《故障分析基础》PPT课件.ppt
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1、第2章 故障分析基础,2.1 金属断裂与断口分析2.2 磨损2.3 腐蚀2.4 畸变,2.1 金属断裂与断口分析,2.1.1 基本概念2.1.2 韧性断裂2.1.3 脆性断裂2.1.4 疲劳断裂2.1.5 环境致断2.1.6 裂纹分析,2.1.1 基本概念,一、术语裂纹:金属的局部破裂。实际零件难免存在极微小裂纹,但可能不扩展失效。断裂:裂纹萌生、扩展,造成材料断开。各类失效中,断裂失效最主要、危害最大断口:零件断裂处现成的自然表面。断口分析:从材料的断口形貌、显微组织、微观缺陷,研究断裂行为,确定断裂模式和原因。,二、金属断裂的基本类型1按断裂的宏观塑性变形量分韧性断裂:断裂前产生明显的宏观
2、塑性变形。脆性断裂:断裂前基本不产生宏观塑性变形,但可能存在微观局部塑性变形。2按裂纹扩展途径分沿晶断裂:裂纹沿晶界扩展,多数为脆性断裂。穿晶断裂:裂纹穿过晶体内部扩展。3按断口取向分正断型:宏观断口与最大正应力垂直。切断型:宏观断口与最大正应力约成45角。4按断裂的微观机理分解理、准解理、滑移、韧窝、疲劳断裂以及环境致断,三、宏观断口的基本组成与特征1.宏观断口的基本组成宏观断口的三要素:纤维区F、放射区R、剪切唇S,纤维区(裂纹生核及缓慢生长区F):自断裂源至快速断裂之前的区段。其宏观平面与拉伸应力轴垂直,呈粗糙的纤维状。放射区(裂纹快速扩展区R):裂纹慢速扩展到临界尺寸后,呈放射状快速扩
3、展,塑性变形量很小。其特征是放射线花样,放射线方向为裂纹扩展方向。剪切唇(瞬时断裂区S):断裂的最后阶段,与拉伸应力约成45角,为剪切断口,表面较光滑。,宏观断口在失效分析时可以提供裂纹的起源位置和裂纹扩展方向。,2宏观断口要素的影响因素对于不同的材料,不同的温度和受力状态,三个区域的位置、形状、大小及分布有所不同,有时在断口上也可能只出现一种或二种形貌特征。,裂纹源:影响断裂的起始位置和扩展路径。裂纹源一般发生在应力集中区。截面形状与尺寸:尺寸加大时,放射区加大,纤维区变化不大。如薄板拉伸断口可能就只有剪切唇。材料的强度和塑性:强度提高,塑性降低时,纤维区由大变小,放射区比例变大,放射线由粗
4、变细,断口显得比较平整。温度:温度降低时,放射区比例变大。,2.1.2 韧性断裂,韧性断裂是载荷超过材料区屈服极限后产生的断裂,宏观上为纤维状,微观特征表现为大量韧窝。韧窝的形成:以拉伸试样为例,中心区应力最大,夹杂或第二相质点脱离基体形成微孔,微孔之间的基体可看作一个小拉伸试样,在力的作用下塑性变形,产生颈缩(内颈缩)而断裂,使微孔(聚合)相互连接形成裂纹。,韧窝的大小:包括平均直径和深度。影响韧窝大小的主要因素:从材料方面讲为第二相的大小、密度、基体的塑性变形能力、形变硬化指数等,从外界条件讲与应力大小和加载速率有关。一般在断裂条件相同时,韧窝尺寸越大,表示材料的塑性越好。,2.1.3 脆
5、性断裂,一、基本特点 工作应力低于材料的屈服强度,甚至低于许用应力。通常从材料缺陷处做为断裂源,开始扩展。宏观断口通常平齐而光亮,与正应力垂直,断面收缩率小于3。断口常有放射花样或人字纹。对中低强度钢,存在韧脆转变温度(10-15)。,二、微观机理1解理断裂解理断裂是金属在正应力作用下,由于原子结合键破坏而造成的沿一定的晶体学平面(即解理面)快速分离的过程。小刻面是解理断裂断口上明显的宏观特征,呈无规则取向,当断口在强光下转动时,可见到闪闪发光的特征。,解理断口的微观特征主要是:解理台阶:断裂实际上并不是沿单一的晶面发生,而是在跨越若干个相互平行的位于不同高度上的解理面处发生,在交界处就会形成
6、台阶。河流花样:解理裂纹扩展过程中,同号台阶相互会合长大,异号台阶相互销毁。当汇合台阶高度足够人时,便可呈现河流花样。小台阶就象支流到下游汇合成了干流,即大台阶。所以河流的流向指示了裂纹扩展的方向。河流花样是判断解理断裂的重要依据。舌状花样:解理裂纹沿孪晶界扩展时留下的舌头状凹坑或凸台,在断口副上“舌头”是黑白对应的。,影响解理断裂的因素:外因:环境温度、介质、加载速度、应力大小等。内因:材料的晶体结构、显微组织。一般来讲:温度低、加载速度快易产生解理断裂;体心立方、密排立方结构可能产生解理断裂。当氢在-Fe的解理面处集聚时,会产生氢致解理断裂。,2准解理断裂在许多淬火回火钢中,有许多弥散细小
7、的碳化物质点,此时裂纹不再与晶体位向有关,而主要与细小的碳化物质点有关,其微观特征与解理断裂相似,但并非真正的解理断裂。,准解理的形成过程:首先在许多质点部位同时产生许多解理裂纹核,然后按解理方式扩展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,与相邻的解理小刻面相连,形成撕裂岭。准解理断裂是解理断裂的变种。,3.沿晶断裂沿晶断裂又称晶间断裂,它是多晶体沿不同取向晶粒间晶界分离的现象,当晶界强度因偏析或夹杂物作用而低于晶内强度时容易产生。一般的沿晶断裂断口微观特征是“冰糖状”,沿晶分离面平滑、干净,无微观塑性变形特征,可以清楚地辨认一颗颗象冰糖样的晶粒。,2.1.4 疲劳断裂,疲劳断裂是在交变应力持续作用
8、下发生的断裂。交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向同时都随时间作周期性改变的应力,各种发动机曲轴、主轴、齿轮、弹簧、涡轮机叶片、钢轨、飞机螺旋浆及各种滚动轴承等都是承受交变应力。疲劳断裂在工程断裂中所占的比例最大,且断裂前无显著变形,表现为突然破坏,因此危害性严重。,一、疲劳断裂的基本类型1按产生原因分:机械疲劳:按加载方式可细分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳热疲劳:温度反复变化引起热应力反复变化,产生热疲劳。腐蚀疲劳:在循环应力和腐蚀介质共同作用下产生的失效。,S-N曲线,2按疲劳寿命分:高周疲劳:应力较低,应力循环周次很多(107次)低周疲劳:应力较高(接近或高于材料的屈服强度),应力
9、循环周次较少(102一103次)在不特别指明的情况下,都是指高周疲劳。,二、疲劳断口的宏观形貌特征宏观断口无明显变形,表现为脆性断口。疲劳断口一般有三个区:疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区。,1)疲劳源:一般在材料有缺陷的地方。疲劳源可能有多个。经反复挤压摩擦而比较光亮。,2)裂纹扩展区:是疲劳裂纹亚临界扩展部分,其典型特征是贝壳花样(贝纹线、疲劳线)。贝纹线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇同心圆,并与裂纹局部扩展方向相垂直。贝纹线是由于载荷大小或应力状态变化、频率变化或机器运行中途停车启动等原因,裂纹扩展产生相应的微小变化而造成的。靠近裂纹源处,贝纹线较密集,可根据贝纹线的密集程度判断裂纹源产生
10、的先后顺序。韧性好的材料,贝纹线较小的间距较小。,疲劳裂纹的扩展规律:Paris公式:,3)瞬时断裂区:疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域。断口粗糙。靠近中心为平面应变状态的平断口,边缘区为剪切唇。,三、疲劳断口的微观形貌特征疲劳裂纹扩展可分为两个阶段:第一阶段是由疲劳源开始,与主应力成45方向扩展,扩展速度很慢,扩展量很小。第一阶段裂纹逐渐改变方向,转到与主应力相垂直的方向,进入第二阶段。在此阶段,裂纹扩展是穿晶的,按解理断裂方式扩展,扩展速度较快,其微观特征是疲劳条带(疲劳辉纹)。,疲劳条带与裂纹扩展方向垂直,是一系列基本上相互平行的条纹,稍微凹向疲劳源,呈波浪形。每一条带代表一次或若干次载荷
11、循环,在两条宏观疲劳贝纹之间可见许多条微观条带。,Cr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片,四、影响疲劳强度的主要因素应力集中:构件截面尺寸突变处(如切槽、圆孔、尖角等)存在应力集中,应力集中促使裂纹形成与扩展,降低疲劳强度。构件尺寸:在最大正应力相同的条件下,大试件处于高应力区的材料多于小试件。这样,大试件出现裂纹的可能性要大于小试件,疲劳强度就要低于小试件。表面加工质量:机械加工会给构件表面留下刀痕、擦伤等各种缺陷会造成应力集中,降低疲劳寿命;对构件作渗氮、渗碳、淬火等表面处理,能提高表面层材料的强度,提高疲劳强度。其它因素的影响:温度、腐蚀性、荷载频率等因素均对疲劳强度有影响。其影响程度
12、可通过疲劳试验用相应的影响系数表示。,2.1.5 环境致断,一、应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂是合金材料在持久拉应力和特定的腐蚀环境共同作用下所导致的脆性断裂,断裂前没有预兆,不易预防,危害性极大。,1应力腐蚀断裂的特点和影响因素,应力腐蚀所需的应力一般是拉应力,该应力可以很小,在不同介质中可以有不同的值。能导致金属产生应力腐蚀的最小应力称为应力腐蚀开裂的临界应力。纯金属不发生应力腐蚀,但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中都会引起应力腐蚀裂纹。,2应力腐蚀断裂的断口特征应力腐蚀断裂起源于表面,且为多源,起源处表面一般存在腐蚀坑,且存在腐蚀产物。应力腐蚀断口的微观形态可以是解理或准解理,沿晶断裂或混合型
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