金属--断裂与失效分析 刘尚慈

1 金属断裂与失效分析（刘尚慈 编）

第一章 概述 失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。 第二章 金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序 一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究 （一） 零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二） 无损检测 （三） 材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四） 断口分析 （五） 断裂力学分析 以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 KI ＝ Yσ（ π α ）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：KI ＜KIC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc ＝KIC / Y（ π α ）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc ＝（KIC / Yσ）2/π

中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）lnsec(πσ/2σs) 不发生断裂的条件为：δ＜δC （临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据 2

为： J＜JIC KIC——断裂韧性；KISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析 分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。 五、回访与促进建议的贯彻

§2—2 实效分析的基本思路 一、强度分析思路 二、断裂失效的统计分析 三、断裂失效分析的故障树技术 第三章 金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类 裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。 发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。 裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。 一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与中心不一致；或者在加工过程中发生过热与过烧，晶界性能降低等，导致裂纹沿晶界扩展。如： 3

① 铸件表面裂纹：在1250～1450℃形成的裂纹，沿晶界延伸，周围有严重的氧化和脱碳。 ② 锻造、轧制网状裂纹：由过烧、渗铜、含硫量高等引起。 锻件加热温度过高、时间过长，引起晶粒粗化，脆性增加。如过烧晶界氧化使晶界强度降低，锻造时沿晶界开裂出现网状裂纹。当钢中含铜量过高（＞0.2％）时，在热锻过程中，表面发生选择性氧化（铁先氧化），使铜的含量相对增加，从而使晶界形成富铜相的网络，富铜相熔点低于基体引起开裂。同样，锻造时如铜附着在表面，借高温沿晶界渗入导致铜脆。在显微镜下可看到游离的铜沿晶界分布。当硫量较高时，低熔点的FeS或FeS与Fe的共晶体存在于晶界，高温锻造时，晶界结合强度低，使塑性变形能力下降，导致锻造开裂。 ③ 热处理表面裂纹：淬火加热温度过高，奥氏体晶粒显著长大，淬火冷却中热应力和组织应力共同作用引起裂纹；如发生过烧现象就更容易引起龟裂。表面脱碳使工件表里不同含碳量奥氏体的马氏体开始转变温度（MS）不同，冷却先后有差异，扩大了组织转变的不同时性和体积转变的不均匀性。使得淬火组织应力增加，使表面产生大的多向应力，产生网状裂纹。 ④ 电弧焊起弧电流过大时，局部热量过高，形成“火字形裂纹”。 ⑤ 淬火后或渗碳后的部件在机加工过程中，表面应力可导致表面裂纹；耐热钢受表面热应力作用产生腐蚀性疲劳裂纹；不锈钢发生晶界腐蚀裂纹。 （2）直线型裂纹：常由发纹或其他非金属夹杂物在后续工序中扩展而形成，沿材料纵向分布。裂纹两侧和金属基体上，一般有氧化夹杂物和其他非金属夹杂物。细长零件在淬火中，在表面冷却比较均匀一致，心部淬透时，淬火应力（组织应力和热应力）超过材料抗拉强度极限，产生纵向直裂纹。由于心部淬透的细长工件的表层切向应力总是大于轴向应力，因此淬火裂纹总是纵向直线型。 4

高温高压的蒸汽管道弯管中产生的蠕变裂纹是一些平行的直线性裂纹。 （3）树枝型裂纹：零件中应力腐蚀裂纹；应力集中的焊接结构产生的热裂纹有时也呈树枝型。 （4）其他裂纹： 圆周裂纹：部件变径处由于热应力和组织应力引起的裂纹。 辐射状裂纹：有内孔的零件，淬火时，内孔处冷速慢，使内孔表面常处于拉应力状态，产生辐射状裂纹。锅炉铆钉孔处产生的碱脆裂纹，也是辐射状。 二、按微观形态分为： （1）沿晶裂纹：晶界腐蚀裂纹、苛性脆化裂纹、氢脆裂纹、蠕变裂纹、回火脆性开裂、磨削裂纹、焊接热裂纹、铸造裂纹、过烧引起的锻造裂纹、热处理裂纹和热脆裂纹等，热疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹有时也是沿晶裂纹。 （2）穿晶裂纹：疲劳裂纹、解理断裂裂纹、韧性断裂裂纹、淬火冷裂纹、焊接冷裂纹等。热疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等有时也是穿晶的。 （3）混合裂纹：有沿晶的，也有穿晶的，如淬火裂纹。 三、按形成原因分： （1）工艺裂纹：铸造、锻造、热处理、磨削、焊接裂纹等。 （2）使用裂纹：机械冷应力裂纹、疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、蠕变裂纹等。 四、按断裂力学的观点分： （1）稳定性裂纹：零件在服役中裂纹的扩展速率非常缓慢。 （2）过渡性裂纹（亚临界扩展裂纹）：裂纹产生后，开始发展缓慢，到一定尺寸，发展加速，造成零件断裂失效。 过渡性裂纹和零件的受力条件、裂纹的形状及裂纹处的受力状态有关，其尺寸满足裂纹的强度因子K＜KIC 。对于张开型裂纹有： KI＝σα1/2Y（α/W）＜KIC 5

上述σ是特征应力，α是特征裂纹长度，W是特征尺寸，Y（α/W）物体KI的标定函数。 （3）危险性裂纹：临界扩展前夕的裂纹。这类裂纹发展甚为迅速，在很短的时间内导致零件失效。 定量：裂纹应力强度因子K接近材料的断裂韧性KC；或裂纹扩展速度dα/dt超过一定数值。

§3—2 裂纹的起源位置 裂纹的起源位置取决于应力集中值的大小及材料强度值的高低。 一、应力集中与破断起源的关系 按位错理论：对于延性或半脆性材料，形变和破断两个过程的必要条件是使金属发生屈服。当金属发生屈服后，大量的位错在其运动过程中由于受到障碍物作用而堆积起来，就造成了应力集中。应力集中被变形松弛，破断过程则被抑制；反之，若裂纹的发生与发展使应力松弛，则材料会发生破断。 服役的零件，形状和材料急剧改变的地方，会产生局部的高应力，其附近的应力状态（分布）也不均匀。这种局部应力高于平均应力的现象就是应力集中。 应力集中系数K=σmax/σcp (应力集中处的最大应力和平均应力或公称名义应力之比) 应力集中发生在缺口的尾端。应力集中程度（K）与缺口深度t、缺口尖端半径rH有关。单边缺口部件应力集中系数： K＝1+（t/rH）1/2≈（t/rH）1/2 多缺口（缺口间距b）部件： K＝{(t/rH)•[(b/лt)coth(b/лt)]}1/2 材料的强度愈高、塑性愈低，应力集中系数也愈大。 缺口顶端还会由于形变约束而引起三向应力。在平面应变条件下，在缺口前端一段距离处，出现最大三向拉应力区。 6

二、材料缺陷所引起的裂纹 疲劳裂纹起始于驻留滑移带，而材料表面和内部的缺陷常是引起驻留滑移带的原因，因此，有缺陷的金属材料，往往疲劳极限比较低。 三、零件的形状因素引起的裂纹 零件的尖锐的凹角，凸边或缺口部位在制造和使用过程中，产生较大应力集中或开裂。 §3—3 裂纹的扩展方向 一、裂纹的走向（由应力原则或强度原则确定） ①应力原则：在金属脆断、疲劳脆断和应力腐蚀断裂情况下，裂纹的扩展方向一般都垂直于主拉伸应力的方向；而当韧性金属承受扭转载荷或金属在平面应力的作用下，其裂纹的扩展方向一般平行于剪切应力的方向。上述两种情况可以说明裂纹走向由零件的最大应力确定。 ②强度原则：裂纹总是要沿着最小阻力路线—即材料的薄弱环节或缺陷处—扩展。缺陷是薄弱点，常引起裂纹的转折扩展。材质符合要求的条件下，应力原则起主导作用；材质不符合要求时，强度原则起主导作用。 二、裂纹源与裂纹方向的判定 裂纹通常起源于零件的应力集中处；材料缺陷处形成应力集中常引起裂纹。 有时在扩展中裂纹常常会出现分支，称为支裂纹或次生裂纹。支裂纹源区一定在主裂纹中，且裂纹源的方向通常与支裂纹扩展方向相反，也就是说分叉或分支裂纹，汇合为主裂纹。 随着裂纹的扩展，零件的有效截面不断减少，即有效载荷也随之不断加大。因此，韧性材料随着裂纹的扩展，破断侧面残留的范性变形也有所增加。 主裂纹产生最早，扩展速度最大。主裂纹产生后，在裂纹附近，应力得到松弛，因此，二次裂纹扩展速度小，尺寸总小于主裂纹的尺寸。