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1第五章静载荷作用下的断裂失效分析5.1过载断裂失效5.2材料致脆断裂5.3环境致脆断裂2定义与特征5.1.1过载断裂失效的定义及断口的一般特征5.1过载断裂失效分析1、过载断裂失效的定义当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时，构件发生的断裂称为过载断裂。n2.0][1：构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂2：工作应力是否超过构件的实际承载能力而非名义能力明确0.2一定是构件材料的实际屈服强度3光滑断口2、过载断裂失效断口的一般特征金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征。其宏观断口与拉伸试验断口极为相似。5.1过载断裂失效分析1-纤维区，2-放射区，3-剪切唇（1）宏观塑性断裂失效：纤维区，放射区，剪切唇纤维区：位于断裂的起始部位，在三向拉应力作用下，裂纹作缓慢扩展而形成。该区微观断裂机制是等轴微孔聚集型，断面与应力轴垂直。放射区：裂纹的快速扩展区，宏观上可见放射状条纹或人字纹。微观断裂机制是撕裂微孔聚集型，也可能是微孔与解理的混合断裂机制，断面与应力轴垂直。剪切唇：最后断裂区，由切应力引起，微观断裂机制为剪切（滑开）微孔聚集型，断面与应力轴呈45°。4光滑断口2、过载断裂失效断口的一般特征5.1过载断裂失效分析（2）拉伸脆性材料的宏观脆性过载：无三要素特征，端口为瓷状、结晶状或具有镜面反光特征；在微观上分别为等轴微孔、沿晶正断及解理断裂。（3）拉伸塑性材料的宏观脆性过载：因其尺寸过大或有裂纹存在时发生的脆性断裂，其断口中的纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几乎不出现剪切唇，其微观断裂机制为微孔聚集型并兼有解理的混合断裂。5影响因素5.1.2影响过载断裂失效特征的因素5.1过载断裂失效分析1、材料性质的影响2、零件形状与几何尺寸的影响3、载荷性质的影响4、环境因素的影响6影响因素5.1.2影响过载断裂失效特征的因素5.1过载断裂失效分析（1）大多数的单相金属、低碳钢及珠光体状态的钢，其过载断裂断口上，具有典型“三要素”的特征。1、材料性质的影响（2）高强度材料、复杂的工业合金及马氏体时效钢等，其断口的纤维区内有环形花样，其中心象火山口状，“火山口”中心必有夹杂物，此为裂纹源。另外，尚有放射区细小及剪切唇也较小等特点。7影响因素5.1.2影响过载断裂失效特征的因素5.1过载断裂失效分析（3）中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的主要特征是具有粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切唇。放射剪切是一种典型的剪切脊。这是在断裂起裂后扩展时，沿最大切应力方向发生剪切变形的结果。其另一特点是放射元不是直线的，这是因为变形约束小，裂纹钝化，致使扩展速度较慢等。1、材料性质的影响8影响因素5.1过载断裂失效分析（4）塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可能只有纤维区和剪切唇而无放射区。可以说，断口上的纤维区较大，则材料的塑性较好；反之，放射区增大，则表示材料的塑性降低，脆性增大。（5）纯金属还可能出现一种全纤维的断口或45角的滑开断口。（6）脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现“三要素”的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。9典型特征过载断裂断口的几种典型特征5.1过载断裂失效分析高塑性材料的拉伸断口（只有纤维区，没有放射区）中碳钢调制状态拉伸断口（粗大的发射剪切花样）铸铁的拉伸断口（瓷状）回火脆性状态的中碳钢拉伸断口（端口齐平，沿晶型）10形状尺寸2、零件形状与几何尺寸的影响5.1过载断裂失效分析（1）圆形试件缺口圆形试件过载断裂形貌示意图1-缺口，2-纤维区，3-放射，4-最后断裂区裂纹不对称扩展断口形貌示意图1-初始阶段，2-第二阶段，3-最后断裂区，4-裂纹扩展方向光滑试件拉伸延性过载断裂11形状尺寸（2）矩形试件：人字纹5.1过载断裂失效分析人字纹的形状和走向是寻找断裂源和判断失效性质的重要依据，表面光滑的零件人字纹尖部总是指向裂纹源的方向，而周边有缺口时正好相反。（a）侧面缺口试件（b）去缺口试件表面起裂（c）无缺口试件中心起裂（d）周边缺口试件断口上的人字纹花样12几何尺寸（3）几何尺寸的影响：无论何种形状的零件，其几何尺寸越大，放射区的尺寸越大，纤维区和剪切唇的尺寸也有所增大，但变化幅度较小，在很薄的试样上，可能出现全剪切的断口。5.1过载断裂失效分析133、载荷性质的影响5.1过载断裂失效分析（1）应力状态的柔性对三要素的相对大小有较大影响。三向拉应力为硬状态，三向压缩为柔性状态；快速加载为硬状态，慢速加载为柔性状态，由于材料在硬状态应力作用下表现为较大脆性，所以放射区加大，纤维区缩小，剪切唇变化不大。（2）拉伸塑性断口与冲击塑性断口，其形貌有所不同。冲击断口形貌一般情况材料塑性较好材料脆性较大脆性断口14环境影响4、环境因素的影响5.1过载断裂失效分析(1)温度越高，一般是材料的塑性增加，因而纤维区加大，剪切唇也有所增加，放射区相对变小。（2）腐蚀介质可能使通常的延性断裂变为脆性断裂。15扭转断裂5.1.3扭转和弯曲过载断裂断口特征5.1过载断裂失效分析传动轴（40Cr调质后表面感应加热淬火）轴的台阶过度处没有淬火韧性扭转过载断口断面与轴向垂直（最大切应力方向），在断口上可见到明显的“漩涡”状压路机扭力轴（表面硬化处理）脆性扭转过载断口断面与轴向呈45（最大正应力方向）断裂起源于轴的台阶根部硬化层处16弯曲断裂5.1过载断裂失效分析5.1.3扭转和弯曲过载断裂断口特征弯曲过载断裂的十字轴，断面上有放射状花样，在十字轴根部有明显的加工刀痕，其断裂原因为根部加工缺陷所致弯曲过载断裂断口特征总体上来说与拉伸断裂断口相似，可以观察到明显的放射线或人字纹花样。断裂断裂加工刀痕断裂起始部位17弯曲断裂5.1过载断裂失效分析5.1.4过载断裂的微观特征常温下，有明显的塑性变形痕迹（材料经受过屈服阶段而后发生断裂）以及穿晶开裂的特征，电子显微镜下的微观形态为各种各样的韧窝状形貌，在正应力作用下韧窝是等轴的，而在切应力和弯曲应力作用下，剪切断裂和撕裂形成的韧窝将沿一定方向伸长变形。因此，当宏观上难以判断是正向拉断还是弯曲作用发生的断裂时，韧窝的形态可以帮助确定载荷性质。185.2材料致脆断裂失效材料选用不当制造过程中工艺不正确回火脆性过热和过烧石墨化析出第二相脆性质点析出不正确的环境条件冷脆金属低温脆断腐蚀脆断等（韧塑性不足）19回火脆现象5.2.1回火脆性断裂失效5.2材料致脆断裂失效1、回火脆化现象回火温度对钢的冲击韧性的影响低温回火脆性：350℃左右，又叫回火马氏体脆性（TEM）、第一类回火脆性、不可逆回火脆性，一般发生在高纯度钢中，与杂质偏聚无关，断裂为穿晶型准解理。产生原因是有碳化物转变（ε相（Fe2C）→渗碳体（Fe3C）），或者由于板条间残余奥氏体向碳化物转变。高温回火脆性：500℃左右，又叫回火脆性（TE）、第二类回火脆性，与材料合金元素和杂质元素含量及热处理温度有关，断裂为沿晶断裂。发生在纯度较低的钢中，可由杂质元素向奥氏体偏聚引起，或者由在原始奥氏体晶界形成Fe3C薄壳引起，或者两者共同作用。具有可逆性，重新回火时仍会表现出来。20回火脆特征2、回火致脆断裂的特征5.2材料致脆断裂失效宏观形貌特征：断面结构粗糙，断口呈银白色的结晶状，一般为宏观脆断。脆化程度不严重时，断口上也会出现剪切唇。2Cr13对接焊叶片断口形貌典型微观形貌：沿奥氏体晶界分离形成的冰糖块状。晶粒界面上一般无异常沉淀物，因而有别于其它类型的沿晶断裂。但马氏体回火致脆断裂的解理界面上可能出现碳化物第二相质点及细小的韧窝花样。在断口上一般可见二次断裂裂纹。21回火脆分析3、回火致脆断裂的分析5.2材料致脆断裂失效a室温冲击试验法：将待测钢材加工成缺口冲击试样，淬火并经不同温度回火后，在室温下测试其ak，由此可确定材料的回火脆性温度范围和脆化程度。b系列冲击试验法：将待测钢材加工成缺口冲击试样，在不同温度下测试其ak，由此确定脆性转折温度，与同一材料未脆化的脆性转折温度比较，即可确定是否存在回火脆性及其严重程度，脆性转折温度上移越多，回火脆性越严重。判别存在可能出现回火脆性的条件具有回火致脆断裂的宏观、微观特征验证材料的脆性22回火脆分析3、回火致脆断裂的分析5.2材料致脆断裂失效c低温拉伸试验法：利用低温拉伸法，测量式样的Sf及ψf，与未脆化材料的同类指标对比，则可确定材料的回火脆性状态。d断裂韧度法：测出材料的KIC及asc（临界裂纹尺寸），裂纹失稳扩展时的特征参量asc值对回火脆性极为敏感。e断口特征的对比分析：将同一材料相同构件的未断裂件做成拉伸断口，进行断口特征的对比分析。23回火脆分析3、回火致脆断裂的分析5.2材料致脆断裂失效例：对试机过程中断裂的20CrMnMo钢紧固螺钉进行断口对比分析拉伸断口：呈暗灰色纤维状，中心平整，四周有45°剪切唇，呈韧性断裂形态，断口微观特征主要由韧窝组成，有少许准解理小平台，有较大的塑性变形。实际断裂断口：呈浅灰色，整个断面平直，放射线极细，有少量台阶，四周无45°剪切唇，呈明显的脆性断裂形态。微观特征可见裂纹沿晶界扩展，晶面有细小解理条纹，主要为准解理河流花样，表明该试样断裂前无明显塑性变形。断裂的螺钉硬度高，显微组织不均匀，有明显的板条马氏体束痕迹，说明该试样回火温度偏低，处于低温回火脆性区。由此确定断裂失效是由于热处理操作不规范，出现低温回火脆性。对尚未装机的螺钉重新进行回火热处理，解决问题。24回火脆分析3、回火致脆断裂的分析5.2材料致脆断裂失效16NiCo钢回火温度与力学性能的关系因此，室温拉伸试验无法检验回火脆性强度、延伸率和断面收缩率在回火脆性区都没有明显的变化，因此从拉伸性能难以判断钢的脆性，而冲击韧度ak对440℃和550℃左右的脆性区显示得非常清楚。通常的室温拉伸实验不能显示回火脆性25上节课内容回顾4.3痕迹分析1.痕迹分析程序2.痕迹的发现和显现技术3.痕迹的鉴定4.痕迹的种类5.痕迹分析的主要内容6.痕迹的综合分析-痕迹性质及痕迹来源7.痕迹的模拟再现26上节课内容回顾5.1过载断裂失效分析5.1.1过载断裂失效的定义及断口的一般特征拉伸塑性断裂—三要素特征脆性材料的拉伸脆性断裂—瓷状、结晶状或具有镜面反光特征塑性材料的拉伸脆性断裂—纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几乎不出现剪切唇5.1.2影响过载断裂失效特征的因素材料性质、零件形状及几何尺寸、载荷性质、环境因素5.1.3扭转和弯曲过载断裂断口特征塑性材料扭转—断面与轴向垂直，断口有明显“漩涡”脆性材料扭转—断面与轴向成45°弯曲断口宏观上与拉伸相似，微观上成撕裂韧窝27上节课内容回顾5.2材料致脆断裂失效5.2.1回火脆性断裂失效低温回火脆性高温回火脆性材料回火脆性的验证方法室温冲击试验法系列冲击试验法低温拉伸实验法断裂韧度法断口特征对比分析法注意：室温拉伸实验不能验证回火脆性28冷脆金属5.2.2冷脆金属的低温脆断5.2材料致脆断裂失效1、冷脆金属及其特点随着温度的降低，发生断裂形式转化及塑脆过渡的金属，称为冷脆金属。除面心立方以外的所有金属材料均属于冷脆金属，低碳钢是典型的冷脆金属。温度对低碳钢拉伸性能的影响A：典型的宏观延性断裂B：心部微孔型和周边解理型的混合断裂，仍为宏观延性断裂C：断口为百分之百的解理断裂，但也为宏观延性断裂，不形成缩颈D：宏观脆性解理断裂E：宏观脆性解理断裂，断口附近的晶粒内可见形变孪晶。29冷脆特征随着温度的降低，低碳钢的断裂行为发生如下变化：5.2材料致脆断裂失效（1）屈服极限和断裂正应力随温度降低而显著升高，而塑性指标f逐渐降低。（2）在较低的温度下发生断裂形式的变化，即由微孔型断裂向解理断裂转化。（3）在更低的温度下发生塑脆过渡，即由宏观塑性的解理断裂向宏观脆性的解理断裂的过渡，在此时的极限塑性趋近于零。这种过渡的临界温度称为脆性转折温度。30冷脆特征2、冷脆金属低温脆断的特征5.2材料致脆断裂失效（1）冷脆金属低温脆断断口的宏观特征典型断口宏观特征为结晶状，并有明显的镜面反光