第三章金属构件常见失效形式及其

第三章金属构件常见失效形式及其判断3-1、金属构件失效形式与原因1、失效形式1）按照产品失效的形态进行分类•过量变形失效•断裂失效•表面损伤失效•力学工作者按断裂时变形量大小分类：脆性、塑性•金相学人员按裂纹走向与金相组织关系：沿晶、穿晶•金属物理工作者按断裂机制与形貌关系：微孔型、解理型、纤维状、结晶状、冰糖状、河流花样ExcessivedeformationfractureSurfacedamagefailure零件失效形式分类钻杆弯曲和扭曲过量变形钻杆接头螺纹部分过量变形钻杆过载断裂（断于管体）钻杆过载断裂（断于焊缝热影响区）钻铤低应力脆断钻杆低应力脆断（断于焊缝）钻杆低应力脆断断裂输送管脆性断裂输送管延性断裂钻杆应力腐蚀开裂钻铤疲劳断裂钻杆内壁腐蚀2）根据失效的诱发因素对失效进行分类–机械力引起的失效•弹性变形•塑性变形•断裂•疲劳•剥落–热应力引起的失效•蠕变•热松弛•热冲击•热疲劳•蠕变疲劳–摩擦力引起的失效•粘着磨损•磨粒磨损•表面疲劳磨损•冲击磨损•微动磨损•咬合–活性介质引起的失效•化学腐蚀•电化学腐蚀•应力腐蚀•腐蚀疲劳•生物腐蚀•辐照腐蚀•氢致损伤3）根据产品的使用过程对失效进行分类早期失效期随机失效期耗损失效期失效率λt1t2使用时间t失效浴盆曲线4）从经济法的观点对失效进行分类–产品缺陷失效：本质失效–误用失效：使用不当–受用性失效：它因失效，火灾、水灾、地震–耗损失效：正常失效原因比例（%）材料选择不当38装配错误15错误的热处理15机械设计错误11未预见的操作条件8环境控制不够充分6不恰当的或缺少监测与质量控制5材料混杂22、失效原因3-2.变形失效变形：金属构件在外力作用下产生形状和尺寸的变化低碳钢应力应变曲线•特点–变形失效逐步进行，非灾害性的–过度变形最终导致断裂•分类–弹性变形失效–塑性变形失效–蠕变失效–热松弛失效常温，温度不高高温3.2.1金属构件的弹性变形失效1）弹性变形•定义：在加外载荷后产生变形，卸载后变形消失，且构件的形状和尺寸完全恢复到原样。•应力与应变遵从虎克定律•特点–可逆性–单值性–变形量很小•弹性阶段与塑性阶段的弹性变形总量小于0.5%-1.0%2）弹性变形失效–过量的弹性变形失效–失去弹性功能的弹性变形失效（1）过量的弹性变形失效–定义：构件产生的弹性变形量超过构件匹配允许的数值–判断依据•失效构件是否有严格尺寸匹配要求，是否有高温或低温要求•观察正常工作时构件不接触，而又很靠近的表面是否有划伤、擦伤等痕迹•设计时是否考虑弹性变形影响及采取相应措施•计算验证是否有过量弹性变形•用X射线测量金属受载时的晶格常数变化，验证是否符合要求–事例•弯曲变形的轴类零件–过大挠度、偏角造成轴上啮合零件严重偏载、啮合失常，导致传动失效•拉压变形的柱类零件–导致支撑件过载（2）失去弹性功能的弹性变形失效–弹性变形不遵循可逆性、单值性、小变形量的特性时，构件失去了弹性功能而失效–如•弹簧秤的弹簧构件，很小的拉力下，弹簧被拉得很长•安全阀上的弹簧，压力容器没超压，阀芯被顶起3）弹性变形失效原因及防护措施–失效原因•过载•超温•材料变质–防护措施•选择合适的材料或构件结构：E高的材料不易变形•确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件•采用减少变形影响的连接件：皮带传动、软管连接构件原设计考虑不当，计算错误或选材不当造成的3.2.2金属构件的塑性变形失效1）塑性变形•定义：材料的应力超过屈服极限后，产生显著的不可逆变形而不立即破坏的形态•塑性指标：伸长率、断面收缩率2）塑性变形的特点–不可逆性–变形量不恒定–慢速变形–伴随材料性能的变化•材料加工，随塑性变形量增加，产生应变硬化3）塑性变形失效–定义：金属构件的塑性变形量超过允许的数值–判断依据•影响构件执行正常功能为依据•如尺寸变形过大，进行测量后与正常件进行比较•如形状变化量过大，肉眼观察或用形规对比4）塑性变形失效的原因及预防措施–原因•过载–预防措施•合理选材，提高抵抗塑性变形能力•准确确定构件的工作载荷•严格按照加工工艺规程对构件成型，减少残余应力•严禁超载•监测腐蚀环境构件强度尺寸的减少3.2.3高温作用下金属构件的变形失效–高温：高于0.3Tm•碳钢构件：300℃以上•低合金钢构件：400℃以上1）蠕变变形失效–定义：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象–蠕变变形失效是塑性变形失效，有塑性变形特点，但不一定是过载引起的。–高温时，蠕变引起构件外部尺寸变化，金属内部组织结构也发生变化典型的蠕变曲线蠕变的第一阶段----减速蠕变阶段蠕变的第二阶段----恒速蠕变阶段蠕变的第三阶段----加速蠕变阶段abcd应力σ及温度T对蠕变行为的影响•焊接热影响区附近金属蠕变试样在不同温度下的空洞变化•温度升高，空洞尺寸增大，数量增多不同应力的影响，空洞尺寸增大•材料抵抗蠕变的能力：蠕变极限、持久强度–蠕变极限：高温长期载荷作用下材料抵抗塑性变形的抗力，用给定温度下材料产生规定蠕变速率的应力表示–持久强度：材料在高温长期载荷下，不发生蠕变断裂的最大应力2）应力松弛变形失效–定义：在总变形不变的条件下，构件弹性变形不断转为塑性变形从而使应力不断降低的过程总变形量：ε0=ε弹+ε塑=常数应力形变恒定σ0σ残ІII时间金属的应力松弛曲线•条件：给定温度，初始变形量不变•I阶段，持续时间短，应力随时间增加急剧下降•II阶段，持续时间很长，应力缓慢下降•材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，用残余应力恒量•残余应力高，松弛稳定性好温度升高，应力松弛极限降低应力松弛后，产生位错增值和位错滑移带应力松弛微观机理：位错滑移导致的微区塑性变形3.3.断裂失效–断裂：金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象–金属材料的断裂过程•裂纹的萌生•裂纹的亚稳扩展及失稳扩展•断裂3.3.1断裂失效的分类•按断裂性质分类–韧性断裂»断裂前发生较明显的塑性变形»断裂过程中吸收较多能量，是高于材料屈服应力的高能断裂–脆性断裂»断裂前几乎不产生明显的塑性交形。通常材料的塑性变形小于2％一5％的断裂均可称为脆性断裂»低于允许应力条件下的低能断裂(a)完全韧性断裂(b)部分韧性断裂(c)脆性断裂(a)金属铝中的杯锥断口(b)低碳钢中的脆性断口.•按断裂路径分类–穿晶断裂»裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂»可以是韧性的，也可以为脆性的–沿晶断裂»断裂沿着晶粒边界扩展断裂»当晶界有脆性相、焊接热裂纹、蠕变断裂、应力腐蚀等，发生沿晶断裂»多数为脆性断裂，也有韧性断裂–混晶断裂»裂纹的扩展既有穿晶型，也有沿晶型的混合断口•按断裂方式分类–正断断裂•受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应力方向相垂直。断口宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、解理花样等。–切断断裂•在切应力作用下引起的断裂。断面与最大正应力成45。角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为抛物状的韧窝花样–混合断裂•正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥杯状，混合断裂是最常见的断裂类型。静拉伸试样断口(a)正断(d)混合断裂(e)切断•正断不一定是脆断，正断也可以有明显的塑性变形•切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断•按断裂机制分类–解理–准解理–韧窝–滑移–沿晶–疲劳韧窝河流花样旋转的钢轴疲劳失效断口形貌特征----海滩标记沿晶断裂•其它分类法–按应力状态分类•静载断裂(拉伸、剪切、扭转)•动载断裂(冲击、疲劳)–按断裂环境分类•低温断裂•中温断裂•高温断裂•腐蚀•氢脆3.3.2韧性断裂–定义：容器、管道在压力作用下，器壁上产生的应力超过材料的强度极限而发生断裂的破坏形式输送管延性断裂1）特征•具有明显的形状改变和较大的塑性变形•断口宏观分析呈暗灰色纤维状，无闪烁金属光泽，断口不平齐，与主应力成45°•破裂不产生碎片，裂口或偶然发现少许碎片•破裂时，实际爆破压力与计算爆破压力相接近•断裂类型–正断型断裂•宏观断面取向与最大正应力垂直•形变约束较大的场合，平面应变下的断裂–斜断裂•宏观断面取向与最大切应力方向一致，与最大正应力呈45°角•滑移形变不受约束或约束较小，平面应力下的断裂杯锥状断裂（正断与切断结合）(a)颈缩(b)空穴形成(c)空穴长大形成裂纹(d)裂纹扩展(e)形成杯锥断口直径较大、没有缺口及缺陷的光滑圆棒试样，慢应变拉伸，韧性好金属铝中的杯锥断口斜断裂颈缩到一点的断裂纯剪切断裂位错滑移形变引起，沿滑移面分离高纯金属圆棒小试样，慢速拉伸滑移形变不受约束或约束较小2）韧性断裂的断口形貌(1)韧性断裂宏观形貌光滑圆棒试样的拉伸断口断口三要素•纤维区–位于断口的中央–平面应变状态下发生的断裂，正断型断裂–呈粗糙、灰色的纤维状，裂纹处于稳定阶段形成的韧性断口形貌•放射区–裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化的标志–其特征是放射线花样–放射线发散的方向为裂纹扩展方向–放射条纹的粗细取决于材料的性能、微观结构及试验温度等裂纹源放射花样•剪切唇区–断裂过程的最后阶段–表面较光滑，颜色灰暗，与拉伸应力轴的交角约45度–裂纹扩展到表面附近，由于应力状态改变，在平面应力条件下沿最大剪应力方向剪切形成的韧性断口–剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。带缺口圆棒拉伸试样–由于缺口处应力集中，裂纹在此区域萌生，发展–断口特征•外周为纤维区•向内扩展•破坏区在中心•无剪切唇•板状拉伸试样不同厚度的板状拉伸试样断口特征•带缺口的板状拉伸试样的断口解理断裂断口裂纹源人字条纹带缺口试样，发生明显塑性变形裂纹起源裂纹缓慢扩展区裂纹快速扩展区疲劳断口•断口三要素的作用及其影响因素–作用•确定裂纹源位置•确定裂纹扩展方向•根据三要素所占比例大小，粗略评价材料机械性能–影响因素•零件形状：–圆形、板状、光滑与缺口试样•试验温度–随试验温度的降低，纤维区和剪切唇减小，放射区增大•加载速率–加载速率增大，放射区增大温度对断口三要素各区域大小的影响2）韧性断裂的断口形貌(2)韧性断裂微观形貌•滑断或纯剪切断口•微孔聚集型的剪切断口A.滑断或纯剪切断口微观特征–蛇行滑动、涟波状花纹–大的塑性变形后，滑移面分离造成的–涟波花样是蛇行滑动花样进一步变形而平滑化的结果–在缺口、显微裂纹、空洞等附近区域由于力的作用可发生纯剪切过程，其内表面出现蛇行滑动、涟波等特征蛇形滑移大韧窝底部观察到蛇形花样剪切韧窝及涟波花样B.微孔聚集型断裂的微观特征–断口上有大量韧窝•材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔•进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂粒子与基体脱离形成微孔粒子本身开裂形成微孔以滑移方式形成微孔汇合模型•韧窝的形状–等轴形–剪切长形–撕裂长形等轴韧窝剪切韧窝撕裂韧窝（1）受载后，应力接近局部破坏时，形成微孔（2）微孔连接，形成断裂（3）断口上下面的微孔形貌—韧窝形貌（1）（2）（3）•韧窝的大小及深浅–韧窝的大小及深浅取决于材料断裂时空洞核心的数量、材料的韧性和温度–材料韧性差，断口上韧窝尺寸较小、浅–夹杂物、第二相粒子密度增大或间距减小，则韧窝尺寸减小–温度降低，韧窝尺寸减小3）韧性断裂的影响因素及防止措施–影响因素•各种因素造成的材料强度不足–预防措施•设计时充分考虑构件承载能力•操作时保持仪表完好状态，准确显示操作工况•遵守操作规程，严禁超载、超温、超速•随时注意有无异常变形•定期测厚，尤其是有腐蚀、高温氧化等引起壁厚减薄的工况3.3.3脆性断裂•定义：容器在破裂时没有宏观的塑性变形，器壁平均应力远没有达到材料的强度极限，有的甚至低于屈服极限。（低应力脆断）•发生条件设备、容器本身存在缺陷或几何形状发生突变存在一定的应力水平材料韧性很差1）脆性断裂特征破裂时无明显的塑性变形，破裂之前没有或只有局部极小的塑性变形断口宏观分析程金属晶粒状并富有光泽，断口平直与主应力垂直瞬间发生，有许多碎片飞出破坏时的名义应力较低，低于或接近材料的屈服极限在较低温度发生，且材料韧性很差破裂在缺陷处或几何形状突变处首先发生输送管脆性断裂螺旋焊