西安交通大學(xué)材料學(xué)院周根樹(shù)斷裂失效分析斷裂失效分析1斷裂失效類(lèi)型失效分析的一般步驟常見(jiàn)斷裂失效的特征斷口分析方法斷裂失效分析案例主要內(nèi)容斷裂失效類(lèi)型主要內(nèi)容21.斷裂失效類(lèi)型斷裂失效蠕變斷裂失效塑性斷裂失效脆性斷裂失效疲勞斷裂失效1.斷裂失效類(lèi)型斷裂失效蠕變斷裂失效塑性斷裂失效脆性斷裂失效32.失效分析的一般步驟現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查使用狀況提取試樣殘骸分析實(shí)驗(yàn)研究宏觀檢驗(yàn)微觀檢驗(yàn)金相檢驗(yàn)無(wú)損檢測(cè)成分分析力學(xué)性能分析綜合分析2.失效分析的一般步驟現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查使用狀況提取試樣殘骸分析實(shí)驗(yàn)研43.常見(jiàn)斷裂失效的特征定義：韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂,即零件斷裂之前,在斷裂部位出現(xiàn)較為明顯的塑性變形。原因：在工程結(jié)構(gòu)中,韌性斷裂一般表現(xiàn)為過(guò)載斷裂,即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過(guò)了材料的塑性極限或強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。3.1韌性斷裂3.常見(jiàn)斷裂失效的特征定義：韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂5韌性斷裂宏觀特征(1)斷口附件有明顯宏觀塑性變形。(2)斷口外形呈杯錐狀。杯底垂直于主應(yīng)力,錐面平行于最大切應(yīng)力,與主應(yīng)力成45°角;或斷口平行于最大切應(yīng)力,與主應(yīng)力成45°的剪切斷口。(3)斷口表面呈纖維狀,其顏色呈暗灰色。韌性斷裂宏觀特征(1)斷口附件有明顯宏觀塑性變形。6

韌性斷裂的微觀特征韌性斷裂的微觀特征主要是在斷口上存在大量的韌窩。注意：

(1)在斷口上的個(gè)別區(qū)域存在韌窩,不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是韌性斷裂。即使在脆性斷裂的斷口上,局部也可能產(chǎn)生塑性變形而存在韌窩。(2)沿晶韌窩不是韌性斷裂的特征。沿晶韌窩主要是顯微空穴優(yōu)先在沿晶析出的第二相處聚集長(zhǎng)大而成。韌性斷裂的微觀特征韌性斷裂的微觀特征主要是在斷口上存在大量7韌性斷裂失效分析的判據(jù)(1)斷口宏觀形貌粗糙,色澤灰暗,呈纖維狀;邊緣有與零件表面呈45°的剪切唇;斷口附近有明顯的塑性變形,如殘余扭角、撓曲、變粗、縮頸和鼓包等。(2)斷口上的微觀特征主要是韌窩。韌性斷裂失效分析的判據(jù)(1)斷口宏觀形貌粗糙,色澤灰暗,呈8

3.2脆性斷裂定義：工程構(gòu)件在很少或不出現(xiàn)宏觀塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的ψ<5%)情況下發(fā)生的斷裂稱作脆性斷裂特點(diǎn)：具有突發(fā)性，常常在低應(yīng)力下斷裂，危害性大。3.2脆性斷裂定義：工程構(gòu)件在很少或不出現(xiàn)宏觀塑性變形(9

引發(fā)脆性斷裂的因素(1)由材料性質(zhì)引起的脆性斷裂,如熱裂、冷裂、蘭脆、回火脆、過(guò)熱與過(guò)燒致脆、不銹鋼的475℃脆性等。(2)由環(huán)境溫度與介質(zhì)引起的脆性斷裂,如冷脆、氫脆、應(yīng)力腐蝕致脆、液體金屬致脆以及輻照致脆等。(3)由加載速率與缺口效應(yīng)引起的脆性斷裂,如高速致脆、應(yīng)力集中與三應(yīng)力狀態(tài)致脆等。引發(fā)脆性斷裂的因素(1)由材料性質(zhì)引起的脆性斷裂,如熱裂10脆性斷裂的宏觀特征(1)斷裂處很少或沒(méi)有宏觀塑性變形,碎塊斷口可以拼合復(fù)原。(2)斷口平坦,無(wú)剪切唇,斷口與應(yīng)力方向垂直。(3)斷裂起源于變截面,表面缺陷和內(nèi)部缺陷等應(yīng)力集中部位。(4)斷面顏色有的較光亮,有的較灰暗。光亮斷口是細(xì)瓷狀,對(duì)著光線轉(zhuǎn)動(dòng),可見(jiàn)到閃光的小刻面;灰暗斷口有時(shí)呈粗糙狀,有時(shí)呈現(xiàn)出粗大晶粒外形。脆性斷裂的宏觀特征(1)斷裂處很少或沒(méi)有宏觀塑性變形,碎塊11(5)脆性斷裂的擴(kuò)展速率極高,斷裂過(guò)程在瞬間完成,有時(shí)伴有大響聲。(6)板材構(gòu)件斷口呈人字紋放射線,放射源為裂紋源,其放射方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。圖1板材構(gòu)件脆性斷口宏觀特征(5)脆性斷裂的擴(kuò)展速率極高,斷裂過(guò)程在瞬間完成,有時(shí)伴有12脆性斷裂微觀特征穿晶脆斷(解理與準(zhǔn)解理)和沿晶脆斷兩大類(lèi)解理斷裂——金屬在正應(yīng)力作用下,由于原子結(jié)合鍵被破壞而造成沿一定晶體學(xué)平面(即解理面)快速分離脆性斷裂微觀特征穿晶脆斷(解理與準(zhǔn)解理)和沿晶脆斷兩大類(lèi)13解理臺(tái)階的形成過(guò)程示意圖(a)裂紋AB向螺位錯(cuò)CD擴(kuò)展(b)裂紋與螺位錯(cuò)CD交割,形成臺(tái)階

解理臺(tái)階的形成過(guò)程示意圖(a)裂紋AB向螺位錯(cuò)CD擴(kuò)展14準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過(guò)渡斷裂形式。先按解理方式擴(kuò)展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,與相鄰的解理小刻面相連,形成撕裂棱。

準(zhǔn)解理裂紋形成機(jī)理示意圖準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種15沿晶斷裂沿晶斷裂又稱晶間斷裂,它是多晶體沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分離,即沿晶界發(fā)生斷裂。沿晶斷裂沿晶斷裂又稱晶間斷裂,它是多晶體沿不同取向的晶16引起脆性斷裂失效的原因解理斷裂引起解理斷裂的主要因素有環(huán)境溫度、介質(zhì)、加載速度、材料的晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織和應(yīng)力大小與狀態(tài)等沿晶斷裂晶界沉淀相引起的沿晶斷裂雜質(zhì)元素在晶界偏聚引起的沿晶斷裂引起脆性斷裂失效的原因解理斷裂173.3疲勞斷裂失效定義：工程構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下,經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷裂稱作疲勞斷裂。疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞破壞表現(xiàn)為突然斷裂,斷裂前無(wú)明顯變形造成疲勞破壞的循環(huán)交變應(yīng)力一般低于材料的屈服極限,有的甚至低于彈性極限零件的疲勞斷裂失效與材料的性能、質(zhì)量、零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、外界環(huán)境等眾多因素有關(guān)。3.3疲勞斷裂失效定義：工程構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下,經(jīng)一定循環(huán)18交變應(yīng)力與交變應(yīng)變

應(yīng)力循環(huán)圖中σmax為最大應(yīng)力;σmin為最小應(yīng)力;σm為平均應(yīng)力;σa為應(yīng)力幅;Δσ為應(yīng)力范圍;Rs為應(yīng)力比(Rs=σmin/σmax)交變應(yīng)力與交變應(yīng)變應(yīng)力循環(huán)圖中σmax為最大應(yīng)力;σmin19

應(yīng)變循環(huán)圖中εmax為應(yīng)變幅的最大值,εmin為應(yīng)變幅的最小值。應(yīng)變幅εa、應(yīng)變范圍Δε(Δε=2εa)、平均應(yīng)變?chǔ)舖和應(yīng)變比Rε=,εmin/εmax應(yīng)變循環(huán)圖中εmax為應(yīng)變幅的最大值,εmin為應(yīng)變幅的20疲勞曲線、疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命

S-N疲勞曲線在指定壽命下使材料失效的應(yīng)力水平；用S表示從開(kāi)始承受應(yīng)力直至斷裂所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命,以Nf表示疲勞曲線、疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命S-N疲勞曲線在指定壽命下21彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命的關(guān)系相交于一點(diǎn),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壽命為2NT,稱為過(guò)渡疲勞壽命。以2NT為界,左側(cè)2N<2NT為低周疲勞,其特點(diǎn)是塑性應(yīng)變幅對(duì)疲勞損傷的貢獻(xiàn)大于彈性應(yīng)變幅。彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命的關(guān)系相交于一點(diǎn),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的22斷裂失效分析課件23斷裂失效分析課件24

疲勞條帶疲勞條帶25斷裂失效分析課件26斷裂失效分析課件274.斷口分析方法金屬斷口基本類(lèi)型按斷裂途徑分：穿晶斷口沿晶斷口混合斷口按斷口形貌分：纖維狀結(jié)晶狀瓷狀萘狀4.斷口分析方法金屬斷口基本類(lèi)型按斷口形貌分：28塑性斷口特征滑移分離塑性斷口特征滑移分離29韌窩斷口等軸韌窩撕裂韌窩韌窩斷口等軸韌窩撕裂韌窩30脆性斷口解理斷口脆性斷口解理斷口31沿晶斷口沿晶斷口32疲勞斷口疲勞條紋疲勞斷口疲勞條紋33斷口分析裂紋源裂紋分析法：裂紋源總是與裂紋分叉方向相反；裂紋源位于丁字形裂紋的橫線上在碎片中塑性變形最小的部位，最有可能包含裂紋源碎片拼合后，間隙最大的部位斷口分析裂紋源34根據(jù)斷口宏觀特征：人字形頂點(diǎn)指向裂紋源放射花樣的放射中心指向裂紋源纖維區(qū)中心為裂紋源點(diǎn)從剪切唇的對(duì)側(cè)尋找裂紋源在構(gòu)件表面缺口處尋找裂紋源疲勞斷裂的原點(diǎn)在同心圓處（一般在表面）根據(jù)斷口宏觀特征：35宏觀斷口分析

鋼材質(zhì)量檢驗(yàn)觀察是否有夾雜、分層、縮孔、縮松、熱裂等宏觀缺陷；斷口的宏觀形貌：韌性斷口還是脆性斷口；裂紋源、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)相對(duì)比例;缺陷的形態(tài)與位置尋找裂紋源位置宏觀斷口分析

鋼材質(zhì)量檢驗(yàn)36微觀斷口分析斷口產(chǎn)物分析：產(chǎn)物與環(huán)境因素有關(guān)斷口微觀形貌分析：掃描電子顯微鏡：簡(jiǎn)便，直觀透射電子顯微鏡：缺點(diǎn)：需要復(fù)型；不能低倍觀察優(yōu)點(diǎn)：分辨率高；可同時(shí)確定結(jié)構(gòu)；不破壞斷口微觀斷口分析斷口產(chǎn)物分析：產(chǎn)物與環(huán)境因素有關(guān)37

精鑄廠疲勞試驗(yàn)斷口形貌疲勞源區(qū)存在縮松精鑄廠疲勞試驗(yàn)斷口形貌疲勞源區(qū)存在縮松38疲勞源區(qū)存在夾雜疲勞源區(qū)存在夾雜39擴(kuò)展區(qū)的條紋與微觀組織疲勞條紋微觀形貌擴(kuò)展區(qū)的條紋與微觀組織疲勞條紋微觀形貌40瞬斷區(qū)形貌瞬斷區(qū)形貌415.失效分析實(shí)例高碳馬氏體鋼球淬火開(kāi)裂失效分析5.失效分析實(shí)例高碳馬氏體鋼球淬火開(kāi)裂失效分析42斷裂軸失效分析斷裂軸失效分析43斷裂失效分析課件44斷裂失效分析課件45斷裂失效分析課件46吊耳吊耳47斷裂失效分析課件48線夾線夾49裂紋源裂紋源50萘狀斷口及二次裂紋萘狀斷口及二次裂紋51西安交通大學(xué)材料學(xué)院周根樹(shù)斷裂失效分析斷裂失效分析52斷裂失效類(lèi)型失效分析的一般步驟常見(jiàn)斷裂失效的特征斷口分析方法斷裂失效分析案例主要內(nèi)容斷裂失效類(lèi)型主要內(nèi)容531.斷裂失效類(lèi)型斷裂失效蠕變斷裂失效塑性斷裂失效脆性斷裂失效疲勞斷裂失效1.斷裂失效類(lèi)型斷裂失效蠕變斷裂失效塑性斷裂失效脆性斷裂失效542.失效分析的一般步驟現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查使用狀況提取試樣殘骸分析實(shí)驗(yàn)研究宏觀檢驗(yàn)微觀檢驗(yàn)金相檢驗(yàn)無(wú)損檢測(cè)成分分析力學(xué)性能分析綜合分析2.失效分析的一般步驟現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查使用狀況提取試樣殘骸分析實(shí)驗(yàn)研553.常見(jiàn)斷裂失效的特征定義：韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂,即零件斷裂之前,在斷裂部位出現(xiàn)較為明顯的塑性變形。原因：在工程結(jié)構(gòu)中,韌性斷裂一般表現(xiàn)為過(guò)載斷裂,即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過(guò)了材料的塑性極限或強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。3.1韌性斷裂3.常見(jiàn)斷裂失效的特征定義：韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂56韌性斷裂宏觀特征(1)斷口附件有明顯宏觀塑性變形。(2)斷口外形呈杯錐狀。杯底垂直于主應(yīng)力,錐面平行于最大切應(yīng)力,與主應(yīng)力成45°角;或斷口平行于最大切應(yīng)力,與主應(yīng)力成45°的剪切斷口。(3)斷口表面呈纖維狀,其顏色呈暗灰色。韌性斷裂宏觀特征(1)斷口附件有明顯宏觀塑性變形。57

韌性斷裂的微觀特征韌性斷裂的微觀特征主要是在斷口上存在大量的韌窩。注意：

(1)在斷口上的個(gè)別區(qū)域存在韌窩,不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是韌性斷裂。即使在脆性斷裂的斷口上,局部也可能產(chǎn)生塑性變形而存在韌窩。(2)沿晶韌窩不是韌性斷裂的特征。沿晶韌窩主要是顯微空穴優(yōu)先在沿晶析出的第二相處聚集長(zhǎng)大而成。韌性斷裂的微觀特征韌性斷裂的微觀特征主要是在斷口上存在大量58韌性斷裂失效分析的判據(jù)(1)斷口宏觀形貌粗糙,色澤灰暗,呈纖維狀;邊緣有與零件表面呈45°的剪切唇;斷口附近有明顯的塑性變形,如殘余扭角、撓曲、變粗、縮頸和鼓包等。(2)斷口上的微觀特征主要是韌窩。韌性斷裂失效分析的判據(jù)(1)斷口宏觀形貌粗糙,色澤灰暗,呈59

3.2脆性斷裂定義：工程構(gòu)件在很少或不出現(xiàn)宏觀塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的ψ<5%)情況下發(fā)生的斷裂稱作脆性斷裂特點(diǎn)：具有突發(fā)性，常常在低應(yīng)力下斷裂，危害性大。3.2脆性斷裂定義：工程構(gòu)件在很少或不出現(xiàn)宏觀塑性變形(60

引發(fā)脆性斷裂的因素(1)由材料性質(zhì)引起的脆性斷裂,如熱裂、冷裂、蘭脆、回火脆、過(guò)熱與過(guò)燒致脆、不銹鋼的475℃脆性等。(2)由環(huán)境溫度與介質(zhì)引起的脆性斷裂,如冷脆、氫脆、應(yīng)力腐蝕致脆、液體金屬致脆以及輻照致脆等。(3)由加載速率與缺口效應(yīng)引起的脆性斷裂,如高速致脆、應(yīng)力集中與三應(yīng)力狀態(tài)致脆等。引發(fā)脆性斷裂的因素(1)由材料性質(zhì)引起的脆性斷裂,如熱裂61脆性斷裂的宏觀特征(1)斷裂處很少或沒(méi)有宏觀塑性變形,碎塊斷口可以拼合復(fù)原。(2)斷口平坦,無(wú)剪切唇,斷口與應(yīng)力方向垂直。(3)斷裂起源于變截面,表面缺陷和內(nèi)部缺陷等應(yīng)力集中部位。(4)斷面顏色有的較光亮,有的較灰暗。光亮斷口是細(xì)瓷狀,對(duì)著光線轉(zhuǎn)動(dòng),可見(jiàn)到閃光的小刻面;灰暗斷口有時(shí)呈粗糙狀,有時(shí)呈現(xiàn)出粗大晶粒外形。脆性斷裂的宏觀特征(1)斷裂處很少或沒(méi)有宏觀塑性變形,碎塊62(5)脆性斷裂的擴(kuò)展速率極高,斷裂過(guò)程在瞬間完成,有時(shí)伴有大響聲。(6)板材構(gòu)件斷口呈人字紋放射線,放射源為裂紋源,其放射方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。圖1板材構(gòu)件脆性斷口宏觀特征(5)脆性斷裂的擴(kuò)展速率極高,斷裂過(guò)程在瞬間完成,有時(shí)伴有63脆性斷裂微觀特征穿晶脆斷(解理與準(zhǔn)解理)和沿晶脆斷兩大類(lèi)解理斷裂——金屬在正應(yīng)力作用下,由于原子結(jié)合鍵被破壞而造成沿一定晶體學(xué)平面(即解理面)快速分離脆性斷裂微觀特征穿晶脆斷(解理與準(zhǔn)解理)和沿晶脆斷兩大類(lèi)64解理臺(tái)階的形成過(guò)程示意圖(a)裂紋AB向螺位錯(cuò)CD擴(kuò)展(b)裂紋與螺位錯(cuò)CD交割,形成臺(tái)階

解理臺(tái)階的形成過(guò)程示意圖(a)裂紋AB向螺位錯(cuò)CD擴(kuò)展65準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過(guò)渡斷裂形式。先按解理方式擴(kuò)展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,與相鄰的解理小刻面相連,形成撕裂棱。

準(zhǔn)解理裂紋形成機(jī)理示意圖準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種66沿晶斷裂沿晶斷裂又稱晶間斷裂,它是多晶體沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分離,即沿晶界發(fā)生斷裂。沿晶斷裂沿晶斷裂又稱晶間斷裂,它是多晶體沿不同取向的晶67引起脆性斷裂失效的原因解理斷裂引起解理斷裂的主要因素有環(huán)境溫度、介質(zhì)、加載速度、材料的晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織和應(yīng)力大小與狀態(tài)等沿晶斷裂晶界沉淀相引起的沿晶斷裂雜質(zhì)元素在晶界偏聚引起的沿晶斷裂引起脆性斷裂失效的原因解理斷裂683.3疲勞斷裂失效定義：工程構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下,經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷裂稱作疲勞斷裂。疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞破壞表現(xiàn)為突然斷裂,斷裂前無(wú)明顯變形造成疲勞破壞的循環(huán)交變應(yīng)力一般低于材料的屈服極限,有的甚至低于彈性極限零件的疲勞斷裂失效與材料的性能、質(zhì)量、零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、外界環(huán)境等眾多因素有關(guān)。3.3疲勞斷裂失效定義：工程構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下,經(jīng)一定循環(huán)69交變應(yīng)力與交變應(yīng)變

應(yīng)力循環(huán)圖中σmax為最大應(yīng)力;σmin為最小應(yīng)力;σm為平均應(yīng)力;σa為應(yīng)力幅;Δσ為應(yīng)力范圍;Rs為應(yīng)力比(Rs=σmin/σmax)交變應(yīng)力與交變應(yīng)變應(yīng)力循環(huán)圖中σmax為最大應(yīng)力;σmin70

應(yīng)變循環(huán)圖中εmax為應(yīng)變幅的最大值,εmin為應(yīng)變幅的最小值。應(yīng)變幅εa、應(yīng)變范圍Δε(Δε=2εa)、平均應(yīng)變?chǔ)舖和應(yīng)變比Rε=,εmin/εmax應(yīng)變循環(huán)圖中εmax為應(yīng)變幅的最大值,εmin為應(yīng)變幅的71疲勞曲線、疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命

S-N疲勞曲線在指定壽命下使材料失效的應(yīng)力水平；用S表示從開(kāi)始承受應(yīng)力直至斷裂所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命,以Nf表示疲勞曲線、疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命S-N疲勞曲線在指定壽命下72彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命的關(guān)系相交于一點(diǎn),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壽命為2NT,稱為過(guò)渡疲勞壽命。以2NT為界,左側(cè)2N<2NT為低周疲勞,其特點(diǎn)是塑性應(yīng)變幅對(duì)疲勞損傷的貢獻(xiàn)大于彈性應(yīng)變幅。彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命的關(guān)系相交于一點(diǎn),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的73斷裂失效分析課件74斷裂失效分析課件75

疲勞條帶疲勞條帶76斷裂失效分析課件77斷裂失效分析課件784.斷口分析方法金屬斷口基本類(lèi)型按斷裂途徑分：穿晶斷口沿晶斷口混合斷口按斷口形貌分：纖維狀結(jié)晶狀瓷狀萘狀4.斷口分析方法金屬斷口基本類(lèi)型按斷口形貌分：79塑性斷口特征滑移分離塑性斷口特征滑移分離80韌窩斷口等軸韌窩撕裂韌窩韌窩斷口等軸