1、1第五章 環(huán)境斷裂 1 應(yīng)力腐蝕斷裂 2 氫脆斷裂 3 蠕變斷裂 4 其它的環(huán)境斷裂2概 述環(huán)境斷裂：主要指金屬材料在腐蝕介質(zhì)、溫度環(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)象常見(jiàn)的環(huán)境斷裂：SCC、氫脆、蠕變斷裂 液態(tài)或固態(tài)金屬脆、中子脆 過(guò)熱、過(guò)燒斷裂靜載延遲斷裂：材料在特定的外界條件下，雖然所受的應(yīng)力 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(lèi)與時(shí)間有 關(guān)的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。31、應(yīng)力腐蝕斷裂一、引言1、定義 由拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而引起的低應(yīng)力脆斷。2、共同特征只有在拉應(yīng)力作用下才能引起SCC。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)

2、生SCC時(shí)拉應(yīng)力都 很低，若沒(méi)有腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用是不會(huì)產(chǎn)生斷裂的。要有一定的腐蝕介質(zhì)。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）。一般只有合金才產(chǎn)生SCC，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53、斷裂過(guò)程 裂紋形成：占全部時(shí)間的90% 裂紋擴(kuò)展：占全部時(shí)間的10%6引起表面膜局部破裂的因素：環(huán)境因素：可能存在破壞鈍化膜的活性離子，如Cl-、 Br-等冶金因素：金屬表面的缺陷，如夾雜物、位錯(cuò)露頭等力學(xué)因素：在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的突出表面的滑移臺(tái)階機(jī)械破損7二、SCC機(jī)理1、保護(hù)膜破裂機(jī)理認(rèn)為產(chǎn)生SCC是電化學(xué)反應(yīng)起控制作用形成保護(hù)膜保護(hù)膜破裂陽(yáng)極溶解重新形成

3、保護(hù)膜重新破壞新的陽(yáng)極溶解82、應(yīng)力吸附機(jī)理（氫致脆化機(jī)理） 認(rèn)為H吸附于裂紋尖端，使金屬晶體原子鍵的親 和力減弱，即表面能降低。 從Griffith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9三、SCC斷口形貌特征1、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)呈暗色或灰黑色最終斷裂區(qū)具有金屬光澤，常有放射狀花樣或人字紋102、微觀形貌典型斷口：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 裂，斷口有河流、扇形、泥狀、塊狀花樣等沿晶斷口11穿晶斷口泥紋狀斷口：在平坦面上分

4、布直線(xiàn)狀裂紋（如河底干沽狀）12四、SCC的影響因素與預(yù)防措施1、影響因素應(yīng)力：拉應(yīng)力環(huán)境介質(zhì)：材料對(duì)介質(zhì)具有選擇性成分：高強(qiáng)鋼中的碳含量、鋁鎂合金中Mg含量熱處理工藝：T6、T76、T77(RRA)2、預(yù)防措施降低應(yīng)力表面處理（噴丸、滲碳、氮化），使表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力改變腐蝕介質(zhì)選材 電化學(xué)保護(hù)132 氫脆斷裂一、引言1、定義: 金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的低應(yīng)力脆斷2、類(lèi)型內(nèi)部氫脆：材料在熔煉、焊接、高溫鍛造、軋制和熱處理等 過(guò)程中吸收了過(guò)量的氫氣而造成的環(huán)境氫脆：在應(yīng)力和含氫介質(zhì)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)生的斷裂兩者區(qū)別：氫的來(lái)源不同，而脆化本質(zhì)

5、是否相同目前尚未 定論。14二、氫脆斷口特征1、內(nèi)部氫脆宏觀特征：白點(diǎn)：是大型鍛件和熱軋鋼坯中常見(jiàn)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) 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)）： 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 實(shí)際上是一種內(nèi)部微細(xì)裂紋16魚(yú)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 色斑點(diǎn) 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17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(jiàn)浮云狀波紋狀條 狀182、環(huán)境氫脆宏觀形貌：與一般的脆性斷口形態(tài)相似，有時(shí)可見(jiàn)到一

6、 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螺釘氫脆斷口19微觀形貌：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。20在不同K值下高強(qiáng)鋼的斷裂形式氫脆的沿晶斷口21四、SCC與氫脆的關(guān)系聯(lián)系： 廣義的SCC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。 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，SCC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 H+ + e H 2H H223裂源：SCC從表面開(kāi)始，裂紋分叉 氫脆從次表面或內(nèi)部開(kāi)始，裂紋幾乎不分叉SCC裂紋氫脆裂紋24五、影響氫脆的外部因素1、溫度 氫脆多發(fā)生在溫度

7、為-100150之間，一般最敏感 的溫度是室溫 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2、H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)H 1ppm時(shí)就能引起高強(qiáng)鋼的氫脆。253、置放時(shí)間 對(duì)于內(nèi)部可逆氫脆，能否出現(xiàn)白點(diǎn)還與置放時(shí)間有關(guān)。 置放時(shí)間太長(zhǎng)或太短都不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)。263 蠕變斷裂一、引言1、定義 蠕變：金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使 0.2 ，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2、發(fā)生條件 0KTm范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生蠕變，但只有高于0.3Tm時(shí)才較 顯著273、蠕變曲線(xiàn)典型的蠕變曲線(xiàn)

8、28二、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)展裂紋形成：楔形裂紋：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 向的晶界上各種楔形裂紋形成示意圖29孔洞型裂紋： 空穴位于 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 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30顯微空洞的形成31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 擴(kuò)展階段的情況32三、蠕變斷口形貌特征宏觀形貌：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高溫鎳基合金N-73833微觀形貌研究得不廣泛，因在高溫下進(jìn)行

9、，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（滑移線(xiàn)）或沿晶斷口耐熱鋼HK40的蠕變斷口34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354 其它的環(huán)境斷裂一、液態(tài)或固態(tài)金屬脆1、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 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)生的液態(tài)汞脆 鋁合金被液體Na、Sn脆化 鋼與Cd接觸出現(xiàn)鎘脆2、發(fā)生條件兩種金屬?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 固態(tài)金屬表面能被液態(tài)金屬所浸潤(rùn)363、裂紋形式多枝裂紋網(wǎng)狀裂紋374、斷口形貌特征 宏觀形貌：兩個(gè)區(qū)（緩慢斷裂區(qū)、瞬斷區(qū)） 微觀形貌

10、：大多數(shù)為沿晶脆斷，也有穿晶解理液態(tài)汞脆黃銅的Sn脆38二、過(guò)熱斷口與過(guò)燒斷口過(guò)熱斷口1、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 由于晶粒粗大而引起的低應(yīng)力脆斷2、斷口形貌特征宏觀形貌：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)重微觀形貌：典型的延性沿晶斷口39過(guò)燒斷口1、過(guò)燒：材料在超過(guò)過(guò)熱溫度下加熱產(chǎn)生的缺陷。 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 魏氏組織2、斷口形貌宏觀形貌：全部為石狀，顆粒粗大，顏色灰暗 嚴(yán)重過(guò)燒出現(xiàn)豆腐渣狀斷口 鋁合金過(guò)燒后，表面出現(xiàn)許多氣泡，晶界 熔化成網(wǎng)絡(luò)狀熔化節(jié)40微觀形貌：冰糖狀，晶界局部熔

11、化出現(xiàn)孔洞，晶界面變寬，內(nèi)有氧化物，晶粒失去棱邊變成表面圓滑的顆粒2214鋁合金的過(guò)燒斷口(e)41 3、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（P、S、Si、 Mn等）向晶界偏聚改變了晶界成分，使其熔點(diǎn)降低 溫度繼續(xù)升高，首先在三叉晶界處熔化，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 作用時(shí)沿晶界斷開(kāi)。42四、中子脆1、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 及鍋爐覆蓋材料2、斷口形貌 典型的沿晶脆斷斷口43混 合 斷 裂444546 第六章 疲勞斷裂 1 引言 2 疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展 3 疲勞斷口形貌特征 4 影響疲勞斷口形貌的因素 5 腐蝕疲勞471

12、 引言1、定義: 由于交變應(yīng)力或循環(huán)載荷所引起的低應(yīng)力脆斷。 在所有的損壞中，疲勞斷裂的比例最高，約占70%2、類(lèi)型:依負(fù)載和環(huán)境條件的不同，分為五類(lèi)：高周疲勞：材料在低應(yīng)力（0.2）的作用下而壽命較高 （Nf 105）的疲勞低周疲勞：材料在反復(fù)變化的大應(yīng)力或大應(yīng)變作用下，使材 料的局部應(yīng)力往往超過(guò)0.2 ，在斷裂過(guò)程中產(chǎn) 生較大塑性變形，是一種短壽命（Nf 102 105）的疲勞48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 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 （齒輪相互接觸）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

13、勞損壞。如熱軋輥、熱壓模具表面出現(xiàn)的“龜裂”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 效現(xiàn)象（腐蝕坑）49依載荷類(lèi)型的特點(diǎn)，分為三類(lèi)：1、彎曲疲勞（單向、雙向、旋轉(zhuǎn)）2、軸向疲勞（拉拉、拉壓）3、扭轉(zhuǎn)疲勞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523、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b低，甚至比0.2低很多，斷 裂前無(wú)明顯的塑性變形，是一種低應(yīng)力脆斷破壞現(xiàn)象疲勞斷裂是損傷累積過(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 損傷量不同工程構(gòu)件對(duì)疲勞抗

14、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 環(huán)境等密切相關(guān)微觀上，疲勞斷裂一般為穿晶斷裂，也屬一種脆性穿晶534、疲勞斷裂過(guò)程 疲勞裂紋的萌生: 表面（次表面、內(nèi)部） 疲勞裂紋的擴(kuò)展（兩個(gè)階段）54第一階段：裂紋起源于材料表面，向內(nèi)部擴(kuò)展 范圍較小，約25個(gè)晶粒之內(nèi) 顯微形貌不好分辨 與拉伸軸約成45角，裂紋擴(kuò)展主要是由于 的作用 擴(kuò)展速度很慢，每一應(yīng)力循環(huán)只有埃數(shù)量級(jí)第二階段：斷面與拉伸軸垂直，凹凸不平 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)微米數(shù)量級(jí) 顯微特征：疲勞輝紋552 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

15、1、擠出擠入模型Wood模型56金屬表面形成的擠出脊與擠入溝572、位錯(cuò)銷(xiāo)毀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（約10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)力引起原子面分離，形成孔洞583、空穴模型Mott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)，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594、位錯(cuò)交叉滑移模型Cottrell和Hull模型60二、疲勞裂紋擴(kuò)展模型1、連續(xù)擴(kuò)展模型（塑性鈍化模型）A、交變應(yīng)力為0時(shí)，裂紋閉合B、當(dāng)受拉應(yīng)力時(shí)裂紋張開(kāi)，尖角處由于 應(yīng)力集中沿45方向產(chǎn)生滑移C、L max

16、，滑移區(qū)擴(kuò)大，使裂紋 尖端變形成近似半圓，由銳鈍D、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 耳環(huán)狀切口E、Y max ，裂紋表面被壓合，尖 端由鈍銳，形成一個(gè)尖角，裂紋向 前擴(kuò)展一個(gè)條紋 612、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B、裂紋在拉應(yīng)力作用下變鈍C、未裂開(kāi)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 a62疲勞斷口形貌特征一、宏觀形貌特征斷口組成：裂源區(qū)、平滑區(qū)、瞬斷區(qū)63三區(qū)特征：1、裂源區(qū) 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 多源裂紋2、平滑區(qū) 貝紋線(xiàn)（conchoidal

17、、前沿線(xiàn)、年輪、海灘狀） 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) 器在開(kāi)車(chē)、停車(chē)或負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)造成的64形狀：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 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65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 若年輪間距較小時(shí)，則表示疲勞裂紋擴(kuò)展較緩 慢，材料較韌顏色：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 因此兩個(gè)匹配斷口常互相磨擦，出現(xiàn)磨光的宏 觀特征。特別是在裂源附近，其磨光程度更為 突 出，有時(shí)呈現(xiàn)一種

18、發(fā)亮的研磨面66 鋸齒形斷口或棘輪花樣 軸類(lèi)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）+扭矩作用 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 若為單向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力棘輪花樣 若為雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力鋸齒狀斷口67鋸齒形斷口棘輪花樣683、瞬斷區(qū)形貌：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)于脆性材料，斷口為結(jié)晶狀位置：自由表面 斷面中心 非對(duì)稱(chēng)（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)面積越小，越靠近 邊緣，工件過(guò)載程度越小70二、疲勞斷口顯微形貌特征疲勞輝紋1、定義：在光學(xué)顯微鏡、SEM或TEM下觀察疲勞斷口時(shí)，

19、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 的顯微特征條紋疲勞輝紋與疲勞條紋（貝紋線(xiàn)）的區(qū)別：貝紋線(xiàn)是宏觀特征線(xiàn)，因交變應(yīng)力幅度變化或載荷停歇等造成的輝紋是顯微特征線(xiàn)，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71Al-Mg-Sc合金疲勞輝紋72低碳低合金鋼高溫鎳基合金4340鋼銅合金732、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)展方向 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) 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)3、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744、輝紋類(lèi)型

20、韌性輝紋：塑性變形量較大，清晰、連續(xù)，fcc脆性輝紋：塑性變形量較小，較清晰、不連續(xù)，常見(jiàn)弧形 輝紋與河流花樣相交，并互相垂直，bcc、hcp韌性輝紋脆性輝紋75韌性輝紋脆性輝紋765、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（Nf 103） 必要條件：裂紋尖端必須處于張開(kāi)型的平面應(yīng)變狀態(tài)， 即正斷時(shí)才出現(xiàn) 材質(zhì)：延性材料比較容易形成疲勞輝紋，脆性材料困難 環(huán)境：真空中不出現(xiàn)輝紋77輪胎壓痕（tire tracks）形貌：類(lèi)似車(chē)胎的壓痕，是疲勞斷口上最 小的特征花樣78形成機(jī)理：與第二相有關(guān)：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) 擠壓或刻入而引起的壓