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      最全的金屬材料失效分析匯總
      2021-08-06 10:55:59 作者:材易通 來源:材易通 分享至:

       失效分析定義


      對裝備及其構件在使用過程中發生各種形式失效現象的特征及規律進行分析研究,從中找出產生失效的主要原因及防止失效的措施,稱為失效分析。

      金屬材料的失效形式及失效原因密切相關,失效形式是材料失效過程的表觀特征,可以通過適當的方式進行觀察。而失效原因是導致構件失效的物理化學機制,需要通過失效過程調研研究及對失效件的宏觀、微觀分析來診斷和論證。

       
      失效分析與其他生產環節之間的關系


      失效分析與其他學科的關系 

       
       
      失效分類

      材料在各種工程應用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等,其中斷裂失效的危害性最大。


      失效形式的分類

      彈性變形失效:當應力或溫度引起材料可恢復的彈性變形大到足以影響裝備正常發揮預定的功能時,就出現彈性變形失效。

      塑性變形失效:當受載荷的材料產生不可恢復的塑性變形大到足以影響裝備正常發揮預定的功能時,就出現塑性變形失效。

      韌性斷裂失效:材料在斷裂之前產生顯著地宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。

      脆性斷裂失效:材料在斷裂之前沒有發生或很少發生宏觀可見的塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。

      疲勞斷裂失效:材料在交變載荷作用下,經過一定的周期后所發生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。

      腐蝕失效:腐蝕是材料表面與服役環境發生物理或化學的反應,使材料發生損壞或變質的現象,材料發生的腐蝕使其不能發揮正常的功能則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式,有均勻遍及材料表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現的局部腐蝕,局部腐蝕又分為點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

      磨損失效:當材料表現相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運動時,由于物理和化學的作用,材料表面的形狀、尺寸或質量發生變化的過程,稱為磨損。由磨損而導致構件功能喪失,稱為磨損失效。磨損有多種形式,其中常見粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微動磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。


      金屬材料失效具體形式
       
       
       

      失效原因分析

      設計不合理

      其中結構或形狀不合理,材料存在缺口、小圓弧轉角、不同形狀過渡區等高應力區,未能恰當設計引起的失效比較常見??傊?,設計中的過載荷、應力集中、結構選擇不當、安全系數過?。ㄗ非筝p巧和高速度)及配合不合適等都會導致構件及裝備失效。構件及裝備的設計要有足夠的強度、剛度、穩定性,結構設計要合理。

      分析設計原因引起的失效尤其要注意:對復雜構件未作可靠的應力計算;或對構件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小未作考慮;甚至于對工作載荷確定和應力分析準確的構件來說,如果只考慮拉伸強度和屈服強度數據的靜載荷能力,而忽視了脆性斷裂、低循環疲勞、應力腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效,都會在設計上造成嚴重的錯誤。

      選材不當及材料缺陷

      金屬裝備及構件的材料選擇要遵循使用性原則、加工工藝性能原則及經濟性原則,首先要考慮遵循使用性原則。使在特定環境中的構件,對可預見的失效形式要為其選擇足夠的抵抗失效的能力。如對韌性材料可能產生的屈服變形或斷裂,應該選擇足夠的拉伸強度和屈服強度;但對可能產生的脆性斷裂、疲勞及應力腐蝕開裂的環境條件,高強度的材料往往適得

      其反。在符合使用性能的原則下選取的結構材料,對構件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構件使用性能、加工工藝性能要求的前題下,經濟性也是必須考慮。

      制造工藝不合理

      金屬裝備及其構件往往要經過機加工(車、銑、刨、磨、鉆等)、熱冷變形(沖、壓、卷、彎等)、焊接、裝配等制造工藝過程。若工藝規范制訂不合理,則金屬設備或構件在這些加工成形過程中,往往會留下各種各樣的缺陷。如機加工常出現的圓角過小、倒角尖銳、裂紋、劃痕;冷熱成形的表面凹凸不平、不直度、不圓度和裂紋;在焊接時可能產生的焊縫表面缺陷(咬邊、焊縫凹陷、焊縫過高)、焊接裂紋、焊縫內部缺陷(未焊透、氣孔、夾渣),焊接的熱影響區更因在焊接過程經受的溫度不同,使其發生組織轉變不同,有可能產生組織脆化和裂紋等缺陷;組裝的錯位、不同心度、不對中及強行組裝留下較大的內應力等。所有這些缺陷如超過限度則會導致構件以及裝備早期失效。

      使用操作不當和維修不當

      使用操作不當時金屬裝備失效的重要原因之一,如違章操作,超載、超溫、超速;缺乏經驗、判斷錯誤;無知和訓練不夠;主觀臆測、責任心不強、粗心大意等都是不安全的行為。某時期統計260 次壓力容器和鍋爐事故中,操作事故194 次,占74.5% 。裝備是要進行定期維修和保養的,如對裝備的檢查、檢修和更換不及時或沒有采取適當的修理、防護措施,也會引起裝備早期失效。

      引起失效的原因分析


      引起失效的常見缺陷

      鑄態金屬組織缺陷

      鑄態金屬常見的組織缺陷有縮孔、疏松、偏忻、內裂紋、氣泡和白點等。

      縮孔

      金屬在冷凝過程中由于體積的收縮而在鑄錠或鑄件心部形成管狀(或喇叭狀)或分散的孔洞,稱為縮孔??s孔的相對體積與與液態金屬的溫度、冷卻條件以及鑄件的大小等有關。液態金屬的溫度越高,則液體與固體之間的體積差越大,而縮孔的體積也越大。向薄壁鑄型中澆注金屬時,型壁越薄、則受熱越快,液態金屬越不易冷卻,在剛澆完鑄型時,液態金屬的體積也越大,金屬冷凝后的縮孔也就越大。

      疏松

      在急速冷卻的條件下澆注金屬,可避免在鑄錠上部形成集中縮孔,但此時液體金屬與固態金屬之間的體積差仍保持一定的數值,雖然在表面上似乎已經消除了大的縮孔,可是有許多細小縮孔即疏松,分布在金屬的整個體積中。

      鋼材在鍛造和軋制過程中,疏松情況可得到很大程度的改善,但若由于原鋼錠的疏松較為嚴重、壓縮比不足等原因,則在熱加工后較嚴重的疏松仍會存在。此外,當原鋼錠中存在著較多的氣泡,而在熱軋過程中焊合不良,或沸騰鋼中的氣泡分布不良,以致影響焊合,亦可能形成疏松。

      疏松的存在具有較大的危害性,主要有以下幾種:(1)在鑄件中,由于疏松的存在,顯著降低其力學性能,可能使其在使用過程中成為疲勞源而發生斷裂。在用作液體容器或管道的鑄件中,有時會存在基本上相互連接的疏松,以致不能通過水壓試驗,或在使用過程中發生滲漏現象;(2)鋼材中如存在疏松,亦會降低其力學性能,但因在熱加工過程中一般能減少或消除疏松,故疏松對鋼材性能的影響比鑄件的??;(3)金屬中存在較嚴重的疏松,對機械加工后的表面粗糙度有一定的影響。

      偏析

      金屬在冷凝過程中,由于某些因素的影響而形成的化學成分不均勻現象稱為偏析。偏析分為晶內偏析、晶間偏析、區域偏析、比重偏析。

      由于擴散不足,在凝固后的金屬中,便存在晶體范圍內的成分不均勻現象,即晶內偏析?;谕辉?,在固溶體金屬中,后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會不同,即晶間偏析。碳化物偏析是一種晶間偏析。

      在澆注鑄鍵(或鑄件)時,由于通過鑄型壁強烈的定向散熱,在進行著凝固的合金內便形成一個較大的溫差。結果就必然導致外層區域富集高熔點組元,而心部則富集低熔點組元,同時也富集著凝固時析出的非金屬雜質和氣體等。這種偏析稱為區域偏析。

      在金屬冷凝過程中,如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時,這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮,所形成的化學成分不均勻現象,稱為比重偏析。晶體與余下的溶液之間的密度差越大,比重偏析越大。這種密度差取決于金屬組元的密度差,以及晶體與溶液之間的成分差。如果冷卻越緩慢,隨著溫度降低初生晶體數量的增加越緩慢,則晶體在溶液中能自由浮沉的溫度范圍越大,因而比重偏析也越強烈。

      氣泡

      金屬在熔融狀態時能溶解大量的氣體,在冷凝過程中因溶解度隨溫度的降低而急劇減小,致使氣體從液態金屬中釋放出來。若此時金屬已完全凝固,則剩下的氣體不易逸出,有一部分就包容在還處于塑性狀態的金屬中,于是形成氣孔,則稱其為氣泡。

      氣泡的有害影響表現如下:(1)氣泡減少金屬鑄件的有效截面,由于其缺口效應,大大降低了材料的強度;(2)當鑄錠表面存在著氣泡時,在熱鍛加熱時可能被氧化,在隨后的鍛壓過程中不能焊合而形成細紋或裂縫;(3)在沸騰鋼及某些合金中,由于氣泡的存在還可能產生偏析導致裂縫。

      白點

      在經侵蝕后的橫向截面上,呈現較多短小的不連續的發絲狀裂縫;而在縱向斷面上會發現表面光滑、銀白色的圓形或橢圓形的斑點,這種缺陷稱為白點。

      白點最容易產生在鎳、鉻、錳作為合金元素的合金結構鋼及低合金工具鋼中。奧氏體鋼及萊氏體鋼中,從未發現過白點;鑄鋼中也可能發現白點,但極為罕見;焊接工件的熔焊金屬中偶爾也會產生白點。白點的產生與鋼材的尺寸也有一定的關系,橫截面的直徑或厚度小于30mm的鋼材不易產生白點。

      通常具有白點的鋼材縱向抗拉強度與彈性極限降低并不多,但伸長率則顯著降低,尤其是斷面收縮率與沖擊韌性降低得更多,有時可能接近于零。且這種鋼材的橫向力學性能比縱向力學性能降低得多。因此具有白點的鋼材一般不能使用。

      引起失效的常見缺陷

      金屬鍛造及軋制件缺陷

      粗大的魏氏體組織

      在熱軋或停鍛溫度較高時,由于奧氏體晶粒粗大,在隨后冷卻時的先析出物沿晶界析出,并以一定方向向晶粒內部生長,或平行排列,或成一定角度。這種形貌稱為魏氏體組織。先析出物與鋼的成分有關,亞共析鋼為鐵素體,過共析鋼為滲碳體。魏氏體組織因其組織粗大而使材料脆性增加,強度下降。比較重要的工件不允許魏氏體組織存在。

      網狀碳化物及帶狀組織

      對于工具鋼,鍛造和軋制的目的不但是使毛坯成型,更重要的是使其內部的碳化物碎化和分布均勻。

      鋼材表層脫碳

      鋼加熱時,金屬表層的碳原子燒損,使金屬表層碳成分低于內層,這種現場稱為脫碳,降低碳量后的表面層叫做脫碳層。脫碳層的硬度、強度較低,受力時易開裂而成為裂源。大多數零件,特別是要求強度高、受彎曲力作用的零件,要避免脫碳層。因此鍛、軋的鋼件隨后應安排去除脫碳層的切削加工。

      折疊

      折疊通常是由于材料表面在前一道鍛、軋中所產生的尖角或耳子,在隨后的鍛、軋時壓入金屬本身而形成。鋼材表面的折疊,可采用機械加工的方法進行去除。

      劃痕

      在生產、運輸等過程中,鋼材表面受到機械刮傷形成的溝痕,稱為劃痕,也叫刮傷或擦傷。劃痕缺陷的存在,能降低金屬的強度;對薄鋼板,除降低強度外,還會像切口一樣地造成應力集中而導致斷裂;尤其在壓制時,它會成為裂紋或裂紋擴展的中心。對于壓力容器來說,表面是不允許有嚴重的劃痕存在的,否則會成為使用過程中發生事故的起點。

      斑疤

      金屬錠及型材的表面由于處理不當,往往會造成粗糙不平的凹坑。這些凹坑是不深的, 一般只有2 ~3mm。因其形狀不規則,且大小不一,故稱這種粗糙不平的凹坑為結疤,也稱為斑疤。

      若結疤存在于板材上,尤其是主薄板上,則不僅能成為板材腐蝕的中心,在沖制時還會因此產生裂紋。此外,在制造彈簧等零件用的鋼材上,是不允許存在結疤缺陷的。因為結疤容易造成應力集中,導致疲勞裂紋的產生,大大地影響彈簧的壽命和安全性。

      表面裂紋

      鋼材表面出現的網狀龜裂或缺口,是由于鋼中硫高錳低引起熱脆,或因銅含量過高、鋼中非金屬夾雜物過多所致。

      分層

      由于非金屬夾雜、未焊合的內裂紋、殘余縮孔、氣孔等原因,使剪切后的鋼材斷面呈黑線或黑帶,將鋼材分離成兩層或多層的現象,稱為分層。

      引起失效的常見缺陷

      夾雜物及其對鋼性能的影響

      (1)夾雜物的分類

      鋼在加工變形中,各類夾雜物變形性不同,按其變形能力分為三類:

      脆性夾雜物

      一般指那些不具有塑性變形能力的簡單氧化物(Al2O3、Cr2O3、ZrO2等)、雙氧化物(如FeO·Al2O3、MgO·Al2O3、CaO·6 Al2O3)、碳化物(TiC)、氮化物(TiN、Ti(CN)AlN、VN等)和不變形的球狀或點狀夾雜物(如球狀鋁酸鈣和含SiO2較高的硅酸鹽等)。

      鋼中鋁硅鈣夾雜物具有較高的熔點和硬度,當壓力加工變形量增大時,鋁硅鈣被壓碎并沿著加工方向而呈串鏈狀分布,嚴重破壞了鋼基體均勻的連續性。

      塑性夾雜物

      這類夾雜物在鋼經受加工變形時具有良好的塑性,沿著鋼的流變方向延伸成條帶狀,屬于這類的夾雜物含SiO2量較低的鐵錳硅酸鹽、硫化錳(MnS)、(Fe, Mn)S等。夾雜物與鋼基體之間的交界面處結合很好,產生裂紋的傾向性較小。

      半塑性變形的夾雜物

      一般指各種復合的鋁硅酸鹽夾雜物,復合夾雜物中的基體,在熱加工變形過程中產生塑性變形,但分布在基體中的夾雜物(如CaO·Al2O3、尖晶石型的雙氧化物等)不變形,基體夾雜物隨著鋼基體的變形而延伸,而脆性夾雜物不變形,仍保持原來的幾何形狀,因此將阻礙鄰近的塑性夾雜物自由延伸,而遠離脆性夾雜物的部分沿著鋼基體的變形方向自由延伸。

      (2)夾雜物對鋼性能的影響

      大量試驗事實說明夾雜物對鋼的強度影響較小,對鋼的韌性危害較大,其危害程度又隨鋼的強度的增高而增加。

      夾雜物變形性對鋼性能的影響

      鋼中非金屬夾雜物的變形行為與鋼基休之間的關系,可用夾雜物與鋼基體之間的相對變形量來表示,即夾雜物的變形率v ,夾雜物的變形率可在v=0~1這個范圍受化,若變形率低,鋼經加工變形后。由于鋼產生塑性變形,而夾雜物基本不變形,便在夾雜物和鋼基體的交界處產生應力集中,導致在鋼與夾雜物的交界處產生微裂紋,這些微裂紋便成為零件在使用過程中引起疲勞破壞的隱患。

      夾雜物引起應力集中

      夾雜物的熱膨脹系數越小,形成的拉應力越大,對鋼的危害越大。在高溫下加工變形時,夾雜物與鋼基體熱收縮的差別,使裂紋在交界面處產生。它很可能成為留住基體中潛在的疲勞破壞源。危害性最大的夾雜物是來源于爐渣和耐火材料的外來氧化物。

      夾雜物與鋼的韌性

      超高強度鋼和碳鋼中MnS夾雜物的含量對強度無明顯影響,但可使韌性降低。其中斷裂韌性隨硫含量增加而降低,具有明顯的規律性。

      從夾雜物類型比較,硫化物對韌性的影響大于氮化物,在氮化物中ZrN 對韌性的危害較小,夾雜物類型不同而含量相近的情況下,變形成長條狀的MnS對斷裂韌性影響大于不變形的硫化物(Ti-S , Zr-S) 。

      串狀或球狀硫化物對ψ和A kV 均不利,就對短橫試樣的危害而言,串狀比球狀危害更嚴重。

      引起失效的常見缺陷

      金屬焊接缺陷

      焊接缺陷的種類很多,按其在焊縫中所處的位置可分為外部缺陷和內部缺陷兩大類。外部缺陷也叫外觀缺陷。外部缺陷位于焊縫表面,借用肉眼或低倍放大鏡就能觀察到。內部缺陷位于焊縫的內部,必須應用破壞性檢驗或專門無損檢驗方法才能發現。


      焊接缺陷分類

      焊接區域示意圖

      焊縫尺寸不符合要求

      焊縫尺寸不符合要求包括:焊縫外形高低不平、焊道寬窄不齊、焊縫余高過大或過小、焊縫寬度太寬或太窄、焊縫和母材之間的過渡不平滑等。


      原因分析:(1)焊縫坡口角度、寬度及組裝間隙不統一。(2)焊條直徑選擇不當,造成填充層過高,失去坡口輪廓線,使蓋面寬窄不一,焊縫過高,波紋粗劣。(3)背面清根刨縫質量差,焊道寬度不一。(4)焊接電流過大或過小,運條手法和角度不當以及焊速不均勻。

      危害性:尺寸過小的焊縫,會降低焊接接頭的強度;尺寸過大的焊縫,不僅浪費焊接材料,也會增大焊接結構的變形。焊縫金屬向母材的過渡處若不平滑,出現尖角,會造成應力集中,降低焊接結構的承載能力。

      預防措施:(1)采用自動和半自動切割機或刨邊機加工坡口。(2)焊縫組對間隙應控制在標準規范要求值以內,背面用碳弧氣刨清根后,采用砂輪修整刨槽及碳化層,使刨槽寬窄一致。(3)選用適當的焊接電流和焊條直徑,遵守焊接工藝,熟練掌握操作技術,保持焊速均勻;手工焊操作人員要熟練地掌握運條速度和焊條角度,以獲得成形美觀的焊縫。

      咬邊

      咬邊也稱“咬肉”,是電弧或火焰將焊縫邊緣的母材熔化后,沒有得到填充金屬的補充,而留下的凹陷或凹槽。咬邊是一種危險的缺陷,它不但減小了基本金屬的有效工作截面,而且在咬邊處還會造成應力集中。咬邊又是一種常見的缺陷,應該特別引起注意。

       

      焊瘤

      熔化金屬流淌到焊縫以外未熔化的母材上形成金屬瘤。該處常伴有局部未熔合,有時也稱滿溢。習慣上,還常將焊縫金屬的多余疙瘩部分稱為焊瘤。焊瘤處應力集中,還易伴生裂縫等缺陷;焊瘤也破壞了焊縫平整光滑的外形,管子內部的焊瘸,除降低強度外,還減小管道的有效截面,造成堵塞觀象。

      原因分析:(1)坡口邊緣污物未清理干凈;電流過大,熔池溫度過高,使液體金屬凝固較慢,在自重的作用下下墜而成;焊接速度太慢以及組對間隙太大等。(2)運條角度不當,操作不熟練。焊速過慢也極易產生焊瘤。

      預防措施:(1)焊接前應徹底清理坡口及其附近的臟物;組對間隙要合適;選擇適當的焊接電流和運條角度,熟練掌握操作技術,保持焊速均勻。(2)堿性焊條采用短弧焊接,極性反接。

      弧坑

      弧坑是焊接時,由于斷弧和收弧不當,在焊道末端形成的低洼部分,表面低凹深度大于0.5mm以上?;】拥陀诨窘饘俦砻?,降低了焊接接頭的承載能力,而且弧坑內常伴有氣孔、夾渣、微裂紋等缺陷。

      弧坑是由焊縫熔池金屬未填足,熄弧過快或電流過大(薄板時)而造成。預防措施:收弧過程中,焊條要在收弧處作短暫的停留或作回焊運條,使電弧不要突然熄滅、使焊條金屬填滿熔池。

      飛濺

      手工焊接時,在焊縫及其兩側母材上產生一般性飛濺和嚴重性熔合飛濺。一般性飛濺是手工焊接常見的焊接質量通??;但產生嚴重性熔合性飛濺,其危害甚大,它會增加母材局部表面淬硬組織,易產生硬化發生脆裂及加速局部腐蝕性等缺陷。


      弧疤

      電弧擦傷也叫弧疤或弧斑,多是由于偶然不慎使焊條或焊把與焊接工件接觸,或地線與工件接觸不良短暫地引起電孤,而在焊接工件表面留下的傷痕,形成許多小圓孔和凹坑。

      電弧擦傷處由于電弧的短暫引燃與急速熄滅,冷卻速度快,在易淬火鋼及低溫鋼的工件上,會形成脆性淬硬組織,可能成為脆性破壞的起源點。在不銹鋼等有耐腐蝕性能要求的工件上,電弧擦傷會成腐蝕的起始點,降低材料的性能。

      原因分析:操作不慎,使焊條或焊把裸露部分與非焊接部位接觸,短暫地引起電弧,將母材表面擦傷,形成許多小圓孔和凹坑。

      預防措施:(1)精心操作,避免帶電的焊條或焊把裸露部分與非焊接區域母材相碰引起電弧。(2)不得在非焊接部位隨意引弧或試電流,引弧應在引弧板上或在焊道破口內進行。(3)地線與母材應緊固良好。

      氣孔

      氣孔是焊接熔池中氣體在凝固時未能逸出,而殘留在焊縫中所形成的空穴。根據孔穴產生的部位,可分為外部氣孔和內部氣孔;根據分布情況,氣孔又可分為單個氣孔、連續氣孔和密集氣孔等。存在于焊縫內的氣孔,減小了金屬的有效截面,從而使焊接接頭的強度降低;氣孔的邊緣可能發生應力集中,密集氣孔使焊縫組織疏松,使接頭的塑性降低;貫通性氣孔破壞了焊縫的致密性,造成滲漏。焊縫中的氫氣孔還有可能導致裂縫的產生和擴展。


      夾渣

      夾渣是焊后殘留在焊縫中的熔渣,有的夾在焊縫內部,有的夾在表面溝槽內。

      焊縫中的夾渣,降低了接頭的承載能力,容易引起應力集中;影響了焊縫金屬的致密性,還可能造成焊縫的滲漏,由于夾雜物與焊縫金屬的線膨脹系數相差懸殊,溫度劇烈變化時,有可能產生較大應力而導致裂縫。


      未焊透

      未焊透是焊接時接頭根部未完全熔化而留下的間隙的現象。

      未焊透降低了接頭的機械性能,同時由于未焊透部位的缺口及末端會產生嚴重的應力集中,導致產生裂縫。

       

      未熔合

      未熔合是指焊縫金屬和母材之間或焊道金屬和焊道金屬之間未完全熔化和結合的部分,它可以分為側壁未熔合、層間未熔合和焊縫根部未熔合。

      未熔合減少了接頭承載的有效截面,降低了機械強度。


      裂紋

      在焊縫或近縫區,由于焊接的影響,材料的原子結合遭到破壞,形成新的界面而產生的縫隙稱為焊接裂縫,它具有缺口尖銳和長寬比大的特征。

      裂縫按其產生的部位可分為縱向裂縫、橫向裂縫、弧坑裂縫、根部裂縫、熔合區裂縫及熱影響區裂縫等,按其產生的溫度和時間,又可分為熱裂縫、冷裂縫和再熱裂縫。

      熱裂紋在高溫下產生,而且都是沿奧氏體晶界開裂。

      焊縫在結晶過程中,固相線附近由于凝固金屬收縮時,殘余液相不足,致使沿晶界開裂,故稱結晶裂紋。結晶裂紋主要出現在含雜質較多的碳鋼焊縫中(特別是含硫、磷、硅、碳較多的鋼種焊縫)和單相奧氏體鋼、鐮基合金,以及某些鋁及鋁合金的焊縫中。

      高溫裂紋是指在焊接熱循環峰值溫度作用下,母材近峰區和多層焊縫的層間金屬中,由于含有低熔共晶組成物(如S、P、Si、Ni等)而被重新熔化,在收縮應力作用下,沿奧氏體晶間發生開裂。

      多邊化裂紋:焊接時焊縫或近縫區在固相線溫度以下的高溫區間,由于剛凝固的金屬存在很多晶格缺陷(主要是位錯和空位)和嚴重的物理及化學的不均勻性,在一定的溫度和應力作用下,由于晶格缺陷的移動和聚集,便形成了二次邊界,即“多邊化邊界”,邊界上堆積了大量的晶格缺陷,造成組織疏松,高溫時的強度和塑性都很低,只要受少量的拉伸變形,就會沿著多邊化邊界開裂,產生多邊化裂紋,又稱高溫塑性裂紋。這種裂紋多發生純金屬或單向奧氏體合金的焊縫中或近縫區。

      再熱裂紋:在進行消除應力熱處理的過程中,在焊接熱影響區的粗晶部位產生裂紋,在重新加熱(熱處理)過程中產生的這種裂紋稱為再熱裂紋,也即雙裂紋。

      在消除應力熱處理過程中,熱影響區的粗晶區存在不同程度的應力集中,由于應力松弛所產生附加變形大于該部位的蠕變塑性,則產生再熱裂紋。再熱裂紋與熱裂紋雖然都是沿晶界開裂,但是再熱裂紋產生的本質與熱裂紋根本同,再熱裂紋只在一定的溫度區間(約550~650℃)敏感,而熱裂紋是發生在國相線附近。再熱裂紋多發生在低合金高強鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼,以及鎳基合金的焊接接頭中。

      冷裂紋

      冷裂紋是指在焊接接頭冷卻到較低溫度時(對于鋼來說在MS溫度,即奧氏體開始轉變為馬氏體的溫度以下)所產生的焊接裂紋。焊接冷裂紋包括淬硬脆化裂紋、延遲裂紋、低塑性脆化裂紋。

      最主要的冷裂紋為延遲裂紋(即在焊后延遲一段時間才發生的裂紋,因為氫是最活躍的誘發因素,而氫在金屬中擴散、聚集和誘發裂紋需要一定的時間)。

      淬硬傾向大的鋼在焊接熱循環作用下產生淬硬組織,在應力作用下產生裂紋。產生裂紋的敏感溫度在Ms附近,焊接接頭冷卻到一定溫度以下即出現裂紋,沒有延遲開裂特征。一些超高強度鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼具有較高的淬硬脆化裂紋敏感性。一些超高強度鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼具有較高的淬硬脆化裂紋敏感性。

      低塑性催化裂紋是指在被焊母材或焊縫金屬本身塑性過低,在焊接熱應力和拘束應力作用下,發生的應變大于其延性而產生的裂紋。低塑性脆化裂紋在焊接接頭冷卻到一定溫度以下即出現,多出現在焊縫和熱影響區表面,沒有延遲特征。鑄鐵、硬質合金堆焊容易產生低塑性脆化裂紋,高合金化鈦合金、鈦鋁金屬間化合物等航空材料也容易產生這類裂紋。


      Ti3Al合金焊接結構低塑性脆化裂紋

      層狀撕裂

      層狀撕裂屬低溫開裂,撕裂溫度不超過400 0C 。層狀撕裂與一般的冷裂紋不同, 它主要是由于軋制鋼材的內部存在有分層的夾雜物(特別是硫化物夾雜物)和在焊接時產生的垂直軋制方向的應力, 致使焊接熱影響區附近或稍遠的地方產生呈“臺階”狀的層狀開裂,并具有穿晶發展。

      層狀撕裂主要發生在屈服強度較高的低合金高強鋼(或調質鋼)的厚板結構,如采油平臺、厚壁容器、潛艇等,且材質含有不同程度的夾雜物。層狀撕裂在T形接頭,十字接頭和角接頭比較多見。


       
       
      金屬熱處理產生的組織缺陷

      金屬熱處理缺陷指在熱處理生產過程中產生的使零件失去使用價值或不符合技術條件要求的各種補助,以及使熱處理以后的后續工序工藝性能變壞或降低使用性能的熱處理隱患。

      最危險的缺陷為裂紋,其中最主要的是淬火裂紋,其次是加熱裂紋、延遲裂紋、冷處理裂紋、回火裂紋、時效裂紋、磨削裂紋和電鍍裂紋等。

      導致淬火裂紋的原因:(1)原材料已有缺陷(冶金缺陷擴展成淬火裂紋);(2)原始組織不良(如鋼中粗大組織或魏氏組織傾向大);(3)夾雜物;(4)淬火溫度不當;(5)淬火時冷卻不當;(6)機械加工缺陷;(7)不及時回火。

      最常見的缺陷是變形,其中淬火變形占多數,產生的原因是相變和熱應力。

      殘余應力、組織不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷發生的頻率和嚴重性較低。

      內應力來源有兩個方面:(1)冷卻過程中零件表面與中心冷卻速率不同、其體積收縮在表面與中心也不一樣。這種由于溫度差而產生的體積收縮量不同所引起的內用力叫做“熱應力”;(2)鋼件在組織轉變時比體積發生變化,如奧氏體轉變為馬氏體時比體積增大。由于零件斷面上各處轉變的先后不同,其體積變化各處不同,由此引起額內應力稱作“組織應力”。

       

      金屬材料常見失效形式及其判斷

      金屬材料在各種工程應用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等。


      變形失效

      在常溫或溫度不高的情況下的變形失效主要由彈性變形失效和塑性變形失效。彈性變形失效主要是變形過量或喪失原設計的彈性功能,塑性失效一般是變形過量。在高溫下的變形失效有蠕變失效和熱松弛失效。

      應力-應變曲線

      1 彈性變形失效

      在彈性狀態下,固體材料吸收了加載的能量,依靠原子間距的變化而產生變形,但因未超過原子之間的結合力,當卸裁時,全部能量釋放,變形完全消失,恢復材料的原樣。要有好的彈性,應從提高材料的彈性極限及降低彈性模量入手。

      金屬彈性形變的特點:(1)可逆性,金屬材料的彈性變形具有可逆的性質,即加載時,卸載后恢復到原狀的性質;(2)單值性,金屬材料在彈性變形過程中,不論是加載階段還是卸載階段,只要在緩慢的加載條件下,應力與應變都保持正比的單值對應的線性關系,即符合胡克定律;(3)變形量很小,金屬的彈性變形主要發生在彈性階段,但在塑性階段也伴隨著發生定量的彈性交形。但兩個階段彈性變形的總量是很小的,加起來一般小于0.5%-1.0 %。

      構件產生的彈性變形量超過構件匹配所允許的數值,稱為過量的彈性變形失效,判斷方法如下:(1)失效的構件是否有嚴格的尺寸匹配要求,是否有高溫或低溫的工作條件;(2)注意觀察在正常工作時,構件互相不接觸,而又很靠近的表面上是否有劃傷、擦傷或磨損的痕跡。只要觀察到這種痕跡,而且構件停工時,構件相互間仍有間隙,便可作為判斷的依據;(3)在設計時是否考慮了彈性變形的影響及采取了相應的措施;(4)通過計算驗證是否有過量彈性變形的可能;(5)由于彈性變形是晶格的變形,可用X射線法測量金屬在受載時的晶格常數的變化驗證是否符合要求。

      當構件的彈性變形已不遵循變形可逆性、單值對應性及小變形量的特性時,則構件失去了彈性功能而失效。

      過載、超溫或材料變質是構件產生彈件變形失效的原因,預防措施如下:(1)選擇合適的材料或構件結構;(2)確定適當的構件匹配尺寸或變形的約束條件,對于拉壓變形的桿柱類零件、彎扭變形的軸類零件,其過量的彈性變形都會因構件喪失配合精度導致動作失誤,要求精確計算可能產生的彈性變形及變形約束而達到適當的配合尺寸;(3)采用減少變形影響的連接件,如皮帶傳動、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等。

      2 塑性變形失效

      塑性表示材料中的應力超過屈服極限后,能產生顯著的不可逆變形而未立即破壞的形態,這種顯著且不可逆的變形稱為塑性變形。通常反映材料塑性性能優劣的指標是伸長率δ和斷面收縮率φ。伸長率和斷而收縮率越高,則塑性越好。金屬的塑性變形一般可看作是晶體的缺陷運動。

      金屬塑性變形的特點:(1)不可逆性,金屬材料的塑性變形不可恢復,當材料應力等于或高于屈服極限后產生的變形,在卸裁后,其變形仍然保留在材料內。塑性變形的微觀機制表明,位錯運動及增殖使晶體實現一個晶面在另一個晶面上的逐步滑移,宏觀表面是卸載后塑性變形保留至可觀察及測量;(2)變形量不恒定,金屬是多晶體,各個晶粒取向不同,晶面滑移先后不同,各晶粒變形有不同時性及不均勻性。一個構件在各個部位的塑性變形量不相同,因而個別塑性變形量大的部位將出現材料的不連續(斷裂失效的裂源);(3)慢速變形,金屬的彈性變形以聲速傳播,但塑性變形的傳播很慢;(4)伴隨材料性能的變化,這主要因為塑性變形時金屬內部組織結構發生變化,由位錯運動及增殖實現了晶面的滑移,亞晶結構形成;晶粒歪扭,微裂紋等缺陷產生;如在材料加工中,隨塑性交形量增加,即產生了加工硬化,原因是位錯密度增加、位錯纏結、位錯運動相互作用及運動阻力增加,其宏觀表現就是應變硬化。   

      金屬構件產生的塑性變形量超過允許的數值稱為塑性變形失效,其變形失效判斷以影響構件執行正常功能為依據。

      材料塑性變形失效的主要原因是過載,使構件的受力過大,出現影響構件使用功能的過量的塑性變形。過載不僅是對構件承受的外載荷估計不足,還應該包括偏載引起局部應力、復雜結構應力計算誤差及應力集中、加工及熱處理產生殘余應力、材料微觀不均勻的附加應力等因素,使構件受力不均,局部區域的總應力超值。

      塑性變形失效預防措施:(1)合理選材,提高金屬材料抵抗塑性變形的能力,除了選擇合適的屈服強度的材料,還要保證金屬材料質量,控制組織狀態及冶金缺陷;(2)準確地確定構件的工作載荷,正確進行應力計算,合理選取安全系數及進行結構設計,減少應力集中及降低應力集中水平;(3)嚴格按照加工工藝規程對構件成形,減少殘余應力;(4)嚴禁構件運行超載;(5)監測腐蝕環境構件強度尺寸的減小。

      3 高溫作用下金屬材料的變形失效

      金屬構件在高溫長時間作用下,即使其應力值小于屈服強度,也會緩慢產生塑性變形,當該變形量超過規定的要求時,會導致構件的塑性變形失效。此時所稱的高溫為高于0.3Tm(Tm是以絕對溫度表示的金屬材料的熔點),一般情況下碳鋼構件在300℃以上,低合金強度鋼構件在400℃以上。

      蠕變變形失效

      金屬在長時間恒溫、恒載荷(即使應力小于該溫度下的屈服強度)作用下緩慢地產生塑性變形的現象稱為蠕變。由蠕變變形導致的材料的斷裂,稱為蠕變斷裂。由蠕變變形和斷裂機理可知,要提高蠕變極限,必須控制位錯攀移的速率;提高持久強度,則必須控制晶界的滑動和空位擴散。

      壓力容器的蠕變變形量一般規定在105h為1%,即蠕變速率為10-7 mm/(mm·h)。

      典型的蠕變曲線

      第一階段ab為減速蠕變階段又稱過渡蠕變階段,這一階段開始的蠕變速率很大,隨著時間延長蠕變速率逐漸減小,到b點蠕變速率達到最小值;

      第二階段bc為恒速蠕變階段又稱穩態蠕變階段,這一階段的特點是蠕變速率幾乎保持不變。一般所指的金屬蠕變速率,就是以這一階段的蠕變速率ε表示的。

      第三階段cd為加速蠕變階段隨著時間的延長,蠕變速率逐漸增大,到d點時產生蠕變斷裂。


      斷口宏觀特征

      斷口附近產生塑性變形,在變形區附近有很多裂紋(斷裂機件表面出現龜裂現象);

      高溫氧化,斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。


      斷口微觀特征

      冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌

      蠕變變形失效也是一種塑性變形失效,有塑性變形失效的特點,但蠕變失效也不一定是過載,只是載荷大時,蠕變變形失效的時間短,恒速蠕變階段蠕變速度大。高溫下不僅有蠕變變形引起的的構件外部尺寸的變化,還有金屬內部組織結構特有的變化,導致高溫力學性能下降、構件承載能力降、蠕變速度加快、失效加快。

      材料的蠕變性能常采用蠕變極限、持久強度、松弛穩定性等力學性能指標。

      蠕變極限是金屬材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力指標,是高溫材料、設計高溫下服役機件的主要依據之一。蠕變極限(MPa)表示方法有兩種,一種是在規定溫度下,使試樣在規定時間內產生規定穩態蠕變速率的最大應力;另一種是在規定溫度和時間下,使試樣在規定時間內產生規定蠕變伸長率的最大應力。

      持久強度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力,即材料在一定溫度和時間條件下,不發生蠕變斷裂的最大應力(蠕變極限指材料的變形抗力,持久強度表示材料的斷裂抗力)。某些材料與機件,蠕變變形很小,只要求在使用期內不發生斷裂(如鍋爐的過熱蒸汽管)。這時,就要用持久強度作為評價材料、機件使用的主要依據。

      應力松弛變形失效

      材料在恒變形條件下,隨著時間的延長,彈性應力逐漸降低的現象稱為應力松弛。金屬材料抵抗應力松弛的性能稱為松弛穩定性,可以通過應力松弛試驗測定的應力松弛曲線來評定。剩余應力是評定金屬材料應力松弛穩定性的指標。剩余應力越高,松弛溫度性越好。

      金屬的蠕變是在應力不變的條件下,構件不斷產生塑性變形的過程;而金屬的松弛守則是在總變形不變的條件下,構件彈性變形不斷轉為塑性變形從而使應力不斷降低得過程。


      第1階段:開始階段應力下降很快;

      第2階段:應力下降逐漸減緩的階段;

      松弛極限:在一定的初應力和溫度下,不再繼續發生松弛的剩余應力。

      預防高溫松弛失效的措施是選用松弛穩定性好的材料。對緊固性構件的實際使用也可以在構件使用過程中對其進行一次或多次再緊固,即在構件應力松弛到一定程度時重新緊固,這是經濟而又有效的方法。但要注意到再緊固會對松弛性能有所影響,因為每進行一次再緊固,材料都產生應變硬化,剩余應力有所下降,隨著塑性應變的總量增加,材料最終斷裂。

      斷裂失效

      斷裂是金屬材料在應力作用下材料分離為互不相連的兩個或多個部分的現象。

      金屬材料的斷裂過程一般有三個階段, 即裂紋的萌生,裂紋的亞穩擴展及失穩擴展,最后是斷裂。金屬構件可能在材料制造、構件成形或使用階段的不同條件下啟裂、萌生裂紋;并受不同的環境因素及承載狀態的影響而使裂紋擴展直至斷裂。

      金屬構件斷裂后,在斷裂部位都有匹配的兩個斷裂表面,稱為斷口。斷口及其周圍留下與斷裂過程有密切相關的信息。通過斷口分析可以判斷斷裂的類型、斷裂過程的機理,從而找出斷裂的原因和預防斷裂的措施。

      1 斷裂失效的分類

      按斷裂前變形程度分類,分為韌性斷裂和脆性斷裂。

      韌性斷裂前產生明顯的塑性變形,斷裂過程中吸收了較多的能力,一般是在高于材料屈服應力條件下的高能斷裂。

      脆性斷裂前的變形量很小,不會出現明顯的宏觀變形量。斷裂過程中材料吸收的能量很小,一般是在低于允許應力條件下的低能斷裂。通常材料的塑性變形小于2%~5%的斷裂均可稱為脆性斷裂。


      (a)完全韌性斷裂(b)部分韌性斷裂(c)脆性斷裂


      按造成斷裂的應力類型及斷面的宏觀取向與應力的相對位置分類,可分為正斷、切斷及混合斷裂。正斷可能是脆性的,也可能是韌性的,而切斷一般總是韌性的。

      正斷是指當外加作用力引起構件的正應力分量超過材料的正斷抗力時發生的斷裂。斷裂面垂直于正應力或最大的拉伸應變方向。

      切斷是指當外加作用力引起構件的切應力分量超過材料在滑移面上的切斷抗力時發生的斷裂。斷裂面平行于最大切應力或最大切應變方向,與最大正應力約呈45°交角。

      按斷裂過程中裂紋擴展所經的途徑分為三類:沿晶斷裂、穿晶斷裂及混晶斷裂。

      沿晶斷裂是指裂紋沿晶界擴展至斷裂,沿晶斷裂多屬于脆性斷裂。

      穿晶斷裂是指裂紋的萌生和擴展穿過晶粒內部的斷裂。穿晶斷裂可以是韌性的也可以是脆性的?;炀嗔咽侵冈诙嗑w金屬材料的斷裂過程中,多數是其裂紋的擴展既有穿晶型、也有晶間型的混晶斷裂。如馬氏體或回火馬氏體材料的瞬間斷裂。


      裂紋擴展路徑示意圖

      A-沿晶裂紋;B-穿晶裂紋;C-混晶裂紋

      按負荷的性質及應力產生的原因分為疲勞斷裂和環境斷裂。

      疲勞斷裂是指由于在局部應力集中或強度較低部位首先產生裂紋,裂紋隨后擴展導致的斷裂。

      環境因素(氣相、液相腐蝕介質或氫)的作用引起形變和斷裂的基元過程,從而導致應力脆斷,因而以這種形式破壞失效的現象統稱為環境斷裂。環境斷裂具體可分為應力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking)、氫脆或氫致開裂(Hydrogen Induced Cracking)和腐蝕疲勞斷裂(Corrosion Fatigue Cracking)三種。

      按微觀斷裂機制可分為解理斷裂、韌窩斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂及結合力弱化斷裂。

      解理斷裂是在正應力作用產生的一種穿晶斷裂,裂紋沿特定的結晶學平面擴展而導致的穿晶脆斷,但有時也可沿滑移面或孿晶界分離。解理斷裂常見于體心立方和密排六方金屬及合金,低溫、沖擊載荷和應力集中常促使解理斷裂的發生。面心立方金屬很少發生解理斷裂。

      韌窩斷裂是指在外力作用下因微孔聚集相互連通而造成的斷裂。結合力弱化斷裂是指裂紋沿著出于各種原因而引起的結合力弱化所造成的脆弱區域擴展而形成的斷裂。

      韌窩

      沿晶斷裂

      2 韌性斷裂

      韌性斷裂是指容器、管道在壓力作用下,器壁上產生的應力超過材料的強度極限而發生顯著的宏觀塑性變形的斷裂。

      韌性斷裂是一個緩慢的斷裂過程,塑性變形與裂紋成長同時進行。裂紋萌生及亞穩擴展阻力大、速度慢,材料在斷裂過程中需要不斷消耗相當多的能量。隨著塑性變形的不斷增加,承載截面積減小,至材料承受的載荷超過了強度極限σb 時,裂紋擴展達到臨界長度,發生韌性斷裂。

      韌性斷裂有兩種類型: 一種是宏觀斷面取向與最大正應力相垂直的正斷型斷裂,又稱平面斷裂,這種斷裂出現在形變約束較大的場合,如平面應變條件下的斷裂;另一種是攻關斷面取向與最大切應力方向相一致的切斷,即與最大正應力約呈45°,又稱斜斷裂,這種斷裂出現在滑移形變不受約束或約束較小的情況,如平面應力條件下的斷裂。

      韌性斷裂斷口形貌

      (1)宏觀形貌


      韌性斷裂斷口宏觀形貌

      在直徑大的圓棒鋼試樣新斷裂的金屬灰色斷口上能觀察三個區:凹凸不平暗灰色且無光澤的纖維區、放射線紋理的灰色有光放射區及平滑絲光的亮灰色剪切唇區。

      纖維區是材料內部處在平面應變三向應力作用下啟裂,在試樣中心形成很多小裂紋及裂紋緩慢擴展而形成。

      纖維區外顯示出平行于裂紋擴展的放射線狀的紋理,這是中心裂紋向四周放射狀快速擴展的結果,該區稱為放射區。

      當裂紋快速擴展到試樣表面附近,由于試樣剩余厚度很小,故變為平面應力狀態,從而剩余的外圍部分剪切斷裂,斷裂面沿最大切應力面和拉伸軸成45°,稱為剪切唇區。

      從韌性斷裂宏觀形貌三區的特征可分析斷口的類型、斷裂的方式及性質,有助于判斷失效的機理及找出失效的原因。根據纖維區、放射區及剪切唇區在斷口上所占的比例可初步評價材料的性能。如纖維區較大,材料的塑性和韌性比較好,如放射區比較大,則材料的塑性降低,而脆性增大。


      斷口三要素

      1-纖維區 F;2-放射區 R;3-剪切區S

      (2)微觀形貌

      滑斷或純剪切斷口微觀特征:(1)蛇形滑動、漣波狀花紋;(2)大的塑性變形后滑移面分離造成;(3)漣波花樣是蛇形滑動花樣一步變形而平滑化的結果;(4)在缺口、纖維裂紋、孔洞等附近區域在力的作用下可發生純剪切過程,其內表面出現蛇行滑動、漣波等特征。

      在某些金屬材料中,尤其是雜質、缺陷少的金屬材料,在較大的塑性變形后,沿滑移面剪切分離,因位向不同的晶粒之間的互相約束和牽制,不可能僅僅沿某一個滑移面滑移,而是沿著許多相互交叉的滑移面滑移,形成起伏彎曲的條紋形貌,一般稱為“蛇行花樣”。

      微孔聚集型斷裂的微觀特征:斷口上有大量韌窩。材料在塑性變形時,在夾雜物、析出物等第二相粒子周圍或有缺陷地區先出現裂紋,形成微孔,進一步塑性變形時,微孔長大、聚集、斷裂。

      韌窩是指韌性斷裂斷口的微觀形貌呈現出韌窩狀,在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質點。根據受力狀態的不同,通??梢猿霈F三種不同形態的韌窩:

      (1)在正應力(即垂直于斷面的最大主應力)的均勻作用下,顯微孔洞沿空間三個方向上的長大速度相同,因而形成等軸韌窩。拉伸試樣斷口的杯形底部和錐形頂部由等軸韌窩組成;

      (2)在切應力(平行于斷面的最大切應力)的作用下,塑性變形使顯微孔洞沿切應力方向的長大速度達到最大,同時顯微孔被拉長, 形成拋物線狀或半橢圓狀的韌窩,這時兩個的韌窩朝著相反方向,這種韌窩稱為剪切韌窩。剪切韌窩通常出現在拉伸斷口的剪切唇區。

      (3)撕裂應力作用下出現伸長或呈拋物線狀的韌窩,兩個匹配面上的韌窩朝著相同的方向,稱為撕裂韌窩。撕裂韌窩的方向指向裂紋源,而其反方向則是裂紋的擴展方向。剪切韌窩與撕裂韌窩的區別在于對應的兩個斷面上,其拋物線韌窩的方向不同,對剪切韌窩凸向相反,對撕裂韌窩凸向相同。

      韌窩的大小和深淺,決定于材料斷裂時微孔的核心數量和材料本身的相對塑性,如果微孔的核心數量很多或材料的相對塑性較低,則韌窩的尺寸較小或較淺;反之,韌窩的尺寸較大或較深。通常韌窩越大越深,材料的塑性越好。韌窩尺寸與夾雜物的大小直接相關,而正當夾雜物呈圓顆粒時,韌窩呈等軸狀,當夾雜物呈條狀時,韌窩也呈長條形。

      當材料含有較多的第二相質點或夾雜物時,則在形成韌窩過程中,第二相質點或夾雜物往往存在于韌窩底部,形成的韌窩數量較多,而且較小。

      產生韌性斷裂的影響因素:(1)零件形狀(圓形、板狀、光滑與缺口試樣);(2)溫度(隨溫度的降低,纖維區和剪切唇區減小,放射區增大);(3)加載速率(速率越大,放射區增大)。

      3 脆性斷裂

      脆性斷裂是指容器在破裂時沒有宏觀塑性變形,器壁平均應力遠沒有達到材料的強度極限,有的甚至低于屈服極限。脆性斷裂的發生條件:設備、容器本身存在缺陷或幾何形狀發生突變;存在一定的應力水平;材料的韌性很差。

      脆性斷裂的特征

      (1)脆性斷裂時,工作應力不高,往往低于材料的屈服點,甚至低于設計時的許用應力。

      (2)中、低強度鋼的脆性斷裂一般在比較低的溫度下發生,因此脆性斷裂也稱為“低溫脆性斷裂”。與面心立方金屬比較,體心立方金屬隨溫度的下降,塑性將明顯下降,屈服力升高;

      (3)脆性斷裂從金屬構件內部存在的裂紋作為裂紋源而開始。

      (4)脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬材料中出現,而面心立方金屬材料在特定的條件下才會出現脆性斷裂;

      (5)脆性斷裂一般沿低指數晶面穿晶解理。解理通過破壞原子的結合力來實現,而密排面之間的原子間隙最大,結合力最弱,故絕大多數解理面是原子密排面。

      (6)破裂時無明顯的塑性變形,破裂之前沒有或只有局部極小的塑性變形;

      (7)斷口宏觀分析呈金屬晶粒狀并有光澤,斷口平直與主應力垂直;

      (8)在較低溫度發生,且材料韌性很差。

      脆性斷裂的斷口形貌

      (1)宏觀形貌

      斷裂前無明顯的塑性變形,斷口附近無頸縮;

      斷裂表面垂直于最大正應力方向;

      斷口平齊,無剪切唇;

      斷口上呈現小刻面;

      斷裂源點形成“人字條紋”或“山形條紋”


      小刻面是指脆性解理斷裂的斷口呈平滑明亮結晶狀。

      根據斷口人字條紋或山行條紋的圖形可判斷脆性斷裂的裂紋擴展方向和尋找斷裂起源點。人字條紋或山行條紋從細變粗的方向為裂紋擴展方向,相反的方向指向裂紋起源點。

      (2)微觀形貌

      脆性斷裂的微觀形貌一般分為河流花樣、扇形花樣、舌狀斷口、魚骨狀花樣;

      河流花樣實際上是斷裂面上的微小解理臺階在圖像上的表現,河流條紋就是相當于各個解理平面的交割。河流條紋的流向也是裂紋擴展的方向,河流的上游是裂紋源。

      扇形花樣:以裂紋源為中心單方向徑向擴展,在焊接區沖擊斷口常見。

      舌狀花樣:當材料的脆性大、溫度低,臨界變形困難,晶體變形以形變孿晶方式進行。舌狀花樣在低溫沖擊斷口中易出現。

      脆性斷裂的影響因素

      (1)應力狀態與缺口效應

      應力狀態是指構件內應力的類型、分布、大小和方向。不同的應力狀態對脆性斷裂有不同的影響,如最大拉伸應力和最大切應力對形變和斷裂起不同的作用。最大切應力促進塑性滑移的發展,是位錯移動的推動力,它對形變和斷裂的發生及發展過程都產生影響;而最大拉伸應力則只促進脆性裂紋的擴展。因此,最大拉應力與最大切應力的比值越大,構件失效脆性斷裂的可能性越大,在三向拉伸應力狀態下比值越大,極易導致脆性斷裂。

      在實際金屬構件中,常見由于應力分布不均勻而造成三向應力狀態,如構件的截面突然變化、小的圓角半徑、預存裂紋、刀痕、尖銳缺口尖端處往往由應力集中而引起應力不均勻分布,周圍區域為了保持變形協調,便對高應力區以約束,即造成三向拉伸應力狀態。這是造成金屬構建在靜態低負荷下產生脆性斷裂的重要原因。

      (2)溫度

      低溫下造成構件的脆性斷裂是由溫度的改變而引起材料本身的性能變化。隨著溫度的降低,金屬材料屈服應力增加,韌性下降,解理應力下降;當溫度在材料脆性轉變溫度以下時,材料的解理應力小于其屈服應力,材料的斷裂由原來的正常韌性斷裂轉為脆性斷裂。

      (3)尺寸效應

      鋼板厚度增加,脆性轉變溫度升高,缺口脆性增加;關于板厚的脆化原因一般認為與冶金質量和應力狀態有關。

      (4)焊接質量

      焊接缺陷一般有夾雜、氣孔、未焊透和焊接裂紋等,而切中焊接裂紋的存在對焊接構件的斷裂起著重要作用。

      (5)工作介質

      金屬構件在腐蝕介質中,受應力(尤其是拉應力)作用,同時又有電化學腐蝕時,極易導致早起脆性斷裂;

      (6)材料和組織因素

      脆性材料、冶金質量差、氫脆傾向的材料以及缺口敏感性大的鋼種都能促使發生脆性斷裂;不良熱處理產生脆性組織狀態,如組織偏析、脆性相析出、晶間脆性析出物、淬火裂紋、淬火后消除應力處理不及時或不充分等也能促進脆性斷裂的發生。

      預防脆性斷裂的途徑

      (1)溫度是引起構件脆斷的重要因素之一, 設計者必須考慮構件的最低工作溫度應高于材料的脆性轉變溫度。若所設計的構件工作溫度較低,甚至低于該材料的脆性轉變溫度,則必須降低設計應力水平,使應力低于不會發生裂紋擴展的水平;若其設計應力不能降低,則應更換材料。選擇韌性更高、脆性轉變溫度更低的材料;

      (2)設計者在選擇材料時,除考慮材料的強度外,還應保證材料有足夠的韌性。應該從斷裂力學的觀點來選擇材料,若材料有較高的斷裂韌性時,則構件中允許有較大的缺陷存在;

      (3)為減少構件脆性斷裂,在設計時應使缺陷產生的應力集中減小到最低限度,如減少尖銳角,消除未焊透的焊縫,結構設計時應盡量保證結構幾何尺寸的連續性(因為在結構不連續的過渡部位往往使構件應力集中而形成高應力區);過渡段的連接應采用正確的焊接方法;

      (4)盡量減少焊接產生的缺陷。這種設計包括選擇適當的焊縫金屬缺口韌性,焊接預熱和焊后的熱處理制度,適當設計焊接條件以減少缺陷。

      4 疲勞斷裂

      金屬構件在交變載荷的作用下,雖然應力水平低于金屬材料的抗拉強度,優勢甚至低于屈服極限,但經過一定的循環周期后,金屬構件會發生突然的斷裂,這種斷裂稱為疲勞斷裂,疲勞斷裂是脆性斷裂的一種形式。

      疲勞斷裂的現象及特征

      ①疲勞負荷是交變負荷。

      ②金屬構件在交變負荷作用下,一次應力循環對構件不產生明顯的破壞作用,不足以使構件發生斷裂。構件疲勞斷裂是在負荷經多次循環以后發生,高周疲勞斷裂的循環次數Nf>104,而低周疲勞斷裂的循環次數較少,一般Nf=102~104。疲勞斷裂應力還小于抗拉強度σb,其值也小于屈服點σs。

      ③疲勞斷裂只可能在有使材料分離扯開的反復拉伸應力和反復切應力的情況下出現。純壓縮負荷不會出現疲勞斷裂,疲勞起源點往往出現在最大拉應力處。

      ④疲勞斷裂過程包括疲勞裂紋的萌生、裂紋擴展和瞬時斷裂三個階段。

      疲勞裂紋的萌生:大量研究表明,疲勞裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起,主要方式有表面滑移帶形成,第二相、夾雜物或其界面開裂,晶界或亞晶界開裂及各類冶金缺陷、工藝缺陷等。金屬構件由于受到交變負荷的作用,金屬表面晶體在平行于最大切應力平面上產生無拘束相對滑移,產生了一種復雜的表面狀態,常稱為表面的“擠出”和“擠入”現象,當金屬表面的滑移帶形成尖銳而狹窄的缺口時,便產生疲勞裂紋的裂紋源。

      疲勞裂紋的擴展:疲勞裂紋擴展的第一階段為切向擴展階段,裂紋尖端將沿著與拉伸軸呈45°方向的滑移面擴展。疲勞裂紋擴展的第二階段為正向擴展階段。在交變應變作用下,疲勞裂紋從原來與拉伸軸呈45°的滑移面,發展到與拉伸軸呈90°。即由平面應力狀態轉變為平面應變狀態,這一階段中最突出的顯微特征是存在大量的、相互平行的條紋,稱為“疲勞輝紋”。

      疲勞裂紋在第二階段擴展到一定深度后,由于剩余工作截面減小,應力逐漸增加,裂紋加速擴展。當剩余面積小到不足以承受負荷時,在交變應力作用下,即發生突然的瞬時斷裂,其斷裂過程同單調加載的情形相似。疲勞斷裂與其他一次負荷斷裂有所區別,它是一種累進式斷裂。

      ⑤即使是塑性良好的合金鋼或鋁合金,疲勞斷裂構件斷口附近通常也觀察不到宏觀的塑性變形。

      疲勞斷裂的斷裂形貌

      (1)宏觀形貌

      起源區:即為疲勞裂紋萌生區。這個區域在整個疲勞斷口中所占的比例很小。通常就是指斷面上疲勞花樣放射源的中心點或疲勞弧線的曲率中心點。疲勞裂紋源一般位于構件表面應力集中處或不同類型的缺陷部位。一般情況下,一個疲勞斷口有一個疲勞源。疲勞區中磨得最亮的地方即是疲勞源(疲勞核心),位于零件強度最低或應力最高的地方。

      擴展區:在此區中??煽吹接腥绮ɡ送期s海岸沙灘而形成的“沙灘花樣”,又稱“貝殼狀條紋”、“疲勞弧帶”等,這種沙灘花樣是疲勞裂紋前沿線間斷擴展的痕跡,每一條條帶的邊界是疲勞裂紋在某一個時間的推進位置,沙灘花樣是由于裂紋擴展時受到障礙,時而擴展、時而停止,或由于開車停車、加速減速、加載卸載導致負荷周期性突變而產生。

      疲勞裂紋擴展區是在一個相當長時間內,在交變負荷作用下裂紋擴展的結果。拉應力使裂紋擴張,壓應力使裂紋閉合,裂紋兩側反復張合,使得疲勞裂紋擴展區在客觀上是一個明亮的磨光區,越接近疲勞起源點越光滑。如果在宏觀上觀察到沙灘花樣時,就可判別這個斷口是疲勞斷裂。多源疲勞的裂紋擴展區,各個裂源不一定在一個平面上,隨著裂紋擴展被此相連時,同的平面間的連接處形成疲勞臺階或折紋。疲勞臺階越多,表示其應力或應力集中越大。

      斷裂區:當疲勞裂紋擴展到臨界尺寸時,構件承載截面減小至強度不足引起瞬時斷裂,該瞬時斷裂區域是最終斷裂區。最終斷裂區的斷口形貌較多呈現宏觀的脆性斷裂特征,即粗糙“晶粒”狀結構,其斷口與主應力基本垂直。只有當材料的塑性很大時,最終斷裂區才具有纖維狀的結構,并出現較大的45°剪切唇區。

      (2)微觀形貌

      微觀形貌主要分為疲勞輝紋、輪胎壓痕花樣。

      ①疲勞輝紋是一系列基本上相互平行的條紋,略帶彎曲,呈波浪狀。并與裂紋微觀擴展方向相垂直。裂紋的擴展方向均朝向波紋凸出的一側。輝紋的間距在很大程度上與外加交變負荷的大小有關,條紋的清洗度則取決于材料的韌性。因此,高應力水平比接近疲勞極限應力下更易觀察到疲勞輝紋。

      ②每一條疲勞輝紋表示該循環下疲勞裂紋擴展前沿線在前進過程中的瞬時微觀位置。裂紋三個階段有不同的微觀特征:疲勞起源部位由很多細滑線組成,以后形成致密的條紋,隨著裂紋的擴展,應力逐漸增加,疲勞條紋的間距也隨之增加。

      ③疲勞輝紋可分為韌性輝紋和脆性輝紋兩類。脆性疲勞輝紋的形成與裂紋擴展中沿某些解理面發生解理有關,在疲勞輝紋上可以看到把疲勞輝紋切割成一段段的解理臺階,因此脆性疲勞輝紋的間距呈不均勻,斷斷續續狀。韌性疲勞輝紋較為常見,它的形成與材料的結晶之間無明顯關系,有較大塑性變形,疲勞輝紋的間距均勻規則。

      ④疲勞斷口的微觀范圍內,通常由許多大小不同、高低不同的小斷片組成。疲勞輝紋均勻分布在斷片上,每一小斷片上的疲勞輝紋連續且互相平行分布,但相鄰斷片上的疲勞輝紋不連續、不平行。

      ⑤疲勞輝紋中每一條輝紋一般代表依次載荷循環,輝紋的數目與載荷循環次數相等。

      ⑥輪胎壓痕花樣是由于疲勞斷口的兩個匹配斷面之間重復沖擊和相互運動所形成的機械損傷,也可能是由于松動的自由粒子在匹配斷裂面上作用留下的微觀變形痕跡。輪胎壓痕花樣不是疲勞本身的形態,但卻是疲勞斷裂的一個表征方法。

      影響疲勞斷裂的因素及其改善的途徑

      ①構件表面狀態

      大量疲勞失效分析表明,疲勞斷裂多數起源于構件的表面或亞表面,這是由于承受交變載荷的構件工作時其表面應力往往較高,典型的是彎曲疲勞構件表面拉應力最大,加上各類工藝程序難以確保表面加工質量而造成。因此,凡是制造工藝過程中產生預生裂紋(如浮火裂紋)、尖銳缺口(如表面祖糙度不符合要求,有加工刀痕等)和任何削弱表面強度的弊?。ㄈ绫砻嫜趸?、脫碳等)都將嚴重地影響構件的疲勞壽命。而且,材料的強度越高,則表面狀態對疲勞的影響也越大。

      ②缺口效應與應力集中

      許多構件包含有缺口、螺紋、孔洞、臺階以及與其相類似的表面幾何形狀,也可能有刀痕、機械劃傷等表面缺陷,這些部位使表面應力提高和形成應力集中區,且往往成為疲勞斷裂的起源。

      ③殘余應力

      如果構件表面存在著殘余拉應力,對疲勞極為不利。但是,如果使構件表面誘發產生殘余壓應力,則對抗疲勞大有好處。因為殘余壓應力起著削減表面拉應力數值的作用。一些表面熱處理工序,如表面淬火、滲碳和氮化;一些機械加工工序,如噴丸、表面、冷拔、擠壓和拋光都產生有利的殘余壓應力。因此,工程上經常采用這些方法來提高構件的疲勞抗力。

      ④材料的成分和組織

      在各類工程材料中,結構鋼的疲勞強度最高。在結構鋼中,疲勞強度隨著含碳量增加而增高,鉻、鎳等也有類似的效應。碳是影響疲勞強度的重要元素,既可間隙固溶強化基體,又可形成彌散碳化物進行彌散強化,提高鋼材的形變抗力,阻止循環滑移帶的形成和開裂,從而阻止疲勞裂紋的萌生和擴展,以及提高疲勞強度。其他合金元素主要通過提高鋼的淬透性和改善鋼的強韌性來改善疲勞強度。質量均勻、無表面或內在連續性缺陷的材料組織抗疲勞性能好。

      ⑤工作條件

      載荷頻率對疲勞強度的影響是其在一定范圍內可提高疲勞強度。

      低于疲勞極限的應力稱為次載。金屬在低于疲勞極限的應力下先運轉一定次數之后,則可以提高疲勞極限,這種次載荷強化作用稱為次載鍛煉。這種現象可能是由于應力應變循環產生的硬化及局部應力集中松弛的結果。次載應力水平越接近疲勞極限,其鍛煉效果越明顯;次載鍛煉的循環周次越長,其鍛煉效果越好,但達到一定循環周次之后效果就不再提高。

      當加載應力低于并接近疲勞極限時,間歇加載提高疲勞效果比較明顯,而間歇過載加載對疲勞壽命不但無益,甚至還會降低疲勞強度。這種間歇加載影響疲勞強度的規律,可以指導制訂機器運行操作規程和檢驗規程。

      溫度對疲勞強度的影響一般是溫度降低,疲勞強度升高;溫度升高,疲勞強度降低。

      腐蝕環境介質使構件表面產生蝕抗、微裂紋等缺陷,將會加速疲勞源萌生而促進腐蝕疲勞。

      磨損失效

      磨損是由于機械作用、化學反應(包括熱化學、電化學和力化學等反應),材料表面物質不斷損失或產生殘余變形和斷裂的現象。磨損是發生在物體上的一種表面現象,其接觸表面必須有相對運動。磨損必然產生物質損耗(包括材料轉移),而且它是具有時變特征的漸進的動態過程。

      磨損按磨損機理可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損,按環境介質可分為干磨損、濕磨損、流體磨損。

      1 磨料磨損

      外界硬顆?;蛘邔δケ砻嫔系挠餐黄鹞锘虼植诜逶谀Σ吝^程中引起表面材料脫落的現象, 稱為磨粒磨損(又稱磨料磨損)。磨粒是摩擦表面互相摩擦產生或由介質帶入摩擦表面。

      磨粒磨損是最普遍的一種形式,主要出現在采礦、鉆探、建筑、運輸與農業等機械相關零部件,據統計,工業中磨粒磨損造成的損失約占總的50%左右。


      磨料磨損示意圖

      按力的作用特點劃分為劃傷式磨損、碾碎式磨損和鑿削式磨損。

      劃傷式磨損屬于低應力磨損。低應力的含義是指磨料與構件表面之間的作用力小于磨料本身壓潰強度。

      碾碎式磨損屬于高應力磨損。當磨料與構件表面之間接觸壓應力大于磨料的壓潰強度時,磨粒被壓碎,一般金屬材料表面被劃傷,韌性材料產生塑性變形或疲勞,脆性材料則發生碎裂或剝落。

      鑿削式磨損的產生主要是由于磨料中包含大塊磨粒,而且具有尖銳棱角,對構件表面進行沖擊式的高應力作用,使構件表面撕裂出很大的顆?;蛩閴K,表面形成較深的坑。這種磨損常在運輸或破碎大塊磨料時發生,典型實例如顎式破碎機的齒板、輾輥等。

      磨粒磨損的影響因素

      磨礪磨損的改善措施:(1)對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應增加材料硬度;(2)根據機件的服役條件,合理選擇相應的耐磨材料;(3)采用滲碳、滲氮共滲等化學熱處理提高表面硬度;(4)機件的防塵和清洗。

       2 粘著磨損

      當摩擦副相對滑動時, 由于粘著效應所形成結點發生剪切斷裂,被剪切的材料或脫落成磨屑,或由一個表面遷移到另一個表面,此類磨損稱為粘著磨損。

      粘著磨損的特征是磨損表面有細的劃痕,沿滑動方向可能形成膠體的裂口。最突出的特征是表層金相組織和化學成分均有明顯變化。磨損產物多為片狀或小顆粒。


      粘著磨損示意圖

      根據粘合強度、金屬本體強度與切應力三者之間的不同關系,可以把粘著磨損分為四類:


      粘著磨損的影響因素

      (1)摩擦副材料性質的影響

      脆性材料比塑料材料的抗粘著能力高;

      相同金屬或互溶性大的材料摩擦副易發生粘著磨損,反之則不易發生粘著磨損;

      多相金屬也不容易發生粘著磨損;

      表面處理可以減小粘著磨損;

      硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強。

      (2)載荷與速度的影響

      載荷增加——粘著磨損加劇,但有臨界載荷;

      在壓力一定的情況下,粘著磨損隨滑動速度的增加而增加,在達到某一極大值后,又隨著滑動速度的增加而減少。

      (3)表面溫度的影響

      表面溫度升高可使潤滑膜失效,使材料硬度下降,摩擦表面容易產生粘著磨損。

      (4)潤滑油、潤滑脂的影響

      在潤滑油、潤滑脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤滑油膜吸附能力及油膜強度,能成倍地提高抗粘著磨損能力。

      3 沖蝕磨損

      沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損。

      根據顆粒及其攜帶介質的不同,沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕和氣蝕等。

      造成沖蝕的粒子通常都比被沖蝕的材料的硬度大。沖蝕磨損與腐蝕磨損的區別是前者對材料表面的破壞主要是機械力作用引起,腐蝕磨損只是第二位的因素;而腐蝕磨損則是在腐蝕介質中摩擦副的磨損,是腐蝕和磨損綜合作用的結果。

      沖蝕磨損的影響因素

      (1)沖蝕粒子

      粒度對沖蝕磨損有明顯有對沖蝕磨損有明顯的影響, 一般粒子只寸在20-200μm 范圍內,材料磨損率隨粒子尺寸增大而上升。當粒子尺寸增加到某一臨界值時,材料的磨損率幾乎不變或變化緩慢,這一現象稱為“尺寸效應” 。粒子的形狀也有很大影響,尖角形粒子與圓形粒子比較,在相同條件下,都是45°沖擊角時,多角形粒子比圓形粒子的磨損大4倍,甚至低硬度的多角形粒子比較高硬度的圓形粒子產生的磨損還要大。粒子的硬度和可破碎性對沖蝕率有影響,因為粒子破碎后會產生二次沖蝕。

      (2)攻角

      材料的沖蝕率和粒子的攻角有密切關系。當粒子攻角為20°~30°時,典型的塑性材料沖蝕率達最大值,而脆性材料最大沖蝕率出現在攻角接近90°處。攻角與沖蝕率關系幾乎不隨入射粒子種類、形狀及速度而改變。

      (3)速度

      粒子的速度存在一個門檻值,低于門檻值,粒子與靶面之間只出現彈性碰撞而觀察不到破壞,即不發生沖蝕。速度門檻值與粒子尺寸和材料有關。

      (4)沖蝕時間

      沖蝕磨損存在一個較長的潛伏期或孕育期,磨粒沖擊靶面后先使表面粗糙,產生加工硬化,此時未發生材料流失,經過一段時間的損傷積累后才逐步產生沖蝕磨損。

      (5)環境溫度

      溫度對沖濁磨損的影響比較復雜,有些材料在沖蝕磨損中隨溫度升高磨損率上升;但也有些材料隨溫度升高磨損有所減少,這可能是高溫時形成的氧化膜提高了材料的抗沖蝕磨損能力,也有可能是溫度升高,材料塑性增加,抗沖蝕性能提高。

      (6)靶材

      靶材除本身的性質以外,還與磨粒的幾何形狀、尺寸、硬度、攻角、速度和溫度等條件密切相關。

      4 微動磨損

      微動磨損指受壓配合面在微小幅度的振動下所引起的表面損傷,包括材料損失、表面形貌變化、表面或亞表層塑性變形或出現裂紋等,稱為微動磨損。微動磨損是一種復合磨損(粘著、磨粒、疲勞、腐蝕)。


      金屬表面的微動磨損原理示意圖

      微動磨損可以分為兩類。第一類是該構件原設計的兩物體接觸面是靜止的,只是由于受到振動或交變應力作用,使兩個匹配面之間產生微小的相對滑動,由此造成磨損。第二類是各種運動副在停止運轉時,由于環境振動而產生微振造成磨損。

      工程中常見的微動磨損

      (1)軸承

      滾動軸承存三個部位可能發生微動損傷,軸承和軸承座、軸的緊配合面及滾珠或滾柱和座圈之間。

      (2)壓配合

      機車主軸一般用壓配合裝入輪毅中,運行過程中,在負荷的作用下,軸發生彎曲,和輪毅配合段的兩端出現微動。

      (3)榫槽配合

      航空發動機的渦輪葉片榫頭和輪盤配合,葉片相當于一端固定的懸梁臂,由于受強烈氣流沖擊而處在彎曲復合振動狀態,從而使榫槽受到微動磨損,導致配合松動并萌生疲勞裂紋。

      (4)鉚接

      飛機上廣泛使用鉚接。據估計,各種飛機上90%的疲勞裂紋起源于微動部位,而其中又以鉚接和螺紋聯接占多數。

      (5)鋼絲纜繩

      由于其本身的柔性必然導致絲對絲或股對股之間的滑動,纜的往復運動造成一復雜的疲勞應力。

      (6)核工業中的熱交換器和壓力管燃料元件

      反應堆中的燃料,用耐輻射和耐磨性好的鋯合金和鎂合金包覆,在冷卻液流作用下,各包覆件之間發生微動磨損,最終將包覆層磨穿。

      微動磨損過程

      微動磨損是一個復雜的過程,包含粘著、氧化、磨粒和疲勞等的綜合作用。

      微動磨損的過程一般是相互接觸的兩個物體表面,由于接觸壓力的作用使微凸體產生塑性變形和粘著,在小振幅振動作用下,粘著點可能被剪切并脫落,剪切表面被氧化。由于表面緊密配合,脫落的磨屑不易排出,在兩表面間起著磨粒作用,加速微動磨損過程。

      微動磨損初始階段材料的流失機制主要是粘著和轉移,其次是凸峰點的犁削作用。對于較軟材料可出現嚴重塑性變形,由擠壓直接撕裂材料,這個階段摩擦因素及磨損量均較高。

      當產生的磨屑足以覆蓋表面后,粘著減弱,逐步進入穩態階段。這時,摩擦因數及磨損率均明顯降低,磨損量和循環數成線性關系。由于微動的反復切應力作用,造成亞表面裂紋萌生, 形成脫層損傷,材料以薄片形式脫離母體。剛脫離母體的材料主要是金屬形態。它們在二次微動中變得越來越細并吸收足夠的機械能以致具有極大的化學活性,在接觸空氣瞬間即完成氧化過程,成為氧化物。氧化磨屑既可作為磨料加速表面損傷,又可分開兩表面,減少金屬間接觸,起緩沖墊作用,大部分情況下,后者作用更顯著,即磨屑的主要作用是減輕表面損傷。

      微動磨損的特征與判斷

      (1)表面特征

      鋼的微動損傷表面粘附著一層紅棕色粉末,當將其除去后,觀察到許多小麻坑。其形狀不同于點蝕,它有兩種類型,一種為深度不到5μm的不規則的長方形淺平坑,另一種為較深(可達50μm左右)且形狀較規則的圓坑。

      (2)磨屑特征

      鋼鐵微動磨屑的重要標志是紅棕色磨屑。

      對于其他金屬,大多數情況下, 磨屑為該種金屬的最終氧化態。不活潑的金屬如金和鉑的磨屑由純金屬組成。磨屑的大小和成分與振幅有關,振幅較大時,磨屑直徑較大,金屬的比例也較高。材料的硬度影響磨損量,也影響磨屑的大小和成分,材料越硬,磨屑越細,氧化物的比例也越大。

      5 腐蝕磨損

      兩物體表面產生摩擦時,工作環境中的介質如液體、氣體或潤滑劑等,與材料表面起化學或電化學反應,形成腐蝕產物,這些產物往往粘附不牢,在摩擦過程中剝落下來,其后新的表面又繼續與介質發生反應。這種腐蝕和磨損的反復過程稱為腐蝕磨損。

      腐蝕磨損分類

      腐蝕磨損可分為化學腐蝕磨損和電化學腐蝕磨損?;瘜W腐蝕磨損又可分為氧化磨損和特殊介質腐蝕磨損。

      腐蝕磨損是一種極為復雜的磨損形式,它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的磨損過程,對環境、溫度、介質、滑動速度、載荷大小及潤滑條件等極為敏感,稍有變化就可使腐蝕磨損發生很大變化。

      (1)化學腐蝕磨損

      化學腐蝕磨損最常見的是氧化磨損。氧化磨損的實質是金屬表面與氣體介質發生氧化反應,生成氧化膜。

      脆性氧化膜與金屬基體差別大,在達到一定厚度時,很容易被摩擦表面上的微凸體的機械作用去除,暴露出新的基體表面又開始新的氧化過程,膜的生長與去除反復進行。

      當氧化膜的韌性較好,而且比金屬基體還軟時,若受摩擦表面微凸體機械作用,可能有部分被去除,在繼續磨損過程中,氧化仍然在原有氧化膜的基礎上發生,這種磨損較脆性氧化膜的磨損輕。

      (2)電化學腐蝕磨損

      電化學腐蝕磨損按腐蝕磨損產物被機械或腐蝕去除的特點也可分為兩種磨損。一種是在均勻腐蝕條件的磨損過程中,局部腐蝕產物被磨料或硬質點的機械作用去除,使之裸露金屬基底,但隨后又在磨損處形成新的腐蝕產物,經過反復作用,此處腐蝕速度比腐蝕產物始終覆蓋的其他部分快得多,嚴重得多。此類磨損稱均勻腐蝕條件下的腐蝕磨損。

      多相材料,尤其是含有碳化物的耐磨材料,由于碳化物與基體之間存在較大的電位差,形成腐蝕電池,產生相間腐蝕,極大削弱了碳化物與基體結合力,在磨料或硬質點的作用下,碳化物很容易從基體脫落或發生斷裂。

      另一種情況是形成局部腐蝕電池。由于磨料的磨損作用,金屬材料表面產生不均勻的塑性變形,塑性變形強烈的部分成為陽極,首先受到腐蝕破壞,或者溶解,或者形蝕產物,在磨料的繼續作用下,腐蝕產物很容易被去除形成二次磨損。這一塑性變形就是應變差異腐蝕電池的作用,它可使腐蝕速度提高兩個數量級左右。

      腐蝕磨損的特征

      腐蝕磨損過程中,氧化膜斷裂和剝落,形成了新的磨料,使腐蝕磨損兼有腐蝕與磨損雙重作用。但腐蝕磨損又不同于一般的磨料磨損。腐蝕磨損不產生顯微切削和表面變形,其主要磨損表面有化學反應膜或麻點。麻點比較光滑,磨屑多事顯微細粉末狀的氧化物,也有薄的碎片。鋼摩擦副相互滑動的氧化磨損,沿滑動方向呈現出勻細的磨痕。磨屑是暗色的片狀或絲狀物,片狀磨屑為紅褐色的Fe2O3,而絲狀的是灰黑色的Fe3O4。

      影響腐蝕磨損的因素

      (1)PH值  

      一般來講,PH<7時,隨著酸性增加腐蝕磨損量增加。在7<PH<12在相對運動速度不太高的情況下,隨堿性增加,腐蝕磨損量下降。

      溫度  在其他條件相同的情況下,腐蝕磨損的速度一般隨溫度升高而增加。

      (2)化學成分 

      化學成分是主要影響因素。對不同介質條件,在Fe-C合金中,加入適量的Cr、V、B等元素可提高耐磨性。不同介質加入不同合金元素才能獲得良好的效果。

      6 疲勞磨損

      當兩個接觸體相對滾動或滑動時,在接觸區形成的循環應力超過材料的疲勞強度的情況下,在表面層將引發裂紋并逐步擴展,最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來的磨損過程稱疲勞磨損。

      疲勞磨損與整體疲勞的區別

      ①裂紋源與裂紋擴展不同。整體疲勞的裂紋源都是從表面開始,一般從表面沿與外加應力成45°的方向擴展,超過兩三個晶粒以后,即轉向與應力垂直的方向。而疲勞磨損裂紋除來源于表面外,或與表面呈一定角度,一般為10°~30°,而且只限于在表面層內擴展。

      ②疲勞壽命不同。整體疲勞一般有明顯的疲勞極限,低于疲勞極限,疲勞理論壽命可以大大延長。而疲勞磨損尚未發現疲勞極限,疲勞磨損的零件壽命波動很大。

      ③疲勞磨損的工作條件更復雜更惡劣。疲勞磨損除循環應力作用外,還經受復雜的摩擦過程,可能引起表面層一些列物理化學變化以及各種力學性能與物理性能變化等。

      疲勞磨損特征

      疲勞磨損典型特征是零件表面出現深淺不同,大小不一的凹坑,或較大面積的表面剝落,簡稱點蝕或剝落。

      點蝕裂紋一般都是從表面開始,向內傾斜擴展,最后二次裂紋折向表面,裂紋以上的材料折斷脫落下來即成點蝕。單個點蝕坑的表面形貌常表面為扇形。剝落裂紋一般起源于亞表層內部較深的層次。

      純滾動接觸時,裂紋發生在亞表層最大切應力處,裂紋發展慢,經歷時間比裂紋萌生長,裂紋斷口顏色比較光亮。滾動加滑動的疲勞磨損,因切應力和壓應力,易在表面上產生微裂紋,它的萌生階段往往大于擴展階段,斷口較暗。

      疲勞磨損的基本原理

      最大的正應力發生在表面,最大的切應力發生在離表面一定距離外。滾動接觸時在交變應力的影響下,裂紋就容易在這些部位形核,并擴展到表面而產生剝落。若除滾動接觸外還有滑動接觸,破壞位置就逐漸移向表面。這是因為純滑動時,最大的切應力發生在表面。

      實際中,由于構件表面粗糙度、材料不均、夾雜物、微裂紋及硬質點,疲勞破壞的位置會改變,所以有些裂紋從表面開始,而有些從次表面開始。

      影響疲勞磨損的因素

      ①材質

      材料純度越高壽命越長,鋼中的非金屬夾雜物,特別是是脆性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽以及其他各種復雜成分的點狀、球狀夾雜物破壞基體的連續性,對疲勞磨損有嚴重不良影響。此外要控制金屬的組織結構。

      增加材料的加工硬化硬度對疲勞磨損有重要影響,硬度越高裂紋越難形成,降低表面粗糙度可有效提高抗疲勞磨損的能力;表層內一定深度的殘余壓應力可提高對接觸疲勞磨損的抗力,表面滲碳、淬火、噴丸、滾壓等處理都可使表面產生壓應力。

      ②載荷

      載荷是影響疲勞磨損壽命的主要原因之一。

      一般認為球軸承的壽命與載荷的立方成反比。

      ③潤滑油膜厚度

      潤滑油黏度高且足夠厚時,可使表面微凸體不發生接觸,從而不容易產生接觸疲勞磨損。由于接觸表面壓力很高,要選擇在超高壓下黏度高的潤滑油。

      ④環境。周圍環境,如空氣中的水、海水中的鹽、潤滑油中有腐蝕性的添加劑對材料的疲勞磨損有不利的影響。如潤滑油中的水會加速軸承鋼的接觸疲勞失效,甚至很少量都危害重大。

      7 提高耐磨性的途徑

      金屬材料的磨損主要是發生在表面的變形和斷裂過程,提高承受摩擦作用的構件表面的強度和韌性,可提高耐磨性。

      對于粘著磨損而言,改善潤滑條件,提高氧化膜與基體金屬的結合能力,以增強氧化膜的穩定性,阻止金屬之間直接接觸,以及降低表面粗糙度等都可以減輕粘著磨損。如果是沿接觸面上產生粘著磨損,只需降低摩擦副原子間的結合力,最好是采用表面處理,如滲碳、滲氮、滲磷等。

      表面處理實際上是在金屬表面形成一層化合物層或非金屬層,避免摩擦副直接接觸,既降低原子間結合力,又減小摩擦因數,可防止粘著。滲硫并不提高硬度,但因降低了摩擦因數,故可防止粘著,特別對高溫下和不可能潤滑的構件更為有效。

      如果粘著磨損發生在較軟材料內部,則不但應降低摩擦副的結合力,而且要提高材料本身表層硬度,采用滲碳、滲氮、碳氮共滲及碳氮硼三元共滲等熱處理工藝都有一定效果。

      對磨粒磨損而言,如果是低應力磨粒磨損,應提高表面硬度。選用含碳較高的鋼,并經熱處理后獲得馬氏體組織,是提高抗磨粒磨損的簡單方法。但當材料受重載荷,特別是在較大沖擊載荷下工作,則基體組織最好是下貝氏體。因為這種組織既有較高硬度又有良好韌性。對于合金鋼,控制和改變碳化物數量、分布、形態對提高抗磨粒磨損能力有決定性影響。消除基體中初生碳化物,并使次生碳化物均勻彌散分布,就可以顯著提高耐磨性。提高鋼中碳化物體積比,一般也能提高耐磨性。鋼中含有適量殘余奧氏體對提高抗磨粒磨損能力也是有益的。因為殘余奧氏體能增加整體韌性,給碳化物以支承,并在受磨損時能部分轉變為馬氏體使硬度提高。采用滲碳、碳氮共滲等表面熱處理也能有效地提高抗磨粒磨損能力。

      腐蝕失效

      腐蝕是材料表面與服役環境發生物理或化學的反應,使材料發生損壞或變質的現象,構件發生的腐蝕使其不能發揮正常的功能則稱為腐蝕失效。

      腐蝕有多種形式,有均勻遍及構件表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現的局部腐蝕,局部腐蝕又分為點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

      全面腐蝕和局部腐蝕的主要區別



      各類腐蝕失效在化工事故中所占比例

      工程中常見的金屬腐蝕失效破壞類型的特征及產生的條件


      電偶腐蝕

      異種金屬相接觸,又都處于同一或相連通的電解質溶液中,由于不同金屬之間存在實際(腐蝕)電位差而使電位較低(較負)的金屬加速腐蝕,稱為電偶腐蝕(或接觸腐蝕)。

      組成電偶腐蝕的兩種金屬由于電偶效應,使電位較正的金屬由于陰極鈍化使腐蝕速率減小得到保護,電位較負的金屬由于陽極極化使腐蝕速率增加。

      電偶腐蝕特征:腐蝕主要發生在兩個不同金屬或金屬與非金屬導體接觸邊線附近,遠離邊緣區域,腐蝕程度較輕。

      縫隙腐蝕

      金屬表面上由于存在異物或結構上的原因而形成縫隙,使縫內溶液中的物質遷移困難所引起的縫隙內金屬的腐蝕,稱為縫隙腐蝕??p隙腐蝕多數情況是宏觀電池腐蝕。

      縫隙腐蝕的起因是氧濃度差電池的作用,而閉塞電池引起的酸化自催化作用是造成縫隙腐蝕加速腐蝕的根本原因。

      工程上,造成縫隙腐蝕的條件很多:鉚接、法蘭盤連接面、螺栓連接、金屬表面沉積物、腐蝕產物等都會形成縫隙。

      縫隙腐蝕的特征:

      腐蝕發生在縫隙內,縫外金屬受到保護;

      構成縫隙腐蝕的縫隙寬度在0.025~0.1mm之間;

      構成縫隙的材料無特殊性,金屬或非金屬縫隙都對金屬產生縫隙腐蝕;

      幾乎所有腐蝕介質都會引起金屬縫隙腐蝕,以充氣含氯化物活性陰離子溶液最容易;

      幾乎所有金屬或合金都會產生縫隙腐蝕,以鈍態金屬較為嚴重。

      點蝕

      金屬材料在某些環境介質中,大部分表面不發生腐蝕或腐蝕很輕微,但在個別的點或微小區域內,出現蝕孔或麻點,且隨著時間的推移,蝕孔不斷向縱深方向發展,形成小孔狀腐蝕坑,稱為點腐蝕。

      點蝕是一種隱蔽性較強、危險性很大的局部腐蝕。點蝕主要集中在某些活性點上,不斷向金屬內部深處發展,通常其腐蝕深度大于孔徑,嚴重時可使管道或設備穿孔。點蝕還可誘發其他形式的腐蝕,如應力腐蝕破裂或腐蝕疲勞等。

      點蝕的特征:

      易發生在有自鈍化傾向的金屬表面;

      蝕孔小且深,在表面有一定分布;

      孔口有腐蝕產物覆蓋;

      蝕孔的出現有時間不一的誘導期;

      蝕孔常沿重力方向或橫向發展;


      孔蝕的剖面特征形貌

      晶間腐蝕

      在某些腐蝕介質中,晶界可能先行被腐蝕。這種沿著金屬晶界發生腐蝕的局部破壞現象,稱為晶間腐蝕。

      晶界是金屬中各種溶質元素偏析或金屬化合物(如碳化物和σ相等)沉淀容易析出的區域。

      當金屬材料發生晶間腐蝕時,其特點是在宏觀上金屬的外形尺寸幾乎不變,但其強度和延性下降。受強烈的機械碰撞后,表面出現裂縫,嚴重者稍加外力,晶粒即行脫落。在微觀上進行斷面金相檢查時,可看到腐蝕沿晶界均勻發展。

      選擇性腐蝕

      合金中的某一組織或某一成分優先腐蝕,另一組織或成分不腐蝕或很少腐蝕,這種現象叫做選擇性腐蝕。

      選擇性腐蝕結果輕則使合金損失強度,重則造成穿孔、破損,釀成嚴重事故。就介質條件而言,選擇性腐蝕多發生在水溶液中,但某些材料在熔融鹽、高溫氣體介質中也有選擇性腐蝕出現。

      選擇性腐蝕破壞的形式則可大致分為兩種,層狀和栓式。

      選擇性腐蝕較均勻地波及整個材料表面(如黃銅的層式脫鋅) ,稱為層狀選擇性腐蝕;或選擇性腐蝕沿表面發展,但不均勻,呈條狀,稱為帶狀選擇性腐蝕。

      選擇性腐蝕集中發生在材料表面的局部區域,并不斷向內深入(如黃銅的栓式脫鋅) ,稱為栓狀選擇性腐蝕。例如,在酸性介質中,黃銅含鋅量高時,有利于產生層狀脫鋅;若介質是中性、弱酸性或堿性的,黃銅含鋅量相對低時,則栓狀脫鋅占優勢。

      應力腐蝕破裂

      金屬設備和部件在應力和特定的腐蝕性環境的聯合作用下,出現低于材料強度極限的脆性開裂現象,稱為應力腐蝕開裂,簡稱SCC(Stress Corrosion Cracking)。

      產生SCC的基本條件:敏感的材料、固定拉應力、特定腐蝕介質。

      應力腐蝕按機理可分為陽極溶解型和氫致開裂型兩類。

      如果應力腐蝕體系中陽極溶解所對應的陰極過程是吸氧反應,或者雖然陰極是析氫反應,但進入金屬的氫不足以引起氫致開裂,這時應力腐蝕裂紋形核和擴展就由金屬的陽極溶解過程控制,稱為陽極溶解型應力腐蝕。

      如果陽極金屬溶解(腐蝕)所對應的陰極過程是析氫反應,而且原子氫能擴散進入金屬并控制了裂紋的形核和擴展,這一類應力腐蝕就稱為氫致開裂型應力腐蝕。

      應力腐蝕開裂的特征:

      ①裂紋出現在設備或構件的局部區域,而不是發生在與腐蝕介質相接觸的整個界面上。裂紋的數量不定,有時很多,有時較少,甚至只有一條裂紋。

      ②裂紋一般較深、較窄。裂紋的走向與設備及構件所受應力的方向有很大關系。一般說來, 裂紋基本上與所受主應力的方向相垂直,但在某些情況下,也會呈現明顯的分叉裂紋。

      ③ 設備及部件發生應力腐蝕開裂時, 一般不產生明顯的塑性變形,屬于脆性斷裂。

      ④應力腐蝕開裂是在一定的介質條件和拉應力共同作用下引起的一種破壞形式。斷口宏觀形貌包括逐漸擴展區和瞬斷區兩部分。后者一般為延性破壞。應力腐蝕開裂可能沿晶,也可能穿晶。其斷口上腐蝕產物呈泥狀花樣等。

      易產生應力腐蝕破裂的金屬材料與環境的組合


      氫損傷

      氫損傷指的是金屬材料在含有氫或與氫相互作用而導致力學性能變壞的現象,按照氫損傷發生的溫度條件可以分為氫脆與氫腐蝕;按照氫損傷是否可以通過消氫處理恢復材料原來的力學性能分為可逆與不可逆氫損傷。

      (1)氫脆

      氫脆可以包括氫壓裂紋(鋼中自點、H2S誘發裂紋、焊接冷裂紋和充氫或酸洗裂紋)和氫致滯后斷裂等。

      氫致相變導致的氫脆。很多金屬能形成穩定的氫化物。 氫化物是一種脆性中間相, 一旦有氫化物析出,材料的塑性和韌性就會下降,即氫化物析出導致材料變脆。氫化物脆、氫致馬氏體相變是一種氫致相變引起的氫脆。

      (2)氫致滯后斷裂

      在恒載荷(或恒位移)條件下,原子氫通過應力誘導擴散富集到臨界值后就引起氫致裂紋的形核、擴展,從而導致低應力斷裂的現象稱為氫致滯后斷裂。所謂滯后是指氫擴散富集到臨界值需要經過一段時間,故加載后要經過一定時間后氫致裂紋才會形核和擴展。如把原子氫除去后,就不會發生滯后斷裂,故它也是可逆的。

      (3)氫腐蝕

      氫腐蝕實質是氫致化學變化導致的氫脆。在高溫高壓下氫進入鋼中后與碳化物反應生成甲燒, 形成的CH4比分子不能從鋼中擴散出來,就在晶界夾雜物處形成氣泡,井有很大壓力。隨著C比的不斷形成,氣泡不斷長大,當氣泡中CH4的壓力大于材料在該溫度下的強度時就會使氣泡轉化成裂紋。 環境H2的壓力愈高,溫度愈高,則CH4氣泡中的壓力就愈大,當CH4氣泡中的壓力等于材料的斷裂強度時就會導致微裂紋形核。與此同時,生成CH4的反應使鋼形成脫碳,降低了鋼的強度。

      腐蝕疲勞

      在交變應力和腐蝕介質同時作用下,金屬的疲勞強度或疲勞壽命比無腐蝕作用時有所降低,這種現象叫做腐蝕疲勞。這里所謂“無腐蝕作用”,一般是指在空氣中金屬的疲勞行為。

      具有應力腐蝕破裂敏感性的材料受交變應力作用時,如果應力半幅在能產生應力腐蝕破裂的臨界值以下,則只能產生腐蝕疲勞。如果高于應力腐蝕破裂的臨界應力,隨著應力交變速度的降低,可能產生應力腐蝕破裂與腐蝕疲勞混合存在的情況。

      沖刷腐蝕

      沖刷腐蝕又稱磨損腐蝕和磨耗腐蝕,是指溶液與材料以較高速度作相對運動時,沖刷和腐蝕共同引起的材料表面損傷現象。這種損傷要比沖刷或腐蝕單獨存在時所造成的損傷的加和大得多。這是因為沖刷與腐蝕互相促進的緣故。廣義的沖刷腐蝕包括湍流腐蝕(又名沖擊腐蝕)、空蝕、摩振腐蝕(又稱微動磨損和徽動腐蝕)等。

      在沖刷腐蝕中,特別把主要由于金屬構件幾何形狀變化而使較高流速溶液產生湍流造成的金屬表面破壞叫做湍流腐蝕,又叫做沖擊腐蝕。例如溶液流經管道彎頭或渦輪機渦殼和葉片時,都能產生湍流腐蝕。

      空泡腐蝕即空蝕,空蝕破壞在金屬表面下產生了加工硬化層,空蝕點附近可產生裂紋。在空蝕破壞的性質方面,機械沖擊作用比電化學作用為大??张莞g屬于沖擊腐蝕的特殊形式。

      在有氧氣存在的條件下,金屬構件若沿著受載荷而緊密接觸的面有輕微的振動或往返的相對運動,使在接觸面上出現黑斑、小坑或細槽現象,即稱之為微動腐蝕。這種腐蝕現象涉及三個過程:冷焊、局部斷裂和氧化。

       

      失效分析的基本方法

      失效材料的檢測

      化學成分分析

      化學成分分析包括對失效構件金屬材料化學成分、環境介質及反應物、生成物、痕跡物等的化學成分的分析。

      性能測試

      力學性能包括包括構件金屬材料的強度指標、塑性指標和韌性指標σb、σs、σn、σD、δ、ψ、Akv、KIC、δC及硬度等;

      化學性能包括金屬材料在所處環境介質中的電極電位、極化曲線及腐蝕速率等;

      物理性能包括如環境介質在所處工藝條件下的反應熱、燃燒熱等;

      無損檢測

      采用物理的方法,在不改變材料或構件的性能和形狀的條件,迅速而可靠地確定構件表面或內部裂紋和其他缺陷的大小、數量和位置。金屬構件表面裂紋及缺陷常用滲透法及電磁法檢測:內部缺陷則多用放射性檢測,聲發射常用于動態-無損檢測,如探測裂紋擴展情況。

      組織結構分析

      蜘蛛結構分析包括金屬材料表面和心部的金相組織或缺陷。常用金相法分析金屬的顯微組織是否正常、是否存在晶粒粗大、脫碳、過熱、偏析等缺陷;夾雜物的類型、大小、數量及分布;晶界上有無析出物,裂紋的數量、分布及其附近組織有無異常,是否存在氧化或腐蝕產物等。

      應力測試及計算

      構件殘余應力的測定是在無外加載荷的作用下進行測定,目前多用X射線應力測定法。

      失效件的取樣及處理

      失效件的保護

      斷口保護主要是防止機械損傷或化學損傷。

      對于機械損傷的防止,應當在斷裂事故發生后馬上把斷口保護起來。在搬運時將斷口保護好,在有些情況下還用襯墊材料,盡量使斷口表面不要相互摩擦和碰撞。有時斷口上可能沾上一些油污或臟物,千萬不可用硬刷干刷斷口,并避免用手指直接接觸斷口。

      對于化學損傷的防止,主要是防止來自空氣和水或其他化學藥品對斷口的腐蝕。一般可采用涂層的方法,即在斷口上涂防腐物質,原則是涂層物質不使斷口受腐蝕及易于被完全清洗掉。

      失效件的取樣

      為了全面地進行失效分析,需要各種試樣,如力學性能試樣、化學分析試樣、斷口分析試祥、電子探針試樣、金相試樣、表面分析試樣和模擬試驗用的試樣等。這些試樣要從有代表性的部位上截取,要對截取全部試樣有計劃安排。在截取的部位,用草圖或照相記錄,標明是哪種試樣,以免弄混而導致錯誤的分析結果。

      失效件的清洗

      清洗的目的是為了除去保護用的涂層和斷口上的腐蝕產物及外來沾污物如灰塵等。常用以下幾種方法:

      ① 用干燥壓縮空氣吹斷口,這可以清除粘附在上面的灰塵以及其他外來贓物:用柔軟的毛刷輕輕擦斷口,有利于把灰塵清除干凈。

      ② 對斷口上的油污或有機涂層,可以用汽油、石油醚、苯、丙酮等有機溶劑進行清除,清除干凈后用無水酒精清洗后吹干。

      ③超聲波清洗能相當有效地清楚斷口表面的沉淀物,且不損壞斷口。

      ④應用乙酸纖維膜復型剝離。通常對于粘在斷口上的灰塵和和疏松的氧化腐蝕產物可采用這種方法,就是用乙酸纖維脂反復覆在斷口上2~5次,可以剝離斷口上的臟物。該方法操作簡單,既可去掉斷口上的油污,對斷口又無損傷,故對一般斷口建議用此法清洗。

      ⑤ 使用化學或電化學方法清洗。這種方法主要用于清洗斷口表面的腐蝕產物或氧化層,但可能破壞斷口上的一些細節,所以使用時必須十分小心。一般只有在其他方法不能清洗掉

      的情況下經備用試樣試用后才使用。

      常見清洗腐蝕產物的化學方法


      失效分析的基本技能

      1 斷口分析

      斷口分析重要性

      斷口上忠實地記錄了金屬斷裂的全過程,即裂紋的產生、擴展直至開裂:外部因素對裂紋萌生的影響及材料本身的缺陷對裂紋萌生的促進作用;同時也記錄著裂紋擴展的途徑、擴展過程及內外因素對裂紋擴展的影響。

      斷口分析的依據

      (1)斷口的顏色與色澤

      觀察斷口表面光澤與顏色時,主要觀察有無氧化色、有無腐蝕的痕跡、有無夾雜物的特殊色彩與其他顏色;紅銹、黃銹或是其他顏色的銹蝕:是否有深灰色的金屬光澤、發藍顏色(或呈深紫色、紫黑色金屬光澤)等。

      根據疲勞斷口的光亮程度,可以判斷疲勞源的位置。如果不是腐蝕疲勞,則源區最光滑。

      (2)斷口上的花紋

      疲勞斷裂斷口宏觀上有時可見沙灘條紋,微觀上有疲勞輝紋。脆性斷裂有解理特征,斷口宏觀上有閃閃發光的小刻面或人字、山形條紋,而微觀上有河流條紋。舌狀花樣等。韌性斷裂宏觀有纖維狀斷口,微觀上則多有韌窩或行花樣等。

      (3)斷口上的粗糙度

      斷口的表面實際上由許多微小的小斷面構成,其大小、高度差決定斷口的粗糙度。不同材料、不同斷裂方式,其斷口粗糙度也不同。

      一般來說, 屬于剪切型的韌性斷裂的剪切唇比較光滑;而正斷型的纖維區則較粗糙。屬于脆性斷裂的解理斷裂形成的結晶狀斷口較粗糙,而準解理斷裂形成的瓷狀斷口則較光滑。疲勞斷口的粗糙度與裂紋擴展有關,擴展速率越快,斷口越粗糙。

      (4)斷口與最大正應力的交角

      韌性材料的拉伸斷口一般呈杯錐狀或呈45°切斷的外形,其塑性變形是以縮頸的方式表現。即斷口與拉伸軸向最大正應力交角是45°。

      脆性材料的拉伸斷口一般與最大拉伸正應力垂直,斷口表面平齊,斷口邊緣通常沒有剪切“唇口”。斷口附近沒有縮頸現象。韌性材料的扭轉斷口呈切斷型。斷口與扭轉正應力交角也是45°。

      脆性材料的扭轉斷口呈麻花狀,在純扭矩的作用下,沿與最大主應力垂直的方向分離。

      (5)斷口上的冶金缺陷

      夾雜、分層、晶粒粗大、自點、白斑、氧化膜、疏松、氣孔、撕裂等,??稍谑Ъ嗫谏辖浐暧^或微觀觀察而發現。

      斷口的觀察

      宏觀觀察是指用肉眼、放大鏡、低倍率的光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡來觀察斷口的表面形貌。通過宏觀觀察收集斷口上的宏觀信息,則可初步確定斷裂的性質,可以分析裂源的位置和裂紋擴展方向,可以判斷冶金質量和熱處理質量等。

      微觀觀察是用顯微鏡對斷口進行高放大倍率的觀察,用金相顯微鏡及掃描電鏡的為多。斷口微觀觀察包括斷口表面的直接觀察及斷口剖面的觀察。通過微觀觀察進一步核實宏觀觀察收集的信息,確定斷裂的性質、裂源的位置及裂紋走向、擴展速度,找出斷裂原因及機理等。

      剖面觀察。裁取剖面要求有一定的方向,通常是用與斷口表面垂直的平面來截取,垂直于斷口表面有兩種切法:平行裂紋擴展方向截取,則可研究斷裂過程;垂直于裂紋擴展方向截取,在一定位置的斷口剖面上,可研究某一特定位置的區域。

      2 裂紋分析

      裂紋分析的目的是確定裂紋的位置及裂紋產生的原因。裂紋形成的原因往往很復雜,如涉及上的不合理、選材不當、材質不良、制造工藝不當以及維護和使用不當等均有可能導致裂紋的產生。

      裂紋分析往往需要從原材料的冶金質量、材料的力學性能、構件成型的工藝流程和工序工藝參數、構件的形狀及其工作條件以及裂紋宏觀和微觀的特征等方向做綜合的分析。其中牽涉到多種技術方法和專門知識,如無損探傷、化學成分分析、力學性能試驗、金相分析、X射線微區分析等。

      金屬裂紋的基本形貌特征

      裂紋兩側凹凸不平,耦合自然。其耦合特征是與主應力性質相關;若主應力屬于切應力則裂紋一般呈平滑的大耦合;若主應力屬拉應力則裂紋一般呈鋸齒狀的小耦合。

      除某些沿晶裂紋外,絕大多數裂紋的尾端是尖銳的。

      裂紋具有一定的深度,深度與寬度不等,深度大于寬度,是連續性的缺陷。

      裂紋有各種形狀,直線狀、分校狀、龜裂狀、輻射狀、環形狀、弧形狀,各種形狀往往與形成的原因密切相關。

      金屬裂紋的檢查

      裂紋的宏觀檢查的主要目的是確定檢查對象是否存在裂紋。裂紋的宏觀檢查,除通過肉眼進行直接外觀檢查和采取建議的敲擊測音法外,通常采用無損探傷法,如X射線、磁力滲透著色、超聲波、熒光等物理探傷法檢測裂紋。

      裂紋的微觀檢查是指檢查裂紋形態特征,確定裂紋的分布是穿晶的,還是沿晶的,主裂紋附近有無微裂紋和分支。裂紋處及附近的晶粒度有無顯著粗大或細化或大小極不均勻的現象,晶粒是否變形,裂紋與晶粒變形的方向相平行或相垂直。

      裂紋附近是否存在碳化物或非金屬夾雜物,其形態、大小數量及分布情況,裂紋源是否產生于碳化物或非金屬夾雜物周圍,裂紋擴展與夾雜物之間有無聯系。

      裂紋兩側是否存在氧化和脫碳現象,有無氧化物或脫碳組織;

      產生裂紋的表面是否存在加工硬化層或回火層;

      裂紋萌生處及擴展路徑周圍是否有過熱組織、魏氏組織、帶狀組織以及其他形式的組織缺陷。

      裂紋產生部位分析

      (1)構件結構形狀引起的裂紋

      由于構件結構上的需要或由于設計上的不合理,或加工制造過程中沒有按設計要求進行,或在運輸過程中碰撞而導致在構件上往往有尖銳的凹角、凸邊或缺口,截面尺寸突變或臺階等“結構上的缺陷” ,這些結構上的缺陷在構件制造和使用過程中將產生很大的應力集中并可能導致裂紋。所以,要注意裂紋所在部位與構件結構形狀之間關系的分析。

      (2)材料缺陷引起的裂紋

      金屬材料本身的缺陷, 特別是表面缺陷,如夾雜、斑疤、劃痕、折疊、氧化、脫碳、粗晶以及氣泡、疏松、偏析、白點、過熱、過燒、發紋等,不僅其本身直接破壞了材料的連續性,降低了材料的強度與塑性,而且往住在這些缺陷的尖銳的前沿,造成很大的應力集中,使得材料在很低的平均應力下產生裂紋并得以擴展,最后導致斷裂。

      (3)受力狀況引起的裂紋

      在金屬材料質量合格,構件形狀設計合理的情況下,裂紋將在應力最大處形成,或有隨機分布的特點。在這種情況下,為判別裂紋起裂的真實原因, 要特別側重對應力狀態的分析。尤其是非正常操作工況下構件的應力狀態, 如超載、超溫等。

      主裂紋的判別方法

      (1)T型法

      將散落的碎片按相匹配的斷口合并在一起,其裂紋形成T形。在一般情況下橫貫裂紋首先開裂。主裂紋一般阻止二次裂紋擴展。

      (2)分枝法

      將散落碎片按相匹配斷口合并,其裂紋形成樹枝形:在斷裂失效中,往往出現一個裂紋后,產生很多分叉或分枝裂紋。裂紋的分叉或分枝方向通常為裂紋的局部擴展方向,其相反方向指向裂源,即分枝裂紋為二次裂紋,匯合裂紋為主裂紋。

      (3)變形法

      將散落碎片按相匹配斷口合并起來,構成原來構件的幾何外形,測量其幾何形狀的變化情況,變形量較大的部位為主裂紋,其他部位為二次裂紋。

      (4)氧化法

      在受環境因素影響較大的斷裂失效中,檢驗斷口各個部位的氧化程度,其中氧化程度最嚴重為最先斷裂者即主裂紋所形成的斷口,因為氧化嚴重者說明斷裂的時間較長。

      金屬的裂紋走向分析

      (1)應力原則

      在金屬脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂時,裂紋的擴展方向一般都垂直于主應力的方向,當韌性金屬承受扭轉載荷或金屬在平面應力的情況下,其裂紋的擴展方向一般平行于切應力的方向,如韌性材料切斷斷口。

      (2)強度原則

      強度原則即指裂紋總是傾向沿著最小阻力路線,即材料的薄弱環節或缺陷處擴展的情況。有時按應力原則擴展的裂紋,途中突然發生轉折,顯然這種轉折的原因是由于材料內部的缺陷。在這種情況下, 在轉折處常常能夠找到缺陷的痕跡或者證據。

      一般情況下, 當材質比較均勻時,應力原則起主導作用,裂紋按應力原則進行擴展,而當材質存在著明顯不均勻時,強度原則將起主導作用,裂紋將按強度原則進行擴展。裂紋擴展方向到底是沿晶的還是穿晶的, 取決于在某種具體條件下, 晶內強度和晶界強度的相對比值。

      應力腐蝕裂紋、氫脆裂紋、回火脆性、磨削裂紋、焊接熱裂紋、冷熱疲勞裂紋、過燒引起的鍛造裂紋、鑄造熱裂紋、蠕變裂紋、熱脆等晶界是薄弱環節,因此他們的裂紋是沿晶界擴展的;而疲勞裂紋、解理斷裂裂紋、淳火裂紋,焊接裂紋及其他韌性斷裂的情況下,晶界強度一般大于晶內強度,因此它們的裂紋為穿晶型,這時裂紋遇到亞晶界、晶界、硬質點或其他組織和性能的不均勻區時,往往會改變擴展方向。因此認為晶界能夠阻礙疲勞裂紋的擴展, 這就是常常用細化晶粒的方法來提高金屬材料的疲勞壽命的原因之一。

      3 痕跡分析

      構件失效時,由于力學、化學、熱學、電學等環境因素單獨或協同地作用,并在構件表面或表面層留下了某種標記,稱為痕跡。

      痕跡分類

      (1)機械接觸痕跡  

      構件之間接觸的痕跡,包括壓入、撞擊、滑動、滾壓、微動等單獨作用或聯合作用,這種痕跡稱為機械接觸痕跡,其特點是塑性變形或材料轉移、斷裂等,集中發生于接觸部位,并且塑性變形極不均勻。

      (2)腐蝕痕跡

      由于構件材料與周圍的環境介質發生化學或電化學作用而在構件表面留下的腐蝕產物及構件材料表面損傷的標記,稱為腐蝕痕跡。

      (3)電侵蝕痕跡

      由于電能的作用,在與電接觸或放電的構件部位留下的痕跡稱為電侵蝕痕跡。電侵蝕痕跡分為兩類。電接觸痕跡由于電接觸現象而在電接觸部位留下的電侵蝕痕跡。靜電放電痕跡由于靜電放電現象面在放電部位留下的電侵蝕痕跡。

      (4)熱損傷痕跡

      由于接觸部位在熱能作用下發生局部不均勻的溫度變化而留下的痕跡。金屬表面層局部過熱、過燒、熔化、直至燒穿、表面保護層的燒焦都會留下熱損傷痕跡。不同的溫度有不同的熱損傷顏色,且構件材料表面層成分、結構會發生變化,表面性能有所改變。

      (5)加工痕跡

      對失效分析有幫助的主要是非正常加工痕跡,即留在構件表面的各種加工缺陷,如刀痕、劃痕、燒傷、變形約束等。

      (6)污染痕跡

      各種外來污染物附著在構件表面而留下的痕跡是污染痕跡。

      痕跡分析主要內容

      痕跡的形貌,特別是塑性變形、反應產物、變色區、分離物和污染物的具體形狀、尺寸、數量及分布;

      痕跡區以及污染物、反應產物的化學成分;

      痕跡顏色的種類、色度和分布、反光性等;

      痕跡區材料的組織和結構;

      痕跡區的表面性能(耐磨性、耐蝕性、顯微硬度、表面電阻、涂鍍層的結合力等);

      痕跡區的殘余應力分布;

      從痕跡區散發出來的各種氣味;

      痕跡區的電荷分布和磁性等。

       

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