零件失效分析4-金属构件常见失效形式及其判断

第4章金属构件常见失效形式及其判断变形失效断裂失效腐蚀失效磨损失效变形失效弹性变形失效弹性变形弹性变形的特点过量的弹性变形失效构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值刚度不足判断困难镗床镗杆的过量弹性变形会降低被加工零件的精度甚至造成废品；齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常啮合，加速磨损，增加噪声；弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用。螺栓等紧固件、轴承工程实例：弹性变形失效的原因及预防措施原因：过载、超温、材料设计考虑不周、计算错误、选材不当预防？选择合适的材料或构件结构，获得足够的刚度采用减少变形影响的连接件（皮带传动、软管连接、柔性轴）塑性变形失效塑性变形塑性变形的特点塑性变形失效金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值容易鉴别鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷、歪扭畸变变形失效承受内压的不锈钢管塑性变形失效的原因及预防措施原因：过载措施：合理选材，提高材料抵抗塑性变形的能力；准确地确定构件的工作载荷，正确进行应力计算；严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力；轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。高温作用下的变形失效金属构件在高温长时间作用下，即使其应力恒小于屈服强度，也会慢慢地产生塑性变形，当变形量超过规定的要求时，导致失效。蠕变变形失效应力松弛变形失效变形失效金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服点也会慢慢发生塑性变形，称为蠕变。蠕变变形失效典型的蠕变曲线蠕变空洞蠕变变形蠕变裂纹蠕变断裂晶界的弱化和在应力作用下的沿晶界的滑移1.在三晶粒交汇处形成楔形裂纹－－应力集中理论高应力＋较低温度2.在晶界上由空洞形成的晶界裂纹－－空位聚集理论低应力＋较高温度性能指标：1.蠕变极限：为保证在高温和长期载荷作用的机件不致产生过量变形而失效。2.持久强度极限－断裂抗力指标熔点高，晶体结构紧密形成固溶体，含有弥散相的合金改进冶金质量高温下，粗晶粒有较高的塑变抗力和持久强度采用定向凝固技术获得粗大柱状晶应力松弛变形失效：在总变形不变的条件下，构件弹性变形不断转为塑性变形从而使应力不断降低的过程。松弛稳定性：一定温度下，经规定时间后的剩余应力。结构上补偿胀缩方法举例断裂失效静载荷作用下的断裂失效分析过载断裂失效分析材料致脆断裂失效分析环境致脆断裂失效分析混合断裂失效分析疲劳断裂失效分析静载荷作用下的断裂失效分析过载断裂失效分析工作载荷超过构件危险截面所能承受的极限载荷时，构件发生的断裂构件危险截面上的真实应力截面上的有效尺寸过载断裂失效断口的一般特征塑性断裂脆性断裂宏观微观宏观微观杯锥状断口微孔聚集型断口结晶状断口解理断口常见形貌特征：影响过载断裂失效特征的因素材料性质的影响零件形状与几何尺寸的影响载荷性质的影响环境因素的影响材料致脆断裂失效分析材料选用不当制造过程中工艺不正确回火脆性断裂失效冷脆金属的低温脆断第二相质点致脆断裂失效回火脆性断裂失效低温回火脆性回火温度℃AK快冷300500650慢冷在250~400℃出现韧性下降M及残余A分解时沿M针条边界析出薄片状Fe3C有关目前尚无有效方法消除，只能尽量避开在此温度范围内回火。穿晶型准解理高温回火脆性在500~600℃回火后缓慢冷却会出现韧性下降钢中的杂质S、P、AS、Sn等在晶界上偏聚引起的。对小型零件可采用回火后快冷的方法；对于大型零件则可在材料中加入Mo、W等，可阻止或延缓有害元素在晶界上的析出。沿晶冰糖状如何消除？回火致脆断裂分析：室温冲击试验法系列冲击试验法低温拉伸试验法断裂韧度法冷脆金属的低温脆断何种晶体结构的材料易发生？环境温度低于韧脆转变温度构件几何尺寸较大，处于平面应变状态断口特征宏观微观结晶状，明显的镜面反光解理断裂特征低温脆断断裂分析韧脆转变温度材料的缺陷和晶粒是否粗大不是固定值方法？采用系列冲击试验确定材料的实际韧脆转变温度第二相质点致脆断裂失效脆性的第二相质点沿原奥氏体晶界择优析出引起的晶界脆化某些杂质元素沿晶界富集引起的晶界弱化断口特征宏观微观晶粒状沿晶断裂，晶界处第二相质点环境致脆断裂失效分析应力腐蚀开裂氢致脆断失效热脆失效低熔点金属的接触致脆断裂失效蠕变断裂失效应力腐蚀开裂(StressCorrosionCracking)应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂的条件及其影响因素应力腐蚀开裂的断口形貌特征应力腐蚀开裂失效分析应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造成的破坏形式。静止应力—应力腐蚀开裂（SCC）；循环应力—腐蚀疲劳（CF）；工作应力、残余应力、热应力特点：局部腐蚀断裂有突发性具体实例？实例11921年就有硝酸盐引起低碳钢应力腐蚀开裂的事故报道。低碳钢在硝酸盐溶液中发生阳极溶解的同时，在表面形成一层Fe2O3保护性薄膜：10Fe+6NO3-+3H2O→5Fe2O3+6OH-+3N22Fe+NO3-→Fe2O3+0.5N2+e如果保护膜遭到破坏，金属发生阳极溶解腐蚀的应力腐蚀开裂。由于低碳钢的氧化保护膜只在晶粒表面上形成，而不在晶界上，所以低碳钢的硝酸盐应力腐蚀都是沿晶开裂。实例2某化肥厂使用的90m3合成氨冷凝器，采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管作冷凝管，工作时氨由管内流通，管外壁用水冷却，管壁温度约200℃，使用不到一年，发生了多根冷凝管开裂。•裂纹起始于外表面，向内壁扩展，有的已经穿透壁厚；•断口的电子显微特征为穿晶解理；•断口上的腐蚀产物主要Fe2O3，并有氯元素富集；•冷却水为黄浦江水，含有大量氯离子。•冷却器管的失效原因为氯化物应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂的条件及其影响因素基本条件：弱的腐蚀介质、不大的拉应力、特定的腐蚀系统共同特征：每一种金属或合金，只有在特定的介质中才能发生应力腐蚀；应力（尤其是拉应力）是产生应力腐蚀的必要条件；应力腐蚀是一种与时间有关的延迟断裂；特定的材料在特定的腐蚀环境下有确定的KISCC；应力腐蚀裂纹的扩展速率一般为10-6~10-3mm/min；应力腐蚀是一种低应力脆性断裂，断口齐平；金属或合金腐蚀介质低碳钢低合金钢奥氏体不锈钢铜和铜合金镍和镍合金蒙乃尔合金铝合金铅镁NaOH,硝酸盐溶液,(硅酸纳+硝酸钙)溶液42%MgCl2溶液,HCNNaCl溶液,海水,H2S水溶液氯化物溶液,高温高压蒸馏水氨蒸气,汞盐溶液,含SO2大气NaOH水溶液,HF酸,氟硅酸溶液熔融NaCl,NaCl水溶液,海水,水蒸气,含SO2大气Pb(AC)2溶液海洋大气,蒸馏水,KCl-KCrO4溶液产生应力腐蚀开裂的材料－介质组合影响因素（1）应力使材料发生形变，而形变使表面膜破裂。应力与环境腐蚀的相互促进，才使得材料在很弱的腐蚀性介质中发生破坏。（2）临界应力σscc和临界应力强度因子KIscc低于某临界值时，材料不发生开裂。●●力学因素施加应力（Kg/mm2）807060504030201000.11101001000型号310314型号305309316347347-2型号3043041断裂时间（小时）工业不锈钢耐应力腐蚀开裂性能的比较403020101351030501003005001000外应加力（Kg/mm2）开裂时间（小时）各种Cr-Ni奥氏体不锈钢在沸腾的45%MgCl2溶液中的应力-断裂时间曲线18-831616Cr/12Ni310Mo18Cr/20Ni/Mo/Cu31020Cr/30Ni/Mo/Cu31420Cr/34Ni（1）SCC对环境有选择性；（2）氧化剂的存在有决定性作用；（3）温度有着重要的影响。温度升高，材料发生SCC的倾向增大；（4）干湿交替环境使有害离子浓缩，SCC更容易发生；●●腐蚀因素温度OF400300200100020406080100120产生破裂所需要的时间（小时）温度对开裂诱发时间的影响，316及347型不锈钢在含875ppmNaCl的水中347型316型●●冶金因素(1)合金的化学成分、热处理、组织结构、加工状态对其SCC敏感性都有影响。(2)对于奥氏体不锈钢在氯化物溶液中的SCC来说，提高Ni含量，加入硅、铜，有利于提高抗SCC性能。(3)增加碳含量也有利于提高耐SCC性能，但含碳量大则容易产生晶间性SCC。破裂时间（小时）1005010510.5020406080100铁素体量（%面积）Cr21~23%，Ni1~10%复相不锈钢耐应力腐蚀与钢中铁素体含量关系应力：25kg/mm2沸腾：42%MgCl2应力腐蚀开裂的断口形貌特征宏观特征：微观特征：断口平直，断面与主应力方向垂直；一般为多源，裂纹起源于表面腐蚀坑处；断裂源区、裂纹扩展区、最后断裂区；裂纹起始区大多有腐蚀产物，有时会观察到网状龟裂的“泥纹花样”；断口上经常出现二次裂纹；应力腐蚀裂纹在扩展过程中发生分叉，形成“树枝状”裂纹；穿晶、沿晶、混合型应力腐蚀系统及影响因素应力腐蚀裂纹的分叉特征不锈钢的应力腐蚀开裂核桃纹花样泥状花样铜锌合金锥管的应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂失效分析详细了解材料的生产过程与处理工艺，掌握材料成分、组织状态及杂质含量与分布详细了解设备或部件的结构特点，加工、制造、装配过程详细了解设备及部件使用环境特点断口和裂纹形态的宏观、微观分析，确定断裂的特征在实际使用条件下重复试验或在实验室内加速试验应力腐蚀试验：恒载荷法、恒变形法腐蚀疲劳●S－N曲线和疲劳极限在腐蚀环境中疲劳极限不存在，即在低应力下造成断裂的循环数仍与应力有关。为了便于对各种金属材料耐腐蚀疲劳性能进行比较，一般是规定一个循环次数(如107)，从而得出名义的腐蚀疲劳极限，记为-1c。在循环应力(交变应力)和腐蚀环境的联合作用下金属材料发生的严重腐蚀破坏叫做腐蚀疲劳(CF)。腐蚀疲劳的特征：（1）任何金属在任何介质中都能发生腐蚀疲劳，即不要求特定的材料－环境组合。（2）环境条件对材料的腐蚀疲劳行为都有显著影响。（3）纯疲劳性能与循环频率无关，腐蚀疲劳性能与频率有关。（4）腐蚀疲劳裂纹主要为穿晶型。氢致断裂失效氢的来源氢致脆断的类型氢致脆断的断口形貌特征氢的来源冶炼水（空气、原料）铁锈碳水化合物（燃料）加工过程焊接、热处理酸洗和电镀储运过程潮湿大气、海洋气候氢的来源使用过程湿空气，水，有机溶剂（含痕量水）H2环境H2S环境氢致脆断的类型白点溶解在基体中的氢原子析出，并在内部缺陷处聚集，产生高压氢蚀氢疱环境气氛中的氢在高温下进入金属内部，夺取钢中的碳形成甲烷材料内部的氢于表皮下析出并转变成分子氢，产生的高压使表层鼓起可逆性氢脆材料内部的氢以间隙固溶体的形式存在，缓慢加载时，原子氢由固溶体中析出并结合成分子状态特点：在一定温度范围内出现慢速加载时明显明显的延迟断裂性质空拉充氢慢拉伸氢致脆断的断口形貌特征鱼眼形貌起泡宏观：微观：鸡爪花样解理准解理沿晶氢致脆断的断口形貌特征BAECDF低熔点金属的接触致脆断裂失效金属材料（钢、钛合金、铜合金等）在承受应力的同时与低熔点金属（铅、锡、镉、水银等）接触，引起材料脆化并导致断裂。条件：长时间接触存在拉应力和较高的温度条件存在一定的环境体系低速加载断裂特点及断口形貌：裂纹起源于表面裂纹的走向为沿晶型主裂纹明显，周围有许多支裂纹有低熔点金属留下的特殊色泽及堆积物镉脆断口热脆失效金属材料在较高温度（400~550℃）下长时间工作而引起韧性显著降低的现象。特点：室温冲击韧度降低明显断口呈粗晶状，沿晶正断组织中可看到黑色网状特征，并伴有第二相质点析出混合断裂失效分析应力状态发生变化引起的混合断裂环境因素变化引起的混合断裂材料的成分及组织结构的不均匀性引起的混合断裂疲劳断裂失效分析疲劳断口形貌及其特征疲劳断裂失效类型及其鉴别疲劳断裂失效的原因与预防裂纹源区疲劳扩展区最终瞬断区•疲劳辉纹的形貌特征：扫描电镜下疲劳断口有很多细小、平行、规则间距、与扩展方向垂直的显微条纹，称为疲劳辉纹。它由裂纹每循环一周扩展一步形成。疲劳辉纹的形状及分布与晶体结构有关。面心立方