材料失效分析(破解).pdf

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1、 1 材料失效分析材料失效分析 概论概论 随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一 门综合性学科，在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的 重视。为了提高机械产品质量及使用寿命，国内外对机械 构件的失效（断裂）现象进行了大量的分析和研究，日益 完善了失效分析技术及其基本理论。 随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一 门综合性学科，在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的 重视。为了提高机械产品质量及使用寿命，国内外对机械 构件的失效（断裂）现象进行了大量的分析和研究，日益 完善了失效分析技术及其基本理论。 应用失效分析技术应用失效分析技术 可以指导机械产品规划、设计、选材、加工、检验及

2、质量管理等方面工作；同时失效分析技术又是 可以指导机械产品规划、设计、选材、加工、检验及 质量管理等方面工作；同时失效分析技术又是 制定技术规范、科学发展规划、法律仲裁等的重要依 据之一。 制定技术规范、科学发展规划、法律仲裁等的重要依 据之一。 大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发 展，都具有极其重要的作用。 大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发 展，都具有极其重要的作用。 一、失效的概念一、失效的概念 所谓失效主要指机械构件由于尺寸、形状或材料 的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成 指定的功能。亦可称为故障或事故。一个机械零部件被认 为是失效，应根据是否具

3、有以下三个条件中的一个为判据： 所谓失效主要指机械构件由于尺寸、形状或材料 的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成 指定的功能。亦可称为故障或事故。一个机械零部件被认 为是失效，应根据是否具有以下三个条件中的一个为判据： （1）零件完全破坏，不能工作；）零件完全破坏，不能工作； （2） 严重损伤，继续工作不安全；严重损伤，继续工作不安全； （3） 虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任 务。 虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任 务。 上述情况的任何一种发生，都认为零件已经失效。上述情况的任何一种发生，都认为零件已经失效。 二、失效的形式二、失效的形式 2 机械零部件最常见的

4、失效形式有以下几种：机械零部件最常见的失效形式有以下几种： 1断裂失效：通常包括塑性（韧性）断裂失效；低应 力脆性断裂失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；应力腐 蚀断裂失效。 断裂失效：通常包括塑性（韧性）断裂失效；低应 力脆性断裂失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；应力腐 蚀断裂失效。 2表面损伤失效：通常包括磨损失效；腐蚀失效；表 面疲劳失效 表面损伤失效：通常包括磨损失效；腐蚀失效；表 面疲劳失效 3变形失效：包括塑性变形失效；弹性变形失效变形失效：包括塑性变形失效；弹性变形失效 同一种零件可有几种不同失效形式。例如，轴的失效， 可以是疲劳断裂，也可以是过量弹性变形（弹性失稳） 。究 竟以什

5、么形式失效，决定于具体条件下，零件的哪种抗力 最低。因此，一个零件失效，总是由一种形式起主导作用， 很少以两种形式主导失效的。但它们可以组合为更复杂的 失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。 同一种零件可有几种不同失效形式。例如，轴的失效， 可以是疲劳断裂，也可以是过量弹性变形（弹性失稳） 。究 竟以什么形式失效，决定于具体条件下，零件的哪种抗力 最低。因此，一个零件失效，总是由一种形式起主导作用， 很少以两种形式主导失效的。但它们可以组合为更复杂的 失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。 三、失效分析三、失效分析 失效分析是指分析研究机械构件的断裂，表面损伤及 变形等失效现象的特征及规律，并从中

6、找出产生失效主要 原因的一门新的学科或分析技术。也称之为故障分析或事 故分析等。 失效分析是指分析研究机械构件的断裂，表面损伤及 变形等失效现象的特征及规律，并从中找出产生失效主要 原因的一门新的学科或分析技术。也称之为故障分析或事 故分析等。 失效分析是门多学科的边缘科学，失效分析是门多学科的边缘科学， 它不仅包括断口学及材料学，而且它还与力学、化学、 腐蚀科学、摩擦学、工艺学及设计基础等学科有关。只掌 握一门学科是不行的。 它不仅包括断口学及材料学，而且它还与力学、化学、 腐蚀科学、摩擦学、工艺学及设计基础等学科有关。只掌 握一门学科是不行的。 失效分析在整个机械产品制造过程中占据重要地位

7、， 如图示（ 失效分析在整个机械产品制造过程中占据重要地位， 如图示（P2） 。） 。 失效分析对改进产品设计、选材等提供依据，并可防 止或减少断裂事故的发生；通过失效分析还可预测可靠性， 特别是利用“失效树”来预测系统的安全可靠性更为有力。 失效分析对改进产品设计、选材等提供依据，并可防 止或减少断裂事故的发生；通过失效分析还可预测可靠性， 特别是利用“失效树”来预测系统的安全可靠性更为有力。 所谓“失效树”是指由各种可能引起系统失效的事件 和连接这些事件的逻辑门组成的图形，并显示出它们相互 之间的关系。 所谓“失效树”是指由各种可能引起系统失效的事件 和连接这些事件的逻辑门组成的图形，并显

8、示出它们相互 之间的关系。 失效分析可以提高机械产品的信誉，并能起到技术反 馈作用，明显提高经济效益。 失效分析可以提高机械产品的信誉，并能起到技术反 馈作用，明显提高经济效益。 失效断裂失效断裂 第一章第一章 金属断裂的基本概念金属断裂的基本概念 1-1 断裂和断口断裂和断口 金属的完全破断称为断裂金属的完全破断称为断裂 断裂后的自然表面称为断口。断裂后的自然表面称为断口。 断裂一般发生在材料性能最弱的部位或零件中应力最 大的部位。 断裂一般发生在材料性能最弱的部位或零件中应力最 大的部位。 断裂（形态）分类：在国内外，对断裂分类的方法， 目前仍很不统一，各自按具体的需要和研究的方便进行分

9、类，下面介绍几种常用的断裂分类方法，这些分类方法是 相辅相成的。 断裂（形态）分类：在国内外，对断裂分类的方法， 目前仍很不统一，各自按具体的需要和研究的方便进行分 类，下面介绍几种常用的断裂分类方法，这些分类方法是 相辅相成的。 按断裂性质分类韧性断裂和脆性断裂 按断裂性质分类韧性断裂和脆性断裂 1-2 韧性断裂和脆性断裂韧性断裂和脆性断裂 根据材料或构件（金属）完全断裂前所产生的宏观塑 性变形量的大小： 根据材料或构件（金属）完全断裂前所产生的宏观塑 性变形量的大小： 显著韧性显著韧性 几乎不产生或很小脆性几乎不产生或很小脆性 3 例：规定光滑拉伸试样例：规定光滑拉伸试样5%为脆性断裂为脆

10、性断裂 上述分法，只具有相对意义，例如：同一种材料，应 力、温度等条件改变，其变形量也可能发生显著变化。另 外也可能出现韧性与脆性的混合断裂，例如金属光滑圆棒 拉伸试样， 上述分法，只具有相对意义，例如：同一种材料，应 力、温度等条件改变，其变形量也可能发生显著变化。另 外也可能出现韧性与脆性的混合断裂，例如金属光滑圆棒 拉伸试样，大约在大约在 510%的范围内所形成断口，基本上 属于这类断口。 的范围内所形成断口，基本上 属于这类断口。 一、韧性（延性、塑性）断裂：一、韧性（延性、塑性）断裂：（工作应力）（工作应力）S 原子平面滑移位错沿滑移系运动原子平面滑移位错沿滑移系运动 在材料内部夹杂

11、物，析出相，晶界或其他塑性变形不 连续处发生位错塞积，产生应力集中，进而开始形成显微 孔洞（图 在材料内部夹杂物，析出相，晶界或其他塑性变形不 连续处发生位错塞积，产生应力集中，进而开始形成显微 孔洞（图 P4） ，进而长大，串联一条可见的宏观裂纹 缩颈破断。 ） ，进而长大，串联一条可见的宏观裂纹 缩颈破断。 4 基本特征：基本特征：1、断口上形成很多酒杯状微孔坑，称韧窝， 故韧性断口又称为“韧窝断口” ； 、断口上形成很多酒杯状微孔坑，称韧窝， 故韧性断口又称为“韧窝断口” ； 2、断口外貌呈杯锥状，杯锥底垂直于主应 力；锥面平行于最大切应力，与主应力成 、断口外貌呈杯锥状，杯锥底垂直于主

12、应 力；锥面平行于最大切应力，与主应力成 45 3、断口表面呈纤维状，颜色灰暗。、断口表面呈纤维状，颜色灰暗。 二、脆性断裂二、脆性断裂 基本特征：基本特征：1、通常、通常方向解理， 而两侧为沿方向解理， 而两侧为沿 112或沿或沿100方向解理方向解理（图照片）（图照片）。 5二次裂纹：几乎在所有的解理断口电子金相图上， 均存在二次裂纹。它们是与主裂纹面有一定夹角的裂纹分 枝。应注意与二级复型中的皱褶痕区别开来，采用倾斜台， 将试样倾转一个角度，可使皱痕消失，而显示出二次裂纹 的特征。 二次裂纹：几乎在所有的解理断口电子金相图上， 均存在二次裂纹。它们是与主裂纹面有一定夹角的裂纹分 枝。应注

13、意与二级复型中的皱褶痕区别开来，采用倾斜台， 将试样倾转一个角度，可使皱痕消失，而显示出二次裂纹 的特征。 4-1-2 准解理断裂的电子金相特征（也是宏观脆断的 一种断口） 准解理断裂的电子金相特征（也是宏观脆断的 一种断口） 准解理断裂首先在马氏体回火钢中发现。而且，只有 在使用电镜后，才有此种分类。准解理属于解理断裂，但 准解理断裂首先在马氏体回火钢中发现。而且，只有 在使用电镜后，才有此种分类。准解理属于解理断裂，但 38 与解理又不完全相同。与解理又不完全相同。 在某些脆性断口上，通过电镜可看到解理断裂的特征 形貌，同时又伴随着有一定的塑性变形痕迹撕裂棱。 在某些脆性断口上，通过电镜可

14、看到解理断裂的特征 形貌，同时又伴随着有一定的塑性变形痕迹撕裂棱。 准解理断口上一个个小平面不像解理面平整，裂纹源 常在晶粒中间，周围小平面上也有解理台阶，裂纹向四周 扩展与周围准解理小平面连接时出现撕裂棱，有形变特征。 准解理断口上一个个小平面不像解理面平整，裂纹源 常在晶粒中间，周围小平面上也有解理台阶，裂纹向四周 扩展与周围准解理小平面连接时出现撕裂棱，有形变特征。 （图照片）（图照片） 宏观上氢脆断口的银白色亮面在微观上就是准解理断 口形貌。解理面是可看到闪光小平面，准解理面不闪光。 宏观上氢脆断口的银白色亮面在微观上就是准解理断 口形貌。解理面是可看到闪光小平面，准解理面不闪光。 4

15、-2 剪切断裂的断口微观特征剪切断裂的断口微观特征 剪切断裂是一种伴有大量塑性变形的断裂方式，属于 韧性断裂。剪切断裂有二类，一类称滑断或纯剪断，一类 称为微孔聚集型剪切断裂。 剪切断裂是一种伴有大量塑性变形的断裂方式，属于 韧性断裂。剪切断裂有二类，一类称滑断或纯剪断，一类 称为微孔聚集型剪切断裂。 4-2-1 滑断或纯剪断滑断或纯剪断 大的单晶金属材料纯剪断的宏观楔形断面上用肉眼观 察便可见到有很多直线状的痕迹，在电镜下也可观察到此 种直线状痕迹的微观花样。例如，铜单晶纯剪断断面的电 子复型照片，滑移流变所造成的线状花样 大的单晶金属材料纯剪断的宏观楔形断面上用肉眼观 察便可见到有很多直线

16、状的痕迹，在电镜下也可观察到此 种直线状痕迹的微观花样。例如，铜单晶纯剪断断面的电 子复型照片，滑移流变所造成的线状花样 。 对于多晶金属材料，因位向不同晶粒之间的相互约束 和牵制，不可能仅仅沿某一滑移面滑移。相反，必然是沿 着许多相互交叉的滑移面滑移，其断口特征呈现出“蛇行 对于多晶金属材料，因位向不同晶粒之间的相互约束 和牵制，不可能仅仅沿某一滑移面滑移。相反，必然是沿 着许多相互交叉的滑移面滑移，其断口特征呈现出“蛇行 滑动”滑动” 花样花样 。（图照片）（图照片）若变形程度增加，则“蛇行滑动” 花样因变形而平滑化，形成“涟波”花样。若继续变形， 涟波花样也将进一步平坦化，在断口上留下了

17、没有什么特 若变形程度增加，则“蛇行滑动” 花样因变形而平滑化，形成“涟波”花样。若继续变形， 涟波花样也将进一步平坦化，在断口上留下了没有什么特 39 殊形貌可言的平坦面称为“延伸区”或“平直区” 。殊形貌可言的平坦面称为“延伸区”或“平直区” 。 （图（图 P35 示意图）示意图）示意图示意图 A、B、C、D 表示：滑移流变将 使与最大切应力平面相平行的一组滑移面滑移，而形台阶， 呈现蛇形滑动。若进一步变形，则蛇行滑动平坦化，而变 成涟波状，同时又形成新的蛇行滑动。继续形变，涟波变 得模糊，成为无特征的平坦面，即为延伸区。 表示：滑移流变将 使与最大切应力平面相平行的一组滑移面滑移，而形台

18、阶， 呈现蛇形滑动。若进一步变形，则蛇行滑动平坦化，而变 成涟波状，同时又形成新的蛇行滑动。继续形变，涟波变 得模糊，成为无特征的平坦面，即为延伸区。 4-2-2 微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂 微孔聚集型剪切断口的电子金相特征是：断口上有大 量的微坑，又称为韧窝、孔坑、微孔、迭波等等。 微孔聚集型剪切断口的电子金相特征是：断口上有大 量的微坑，又称为韧窝、孔坑、微孔、迭波等等。 微孔的形成是由于异相质点存在（如夹杂物、碳化物 等）的情况下，因第二相粒子和基体的弹性，塑性性能的 差异，所以在塑性变形过程中两者就要发生形变的不一致 性或第二相粒子本身断裂，这样在第二相粒子和基体之间， 或第二相本身

19、间，产生了自由表面，即“显微空穴” 。当这 些自由表面长大时， 它们要向外扩展， 每一个显微空穴 （隙） 就是一个断裂面，开始时它们处于相互完全隔离的状态， 当塑性流变增加时，显微空隙继续长大，并一直进行到使 这些显微空隙互相聚集的那部分材料变薄，最终发生断裂 分离为止。 微孔的形成是由于异相质点存在（如夹杂物、碳化物 等）的情况下，因第二相粒子和基体的弹性，塑性性能的 差异，所以在塑性变形过程中两者就要发生形变的不一致 性或第二相粒子本身断裂，这样在第二相粒子和基体之间， 或第二相本身间，产生了自由表面，即“显微空穴” 。当这 些自由表面长大时， 它们要向外扩展， 每一个显微空穴 （隙） 就

20、是一个断裂面，开始时它们处于相互完全隔离的状态， 当塑性流变增加时，显微空隙继续长大，并一直进行到使 这些显微空隙互相聚集的那部分材料变薄，最终发生断裂 分离为止。 注意：微孔聚集型的韧性断裂一定有韧窝存在，但在 微观形态上出现韧窝的断口，其宏观上不一定就是韧性断 裂。因为宏观上虽然是脆性断裂，但在局部区域内也可能 有塑性变形，故在微观上就显示出韧窝形态。 （通常在断口 两侧的微观区域内，满足平面应力条件，可发生剪切变形） 注意：微孔聚集型的韧性断裂一定有韧窝存在，但在 微观形态上出现韧窝的断口，其宏观上不一定就是韧性断 裂。因为宏观上虽然是脆性断裂，但在局部区域内也可能 有塑性变形，故在微观

21、上就显示出韧窝形态。 （通常在断口 两侧的微观区域内，满足平面应力条件，可发生剪切变形） 分析断口时一定要把宏观和微观结合起来，才能得出分析断口时一定要把宏观和微观结合起来，才能得出 40 正确判断。正确判断。 当塑性变形时，在夹杂物第二相粒子周围塞积着位错 环。随变形度增大，粒子前塞积的位错增多，这时位错受 两方面力作用： 当塑性变形时，在夹杂物第二相粒子周围塞积着位错 环。随变形度增大，粒子前塞积的位错增多，这时位错受 两方面力作用： 在位错源驱动下使位错推向粒子，在位错源驱动下使位错推向粒子， 第二相粒子阻塞，粒子将给领先位错以排斥力。第二相粒子阻塞，粒子将给领先位错以排斥力。 （图（图

22、 P36 示意图）示意图）外加应力不太大时，这两种力平衡，使 位错源停止放出位错；当外加力足够大时，或粒子周围有 应力集中，可能将领先位错推向基体与第二相粒子的界面 上。当一个或一对位错环被推到界面上后，界面将沿 外加应力不太大时，这两种力平衡，使 位错源停止放出位错；当外加力足够大时，或粒子周围有 应力集中，可能将领先位错推向基体与第二相粒子的界面 上。当一个或一对位错环被推到界面上后，界面将沿 AB 面分开而形成微孔。微孔形成使原来存在的排斥力大减， 位错源又重新激活，使一个一个位错推向微孔，导致微孔 迅速扩大。由于位错可沿不同滑移面开往粒子边界。因此 微孔可由几个滑移面开来的位错共同形成

23、。 面分开而形成微孔。微孔形成使原来存在的排斥力大减， 位错源又重新激活，使一个一个位错推向微孔，导致微孔 迅速扩大。由于位错可沿不同滑移面开往粒子边界。因此 微孔可由几个滑移面开来的位错共同形成。 微坑（韧窝）的形状取决于材料断裂时的受力状态， 一般出现三种类型 微坑（韧窝）的形状取决于材料断裂时的受力状态， 一般出现三种类型（图（图 P36 示意图）示意图）： 等轴或圆形微坑（正交断裂韧窝）正应力垂直于断 裂的表面，且分布均匀，使微坑在垂直于正应力的平面上 各方向长大的倾向相同，就形成等轴韧窝。 等轴或圆形微坑（正交断裂韧窝）正应力垂直于断 裂的表面，且分布均匀，使微坑在垂直于正应力的平面

24、上 各方向长大的倾向相同，就形成等轴韧窝。 剪切断裂微坑 （韧窝） ： 在切应力作用下形成的微坑。 例如拉伸或冲击断口中的剪切唇的显微特征。即属于此种 情况。塑性变形使微坑沿剪切应力方向的长大速度为最大， 而把微坑拉长，形成抛物线韧窝，在两个相匹配的断口表 面上剪切微坑的抛物线凸向正好相反。 剪切断裂微坑 （韧窝） ： 在切应力作用下形成的微坑。 例如拉伸或冲击断口中的剪切唇的显微特征。即属于此种 情况。塑性变形使微坑沿剪切应力方向的长大速度为最大， 而把微坑拉长，形成抛物线韧窝，在两个相匹配的断口表 面上剪切微坑的抛物线凸向正好相反。 41 撕裂微坑：是在撕裂应力作用下形成的，微孔的形 状呈

25、抛物线状，即形成拉长了的韧窝，常见于尖锐裂纹的 前端和三向应力条件下作低能量撕裂的断口。它的形状在 相匹配的断口表面上其抛物线凸向是相同的并指向裂纹 源。 撕裂微坑：是在撕裂应力作用下形成的，微孔的形 状呈抛物线状，即形成拉长了的韧窝，常见于尖锐裂纹的 前端和三向应力条件下作低能量撕裂的断口。它的形状在 相匹配的断口表面上其抛物线凸向是相同的并指向裂纹 源。（图照片）（图照片） 实际上，断口上经常发现等轴微坑与长形微坑交替出 现。其原因是局部地区的应力状态是相当复杂的。 实际上，断口上经常发现等轴微坑与长形微坑交替出 现。其原因是局部地区的应力状态是相当复杂的。 此外，在剪切或撕裂型长形微坑中

26、，还常存在一种卵 形微坑。这种卵形微坑实际上是隐藏在该微坑下的另一个 微坑与它交截的结果。 此外，在剪切或撕裂型长形微坑中，还常存在一种卵 形微坑。这种卵形微坑实际上是隐藏在该微坑下的另一个 微坑与它交截的结果。（图照片）（图照片） 微坑的大小（尺寸）决定于显微空隙聚集前发生的显 微塑性流变量。如果材料的相对塑性较差或微坑的形核位 置很多（夹杂物和第二相往往成为显微空隙的核心） ，则断 裂时断口上形成的微坑尺寸较小；反之，微坑的形核位置 较少，如在大晶粒的单相合金或金属中，则形成较大、较 深的微坑。既然夹杂物或第二相粒子是微坑的形核位置， 则它们的大小和密度，即夹杂物或第二相粒子的间距，决 定

27、了微坑的大小。当没有第二相粒子存在时，微坑的形成 可能是由于材料中原先存在显微空隙或塑性变形过程中产 生较大的显微空隙的结果。 微坑的大小（尺寸）决定于显微空隙聚集前发生的显 微塑性流变量。如果材料的相对塑性较差或微坑的形核位 置很多（夹杂物和第二相往往成为显微空隙的核心） ，则断 裂时断口上形成的微坑尺寸较小；反之，微坑的形核位置 较少，如在大晶粒的单相合金或金属中，则形成较大、较 深的微坑。既然夹杂物或第二相粒子是微坑的形核位置， 则它们的大小和密度，即夹杂物或第二相粒子的间距，决 定了微坑的大小。当没有第二相粒子存在时，微坑的形成 可能是由于材料中原先存在显微空隙或塑性变形过程中产 生较

28、大的显微空隙的结果。 微坑的大小还受基体材料加工硬化率的影响。若材料 具有很大的加工硬化指数，则由于提高了屈服到断裂的应 力增量，所以将形成更多的显微空隙而使微坑的尺寸变小。 温度对微坑尺寸的影响也是通过温度对材料硬化指数的影 响而起作用的。温度降低，微坑尺寸变小（见图） 微坑的大小还受基体材料加工硬化率的影响。若材料 具有很大的加工硬化指数，则由于提高了屈服到断裂的应 力增量，所以将形成更多的显微空隙而使微坑的尺寸变小。 温度对微坑尺寸的影响也是通过温度对材料硬化指数的影 响而起作用的。温度降低，微坑尺寸变小（见图）（图（图 P38 示示 42 意图）意图）。 微坑尺寸还受应变速率的影响。应

29、变速率提高微坑尺 寸变小。还有研究报道过，材料的断裂韧性值越大，微坑 也越大。 微坑尺寸还受应变速率的影响。应变速率提高微坑尺 寸变小。还有研究报道过，材料的断裂韧性值越大，微坑 也越大。 4-3 晶间断裂的断口微观特征晶间断裂的断口微观特征 晶间断裂（沿晶断裂）是多晶体沿晶粒连界面彼此分 离。氢脆、应力腐蚀、蠕变、回火脆性及焊缝接头的热裂 纹常常是晶间断裂。根据大量金相磨片的实验观察，晶间 断口最基本的微观特征是有晶界刻面（即小平面）的冰糖 状形貌。 晶间断裂（沿晶断裂）是多晶体沿晶粒连界面彼此分 离。氢脆、应力腐蚀、蠕变、回火脆性及焊缝接头的热裂 纹常常是晶间断裂。根据大量金相磨片的实验观

30、察，晶间 断口最基本的微观特征是有晶界刻面（即小平面）的冰糖 状形貌。 产生晶间断裂的原因通常有三种情况： （产生晶间断裂的原因通常有三种情况： （1）晶界上存 在脆性沉淀相； （ ）晶界上存 在脆性沉淀相； （2）晶间弱化； （）晶间弱化； （3）晶界与环境相互作用， 优先沿晶界断裂。 ）晶界与环境相互作用， 优先沿晶界断裂。 一、晶界上存在脆性沉淀相一、晶界上存在脆性沉淀相 例如奥氏体例如奥氏体 Cr-Ni 钢碳 化物沿晶界析出，引起晶界脆化。晶界上存在不连续的碳 化物网或颗粒引起晶界断裂。痕量的 钢碳 化物沿晶界析出，引起晶界脆化。晶界上存在不连续的碳 化物网或颗粒引起晶界断裂。痕量的

31、C、N 或或 O 在晶界上 也能造成脆性的第二相薄膜而导致断裂。 在晶界上 也能造成脆性的第二相薄膜而导致断裂。 二、晶界弱化二、晶界弱化 最典型的例子是合金钢的高温回火脆 性（ 最典型的例子是合金钢的高温回火脆 性（350650）断裂是沿原奥氏体晶粒的晶界发生。有人 用俄歇电子发射分析仪测定了各种合金钢回火脆化的晶间 断裂断口表面的薄层成分，发现 ）断裂是沿原奥氏体晶粒的晶界发生。有人 用俄歇电子发射分析仪测定了各种合金钢回火脆化的晶间 断裂断口表面的薄层成分，发现 Sn、Sb、P 等杂质元素在 高温回火后缓慢慢冷却过程中向原奥氏体晶界偏聚，它的 浓度比钢中的平均浓度高出 等杂质元素在 高温

32、回火后缓慢慢冷却过程中向原奥氏体晶界偏聚，它的 浓度比钢中的平均浓度高出 5001000 倍，从而降低了晶界 上的断裂强度，这是产生回火脆性的主要原因。 倍，从而降低了晶界 上的断裂强度，这是产生回火脆性的主要原因。Ni、Cr 等 元素一方面促进杂质元素的偏聚，同时它们本身也向晶界 等 元素一方面促进杂质元素的偏聚，同时它们本身也向晶界 43 偏聚，从而进一步降低了晶界的断裂强度，增大回火脆性。 氢脆所引起的高强度钢脆断，也常是晶间断裂。这种断口 的晶界面上看不到第二相粒子，所以也可认为氢起弱化晶 界的作用，使钢在很低的应力下断裂。 偏聚，从而进一步降低了晶界的断裂强度，增大回火脆性。 氢脆所

33、引起的高强度钢脆断，也常是晶间断裂。这种断口 的晶界面上看不到第二相粒子，所以也可认为氢起弱化晶 界的作用，使钢在很低的应力下断裂。 三、环境引起的晶界断裂三、环境引起的晶界断裂 在环境作用下，晶界脆化 或沿晶界优先腐蚀等引起的晶间断裂。常见的有应力腐蚀 等。蠕变断裂也是常见的晶间断裂。 （蠕变断口上有很厚的 氧化膜，往往掩盖了断口形貌的细节，所以对它的研究不 充分） 。总的说来，蠕变断裂是通过晶界上形成空洞，并不 断长大，聚集连接而进行的。所以其断口既有晶界小平面 晶间断裂特征，又有许多微坑。 在环境作用下，晶界脆化 或沿晶界优先腐蚀等引起的晶间断裂。常见的有应力腐蚀 等。蠕变断裂也是常见的

34、晶间断裂。 （蠕变断口上有很厚的 氧化膜，往往掩盖了断口形貌的细节，所以对它的研究不 充分） 。总的说来，蠕变断裂是通过晶界上形成空洞，并不 断长大，聚集连接而进行的。所以其断口既有晶界小平面 晶间断裂特征，又有许多微坑。 通常晶间断裂总是脆性断裂。但某些材料如铝合金的 晶间断裂以及蠕变晶间断裂却显示出很大的塑性。这时尽 管断裂的路线沿晶界，但却通过显微空洞的形成和聚集而 进行，它的断口除呈现晶间断裂特征外，还有微坑。这种 晶间断裂叫做“韧性晶间断裂” 通常晶间断裂总是脆性断裂。但某些材料如铝合金的 晶间断裂以及蠕变晶间断裂却显示出很大的塑性。这时尽 管断裂的路线沿晶界，但却通过显微空洞的形成

35、和聚集而 进行，它的断口除呈现晶间断裂特征外，还有微坑。这种 晶间断裂叫做“韧性晶间断裂”（图照片）（图照片）。 晶间断裂的四种典型例子示意图晶间断裂的四种典型例子示意图（图（图 P39 示意图）示意图）： 1微孔型晶间断裂：显示出很大塑性。尽管断裂的路 线沿晶界，但却通过显微空洞的形成和聚集而进行韧 性晶间断裂。 微孔型晶间断裂：显示出很大塑性。尽管断裂的路 线沿晶界，但却通过显微空洞的形成和聚集而进行韧 性晶间断裂。 2非微坑型晶间断裂：冰糖状特征（晶间断裂的最基 本的微观特征） 。 非微坑型晶间断裂：冰糖状特征（晶间断裂的最基 本的微观特征） 。 3 （非微坑型）沿连续的第二相网状物质的

36、晶间断裂 当晶界上存在连续的网状第二相物质，而断裂又沿相 界面进行时，则断口较为光滑，不呈冰糖状。在断口上可 （非微坑型）沿连续的第二相网状物质的晶间断裂 当晶界上存在连续的网状第二相物质，而断裂又沿相 界面进行时，则断口较为光滑，不呈冰糖状。在断口上可 见到网状第二相物质。见到网状第二相物质。 4长晶粒的晶间断裂（非微坑型）晶粒因压延加 二而被拉长，其断裂路线又是沿着这种相当大的扁平的长 晶界进行时，断口将没有什么显著特征，仅是显出一些晶 界痕迹。 长晶粒的晶间断裂（非微坑型）晶粒因压延加 二而被拉长，其断裂路线又是沿着这种相当大的扁平的长 晶界进行时，断口将没有什么显著特征，仅是显出一些晶

37、 界痕迹。 晶间断裂有时也在疲劳载荷下发生，它的断口除呈现 晶间断裂特征外，还有疲劳花纹存在。 晶间断裂有时也在疲劳载荷下发生，它的断口除呈现 晶间断裂特征外，还有疲劳花纹存在。 第五章第五章 疲劳断口疲劳断口 金属材料（零件）在低于拉伸强度极限的交变应力作 用下，缓慢发生和扩展并导致突然破坏的过程，称为疲劳 破坏。 （疲劳破断）在机器和设备中，大部分零件的工作应 力，其大小和方向都是随时间而变化的，可能呈周期性有 规律的变化，也可能随时间任意无规律变化。所以疲劳破 坏是一种很普遍现象，长期以来一直引起人们重视。对疲 劳破坏过程的观察和分析，积累和归纳了许多规律；直到 用断裂金相学和断裂力学来

38、研究疲劳过程，才对此复杂过 程有较深刻认识。关于交变应力的特征可用下列参数表示： 最大应力；最小应力，应力幅 金属材料（零件）在低于拉伸强度极限的交变应力作 用下，缓慢发生和扩展并导致突然破坏的过程，称为疲劳 破坏。 （疲劳破断）在机器和设备中，大部分零件的工作应 力，其大小和方向都是随时间而变化的，可能呈周期性有 规律的变化，也可能随时间任意无规律变化。所以疲劳破 坏是一种很普遍现象，长期以来一直引起人们重视。对疲 劳破坏过程的观察和分析，积累和归纳了许多规律；直到 用断裂金相学和断裂力学来研究疲劳过程，才对此复杂过 程有较深刻认识。关于交变应力的特征可用下列参数表示： 最大应力；最小应力，

39、应力幅 max min 2 minmax = a ，平均应力，平均应力 2 minmax = m + ，应力对称系数，应力对称系数 max min = 。 疲劳破坏一般表现为无明显塑性变形的宏观脆性断 裂，如不用特殊探伤设备，无法预知损坏迹象，因此是十 分危险的。 疲劳破坏一般表现为无明显塑性变形的宏观脆性断 裂，如不用特殊探伤设备，无法预知损坏迹象，因此是十 分危险的。 5-1 疲劳断口的宏观分析疲劳断口的宏观分析 44 典型的疲劳断口中表现为三个区域：疲劳核心区、疲 劳裂纹扩展区、瞬时破断区（即最终快速断裂区） 。 典型的疲劳断口中表现为三个区域：疲劳核心区、疲 劳裂纹扩展区、瞬时破断区（

40、即最终快速断裂区） 。 45 一、疲劳核心区一、疲劳核心区 疲劳破坏的起点，一般发生在表 面。裂纹形核后，在初始阶段长大较慢。交变载荷的作用， 使裂开的相对两表面互相摩擦，因而疲劳核心区较光亮。 仔细观察疲劳核心区是以裂纹源为焦点的非常光滑，非常 细洁的裂纹扩展的狭小区域（尽管这区域从本质上看，应 属于疲劳裂纹扩展区，但习惯称为“疲劳源区”裂纹 源的宏观位置） 。 疲劳破坏的起点，一般发生在表 面。裂纹形核后，在初始阶段长大较慢。交变载荷的作用， 使裂开的相对两表面互相摩擦，因而疲劳核心区较光亮。 仔细观察疲劳核心区是以裂纹源为焦点的非常光滑，非常 细洁的裂纹扩展的狭小区域（尽管这区域从本质上

41、看，应 属于疲劳裂纹扩展区，但习惯称为“疲劳源区”裂纹 源的宏观位置） 。 裂纹也可以在表面下层的内部缺陷、夹杂、空洞、化 学成分偏析或应力集中处形成。疲劳源（核心数）可不止 一个，特别是低周疲劳，其应变幅值较大，断口上常有几 个位于不同位置的疲劳核心。宏观上疲劳核心区包括裂纹 形成部位和裂纹进一步扩展的一部份。同时存在几个疲劳 源的断裂面，可根据贝纹线的密度和源区光亮度来确定疲 劳源的顺序。贝纹线越大，越光亮者，其起源时间就越早。 裂纹也可以在表面下层的内部缺陷、夹杂、空洞、化 学成分偏析或应力集中处形成。疲劳源（核心数）可不止 一个，特别是低周疲劳，其应变幅值较大，断口上常有几 个位于不同

42、位置的疲劳核心。宏观上疲劳核心区包括裂纹 形成部位和裂纹进一步扩展的一部份。同时存在几个疲劳 源的断裂面，可根据贝纹线的密度和源区光亮度来确定疲 劳源的顺序。贝纹线越大，越光亮者，其起源时间就越早。 二、疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口上最重要的特征区 域。这一部分在断口中占较大面积，且外加载荷越低。它 的面积就越大。它最典型的特征是平行的贝壳状花样，又 称海滩花样，贝纹状“年轮” 。这种贝纹状推进线是疲劳裂 纹扩展时前沿线的痕迹，总保持与裂纹前进方向垂直。 （但 应注意不要与微观断口上的疲劳纹相混！ ）这种海滩花样有 时也称“停歇线” ，它标志着载荷的变化，频率的变化，或 机器开动或停止时疲劳裂纹

43、扩展过程中所留下的痕迹，它 常见于低应力高周期疲劳断口。贝纹弧线的内侧方向是疲 劳源的所在位置，而向外凸出侧为疲劳裂纹扩展方向。对 于低周期疲劳，则观察不到此种贝纹状推进线。 二、疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口上最重要的特征区 域。这一部分在断口中占较大面积，且外加载荷越低。它 的面积就越大。它最典型的特征是平行的贝壳状花样，又 称海滩花样，贝纹状“年轮” 。这种贝纹状推进线是疲劳裂 纹扩展时前沿线的痕迹，总保持与裂纹前进方向垂直。 （但 应注意不要与微观断口上的疲劳纹相混！ ）这种海滩花样有 时也称“停歇线” ，它标志着载荷的变化，频率的变化，或 机器开动或停止时疲劳裂纹扩展过程中所留下的痕迹，

44、它 常见于低应力高周期疲劳断口。贝纹弧线的内侧方向是疲 劳源的所在位置，而向外凸出侧为疲劳裂纹扩展方向。对 于低周期疲劳，则观察不到此种贝纹状推进线。 46 三、瞬时破断区：也称最终断裂区，过载破断区。当 疲劳裂纹逐渐长大至所加载荷下的临界尺寸时，便产生裂 纹的失稳扩展，构成最后断裂。瞬断区的宏观特征，根据 材料性能不同而各异，若为塑性材料，则此区为纤维状加 剪切唇断口，若为脆性材料，则为结晶状或其它脆性类型 的断口。 三、瞬时破断区：也称最终断裂区，过载破断区。当 疲劳裂纹逐渐长大至所加载荷下的临界尺寸时，便产生裂 纹的失稳扩展，构成最后断裂。瞬断区的宏观特征，根据 材料性能不同而各异，若为

45、塑性材料，则此区为纤维状加 剪切唇断口，若为脆性材料，则为结晶状或其它脆性类型 的断口。 根据瞬断区大小可初步判断材料的韧性好坏。若瞬断 区面积小，表示材料韧性较好。 根据瞬断区大小可初步判断材料的韧性好坏。若瞬断 区面积小，表示材料韧性较好。 若疲劳核心区和疲劳裂纹扩展区光亮度小，粗糙度较 大，贝纹线的间隔较大，疲劳源的个数较多，这些可能是 较高的过负荷和较高应力集中所致。 若疲劳核心区和疲劳裂纹扩展区光亮度小，粗糙度较 大，贝纹线的间隔较大，疲劳源的个数较多，这些可能是 较高的过负荷和较高应力集中所致。 疲劳断口按其载荷类型可分为：弯曲疲劳断口，扭转 疲劳断口，轴向（拉拉、拉压或脉动）疲劳

46、断口，以 及复合疲劳断口。其中以弯曲疲劳断口最多见，纯粹的轴 向疲劳断口较少。导致疲劳断裂的载荷类型不同，其疲劳 断口形态也不一样。 疲劳断口按其载荷类型可分为：弯曲疲劳断口，扭转 疲劳断口，轴向（拉拉、拉压或脉动）疲劳断口，以 及复合疲劳断口。其中以弯曲疲劳断口最多见，纯粹的轴 向疲劳断口较少。导致疲劳断裂的载荷类型不同，其疲劳 断口形态也不一样。 1弯曲疲劳断口弯曲疲劳断口 受弯曲疲劳载荷时，零件的应力 表面最大中心最小，所以疲劳核心总在表面形成，然后沿 着与最大正应力相垂直的方向扩展，当裂纹达到临界尺寸 时，零件迅速破坏。弯曲疲劳又可分为：单向弯曲、双向 弯曲和旋转弯曲疲劳三种。 受弯曲

47、疲劳载荷时，零件的应力 表面最大中心最小，所以疲劳核心总在表面形成，然后沿 着与最大正应力相垂直的方向扩展，当裂纹达到临界尺寸 时，零件迅速破坏。弯曲疲劳又可分为：单向弯曲、双向 弯曲和旋转弯曲疲劳三种。（图（图 P42 示意图示意图 1、2、3） 2轴向疲劳断口：轴向施加疲劳载荷，其截面上的应 力分布是均匀的。疲劳核心往往在内部三向应力状态下的 某一缺陷处，如蒸汽锤活塞杆的疲劳断口 轴向疲劳断口：轴向施加疲劳载荷，其截面上的应 力分布是均匀的。疲劳核心往往在内部三向应力状态下的 某一缺陷处，如蒸汽锤活塞杆的疲劳断口（图（图 P42 示意图）示意图）， 其断口中央光滑的圆形区域为疲劳区，疲劳核

48、心位于疲劳 ， 其断口中央光滑的圆形区域为疲劳区，疲劳核心位于疲劳 47 区中心，外侧为瞬时断裂区。 （示意图）此外，疲劳核心也 可能在表面应力集中处。 区中心，外侧为瞬时断裂区。 （示意图）此外，疲劳核心也 可能在表面应力集中处。 【疲劳极限：在疲劳载荷下，能经受【疲劳极限：在疲劳载荷下，能经受 107应力循环而不 断裂的最大应力】 应力循环而不 断裂的最大应力】 （1）高载荷（高应力）轴向拉压疲劳断口：工作应力 超过疲劳极限较多时，属于“高应力疲劳” 。对光滑试样， 由于应力集中较小，裂纹从裂纹源向四周扩展速度基本相 同， 在高载荷下， 疲劳破断区小， 瞬时破断区大。 ）高载荷（高应力）轴

49、向拉压疲劳断口：工作应力 超过疲劳极限较多时，属于“高应力疲劳” 。对光滑试样， 由于应力集中较小，裂纹从裂纹源向四周扩展速度基本相 同， 在高载荷下， 疲劳破断区小， 瞬时破断区大。（P42 图图 1）， 若有缺口，则由于缺口根部应力集中较严重，故二侧裂纹 扩展较快， ， 若有缺口，则由于缺口根部应力集中较严重，故二侧裂纹 扩展较快，（P42 图图 2、3）。板状试样，则疲劳核心发生在应力 集中较大的棱角处 。板状试样，则疲劳核心发生在应力 集中较大的棱角处（P42 图图 4）。若二侧有缺口，则如图。若二侧有缺口，则如图 5 所 示 所 示（P42 图图 5）。 （2）低应力轴向拉压疲劳断口工作应力低于或超 过疲劳极限不多时，属于“低应力疲劳” 。 ，其断口最大特 点是疲劳裂纹扩展充分，故疲劳扩展区大，瞬时破断区小， 寿命长，实际零件上常有贝