材料斷口分析(第五—六章)

1、1第五章第五章 環(huán)境斷裂環(huán)境斷裂 1 應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂 2 氫脆斷裂氫脆斷裂 3 蠕變斷裂蠕變斷裂 4 其它的環(huán)境斷裂其它的環(huán)境斷裂2概概 述述環(huán)境斷裂：環(huán)境斷裂：主要指金屬材料在主要指金屬材料在腐蝕介質(zhì)、溫度腐蝕介質(zhì)、溫度環(huán)境等條件環(huán)境等條件 的影響下，產(chǎn)生的沿晶或穿晶低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象的影響下，產(chǎn)生的沿晶或穿晶低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象常見的環(huán)境斷裂：常見的環(huán)境斷裂：SCC、氫脆、蠕變斷裂、氫脆、蠕變斷裂 液態(tài)或固態(tài)金屬脆、中子脆液態(tài)或固態(tài)金屬脆、中子脆 過(guò)熱、過(guò)燒斷裂過(guò)熱、過(guò)燒斷裂靜載延遲斷裂：靜載延遲斷裂：材料在特定的外界條件下，雖然所受的應(yīng)力材料在特定的外界條件下，雖然所受的應(yīng)力 低于材料的

2、屈服強(qiáng)度，但服役一段時(shí)間，也低于材料的屈服強(qiáng)度，但服役一段時(shí)間，也 可以發(fā)生突然的低應(yīng)力脆斷，這類可以發(fā)生突然的低應(yīng)力脆斷，這類與時(shí)間有與時(shí)間有 關(guān)的低應(yīng)力脆斷關(guān)的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象?，F(xiàn)象。31 1、應(yīng)力腐蝕斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂一、引言一、引言1、定義、定義 由由拉應(yīng)力拉應(yīng)力和和腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而引起的低應(yīng)力脆斷。聯(lián)合作用而引起的低應(yīng)力脆斷。2、共同特征、共同特征只有在只有在拉應(yīng)力拉應(yīng)力作用下才能引起作用下才能引起SCC。這種拉應(yīng)力可能是殘。這種拉應(yīng)力可能是殘 余拉應(yīng)力或工作應(yīng)力。一般情況下，產(chǎn)生余拉應(yīng)力或工作應(yīng)力。一般情況下，產(chǎn)生SCC時(shí)拉應(yīng)力都時(shí)拉應(yīng)力都 很低，若沒有腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用是

3、不會(huì)產(chǎn)生斷裂的。很低，若沒有腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用是不會(huì)產(chǎn)生斷裂的。要有一定的要有一定的腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)。其腐蝕介質(zhì)的濃度都很低，并且腐。其腐蝕介質(zhì)的濃度都很低，并且腐 蝕介質(zhì)一般都是特定的（選擇性）。蝕介質(zhì)一般都是特定的（選擇性）。一般只有一般只有合金合金才產(chǎn)生才產(chǎn)生SCC，純金屬不會(huì)產(chǎn)生，純金屬不會(huì)產(chǎn)生SCC。4應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件及涉及的學(xué)科應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件及涉及的學(xué)科53、斷裂過(guò)程 裂紋形成：裂紋形成：占全部時(shí)間的占全部時(shí)間的90% 裂紋擴(kuò)展：裂紋擴(kuò)展：占全部時(shí)間的占全部時(shí)間的10%6引起表面膜局部破裂的因素：引起表面膜局部破裂的因素：環(huán)境因素環(huán)境因素：可能存在破壞鈍化膜的活性離子，如：可

4、能存在破壞鈍化膜的活性離子，如Cl-、 Br-等等冶金因素冶金因素：金屬表面的缺陷，如夾雜物、位錯(cuò)露頭等：金屬表面的缺陷，如夾雜物、位錯(cuò)露頭等力學(xué)因素力學(xué)因素：在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的突出表面的滑移臺(tái)階：在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的突出表面的滑移臺(tái)階機(jī)械破損機(jī)械破損7二、二、SCCSCC機(jī)理機(jī)理1、保護(hù)膜破裂機(jī)理、保護(hù)膜破裂機(jī)理認(rèn)為產(chǎn)生認(rèn)為產(chǎn)生SCC是電化學(xué)反應(yīng)起控制作用是電化學(xué)反應(yīng)起控制作用形成保護(hù)膜形成保護(hù)膜保護(hù)保護(hù)膜破裂膜破裂陽(yáng)極溶解陽(yáng)極溶解重新形成保護(hù)膜重新形成保護(hù)膜重新破壞重新破壞新的新的陽(yáng)極溶解陽(yáng)極溶解82、應(yīng)力吸附機(jī)理（氫致脆化機(jī)理） 認(rèn)為認(rèn)為H吸附于裂紋尖端，使金屬晶體原子鍵的親吸附于裂紋尖端

5、，使金屬晶體原子鍵的親 和力減弱，即表面能降低。和力減弱，即表面能降低。 從從Griffith缺口強(qiáng)度理論可知：缺口強(qiáng)度理論可知： c1/2 c 從而脆化金屬，使材料產(chǎn)生早期斷裂從而脆化金屬，使材料產(chǎn)生早期斷裂9三、三、SCCSCC斷口形貌特征斷口形貌特征1、宏觀形貌特征、宏觀形貌特征呈現(xiàn)脆性特征，有時(shí)帶有少量塑性撕裂痕跡呈現(xiàn)脆性特征，有時(shí)帶有少量塑性撕裂痕跡裂源是多源的，由于介質(zhì)的腐蝕作用，裂紋形成區(qū)或亞裂源是多源的，由于介質(zhì)的腐蝕作用，裂紋形成區(qū)或亞 穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)呈暗色或灰黑色穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)呈暗色或灰黑色最終斷裂區(qū)具有金屬光澤，常有放射狀花樣或人字紋最終斷裂區(qū)具有金屬光澤，常有放射狀花樣或人字紋10

6、2 2、微觀形貌、微觀形貌典型斷口：典型斷口：沿晶斷口，晶面有撕裂脊；有時(shí)也可觀察到沿晶斷口，晶面有撕裂脊；有時(shí)也可觀察到 韌窩、腐蝕坑、二次裂紋，也可能有穿晶斷韌窩、腐蝕坑、二次裂紋，也可能有穿晶斷 裂，斷口有河流、扇形、泥狀、塊狀花樣等裂，斷口有河流、扇形、泥狀、塊狀花樣等沿晶斷口沿晶斷口11穿晶斷口穿晶斷口泥紋狀斷口：泥紋狀斷口：在在平坦面上分布直平坦面上分布直線狀裂紋（如河線狀裂紋（如河底干沽狀）底干沽狀）12四、四、SCCSCC的影響因素與預(yù)防措施的影響因素與預(yù)防措施1 1、影響因素、影響因素應(yīng)力：拉應(yīng)力應(yīng)力：拉應(yīng)力環(huán)境介質(zhì)：材料對(duì)介質(zhì)具有選擇性環(huán)境介質(zhì)：材料對(duì)介質(zhì)具有選擇性成分：高

7、強(qiáng)鋼中的碳含量、鋁鎂合金中成分：高強(qiáng)鋼中的碳含量、鋁鎂合金中Mg含量含量熱處理工藝：熱處理工藝：T6、T76、T77(RRA)2 2、預(yù)防措施、預(yù)防措施降低應(yīng)力降低應(yīng)力表面處理（噴丸、滲碳、氮化），使表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力表面處理（噴丸、滲碳、氮化），使表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力改變腐蝕介質(zhì)改變腐蝕介質(zhì)選材選材 電化學(xué)保護(hù)電化學(xué)保護(hù)132 2 氫脆斷裂氫脆斷裂一、引言一、引言1、定義、定義: 金屬材料由于受到金屬材料由于受到含氫氣氛含氫氣氛的作用而引起的低應(yīng)力脆斷的作用而引起的低應(yīng)力脆斷2、類型、類型內(nèi)部氫脆：內(nèi)部氫脆：材料在熔煉、焊接、高溫鍛造、軋制和熱處理等材料在熔煉、焊接、高溫鍛造、軋制和熱處理

8、等 過(guò)程中吸收了過(guò)量的氫氣而造成的過(guò)程中吸收了過(guò)量的氫氣而造成的環(huán)境氫脆：環(huán)境氫脆：在在應(yīng)力應(yīng)力和和含氫介質(zhì)含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種低應(yīng)的聯(lián)合作用下引起的一種低應(yīng) 力脆斷。如貯氫壓力容器材料發(fā)生的斷裂力脆斷。如貯氫壓力容器材料發(fā)生的斷裂兩者區(qū)別：兩者區(qū)別：氫的來(lái)源不同，而脆化本質(zhì)是否相同目前尚未氫的來(lái)源不同，而脆化本質(zhì)是否相同目前尚未 定論。定論。14二、氫脆斷口特征二、氫脆斷口特征1、內(nèi)部氫脆、內(nèi)部氫脆宏觀特征：宏觀特征：白點(diǎn)：是大型鍛件和熱軋鋼坯中常見的缺陷白點(diǎn)：是大型鍛件和熱軋鋼坯中常見的缺陷 它是鋼中氫與組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力、熱應(yīng)力共同作用下產(chǎn)它是鋼中氫與組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力、熱應(yīng)力共同作用下產(chǎn)

9、 生的細(xì)長(zhǎng)裂紋，尺寸一般為幾毫米到幾十毫米。生的細(xì)長(zhǎng)裂紋，尺寸一般為幾毫米到幾十毫米。15發(fā)裂白點(diǎn)（不可逆白點(diǎn)）：發(fā)裂白點(diǎn)（不可逆白點(diǎn)）： 斷口上呈現(xiàn)白點(diǎn)，呈銀白色，輪廓分明，表面光亮斷口上呈現(xiàn)白點(diǎn)，呈銀白色，輪廓分明，表面光亮 形狀為圓形或橢圓形形狀為圓形或橢圓形 實(shí)際上是一種內(nèi)部微細(xì)裂紋實(shí)際上是一種內(nèi)部微細(xì)裂紋16魚眼型白點(diǎn)（可逆白點(diǎn)）：魚眼型白點(diǎn)（可逆白點(diǎn)）： 是以材料內(nèi)部的宏觀缺陷（氣孔、夾渣）為核心的銀白是以材料內(nèi)部的宏觀缺陷（氣孔、夾渣）為核心的銀白 色斑點(diǎn)色斑點(diǎn) 形狀為圓形或橢圓形形狀為圓形或橢圓形 核心愈大，白色愈大，白色區(qū)齊平略為下凹核心愈大，白色愈大，白色區(qū)齊平略為下凹17

10、微觀特征：微觀特征： 穿晶解理型或準(zhǔn)解理型花樣，以準(zhǔn)解理較為多見穿晶解理型或準(zhǔn)解理型花樣，以準(zhǔn)解理較為多見浮云狀浮云狀波紋狀波紋狀條條 狀狀182 2、環(huán)境氫脆、環(huán)境氫脆宏觀形貌：宏觀形貌：與一般的脆性斷口形態(tài)相似，有時(shí)可見到一與一般的脆性斷口形態(tài)相似，有時(shí)可見到一 些反光的小刻面、結(jié)晶狀顆粒或放射狀花樣些反光的小刻面、結(jié)晶狀顆粒或放射狀花樣不銹鋼螺栓氫脆斷口不銹鋼螺栓氫脆斷口螺釘氫脆斷口螺釘氫脆斷口19微觀形貌：微觀形貌：典型為沿晶斷口與準(zhǔn)解理斷口，有時(shí)看到解典型為沿晶斷口與準(zhǔn)解理斷口，有時(shí)看到解 理及局部韌斷。理及局部韌斷。20在不同在不同K值下高強(qiáng)鋼的斷裂形式值下高強(qiáng)鋼的斷裂形式氫脆的沿

11、晶斷口氫脆的沿晶斷口21四、四、SCCSCC與氫脆的關(guān)系與氫脆的關(guān)系聯(lián)系：聯(lián)系： 廣義的廣義的SCC包括氫脆斷裂，通常應(yīng)力腐蝕總包括氫脆斷裂，通常應(yīng)力腐蝕總 伴有氫脆。它們共同存在，一般難以區(qū)別。伴有氫脆。它們共同存在，一般難以區(qū)別。 微觀斷口形貌也十分相似微觀斷口形貌也十分相似22區(qū)別：從電化學(xué)反應(yīng)來(lái)看從電化學(xué)反應(yīng)來(lái)看，SCC是陽(yáng)極溶解控制過(guò)程是陽(yáng)極溶解控制過(guò)程 Fe - 2e Fe + 氫脆是陰極反應(yīng)控制過(guò)程氫脆是陰極反應(yīng)控制過(guò)程 H+ + e H 2H H223裂源：裂源：SCC從表面開始，裂紋分叉從表面開始，裂紋分叉 氫脆從次表面或內(nèi)部開始，裂紋幾乎不分叉氫脆從次表面或內(nèi)部開始，裂紋幾

12、乎不分叉SCC裂紋裂紋氫脆裂紋氫脆裂紋24五、影響氫脆的外部因素五、影響氫脆的外部因素1、溫度、溫度 氫脆多發(fā)生在溫度為氫脆多發(fā)生在溫度為-100150之間，一般最敏感之間，一般最敏感 的溫度是室溫的溫度是室溫 溫度太低，氫不易擴(kuò)散和聚結(jié)溫度太低，氫不易擴(kuò)散和聚結(jié) 溫度太高，氫自由地向大氣中擴(kuò)散，減少了氫含量溫度太高，氫自由地向大氣中擴(kuò)散，減少了氫含量2、H濃度濃度 發(fā)生氫脆時(shí)不一定要求氫氣氛或含氫介質(zhì)有很高的濃度發(fā)生氫脆時(shí)不一定要求氫氣氛或含氫介質(zhì)有很高的濃度 如當(dāng)如當(dāng)H 1ppm時(shí)就能引起高強(qiáng)鋼的氫脆。時(shí)就能引起高強(qiáng)鋼的氫脆。253、置放時(shí)間、置放時(shí)間 對(duì)于內(nèi)部可逆氫脆，能否出現(xiàn)白點(diǎn)還與置

13、放時(shí)間有關(guān)。對(duì)于內(nèi)部可逆氫脆，能否出現(xiàn)白點(diǎn)還與置放時(shí)間有關(guān)。 置放時(shí)間置放時(shí)間太長(zhǎng)或太短太長(zhǎng)或太短都不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)。都不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)。263 3 蠕變斷裂蠕變斷裂一、引言一、引言1、定義、定義 蠕變：蠕變：金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使作用下，即使 0.2 ，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象 蠕變斷裂：由于蠕變變形而最后導(dǎo)致材料的低應(yīng)力脆斷蠕變斷裂：由于蠕變變形而最后導(dǎo)致材料的低應(yīng)力脆斷2、發(fā)生條件、發(fā)生條件 0KTm范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生蠕變，但只有范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生蠕變，但只有高于高于0.3Tm時(shí)才較時(shí)才較 顯著顯著273 3、蠕變曲線、

14、蠕變曲線典型的蠕變曲線典型的蠕變曲線28二、斷裂過(guò)程二、斷裂過(guò)程 蠕變斷裂主要是沿晶斷裂，包括裂紋形成與擴(kuò)展蠕變斷裂主要是沿晶斷裂，包括裂紋形成與擴(kuò)展裂紋形成：裂紋形成：楔形裂紋：楔形裂紋：通常萌生于三個(gè)晶粒相遇的晶界處，然后通常萌生于三個(gè)晶粒相遇的晶界處，然后 沿晶進(jìn)行傳播。裂紋一般在垂直于應(yīng)力方沿晶進(jìn)行傳播。裂紋一般在垂直于應(yīng)力方 向的晶界上向的晶界上各種楔形裂紋形成示意圖各種楔形裂紋形成示意圖29孔洞型裂紋：孔洞型裂紋： 空穴位于空穴位于 與拉伸方向垂直且成大角度的晶界上，與拉伸方向垂直且成大角度的晶界上， 在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑動(dòng)，蠕在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑動(dòng)

15、，蠕 變斷裂是由這些小空穴相互連接形成的。變斷裂是由這些小空穴相互連接形成的?？锥葱土鸭y形成示意圖孔洞型裂紋形成示意圖30顯微空洞的形成顯微空洞的形成31裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展在蠕變斷裂中，很多情況下不存在非常明顯的裂紋在蠕變斷裂中，很多情況下不存在非常明顯的裂紋 擴(kuò)展階段的情況擴(kuò)展階段的情況32三、蠕變斷口形貌特征三、蠕變斷口形貌特征宏觀形貌：宏觀形貌：斷口附近有明顯的塑性變形，表面有許多龜斷口附近有明顯的塑性變形，表面有許多龜 裂，并被一層氧化膜覆蓋裂，并被一層氧化膜覆蓋高溫鎳基合金高溫鎳基合金N-73833微觀形貌微觀形貌研究得不廣泛，因在高溫下進(jìn)行，所以斷面上附著一層研究得不廣泛，因在高溫下

16、進(jìn)行，所以斷面上附著一層很厚的氧化膜，遮蓋著細(xì)節(jié)。有時(shí)斷口上布有漣波條紋很厚的氧化膜，遮蓋著細(xì)節(jié)。有時(shí)斷口上布有漣波條紋（滑移線）或沿晶斷口（滑移線）或沿晶斷口耐熱鋼耐熱鋼HK40的蠕變斷口的蠕變斷口34高溫合金蠕變斷口，漣波條紋高溫合金蠕變斷口，漣波條紋耐熱鋼蠕變斷口，其上具有氧化膜顯微特征耐熱鋼蠕變斷口，其上具有氧化膜顯微特征354 4 其它的環(huán)境斷裂其它的環(huán)境斷裂一、液態(tài)或固態(tài)金屬脆一、液態(tài)或固態(tài)金屬脆1、定義：、定義：某些高強(qiáng)鋼或合金與一些液態(tài)金屬或固態(tài)金屬某些高強(qiáng)鋼或合金與一些液態(tài)金屬或固態(tài)金屬 接觸時(shí)，使金屬引起顯著脆化。接觸時(shí)，使金屬引起顯著脆化。 如：銅合金與水銀接觸而產(chǎn)生的液

17、態(tài)汞脆如：銅合金與水銀接觸而產(chǎn)生的液態(tài)汞脆 鋁合金被液體鋁合金被液體Na、Sn脆化脆化 鋼與鋼與Cd接觸出現(xiàn)鎘脆接觸出現(xiàn)鎘脆2、發(fā)生條件、發(fā)生條件兩種金屬?zèng)]有相互有效的溶解度兩種金屬?zèng)]有相互有效的溶解度 兩種金屬不能形成高熔點(diǎn)的金屬化合物兩種金屬不能形成高熔點(diǎn)的金屬化合物 固態(tài)金屬表面能被液態(tài)金屬所浸潤(rùn)固態(tài)金屬表面能被液態(tài)金屬所浸潤(rùn)363 3、裂紋形式、裂紋形式多枝裂紋多枝裂紋網(wǎng)狀裂紋網(wǎng)狀裂紋374 4、斷口形貌特征、斷口形貌特征 宏觀形貌：宏觀形貌：兩個(gè)區(qū)（緩慢斷裂區(qū)、瞬斷區(qū)）兩個(gè)區(qū)（緩慢斷裂區(qū)、瞬斷區(qū)） 微觀形貌：微觀形貌：大多數(shù)為沿晶脆斷，也有穿晶解理大多數(shù)為沿晶脆斷，也有穿晶解理液態(tài)汞

18、脆液態(tài)汞脆黃銅的黃銅的Sn脆脆38二、過(guò)熱斷口與過(guò)燒斷口二、過(guò)熱斷口與過(guò)燒斷口過(guò)熱斷口過(guò)熱斷口1、定義、定義 材料在熱鍛、熱軋或熱處理加熱時(shí)在高溫長(zhǎng)時(shí)間停留材料在熱鍛、熱軋或熱處理加熱時(shí)在高溫長(zhǎng)時(shí)間停留 由于晶粒粗大而引起的低應(yīng)力脆斷由于晶粒粗大而引起的低應(yīng)力脆斷2、斷口形貌特征、斷口形貌特征宏觀形貌：宏觀形貌：過(guò)熱鋼呈石狀，顏色淺灰，無(wú)金屬光澤過(guò)熱鋼呈石狀，顏色淺灰，無(wú)金屬光澤 石狀顆粒愈多、愈大，過(guò)熱愈嚴(yán)重石狀顆粒愈多、愈大，過(guò)熱愈嚴(yán)重微觀形貌：微觀形貌：典型的延性沿晶斷口典型的延性沿晶斷口39過(guò)燒斷口過(guò)燒斷口1、過(guò)燒：、過(guò)燒：材料在超過(guò)過(guò)熱溫度下加熱產(chǎn)生的缺陷。材料在超過(guò)過(guò)熱溫度下加熱產(chǎn)

19、生的缺陷。 過(guò)燒鋼的顯微組織特點(diǎn)：過(guò)燒鋼的顯微組織特點(diǎn)： 晶界上出現(xiàn)氧化物、裂紋或局部熔化，晶粒粗大及晶界上出現(xiàn)氧化物、裂紋或局部熔化，晶粒粗大及 魏氏組織魏氏組織2、斷口形貌、斷口形貌宏觀形貌：全部為宏觀形貌：全部為石狀石狀，顆粒粗大，顏色灰暗，顆粒粗大，顏色灰暗 嚴(yán)重過(guò)燒出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)燒出現(xiàn)豆腐渣狀豆腐渣狀斷口斷口 鋁合金過(guò)燒后，表面出現(xiàn)許多鋁合金過(guò)燒后，表面出現(xiàn)許多氣泡氣泡，晶界，晶界 熔化成網(wǎng)絡(luò)狀熔化節(jié)熔化成網(wǎng)絡(luò)狀熔化節(jié)40微觀形貌：微觀形貌：冰糖狀，晶界局部熔化出現(xiàn)孔洞，晶界面變寬，內(nèi)冰糖狀，晶界局部熔化出現(xiàn)孔洞，晶界面變寬，內(nèi)有氧化物，晶粒失去棱邊變成有氧化物，晶粒失去棱邊變成表面圓滑

20、表面圓滑的顆粒的顆粒2214鋁合金的過(guò)燒斷口鋁合金的過(guò)燒斷口(e)41 3 3、過(guò)燒斷裂機(jī)理、過(guò)燒斷裂機(jī)理 在高溫加熱過(guò)程中，合金元素或夾雜物（在高溫加熱過(guò)程中，合金元素或夾雜物（P、S、Si、 Mn等）向等）向晶界偏聚晶界偏聚改變了晶界成分，使其熔點(diǎn)降低改變了晶界成分，使其熔點(diǎn)降低 溫度繼續(xù)升高，首先在溫度繼續(xù)升高，首先在三叉晶界三叉晶界處熔化，然后沿晶處熔化，然后沿晶 界擴(kuò)展，晶界的熔化孔洞相連形成熔化塊，受外力界擴(kuò)展，晶界的熔化孔洞相連形成熔化塊，受外力 作用時(shí)沿晶界斷開。作用時(shí)沿晶界斷開。42四、中子脆四、中子脆1、定義、定義 中子輻照引起的延遲斷裂。如核工業(yè)中反應(yīng)堆鍋爐中子輻照引起的

21、延遲斷裂。如核工業(yè)中反應(yīng)堆鍋爐 及鍋爐覆蓋材料及鍋爐覆蓋材料2、斷口形貌、斷口形貌 典型的沿晶脆斷斷口典型的沿晶脆斷斷口43混 合 斷 裂444546 第六章第六章 疲勞斷裂疲勞斷裂 1 引言引言 2 疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展 3 疲勞斷口形貌特征疲勞斷口形貌特征 4 影響疲勞斷口形貌的因素影響疲勞斷口形貌的因素 5 腐蝕疲勞腐蝕疲勞471 1 引言引言1、定義、定義: 由于由于交變應(yīng)力或循環(huán)載荷交變應(yīng)力或循環(huán)載荷所引起的低應(yīng)力脆斷。所引起的低應(yīng)力脆斷。 在所有的損壞中，疲勞斷裂的比例最高，約占在所有的損壞中，疲勞斷裂的比例最高，約占70%2、類型、類型:依負(fù)載和環(huán)境條件的不同

22、，分為五類：依負(fù)載和環(huán)境條件的不同，分為五類：高周疲勞：高周疲勞：材料在低應(yīng)力（材料在低應(yīng)力（0.2）的作用下而壽命較高）的作用下而壽命較高 （Nf 105）的疲勞）的疲勞低周疲勞：低周疲勞：材料在反復(fù)變化的大應(yīng)力或大應(yīng)變作用下，使材材料在反復(fù)變化的大應(yīng)力或大應(yīng)變作用下，使材 料的局部應(yīng)力往往超過(guò)料的局部應(yīng)力往往超過(guò)0.2 ，在斷裂過(guò)程中產(chǎn)，在斷裂過(guò)程中產(chǎn) 生較大塑性變形，是一種短壽命（生較大塑性變形，是一種短壽命（Nf 102 105）的疲勞）的疲勞48接觸疲勞：接觸疲勞：材料在較高接觸壓應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力材料在較高接觸壓應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力 循環(huán)后，其接觸面的局部區(qū)域產(chǎn)生小片

23、或小塊金循環(huán)后，其接觸面的局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊金 屬剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑，導(dǎo)致材料失效的現(xiàn)象屬剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑，導(dǎo)致材料失效的現(xiàn)象 （齒輪相互接觸）（齒輪相互接觸）熱疲勞：熱疲勞：由溫度起伏（升高或降低）或熱循環(huán)效應(yīng)引起的疲由溫度起伏（升高或降低）或熱循環(huán)效應(yīng)引起的疲 勞損壞。如熱軋輥、熱壓模具表面出現(xiàn)的勞損壞。如熱軋輥、熱壓模具表面出現(xiàn)的“龜裂龜裂”腐蝕疲勞：腐蝕疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的失材料在循環(huán)應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的失 效現(xiàn)象（腐蝕坑）效現(xiàn)象（腐蝕坑）49依載荷類型的特點(diǎn)，分為三類：依載荷類型的特點(diǎn)，分為三類：1、彎曲疲勞、彎曲疲勞（單向、雙向、旋轉(zhuǎn)）

24、（單向、雙向、旋轉(zhuǎn)）2、軸向疲勞、軸向疲勞（拉（拉拉、拉拉、拉壓）壓）3、扭轉(zhuǎn)疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞單向彎曲疲勞受力及斷裂示意圖單向彎曲疲勞受力及斷裂示意圖50雙向彎曲疲勞受力及斷裂示意圖雙向彎曲疲勞受力及斷裂示意圖旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞受力及斷裂示意圖旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞受力及斷裂示意圖51扭轉(zhuǎn)疲勞受力示意圖扭轉(zhuǎn)疲勞受力示意圖523 3、疲勞斷裂的一般特征、疲勞斷裂的一般特征疲勞斷裂的應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載下材料的疲勞斷裂的應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載下材料的b低，甚至比低，甚至比0.2低很多，斷低很多，斷 裂前無(wú)明顯的塑性變形，是一種裂前無(wú)明顯的塑性變形，是一種低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷破壞現(xiàn)象破壞現(xiàn)象疲勞斷裂是疲勞斷裂是損傷累積損傷累積過(guò)程的結(jié)

25、果，是與時(shí)間相關(guān)的破壞方式。它過(guò)程的結(jié)果，是與時(shí)間相關(guān)的破壞方式。它 包括裂紋萌生、擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段，不同階段損傷方式和包括裂紋萌生、擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段，不同階段損傷方式和 損傷量不同損傷量不同工程構(gòu)件對(duì)疲勞抗力比對(duì)靜載荷要敏感得多。其疲勞抗力不僅取工程構(gòu)件對(duì)疲勞抗力比對(duì)靜載荷要敏感得多。其疲勞抗力不僅取 決于材料本身特性，而且與其形狀、尺寸、表面質(zhì)量、服役條件決于材料本身特性，而且與其形狀、尺寸、表面質(zhì)量、服役條件 環(huán)境等密切相關(guān)環(huán)境等密切相關(guān)微觀上，疲勞斷裂一般為微觀上，疲勞斷裂一般為穿晶斷裂穿晶斷裂，也屬一種，也屬一種脆性穿晶脆性穿晶534 4、疲勞斷裂過(guò)程、疲勞斷裂過(guò)程 疲勞

26、裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生: 表面（次表面、內(nèi)部）表面（次表面、內(nèi)部） 疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展（兩個(gè)階段）（兩個(gè)階段）54第一階段：第一階段：裂紋起源于材料表面，向內(nèi)部擴(kuò)展裂紋起源于材料表面，向內(nèi)部擴(kuò)展 范圍較小，約范圍較小，約25個(gè)晶粒之內(nèi)個(gè)晶粒之內(nèi) 顯微形貌不好分辨顯微形貌不好分辨 與拉伸軸約成與拉伸軸約成45角，裂紋擴(kuò)展主要是由于角，裂紋擴(kuò)展主要是由于 的作用的作用 擴(kuò)展速度很慢，每一應(yīng)力循環(huán)只有擴(kuò)展速度很慢，每一應(yīng)力循環(huán)只有埃埃數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)第二階段：第二階段：斷面與拉伸軸垂直，凹凸不平斷面與拉伸軸垂直，凹凸不平 裂紋擴(kuò)展路徑是穿晶的裂紋擴(kuò)展路徑是穿晶的 擴(kuò)展速度快，每一應(yīng)力循環(huán)擴(kuò)展

27、速度快，每一應(yīng)力循環(huán)微米微米數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí) 顯微特征：疲勞輝紋顯微特征：疲勞輝紋552 2 疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)理（模型）疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)理（模型）一、疲勞裂紋萌生機(jī)理一、疲勞裂紋萌生機(jī)理1、擠出擠入模型、擠出擠入模型Wood模型模型56金屬表面形成的擠出脊與擠入溝金屬表面形成的擠出脊與擠入溝572、位錯(cuò)銷毀模型、位錯(cuò)銷毀模型藤田模型藤田模型兩列平行的異號(hào)刃位錯(cuò)，在相距幾個(gè)原子間隔兩列平行的異號(hào)刃位錯(cuò)，在相距幾個(gè)原子間隔（約（約10埃）的兩平行滑移面上互相對(duì)峙塞積；埃）的兩平行滑移面上互相對(duì)峙塞積；由于這種位錯(cuò)排列所產(chǎn)生的高拉應(yīng)力引起原子由于這種位錯(cuò)排列所產(chǎn)生的高拉應(yīng)力引起原子面分離，形成孔

28、洞面分離，形成孔洞583 3、空穴模型、空穴模型MottMott模型模型由于螺位錯(cuò)圍繞著環(huán)形通道，進(jìn)行連續(xù)交叉滑移運(yùn)動(dòng)，由于螺位錯(cuò)圍繞著環(huán)形通道，進(jìn)行連續(xù)交叉滑移運(yùn)動(dòng)，結(jié)果從表面上擠出了材料的一個(gè)舌片，并相應(yīng)地形成結(jié)果從表面上擠出了材料的一個(gè)舌片，并相應(yīng)地形成了一個(gè)空穴，這個(gè)空穴就是疲勞裂紋源了一個(gè)空穴，這個(gè)空穴就是疲勞裂紋源594、位錯(cuò)交叉滑移模型、位錯(cuò)交叉滑移模型Cottrell和和Hull模型模型60二、疲勞裂紋擴(kuò)展模型二、疲勞裂紋擴(kuò)展模型1、連續(xù)擴(kuò)展模型（塑性鈍化模型）、連續(xù)擴(kuò)展模型（塑性鈍化模型）A、交變應(yīng)力為、交變應(yīng)力為0時(shí)，裂紋閉合時(shí)，裂紋閉合B、當(dāng)受拉應(yīng)力時(shí)裂紋張開，尖角處由于

29、、當(dāng)受拉應(yīng)力時(shí)裂紋張開，尖角處由于 應(yīng)力集中沿應(yīng)力集中沿45方向產(chǎn)生滑移方向產(chǎn)生滑移C、L max ，滑移區(qū)擴(kuò)大，使裂紋，滑移區(qū)擴(kuò)大，使裂紋 尖端變形成近似半圓，由銳尖端變形成近似半圓，由銳鈍鈍D、當(dāng)受壓應(yīng)力時(shí)，滑移沿相反方向進(jìn)行、當(dāng)受壓應(yīng)力時(shí)，滑移沿相反方向進(jìn)行 裂紋面被壓近，裂紋尖端被彎折成裂紋面被壓近，裂紋尖端被彎折成 耳環(huán)狀切口耳環(huán)狀切口E、Y max ，裂紋表面被壓合，尖，裂紋表面被壓合，尖 端由鈍端由鈍銳，形成一個(gè)尖角，裂紋向銳，形成一個(gè)尖角，裂紋向 前擴(kuò)展一個(gè)條紋前擴(kuò)展一個(gè)條紋 612、不連續(xù)擴(kuò)展模型、不連續(xù)擴(kuò)展模型A、裂紋尖端塑性區(qū)在疲勞過(guò)程中部分累積損傷，形成顯微空穴、裂紋尖

30、端塑性區(qū)在疲勞過(guò)程中部分累積損傷，形成顯微空穴B、裂紋在拉應(yīng)力作用下變鈍、裂紋在拉應(yīng)力作用下變鈍C、未裂開的裂紋與空穴之間的部分受拉應(yīng)力作用而變細(xì)，最后、未裂開的裂紋與空穴之間的部分受拉應(yīng)力作用而變細(xì)，最后 導(dǎo)致兩部分連接，使裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致兩部分連接，使裂紋擴(kuò)展 a62疲勞斷口形貌特征疲勞斷口形貌特征一、宏觀形貌特征一、宏觀形貌特征斷口組成：斷口組成：裂源區(qū)、平滑區(qū)、瞬斷區(qū)裂源區(qū)、平滑區(qū)、瞬斷區(qū)63三區(qū)特征：三區(qū)特征：1、裂源區(qū)、裂源區(qū) 位于材料表面、次表面或內(nèi)部位于材料表面、次表面或內(nèi)部 光滑、細(xì)潔的扇形小區(qū)域光滑、細(xì)潔的扇形小區(qū)域 多源裂紋多源裂紋2、平滑區(qū)、平滑區(qū) 貝紋線（貝紋線（conc

31、hoidal、前沿線、年輪、海灘狀）、前沿線、年輪、海灘狀） 產(chǎn)生：產(chǎn)生：表示裂紋前沿在間歇擴(kuò)展時(shí)的依次位置，它是機(jī)表示裂紋前沿在間歇擴(kuò)展時(shí)的依次位置，它是機(jī) 器在開車、停車或負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)造成的器在開車、停車或負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)造成的64形狀：形狀：一條條同心的圓弧一條條同心的圓弧 若年輪繞裂源成為向外凸起的同心圓，表示材料若年輪繞裂源成為向外凸起的同心圓，表示材料 對(duì)缺口不敏感（如低碳鋼）對(duì)缺口不敏感（如低碳鋼） 若年輪繞裂紋源成凹杯或凹狀，則材料對(duì)缺口敏感若年輪繞裂紋源成凹杯或凹狀，則材料對(duì)缺口敏感65變化規(guī)律：變化規(guī)律：若年輪間距變化是規(guī)則的，則所受應(yīng)力變化規(guī)則若年輪間距變化是規(guī)則的，則所

32、受應(yīng)力變化規(guī)則 若年輪間距較小時(shí)，則表示疲勞裂紋擴(kuò)展較緩若年輪間距較小時(shí)，則表示疲勞裂紋擴(kuò)展較緩 慢，材料較韌慢，材料較韌顏色：顏色：黑色或褐色，因斷口表面受到空氣、水、水蒸汽或其黑色或褐色，因斷口表面受到空氣、水、水蒸汽或其 它介質(zhì)作用而氧化或腐蝕它介質(zhì)作用而氧化或腐蝕磨光標(biāo)記：磨光標(biāo)記：由于機(jī)械零部件斷口常常是在運(yùn)行過(guò)程中形成的由于機(jī)械零部件斷口常常是在運(yùn)行過(guò)程中形成的 因此兩個(gè)匹配斷口?；ハ嗄ゲ?，出現(xiàn)磨光的宏因此兩個(gè)匹配斷口?；ハ嗄ゲ粒霈F(xiàn)磨光的宏 觀特征。特別是在裂源附近，其磨光程度更為觀特征。特別是在裂源附近，其磨光程度更為 突突 出，有時(shí)呈現(xiàn)一種發(fā)亮的研磨面出，有時(shí)呈現(xiàn)一種發(fā)亮的研

33、磨面66 鋸齒形斷口或棘輪花樣鋸齒形斷口或棘輪花樣 軸類零件在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的軸類零件在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的 有應(yīng)力集中（軸頸）有應(yīng)力集中（軸頸）+扭矩作用扭矩作用 多源裂紋多源裂紋 裂紋以螺旋狀方式向前擴(kuò)展，最后匯合于軸的中央裂紋以螺旋狀方式向前擴(kuò)展，最后匯合于軸的中央 若為若為單向交變單向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力棘輪花樣棘輪花樣 若為若為雙向交變雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力鋸齒狀斷口鋸齒狀斷口67鋸齒形斷口鋸齒形斷口棘輪花樣棘輪花樣683 3、瞬斷區(qū)、瞬斷區(qū)形貌：形貌：具有斷口三要素（放射區(qū)、剪切唇）的特征具有斷口三要素（放射區(qū)、剪切唇）的特征 對(duì)于塑性材料，斷口為纖維狀、暗灰色對(duì)于塑

34、性材料，斷口為纖維狀、暗灰色 對(duì)于脆性材料，斷口為結(jié)晶狀對(duì)于脆性材料，斷口為結(jié)晶狀位置：位置：自由表面自由表面 斷面中心斷面中心 非對(duì)稱（次表面）非對(duì)稱（次表面） 69瞬斷區(qū)面積越大，越靠近中心部位，工件過(guò)載程度越大瞬斷區(qū)面積越大，越靠近中心部位，工件過(guò)載程度越大瞬斷區(qū)面積越小，越靠近瞬斷區(qū)面積越小，越靠近 邊緣，工件過(guò)載程度越小邊緣，工件過(guò)載程度越小70二、疲勞斷口顯微形貌特征二、疲勞斷口顯微形貌特征疲勞輝紋疲勞輝紋1、定義：、定義：在光學(xué)顯微鏡、在光學(xué)顯微鏡、SEM或或TEM下觀察疲勞斷口時(shí)，斷口上細(xì)下觀察疲勞斷口時(shí)，斷口上細(xì) 小的、相互平行的具有規(guī)則間距的，與裂紋擴(kuò)展方向垂直小的、相互平

35、行的具有規(guī)則間距的，與裂紋擴(kuò)展方向垂直 的顯微特征條紋的顯微特征條紋疲勞輝紋與疲勞條紋（貝紋線）的區(qū)別：疲勞輝紋與疲勞條紋（貝紋線）的區(qū)別：貝紋線貝紋線是宏觀特征線，因交變應(yīng)力幅度變化或載荷停歇等造成的是宏觀特征線，因交變應(yīng)力幅度變化或載荷停歇等造成的輝紋輝紋是顯微特征線，是一次交變應(yīng)力循環(huán)裂紋尖端塑性鈍化形成的是顯微特征線，是一次交變應(yīng)力循環(huán)裂紋尖端塑性鈍化形成的鋁合金疲勞輝紋鋁合金疲勞輝紋71Al-Mg-Sc合金疲勞輝紋合金疲勞輝紋72低碳低合金鋼低碳低合金鋼高溫鎳基合金高溫鎳基合金4340鋼鋼銅合金銅合金732、輝紋四要素（特點(diǎn)）、輝紋四要素（特點(diǎn)） 輝紋相互平行并且垂直于局部裂紋擴(kuò)展方

36、向輝紋相互平行并且垂直于局部裂紋擴(kuò)展方向 輝紋間距隨循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅而變化輝紋間距隨循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅而變化 S = C(K)n 輝紋個(gè)數(shù)等于負(fù)載循環(huán)次數(shù)輝紋個(gè)數(shù)等于負(fù)載循環(huán)次數(shù) 通常斷面上一組輝紋是連續(xù)的，其長(zhǎng)度大致平通常斷面上一組輝紋是連續(xù)的，其長(zhǎng)度大致平 行；相鄰斷面上的輝紋不連續(xù)行；相鄰斷面上的輝紋不連續(xù)3、輝紋形成機(jī)理、輝紋形成機(jī)理 裂紋擴(kuò)展的連續(xù)模型和不連續(xù)模型裂紋擴(kuò)展的連續(xù)模型和不連續(xù)模型744、輝紋類型、輝紋類型韌性輝紋：韌性輝紋：塑性變形量較大，清晰、連續(xù)，塑性變形量較大，清晰、連續(xù)，fcc脆性輝紋：脆性輝紋：塑性變形量較小，較清晰、不連續(xù)，常見弧形塑性變形量較小，較清

37、晰、不連續(xù)，常見弧形 輝紋與河流花樣相交，并互相垂直，輝紋與河流花樣相交，并互相垂直，bcc、hcp韌性輝紋韌性輝紋脆性輝紋脆性輝紋75韌性輝紋韌性輝紋脆性輝紋脆性輝紋765 5、疲勞輝紋存在的條件、疲勞輝紋存在的條件 一般說(shuō)來(lái)，疲勞輝紋僅存在于裂紋擴(kuò)展的第二階段（一般說(shuō)來(lái)，疲勞輝紋僅存在于裂紋擴(kuò)展的第二階段（Nf 103） 必要條件：必要條件：裂紋尖端必須處于張開型的平面應(yīng)變狀態(tài)，裂紋尖端必須處于張開型的平面應(yīng)變狀態(tài)， 即正斷時(shí)才出現(xiàn)即正斷時(shí)才出現(xiàn) 材質(zhì)：材質(zhì)：延性材料比較容易形成疲勞輝紋，脆性材料困難延性材料比較容易形成疲勞輝紋，脆性材料困難 環(huán)境：環(huán)境：真空中不出現(xiàn)輝紋真空中不出現(xiàn)輝紋77輪胎壓痕（輪胎壓痕（tire tracks）形貌：形貌：類似車胎的壓痕，是疲勞斷口上最類似車胎的壓痕，是疲勞斷口上最 小的特征花樣小的特征花樣78形成機(jī)理：形成機(jī)理：與第二相有關(guān)：與第二相有關(guān)：在疲勞裂紋形成以后，由相互匹配的在疲勞裂紋形成以后，由相互匹配的 斷面上的突起或刀邊，如斷口上的第二相質(zhì)點(diǎn)，反復(fù)斷面上的突起或刀邊，如斷口上的第二相質(zhì)點(diǎn)，反復(fù) 擠壓或刻入而引起的壓痕擠壓或刻入而引起的壓痕與氫有關(guān)：與氫