金属构件常见失效形式

1§3构件常见失效形式§3.1变形失效§3金属构件常见失效形式及其判断失效形式：变形、断裂、腐蚀和磨损等学习内容：失效条件、特征及判断依据§3.1变形失效虎克定律：σ＝E·ε回顾一、弹性变形失效E—弹性模量；钢：约2×105MPa；铝：约0.7×105MPa；1.弹性变形2一弹性变形失效①可逆性②单值性(线性)③变形量很小2.弹性变形的特点提高弹性方法①提高材料的弹性极限；②降低弹性模量。34.失去弹性功能的弹性变形失效指构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的值。判断过量的弹性变形失效比较难。3.过量的弹性变形失效当弹性变形已不遵循变形可逆性、单值性和小变形量的特征时，构件就失去了弹性功能而失效。失去功能的弹性变形失效容易判断,如弹簧被拉得很长;安全阀弹簧,压力没超压,就把阀芯顶起。41)选择合适的材料或构件结构：选用E值高的材料或改善构件结构尽可能获得大的刚度；2)确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件；3)采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、软管连接、柔性轴、椭圆管板等。5.弹性变形失效的原因及防护措施过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效的原因，而这些原因往往是由于构件原设计的考虑不周、计算错误或选材不当造成的。防护措施5二塑性变形失效二、塑性变形失效1.塑性变形2.金属塑性变形的特点材料中的应力超过屈服极限后产生显著的不可逆变形。材料塑性好坏的衡量指标：伸长率δ、断面收缩率ψ1)不可逆性2)变形量不恒定3)慢速变形4)伴随材料性能的变化63.塑性变形失效失效形式：鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷及歪扭畸变等。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。(a)未加压的圆筒形(b)塑性变形后的鼓胀及断裂图3-3承受内压的304不锈钢塑性变形及断裂试验74.塑性变形失效的原因及防护措施1)合理选材，选择合适的屈服强度，保证材料质量、组织状态及冶金缺陷；2)准确地确定构件的工作载荷，正确计算应力，合理选取安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应力集中水平；3)严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力；4)严禁构件运行超载；5)监测腐蚀环境构件强度尺寸的减小。8三高温变形失效三、高温变形失效1.蠕变变形失效高温：高于0.3Tm(Tm是以绝对温度表示的金属材料的熔点)，一般碳钢构件＞300℃，低合金钢构件＞400℃。蠕变：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形。减速恒速加速图3-4典型的蠕变曲线9压力容器的蠕变变形量一般规定在105h为1％，即蠕变速率为10－7mm／(mm·h)。1)材料抗蠕变好坏的衡量指标：蠕变极限和持久强度2)抗蠕变措施：①选用抗蠕变性能合适的材料；②防止装备中构件的超温使用。σ7000.2/1000a.蠕变极限：在给定温度下，一定时间内产生规定蠕变量的应力值。如：σ7001000b.持久强度：材料在某一恒定温度下，经过一定时间而引起断裂的应力值。如：10图3-5过热管蠕变变形及胀裂112.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。用σ残衡量材料抵抗应力松弛的性能(松弛稳定性)。预防应力松弛失效的措施：a.选用松弛稳定性好的材料；b.对使用过程中的构件进行一次或多次再紧固。图3-6金属的应力松弛曲线12§3.2断裂失效§3.2断裂失效断裂是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象。断裂的危害：甚大，特别是脆性断裂。断裂过程：裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及失稳扩展、断裂。断口：材料断裂后在断裂部位相匹配的两个断裂表面。断口分析：通过断口及其周围与断裂过程有关信息的分析，判断断裂的类型、断裂过程的机理，找出断裂的原因和预防断裂的措施。131)加载条件：中、低速--静载荷，高速--冲击载荷；交变载荷指循环载荷。用拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、接触作为加载方向。2)裂纹扩展速率：低速(＜5m/s)稳态扩展；非稳态快速(＞1Km/s)扩展，。3)断裂前应变状态：脆性或即韧性；宏观断裂方向：平直面(平面应变状态)或剪切面(平面应力状态)。4)断口宏观形貌用肉眼、放大镜或低倍显微镜观察后用光反射(发亮或发灰)和纹理(光滑或粗糙、结晶或丝光、颗粒或纤维、自然现象景观等)来表示。5)断口微观形貌用显微镜观察的图像像形来表示(韧窝、解理小平面、辉纹、自然现象景观等)。断裂要素的统一14一断裂失效分类一、断裂失效的分类混合断裂脆性断裂变形程度韧性断裂切断(韧性)正断应力类型混晶断裂沿晶断裂裂纹途径穿晶断裂环境断裂疲劳断裂其它微观机理韧窝断裂疲劳断裂蠕变断裂解理断裂结合力弱化断裂15二韧性断裂二、韧性断裂构件断裂前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂。图3-8液氨管韧性断裂失效161断裂特征1.韧性断裂特征①缓慢的断裂过程：裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢；②断前产生显著的塑性变形；③两种宏观断裂形貌：正断(或平断)---宏观断面取向与最大正应力相垂直；剪断(或斜断)---宏观断面取向与最大切应力方向相一致的切断，即与最大正应力约呈45°角。17图3-9韧性断裂宏观形貌182断口形貌2.断口形貌1)断口宏观形貌图3-10光滑圆棒试样韧性断口宏观形貌19图3-11非杯-锥状韧性断口宏观形貌20根据纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初步评价材料的性能。纤维区较大---材料的塑性和韧性比较好；放射区较大---材料的塑性降低，而脆性增大。按三区评价材料性能要考虑构件截面形状及尺寸的影响，另外还要考虑随环境条件的影响。如温度降低、加载速度升高等，纤维区及剪切唇区减小、放射区增大，因温度降低会引起低温脆性，加载速度升高使裂纹扩展速率增加。从韧性断裂宏观形貌三区的特征可分析断口的类型、断裂的方式及性质，有助于判断失效的机理及找出失效的原因。212)断口微观形貌韧性断裂断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心常有夹杂物或第二相质点。韧窝花样：微孔聚集蛇行花样：纯剪切涟波花样：由蛇行滑动形成a.韧窝①韧窝的分类三种形态：等轴韧窝剪切韧窝撕裂韧窝22图3-12在三种应力作用下由显微孔洞聚集所形成的韧窝形态示意图23图3-1320钢拉杆韧窝碳复型透射电镜形貌24取决于材料断裂时微孔的核心数量和材料的相对塑性。②韧窝的大小、深浅和数量30CrMo钢拉伸断口等轴韧窝形貌(SEM)25b.蛇行花样和涟波花样图3-15大韧窝的底部可观察有蛇行花样条纹TEMl0000X图3-16剪切韧窝及涟波花样TEMl0000X263防止措施3.产生原因及防止措施①设计时充分考虑构件的承载能力，尽可能使塑性变形不要发展为断裂；②操作时保持仪表完好的状态，准确显示操作工况；③严格遵守操作规程，严禁超载、超温、超速等；④随时注意有无异常变形；⑤定期测厚，尤其有腐蚀、高温氧化等引起壁厚减薄的工况。韧性断裂的原因多是各种影响因素造成的材料强度不足，如构件受到较大的载荷或过载、局部应力集中等。27三脆性断裂1脆性断裂特征三、脆性断裂1.脆性断裂特征1)低应力脆性断裂(高/低强度钢都可能发生)；2)低温脆性断裂(中/低强度钢，见图3-17)；3)突发性断裂，断前变形极小，无明显的先兆；4)通常在体心立方和密排六方金属材料中出现；图3-17体心立方Fe和面心立方Ni、Cu的塑性和屈服强度随温度的变化28解理是金属在正应力的作用下沿解理面发生的一种低能断裂。绝大多数解理面是原子密排面。表3-2常见纯金属的解理面{111}菱形Sb{111}菱形Bi{0001}密排六方Ti{0001}密排六方Zn{0001}密排六方Mg{100}体心立方α-Fe解理面晶系金属5)一般沿低指数晶面穿晶解理断裂。292断口形貌2.脆性断口形貌1)宏观形貌★小刻面：平滑明亮、结晶状脆性断口的宏观形貌有两种明显的特征30根据断口人字条纹或山形条纹的图形可以判断脆性断裂的裂纹扩展方向和寻找断裂起源点。(这是很有实际意义的)★人字或山形条纹图3-18容器脆性宏观断口的人字条纹和山形条纹(箭头所指方向为微裂纹扩展方向)31举例：由人字条纹方向寻找裂纹源球罐脆性断裂分区低视图美国顺纳德球形储氢压力容器(直径11.7m)爆炸成为20个碎片，断口呈人字条纹，脆性断裂总长达198m。322)微观形貌一般是解理特征，不同组织的解理断口具有不同的形貌：铁素体---河流条纹、舌状花样；珠光体---不连续片层状；马氏体---由许多细小的解理面组成，且有针状刻面。几乎所有的解理断口上均有二次裂纹。★河流条纹河流流向是裂纹的扩展方向，上游是裂纹源。33★舌状花样材料脆性大、温度低，临界变形困难时,晶体变形以形变孪晶方式进行,易形成解理舌状花样。图3-23解理舌状花样形成示意图34★其它花样图3-24青鱼骨状花样SEM2000X羽毛状花样SEM2000X韧窝河流花样353影响因素3.脆性断裂的影响因素应力状态指构件内应力的类型、分布、大小和方向。最大切应力促进塑性滑移的发展，它对形变和断裂的发生及发展过程都产生影响；最大拉伸应力只促进脆性裂纹的扩展。σmax／τmax越大，脆性断裂可能性越大；三向拉伸应力状态下，σmax／τmax最大，极易导致脆性断裂。构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀痕、尖锐缺口尖端处极易造成三向拉伸应力状态，这是造成金属构件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。1)应力状态与缺口效应36温度是造成工程构件脆性断裂的重要因素之一。低温下，材料韧性降低，脆性断裂的可能性大大增加。2)温度随着钢板厚度的增加，脆性转变温度升高，钢材的缺口脆性增加。3)尺寸效应4)焊接质量5)工作介质6)材料和组织因素374防止措施4.预防脆性断裂的途径1)防脆性断裂的合理结构设计：应考虑材料的断裂韧性水平、构件的最低工作温度和应力状态、承受的裁荷类型(交变载荷、冲击载荷等)以及环境腐蚀介质；2)构件的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度；3)以断裂力学观点选材，除强度外，还应保证足够的韧性；4)设计和生产中，要避免应力集中；5)采用正确的焊接方法和合理的焊接工艺，保证焊接质量。传统强度设计不包含脆性强度概念，没有考虑温度、加载速度、构件尺寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂的因素，构件的脆性断裂是不能避免的。38四疲劳断裂四、疲劳断裂疲劳疲劳的分类接触疲劳高温疲劳腐蚀疲劳微振疲劳环境高应力疲劳低应力疲劳应力大小扭转疲劳拉压疲劳拉伸疲劳弯曲疲劳混合疲劳载荷低周疲劳高周疲劳交变频率391疲劳断裂特征1.疲劳断裂的现象及特征1)载荷是交变负荷。402)疲劳断裂是在负荷多次循环后发生的(累进式)。3)疲劳断裂是反复拉伸应力和反复切应力的结果。疲劳曲线414)过程包括疲劳裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段。★疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷，工艺缺陷等。图3-29滑移带中产生的“挤入”及“挤出”示意42★疲劳裂纹的扩展是一个包括滑移塑性形变与不稳定断裂交替作用的复杂过程，通常有切向扩展和正向扩展两个阶段。图3-30疲劳裂纹扩展的两个阶段(a)疲劳裂纹扩展示意图(b)螺栓实际使用中的疲劳裂纹435)即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断裂构件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。图3-31软钢断裂试样(a)疲劳断裂(b)静拉伸断裂442断口形貌2.疲劳断口形貌三个区域：裂纹起源区、裂纹扩展区和最终断裂区(瞬断区)。1)断口的宏观形貌图-3-32疲劳断口的宏观形貌45★裂纹起源区★裂纹扩展区呈河滩花样(或贝壳状条纹或疲劳弧带)★最终断裂区呈宏观脆性断裂特征(粗糙“晶粒”结构)疲劳源一般只有一个，所占的断面比例很小；疲劳源一般位于表面应力集中处或缺陷部位。表面缺陷：刀痕、划伤、烧伤、锈蚀、淬火裂等；心部或亚表面缺陷：夹杂物、气孔、夹渣、白点、内裂等；表面硬化层：表面淬火层、化学热处理层；应力集中部位:缺口、沟槽、台阶、尖角、小孔、突变截面等。46i.判断疲劳起源点及裂纹扩展方向ii.判