失效分析基礎(chǔ)知識(shí)解析課件

1、2 失效分析基礎(chǔ)知識(shí)2.1 金屬構(gòu)件中可能引起的冶金缺陷2.2 力學(xué)計(jì)算 宏觀裂紋缺陷2.3 環(huán)境作用機(jī)理失效分析基礎(chǔ)知識(shí)2.1、金屬構(gòu)件中可能引起失效的冶金缺陷2.1.1 鑄態(tài)金屬組織缺陷鑄態(tài)金屬常見的組織缺陷有縮孔、疏松、偏析、內(nèi)裂紋、氣泡和白點(diǎn)等?？s孔與疏松金屬在冷凝過程中由于體積的收縮而在鑄錠或鑄件心部形成管狀（或喇叭狀）或分散的孔洞，稱為縮孔?？s孔的相對(duì)體積，與液態(tài)金屬的溫度、冷卻條件以及鑄錠的大小等有關(guān)。 縮孔與疏松 液態(tài)金屬的溫度越高，則液體與固體之間的體積差越大，而縮孔的體積也越大 縮孔與疏松如在急劇冷卻的條件下澆注金屬，可以避免在鑄錠上部形成集中縮孔。但在此情況下，液態(tài)金屬與

2、固態(tài)金屬之間的體積差仍保持一定的數(shù)值，雖然在表面上似乎已經(jīng)“消除”了大的縮孔，可是有許多細(xì)小縮孔即疏松，分布在金屬的整個(gè)體積中 縮孔與疏松鋼材在鍛造和軋制過程中，疏松情況可得到很大程度的改善，但如由于原鋼錠的疏松較為嚴(yán)重、壓縮比不足等原因，則在熱加工后較嚴(yán)重的疏松仍會(huì)存在。右圖所示為ZCrl3 鋼熱軋后退火仍有黑色小點(diǎn)顯示的中心疏松。此外，如原鋼錠中存在著較多的氣泡，而在熱軋過程中焊合不良，或沸騰鋼中的氣泡分布不良，以致影響焊合，亦可能形成疏松。 縮孔與疏松疏松的危害性，主要有以下幾種。 在鑄件中，由于疏松的存在，顯著降低其力學(xué)性能，可能使其在使用過程中成為疲勞源發(fā)生斷裂。此外，在用作液體容器

3、或管道的鑄件中，有時(shí)會(huì)存在基本上相互連接的疏松，以致不能通過水壓試驗(yàn)，或在使用過程中發(fā)生滲漏現(xiàn)象。 鋼材中如存在疏松，亦會(huì)降低其力學(xué)性能，但因在熱加工過程中一般能減少或消除疏松，故疏松對(duì)鋼材性能的影響比鑄件的小。 金屬中存在較嚴(yán)重的疏松，對(duì)機(jī)械加工后的表而粗糙度有一定的影響。偏析金屬在冷凝過程中，由于某些因素的影響而形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析。 晶內(nèi)偏析與晶間偏析 晶體范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，即晶內(nèi)偏析。這種偏析往往導(dǎo)致金屬中樹枝狀組織的形成，故亦稱枝晶偏析。晶體間的成分不均勻現(xiàn)象，即晶間偏析。 碳化物偏析是一種晶間偏析，常常出現(xiàn)于鑄造狀態(tài)的合金工具鋼和高速鋼中。當(dāng)鍛造或熱軋時(shí)，這種粗大

4、的碳化物被擊碎，并循加工方向變形而成為不連續(xù)的帶狀碳化物分布于鋼的基體中，致使鋼的縱橫向力學(xué)性能發(fā)生差異，特別是橫向的塑性強(qiáng)烈地下降。在鋼的加工和使用過程中，由于這種偏析的存在，可能導(dǎo)致其他缺陷的形成。因此在合金工具鋼和高速鋼中，應(yīng)力求避免或減弱這種偏析。 偏析 區(qū)域偏析外層區(qū)域富集高溶點(diǎn)組元，而心部則富集低熔點(diǎn)組元，同時(shí)也富集著凝固時(shí)析出的非金屬雜質(zhì)和氣體等。這種偏析稱為區(qū)域偏析。鋼錠中存在區(qū)域偏析，特別是硫偏析和磷偏析，強(qiáng)烈地降低鋼的質(zhì)量，并為以后的加工造成種種困難，甚至導(dǎo)致材料的嚴(yán)重?fù)p害和所制機(jī)件在使用中的破壞。硫偏析能破壞金屬的連續(xù)性，在鋼鍛造時(shí)引起熱脆，在軋制鋼板時(shí)產(chǎn)生夾層，嚴(yán)重地影

5、響鋼板的冷彎性能。承受交變載荷的零件，在使用中硫偏析往往為引起疲勞斷裂的主要原因之一。磷偏析則使鋼具有冷脆性，并促進(jìn)鋼的回火脆性。 偏析 比重偏析在金屬冷凝過程中，如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時(shí)，這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象，稱為比重偏析。晶體與余下的溶液之間的密度差越大，比重偏析越大。這種密度差取決于金屬組元的密度差，以及晶體與溶液之間的成分差。如果冷卻越緩慢，隨著溫度降低初生晶體數(shù)量的增加越緩慢，則晶體在溶液中能自由浮沉的溫度范圍越大，因而比重偏析也越強(qiáng)烈。由于各種組織組成物的空間上的分離，不可能通過熱處理來(lái)消除或減弱比重偏析，只能采取特殊

6、的熔化或澆注等措施（例如快速澆注）予以防止。氣泡與白點(diǎn)金屬在熔融狀態(tài)時(shí)能溶解大量的氣體，在冷凝過程中由于溶解度隨溫度的降低而急劇地減小，致使氣體從液態(tài)金屬中釋放出來(lái)。若此時(shí)金屬已完全凝固，則剩下的氣體不易逸出，有一部分就包容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中，于是形成了氣孔。這種氣孔稱為氣泡。氣泡與白點(diǎn)氣泡的有害影響 氣泡減少金屬鑄件的有效截面，由于其缺口效應(yīng)，大大降低了材料的強(qiáng)度。 當(dāng)鑄錠表面存在著氣泡時(shí)，在熱鍛加熱時(shí)它們可能被氧化，以致在隨后的鍛壓過程中不能焊合而形成細(xì)紋或裂縫。 在沸騰鋼及某些合金中，由于氣泡的存在還可能產(chǎn)生偏析，導(dǎo)致裂縫。 氣泡與白點(diǎn)白點(diǎn)氫是以原子狀態(tài)溶解在鋼中的，它在鋼中的溶解

7、度隨溫度的降低而顯著減小，如果鋼液中氫含量較高，在冷卻時(shí)氫以原子態(tài)析出，聚集在鋼中空隙處，結(jié)合成分子態(tài)的氫。因氫分子很難在鋼中進(jìn)行擴(kuò)散，在空隙處便形成巨大的局部壓力（可達(dá)數(shù)百個(gè)大氣壓），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鋼的強(qiáng)度，因而產(chǎn)生裂縫。當(dāng)出現(xiàn)這種缺陷以后，在經(jīng)侵蝕后的橫向截面上，呈現(xiàn)較多短小的不連續(xù)的發(fā)絲狀裂縫；而在縱向斷口上會(huì)發(fā)現(xiàn)表面光滑的、銀白色的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)，這種缺陷稱為白點(diǎn)。氣泡與白點(diǎn)白點(diǎn)最容易產(chǎn)生在以鎳、鉻、錳作為合金元素的合金結(jié)構(gòu)鋼及低合金工具鋼中。奧氏體鋼及萊氏體鋼中，從未發(fā)現(xiàn)過白點(diǎn)；鑄鋼中也有可能發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，但極為罕見；焊接工件的熔焊金屬中偶爾也會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)。此外白點(diǎn)的產(chǎn)生與鋼材的尺寸也有一

8、定的關(guān)系，橫截面的直徑或厚度小于30 mm 的鋼材不易產(chǎn)生白點(diǎn)。通常，具有白點(diǎn)的鋼材縱向抗拉強(qiáng)度與彈性極限降低得并不多，但伸長(zhǎng)率則顯著降低，尤其是斷面收縮率與沖擊韌性降低得更多，有時(shí)可能接近于零。且這種鋼材的橫向力學(xué)性能又比縱向的降低得更多。因此，具有白點(diǎn)的鋼材一般是不能使用的2.1.2 金屬鍛造及軋制件缺陷通過鍛造和軋制工序，可以改善或消除金屬鑄態(tài)的某些缺陷組織（如疏松、氣泡等），但如果工藝不當(dāng)，便會(huì)產(chǎn)生缺陷組織。 （1）內(nèi)部組織缺陷a 粗大的魏氏體組織在熱軋或停鍛溫度較高時(shí)，由于奧氏體晶粒粗大，在隨后冷卻時(shí)的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，或平行排列，或成一定角度。這種形貌

9、稱為魏氏體組織。魏氏體組織因其組織粗大，使材料脆性增加，強(qiáng)度下降。比較重要的工件不允許魏氏體組織存在。 金屬鍛造及軋制件缺陷先析出物與鋼的成分有關(guān)，亞共析鋼為鐵素體，過共析鋼為滲碳體。金屬鍛造及軋制件缺陷b 網(wǎng)絡(luò)狀碳化物及帶狀組織對(duì)于工具鋼，鍛造和軋制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其內(nèi)部的碳化物碎化和分布均勻。如果不是多方向鍛造，和小的鍛造比，鍛件就存在網(wǎng)絡(luò)狀或帶狀分布的碳化物。由于網(wǎng)狀和帶狀組織破壞了材料性能的均勻性和連貫性，常成為工、模具過早失效的內(nèi)在因素。金屬鍛造及軋制件缺陷c.鋼材表層脫碳鋼加熱時(shí)，金屬表層的碳原子燒損，使金屬表層碳成分低于內(nèi)層，這種現(xiàn)象稱為脫碳，凡降低了碳量的表面

10、層叫做脫碳層。一般的鍛造和軋制是在大氣中進(jìn)行的，加熱及鍛、軋過程中鋼件表層會(huì)強(qiáng)烈燒損而出現(xiàn)脫碳層。脫碳層的硬度、強(qiáng)度較低，受力時(shí)易開裂而成為裂源。大多數(shù)零件，特別是要求強(qiáng)度高、受彎曲力作用的零件，要避免脫碳層。因此，鍛、軋的鋼件隨后應(yīng)安排去除脫碳層的切削加工。 金屬鍛造及軋制件缺陷金屬鍛造及軋制件缺陷( 2 ）鋼材的表面缺陷用肉眼能直接觀察、鑒別的鋼材表面缺陷，稱為外觀缺陷。影響鋼材表面完整性和表面粗糙度等的表面質(zhì)量的缺陷，統(tǒng)稱為表面質(zhì)量缺陷，簡(jiǎn)稱表面缺陷。最常見鋼材的表面缺陷有折疊、劃痕、結(jié)疤、分層、表面裂紋等。a 折疊該缺陷往往出現(xiàn)于金屬鍛、軋件的表面上。折疊一般呈直線狀，也有的呈鋸齒狀，

11、分布于鋼材的全長(zhǎng)，或斷續(xù)狀局部分布，深淺不一，深的可達(dá)數(shù)十毫米，其周圍有比較嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，一般夾有氧化鐵皮。鋼材表面的折疊，可采用機(jī)械加工的方法進(jìn)行去除。型材表面因不再進(jìn)行機(jī)械加工，如果表面存在嚴(yán)重的折疊，就不能使用，因?yàn)樵谑褂眠^程中會(huì)由于應(yīng)力集中造成開裂或疲勞斷裂。 金屬鍛造及軋制件缺陷折疊通常是由于材料表面在前一道鍛、軋中所產(chǎn)生的尖角或耳子，在隨后的鍛，軋時(shí)壓入金屬本身而形成的。鍛軋時(shí)產(chǎn)生的突出的尖角或耳子一般均較細(xì)薄，冷卻時(shí)其冷速常較金屬主體為大，同時(shí)突出的表面由于氧化的作用，總是在其周圍附著一層氧化皮。當(dāng)突出部分被擠壓入主體金屬后，就極難同它焊合。金屬鍛造及軋制件缺陷b 劃痕在生產(chǎn)、

12、運(yùn)輸?shù)冗^程中，鋼材表面受到機(jī)械刮傷形成的溝痕，稱劃痕，也稱刮傷或擦傷。其深度不等，通常可看到溝底，長(zhǎng)度自幾毫米到幾米，連續(xù)或斷續(xù)分布于鋼材的全長(zhǎng)或局部，多為單條，也有雙條和多條的劃痕。劃痕缺陷的存在，能降低金屬的強(qiáng)度；對(duì)薄鋼板，除降低強(qiáng)度外，還會(huì)像切口一樣地造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致斷裂；尤其是在壓制時(shí)，它會(huì)成為裂紋或裂紋擴(kuò)展的中心。對(duì)于壓力容器來(lái)說(shuō)，表而是不允許有嚴(yán)重的劃痕存在的，否則會(huì)成為使用過程中發(fā)生事故的起點(diǎn)。金屬鍛造及軋制件缺陷C 結(jié)疤金屬錠及型材的表面由于處理不當(dāng)，往往會(huì)造成粗糙不平的凹坑。這些凹坑是不深的，一般只有2 3mm 。因其形狀不規(guī)則，且大小不一，故稱這種粗糙不平的凹坑為結(jié)疤，也

13、稱為斑疤。表面具有結(jié)疤的材料，如尚須進(jìn)行切削加工，則結(jié)疤對(duì)材料的質(zhì)量并無(wú)多大損害，因其在加工時(shí)可予去除。 若結(jié)疤存在于板材上，尤其是在薄板上，則不僅能成為板材腐蝕的中心，在沖制時(shí)還會(huì)因此產(chǎn)生裂紋。在制造彈簧等零件用的鋼材上，是不允許存在結(jié)疤缺陷的。因?yàn)榻Y(jié)疤容易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，大大地影響彈簧的壽命和安全性。 金屬鍛造及軋制件缺陷d 表面裂紋鋼材表面出現(xiàn)的網(wǎng)狀龜裂或缺口，是由于鋼中硫高錳低引起熱脆，或因銅含量過高、鋼中非金屬夾雜物過多所致。沿著變形方向分布的裂紋是由于鍛軋后處理不當(dāng)而引起的。鋼錠因?yàn)槊撗趸驖沧⒉划?dāng)，也可能形成橫裂紋或縱裂紋，它們?cè)谲堉七^程中擴(kuò)大，并會(huì)改變形狀。金屬

14、鍛造及軋制件缺陷e 分層由于非金屬夾雜、未焊合的內(nèi)裂紋、殘余縮孔、氣孔等原因，使剪切后的鋼材斷面呈黑線或黑帶，將鋼材分離成兩層或多層的現(xiàn)象，稱為分層。2.1.3 夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響 鋼中非金屬夾雜物雖然為數(shù)不多，但對(duì)性能的影響卻不可忽視。夾雜物對(duì)鋼的力學(xué)性能和工藝性能的影響，主要是降低材料的塑性、韌性和疲勞性能，尤其當(dāng)夾雜物以不利的形狀及分布特征存在時(shí)，對(duì)材料的力學(xué)性能影響更為嚴(yán)重。 鋼在加工變形中，各類夾雜物的變形性不同，按其變形能力可分為三類。 a. 脆性?shī)A雜物 b. 塑性?shī)A雜物 c. 半塑性變形的夾雜物 夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響a. 脆性?shī)A雜物一般指那些不具有塑性變形能力的簡(jiǎn)單氧化

15、物（如從Al2O3、Cr2O3 、ZrO2 等）、雙氧化物（如FeO.Al2O3 、MgO.Al2O3、CaO.6Al2O3 等）、氮化物（如TiN、Ti (CN)、AlN 、VN 等） 和不變形的球狀（或點(diǎn)狀）夾雜物（如球狀鋁酸鈣和含SiO2較高的硅酸鹽等）。對(duì)于變形率低的脆性?shī)A雜物，在鋼加工變形的過程中，夾雜物與鋼基體相比變形甚小，由于夾雜物和鋼基體之間變形性的顯著差異，勢(shì)必造成在夾雜物與鋼基體的交界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生或夾雜物本身開裂。夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響b 塑性?shī)A雜物這類夾雜物在鋼經(jīng)受加工變形時(shí)具有良好的塑性，沿著鋼的流變方向延伸成條帶狀，屬于這

16、類的夾雜物有含SiO2量較低的鐵錳硅酸鹽、硫化錳（MnS） 、（Fe , Mn）S 等。硫化錳（MnS ）是具有高變形率的夾雜物（V =l ) ，即夾雜物與鋼基體的變形相等，它從室溫一直到很寬的溫度范圍內(nèi)均保持良好的變形性，由于MnS 與鋼基體的變形特征相似，所以在夾雜物與鋼基體之間的交界面處結(jié)合很好，產(chǎn)生裂紋的傾向性較小，并沿加工變形的方向呈條帶狀分布夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響c. 半塑性變形的夾雜物一般指各種復(fù)合的鋁硅酸鹽夾雜物，復(fù)合夾雜物中的基體，在熱加工變形過程中產(chǎn)生塑性變形，但分布在基體中的夾雜物（如鋁酸鈣、尖晶石型的雙氧化物等）不變形，基體夾雜物隨著鋼基體的變形而延伸，而脆性?shī)A雜物不

17、變形，仍保持原來(lái)的幾何形狀，因此將阻礙鄰近的塑性?shī)A雜物自由延伸，而遠(yuǎn)離脆性?shī)A雜物的部分沿著鋼基體的變形方向自由延伸. 夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響( 2 ）夾雜物對(duì)鋼性能的影響研究鋼中夾雜物對(duì)力學(xué)性能的影響，主要是指對(duì)強(qiáng)度和韌性的影響。大量試驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明夾雜物對(duì)鋼的強(qiáng)度影響較小，對(duì)鋼的韌性危害較大，其危害程度又隨鋼的強(qiáng)度的增高而增加，因此研究高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼中夾雜物對(duì)韌性的影響，對(duì)于發(fā)展和使用這些材料都是十分必要的。夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響a ，夾雜物變形性對(duì)鋼性能的影響通常鋼錠不是鋼的最后產(chǎn)品，它必須通過不同的方法進(jìn)行加工和熱處理，如軋制、鍛造、拉拔、切削等工序。由于夾雜

18、物與鋼基體之間的物理性質(zhì)和變形性方面存在著較大的差異，在加工變形過程中，鋼基體的均勻連續(xù)性受到破壞，引起應(yīng)力集中，因此了解夾雜物與鋼基體之間的變形行為極為重要，對(duì)判斷夾雜物對(duì)鋼性能的影響有重要的參考價(jià)值.鋼中非金屬夾雜物的變形行為與 鋼基休之間的關(guān)系可用夾雜物與鋼基體之問的相對(duì)變形量來(lái)表示，即夾雜物的變形率v 。夾雜物的變形率可在V01 這個(gè)范圍變化，若變形率低，鋼經(jīng)加工變形后，由于鋼產(chǎn)生塑性變形，而夾雜物基本不變形，便在夾雜物和鋼基體的交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，異致在鋼與夾雜物的交界處產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋便成為零件在使用過程中引起疲勞破壞的隱患。夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響b 夾雜物引起應(yīng)力集中非金屬夾雜物可使金屬中發(fā)生應(yīng)力再分配，引起應(yīng)力集中，成為材料中的薄弱環(huán)節(jié)。在考慮夾雜物引起應(yīng)力再分配時(shí)，不僅注意夾雜物與鋼基體之間具有不同的彈性和塑性性質(zhì)，而且要考慮兩者之間熱膨脹系數(shù)的差別。熱膨脹系數(shù)比金屬基體小得多的夾雜物，在夾雜物周圍引起拉應(yīng)力，夾雜物的熱膨脹系數(shù)越小，形成的拉應(yīng)力越大對(duì)鋼的危害性越大。在高溫下加工變形時(shí)，由于夾雜物與鋼基體熱收縮的差別裂紋在交界面處產(chǎn)生。它很可能成為留在基體中潛在的疲勞破壞源。危害性最大的夾雜物是來(lái)源于爐渣和耐火材料的外來(lái)氧化物它們尺寸大、形狀不規(guī)則、分布集中并且變形性差，這些夾雜物的存在，往往成為潛在的裂紋源，甚至