距推算裂纹扩展速率及疲劳寿命我们知道，疲劳辉纹的宽度和数量是循环载荷水平和循环次数的函数。另一方面，断裂力学分析认为，宏观疲劳裂纹扩展速率是裂纹应力强度因子范围(自K)的函数。在许多情况下疲劳断日上辉纹的数目和载荷循环次数是一一对应的，且疲劳辉纹的宽度也将随应力水平的增加而增加。同时，随着裂纹长度的增加其宽度也有相应的增加。此情况下，由断口不同部位(即不同的裂纹深度)的辉纹宽度计算出的微观裂纹扩展速率可视为与宏观力学试验中测定出的宏观裂纹扩展速率是一致的。这样便可借助于断口上的辉纹宽度对零件的疲劳断裂寿命进行估算。5.4.2利用疲劳辉纹测算应力强度因子幅度及疲劳载荷断裂力学的研究成果已证明，应力强度因子K是控制裂纹扩展速率的一个主要参数。人们对裂纹扩展速率da/dN与应力强度因了幅度K之间的关系作了大量研究工作，建立了确定的关系，一般情况下，da/dN与K的关系曲线的双对数坐标上可分为三个区域。互区为详创.公式的有效区间，该区间的两端存在一个特征值，前端的K。称为门坎值，是满足115公式应用条件的最小应力强度因子幅度。K的微小降低dN急剧下降。末端的特征值c为满足拌h。公式应用条件的最大应力强度因子，是一个当Krnn时的上限值，即裂纹由亚临界扩展到失稳扩展过渡的一个临界值。第六章 氢脆断裂6.1 概论金属材料在加工制造过程中，以及在使用环境中受到氢的侵入，氢在材料中扩散并聚集，使材料的承载能力降低、塑性下降，材料脆化。经过一段时间后，金属在低于屈服强度的拉应力作用下突然发生断裂，把这种现象称为氢脆。 马氏体、珠光体钢中，镍铬钢或镍铬钥钢在锻造、轧制、热处理、焊接过程经常出现氢脆一白点。高强度钢、高强度合金表面处理:电镀、发兰、磷化、氧化也常有氢脆现象。钦合金在冶炼、热加工、酸洗及与其它碳氢化合物接触过程中可能渗入氢，因此钦合金容易产生氢脆。含硫油田管道、装油容器也容易出现氢脆。根据氢的来源不同，氢脆分为二大类，一类为内部氢脆，是由材料在高温锻造、轧制、焊接、热处理时吸收过氢而造成。另一类为环境氢脆，它是由于材料在含氢环境中工作，在应力和氢气氛或其它含氢介质的共同作用下引起的脆性断裂。例如酸洗、腐蚀、电镀、离子轰击等;表7.1给出氢的来源及示例，只有在氢侵人材料后才有可能产生氢脆。 特别是高强钢的氢脆通常为低应力延迟醉坏。当应力低于门槛应力值。时不发生断裂，见图7-1。当钢中裂纹前沿溶解的氢浓度达到临界值时，在应力与氢的共同作用下开裂。断裂扩展是断续式的，间歇时间为氢的聚集所消耗的时间。当裂纹长度达到临界值时，裂纹失稳扩展，材料迅速断裂。因此，氢脆断口一般由两个区域组成氢脆裂纹亚临界扩展区和瞬时断裂区。氢脆属于脆性断裂，断裂前没有预兆，无宏观塑性变形。6.2氢脆断口的形貌特征6.2.1断口宏观形貌特征 氢脆断口的宏观形貌特征是典型的脆性断口，断口上有放射线花样或有结晶状颗粒，断口平齐，无塑性变形，断口具有金属光泽。一般断口由两个区域组成，一个区域为氢脆断裂区一氢脆裂纹亚临界扩展区，另一个区域为瞬时断裂区。6.2.2断口微观形貌特征 氢脆的微观断口随钢种及热处理制度的不同而异，最基本的断口形态是沿晶断口与准解理断口。有时也可见到解理及局部韧窝断裂。氢脆沿晶断口的特征是断口上有二次裂纹、显微孔洞及发纹，晶界棱线清楚、晶界面光滑。一般认为发纹是在脆性沿晶分离过程中，材料最后相连部分发生撕裂造成的，发纹与撕裂棱形成机制相同。发纹在沿晶氢脆断口晶面上多而且清晰，在应力腐蚀断口上少而模糊。6.3钢中的白点 白点是热轧钢坯和大型锻件中常见的缺陷，是氮脆的一种表现。白点是钢中氢与组织转变应力、热应力共同作用下产生的细长裂纹。在经磨光并酸浸的横向低倍试片上为细如发丝的裂纹，白点尺寸一般为几毫米到几十毫米。白点通常出现在钢坯或锻件的芯部，通常距表面2O毫米以上。还有一种白点形貌似鱼的眼睛称为鱼眼，鱼眼白点通常出现在拉伸试样的断口上。 白点多出现在经过热加工的钢坯或钢材中，在铸件中出现得较少。中碳合金结构钢:铬钢、铬镍钢、铬钥钢、锰钢、铬锰钢、铬锰相钢、铬镍相钢以及含碳大于0. 3a铬大于1 a ,镍大于2. J%的马氏体级铬镍钢及铬镍铝(钨)，钢对白点的敏感性最大。含碳1%左右的滚珠轴承钢也具有较大的白点敏感性。碳钢的白点敏感性较合金钢小，当碳钢中锰含量为0* 7%一1%时也可能出现白点。奥氏体、铁素体和茉氏体钢中一般不形成白点。6.4氢脆的机理 关于氢脆的机理有多种学派:氢吸附理论，压力膨胀理论，氢与位错的交互作用理论，晶格脆化理论，氢化物或富氢相析出理论，氢助断裂(HAC)理论等。每一学派都有一定的实验根据，都能解释某些氢脆现象。 1952年N.T.佩奇和P.斯特布尔斯提出了氢吸附理论。该理论认为，由于氢吸附于裂纹的尖端，使金属的表面能降低，根据格里菲斯理论，金属的断裂强度氏正比于Y，随着表面能Y的降低，断裂强度也降低，所以引起材料脆化。佩奇等人认为，裂纹表面由于吸附了氢原子，降低了表面能。当裂纹尖端处于阴极状态时，由于阴极反应，产生大量的氢原子，根据断裂力学的观点，处于高应力裂纹尖端的表面，将有效地促使氢原子的表面吸附。第七章 应力腐蚀破裂7.1 概论在腐蚀性介质中，某些金属或合金在拉应力作用下所产生的延迟破坏现象，称为应力腐蚀破坏。若所受应力为交变应力，则介质腐蚀与疲劳两种损伤机理联合产生的破坏称为腐蚀疲劳破坏。由于近代工业的发展，在石油、化工、冶金、造船、动力、原子能、宇航及机械制造业等领域内的应力腐蚀破裂事故日益突出。由于应力腐蚀破裂事故造成的损失也十分惊人，应力腐蚀与低应力脆断和疲劳并列为当今工程断裂事故的三个主要原因。应力腐蚀是有条件发生的，导致应力腐蚀破裂的环境化学成分对各金属系统是非常专门和特殊的，还没有发现什么普遍的模式，但下述应力腐蚀破裂的基本条件和特征是得到公认的。1.应力腐蚀破裂只在一定的材料介质组合条件下才能发生。2.拉应力是产生应力腐蚀破裂的必要条件。拉应力可能来源于外载荷的作用，也可能是焊接、冷热加工引起的残余应力或装配应力等。3。材料成分、组织状态对应力腐蚀敏感性有很大影响。纯金属一般不发生应力腐蚀，但只要存在少量的合金元素，就会发生应力腐蚀破裂。材料的组织状态不同，应力腐蚀的敏感性也可能有很大的差别。4.应力腐蚀破裂是一种延迟破坏现象，即在应力作用下，需经一定的时间，才能产生裂纹扩展，断裂的时间随介质条件和应力大小的不同可以从几分钟到数年不等。 5.应力腐蚀破裂是脆性断裂，即使是某些高韧性的合金在应力腐蚀破裂时，一般也不产生明显的宏观塑性变形。应力腐蚀裂纹可能是沿晶的，也可能是穿晶的，有时是混合型的，但沿晶破裂居多。6.应力腐蚀通常都在某些特定的部位有选择性地发生。一般可能在某一局部区域先形成腐蚀坑，裂纹产生于腐蚀坑尖角的应力集中处，形成的裂纹常常被腐蚀物所覆盖，裂纹源区常常在机械缺口的根部或材料夹杂处。7.2应力腐蚀断口形貌和特征应力腐蚀断裂的断口形貌与材料的晶体结构、机械性能、合金成份、热处理状态、环境条件及应力等有关。一般宏观上看不到明显的塑性变形，呈脆断特征。应力腐蚀裂纹源常常发生在材料的表面，通常情况下是多源的，这些裂纹在扩展过程中发生合并，当应力腐蚀裂纹扩展到一定程度时将引起最终断裂:可以观察到，应力腐蚀断口宏观形貌具有应力腐蚀扩展区域和最终断裂区域的特征。前者呈现暗褐色，常常可以观察到腐蚀和氧化产物，因化学或电化学作用往往在裂纹源处形成腐蚀坑。断口上可见明显的放射性条纹，其汇聚处为裂源，每个裂源区域常为半圆形。在瞬断区，包括撕裂和剪、切唇两部分，具有金属光泽，表现出基体材料的特征。应力腐蚀裂纹基本上沿垂直于拉应力的方向扩展，且有分叉，其形貌呈树枝状。7.3应力腐蚀破裂过程及机理7.3.1应力腐蚀破裂的一般过程 如前所述，应力腐蚀破裂对环境有着非常明显的选择性，各种材料都只有在其应力腐蚀敏感性较强的特殊环境中才会发生应力腐蚀破裂，每组不同的特殊组合都对应着不太一致的应力腐蚀机制。但是经长期的研究实践，人们还是归纳出了具有共性的应力腐蚀的一般过程。关于应力腐蚀破裂过程的三阶段理论，较好的总结了包括电化学过程和非电解质中、非金属中的破裂规律，概括地说明了环境中的各项物质分别在三个阶段中是促进破裂还是起缓解腐蚀的作用，可以描述应力腐蚀破裂的一般过程。7.3.2表面保护膜破裂理论这一理论的基本论点是:一般金属表面都存在不同程度的保护膜，或称钝化膜，如果保护膜一旦受到局部破坏，就会形成以膜为阴极，裸露的金属为阳极的阳极溶解过程，产生腐蚀坑，进而萌生应力腐蚀裂纹。 表面保护膜的局部破坏可能是机械损伤所致，也可能是由于金属发生塑性变形时的滑移运动造成的滑移阶梯所致，如图8-14所示。滑移阶梯可能由螺旋型位错的移动或刃型位错所致。7.4应力腐蚀的影响因素及防护措施7.4.1影响因素 有许多因素影响着应力腐蚀破裂的过程，弄清它们的影响规律，对于应力腐蚀失效分析和预防应力腐蚀破裂的实践都是十分有意义的，下面简要介绍对几种主要影响因素的研究结论。 1，强度的影响 材料强度是对应力腐蚀破裂敏感性最有影响的参数。强度越高，应力腐蚀敏感性越大，K和r越低.裂纹扩展速度越快。钢的应力腐蚀破裂倾向性随着o_增高而剧烈增加。但对于某些高强铝合金也有例外的情况。 2.显微组织的影响 显微组织对K城。的影响也很明显，低合金钢在低温回火脆性范围内应力腐蚀开裂敏感性很高，而等温处理的材料则不然。 低合金钢的原始奥氏体晶粒度对Rf影响不大，但晶粒尺寸对不锈钢应力腐蚀破裂的敏感性却有影响，晶粒尺寸越大，破断时间越短。 晶粒取向对状组织横向加载时的应力腐蚀破裂倾向性总比沿纵向加载时高。 3.热处理的影响由于热处理可以改变钢的组织结构。有强烈的影响。迄今为止，人们仍采用各种强韧化处理工艺来提高钢的应力腐蚀抗力。影响极大，尤其当晶粒比较粗大时冲压成型的纤维状组织比再结晶的组织有更高的应力腐蚀敏感性。4.合金元素的影响 一般来说，凡能影响钥的屈服强度的合金元素及工艺都能显著影响其应力腐蚀敏感性。5.环境介质的影响对低合金钢而言，随着环境由无氢到水溶液介质到HZS的变化，其应力腐蚀破裂的敏感性不断增强，介质温度是个很重要的影响因素，一般来说，随着温度的升高，材料的应力腐浊性加强不锈钢在热水和高温水中应力腐蚀敏感性增加，但许多研究证明对不同的材料都存在一个最易产生应力腐蚀现象的温度范围，如Cr不锈钢约为10奥氏体不锈钢氢脆多发生在300范围内，低碳钢在溶液温度接近于沸点时，最容易产生碱脆破裂，微碱性高温高压水引起的碱脆破裂，通常发生在300温度范围内。 6.表面状态的影响 钢的表面处理方法不同，表面状态不一样，其应力腐蚀敏感性亦不相同。 一