材料断口分析(第5-6章)

1第五章环境断裂§1应力腐蚀断裂§2氢脆断裂§3蠕变断裂§4其它的环境断裂2概述环境断裂：主要指金属材料在腐蚀介质、温度环境等条件的影响下，产生的沿晶或穿晶低应力脆断现象常见的环境断裂：SCC、氢脆、蠕变断裂液态或固态金属脆、中子脆过热、过烧断裂静载延迟断裂：材料在特定的外界条件下，虽然所受的应力低于材料的屈服强度，但服役一段时间，也可以发生突然的低应力脆断，这类与时间有关的低应力脆断现象。3§1、应力腐蚀断裂一、引言1、定义由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。2、共同特征◆只有在拉应力作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残余拉应力或工作应力。一般情况下，产生SCC时拉应力都很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。◆要有一定的腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐蚀介质一般都是特定的（选择性）。◆一般只有合金才产生SCC，纯金属不会产生SCC。4应力腐蚀发生的条件及涉及的学科53、断裂过程裂纹形成：占全部时间的90%裂纹扩展：占全部时间的10%6引起表面膜局部破裂的因素：◆环境因素：可能存在破坏钝化膜的活性离子，如Cl-、Br-等◆冶金因素：金属表面的缺陷，如夹杂物、位错露头等◆力学因素：在应力作用下产生的突出表面的滑移台阶◆机械破损7二、SCC机理1、保护膜破裂机理认为产生SCC是电化学反应起控制作用形成保护膜→保护膜破裂→阳极溶解→重新形成保护膜→重新破坏→新的阳极溶解82、应力吸附机理（氢致脆化机理）认为[H]吸附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲和力减弱，即表面能降低。从Griffith缺口强度理论可知：σc∝γ1/2∵γ↓∴σc↓从而脆化金属，使材料产生早期断裂9三、SCC断口形貌特征1、宏观形貌特征●呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹●裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚稳扩展区呈暗色或灰黑色●最终断裂区具有金属光泽，常有放射状花样或人字纹102、微观形貌典型断口：沿晶断口，晶面有撕裂脊；有时也可观察到韧窝、腐蚀坑、二次裂纹，也可能有穿晶断裂，断口有河流、扇形、泥状、块状花样等沿晶断口11穿晶断口泥纹状断口：在平坦面上分布直线状裂纹（如河底干沽状）12四、SCC的影响因素与预防措施1、影响因素◆应力：拉应力◆环境介质：材料对介质具有选择性◆成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量◆热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)2、预防措施◆降低应力◆表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力◆改变腐蚀介质◆选材◆电化学保护13§2氢脆断裂一、引言1、定义:金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断2、类型内部氢脆：材料在熔炼、焊接、高温锻造、轧制和热处理等过程中吸收了过量的氢气而造成的环境氢脆：在应力和含氢介质的联合作用下引起的一种低应力脆断。如贮氢压力容器材料发生的断裂两者区别：氢的来源不同，而脆化本质是否相同目前尚未定论。14二、氢脆断口特征1、内部氢脆宏观特征：白点：是大型锻件和热轧钢坯中常见的缺陷它是钢中氢与组织转变应力、热应力共同作用下产生的细长裂纹，尺寸一般为几毫米到几十毫米。15白点形貌鱼眼型白点16发裂白点（不可逆白点）：断口上呈现白点，呈银白色，轮廓分明，表面光亮形状为圆形或椭圆形实际上是一种内部微细裂纹鱼眼型白点（可逆白点）：是以材料内部的宏观缺陷（气孔、夹渣）为核心的银白色斑点形状为圆形或椭圆形核心愈大，白色愈大，白色区齐平略为下凹17微观特征：穿晶解理型或准解理型花样，以准解理较为多见浮云状波纹状条状182、环境氢脆宏观形貌：与一般的脆性断口形态相似，有时可见到一些反光的小刻面、结晶状颗粒或放射状花样不锈钢螺栓氢脆断口螺钉氢脆断口19微观形貌：典型为沿晶断口与准解理断口，有时看到解理及局部韧断。20在不同K值下高强钢的断裂形式氢脆的沿晶断口21四、SCC与氢脆的关系联系：●广义的SCC包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。●微观断口形貌也十分相似22区别：●从电化学反应来看，SCC是阳极溶解控制过程Fe-2e→Fe+氢脆是阴极反应控制过程H++e→[H]2[H]→H2↑23●裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉SCC裂纹氢脆裂纹24五、影响氢脆的外部因素1、温度氢脆多发生在温度为-100℃—150℃之间，一般最敏感的温度是室温温度太低，氢不易扩散和聚结温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量2、[H]浓度发生氢脆时不一定要求氢气氛或含氢介质有很高的浓度如当[H]＜1ppm时就能引起高强钢的氢脆。253、置放时间对于内部可逆氢脆，能否出现白点还与置放时间有关。置放时间太长或太短都不会出现白点。26§3蠕变断裂一、引言1、定义蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使σ＜σ0.2，也会缓慢地产生塑性变形的现象蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断2、发生条件0K—Tm范围内都会产生蠕变，但只有高于0.3Tm时才较显著273、蠕变曲线典型的蠕变曲线28二、断裂过程蠕变断裂主要是沿晶断裂，包括裂纹形成与扩展裂纹形成：楔形裂纹：通常萌生于三个晶粒相遇的晶粒处，然后沿晶进行传播。裂纹一般在垂直于应力方向的晶界上各种楔形裂纹形成示意图29孔洞型裂纹：空穴位于与拉伸方向垂直且成大角度的晶界上，在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑动，蠕变断裂是由这些小空穴相互连接形成的。孔洞型裂纹形成示意图30显微空洞的形成31裂纹扩展在蠕变断裂中，很多情况下不存在非常明显的裂纹扩展阶段的情况32三、蠕变断口形貌特征宏观形貌：断口附近有明显的塑性变形，表面有许多龟裂，并被一层氧化膜覆盖高温镍基合金N-73833微观形貌研究得不广泛，因在高温下进行，所以断面上附着一层很厚的氧化膜，遮盖着细节。有时断口上布有涟波条纹（滑移线）或沿晶断口耐热钢HK40的蠕变断口34高温合金蠕变断口，涟波条纹耐热钢蠕变断口，其上具有氧化膜显微特征35§4其它的环境断裂一、液态或固态金属脆1、定义：某些高强钢或合金与一些液态金属或固态金属接触时，使金属引起显著脆化。如：铜合金与水银接触而产生的液态汞脆铝合金被液体Na、Sn脆化钢与Cd接触出现镉脆2、发生条件●两种金属没有相互有效的溶解度●两种金属不能形成高熔点的金属化合物●固态金属表面能被液态金属所浸润363、裂纹形式多枝裂纹网状裂纹374、断口形貌特征宏观形貌：两个区（缓慢断裂区、瞬断区）微观形貌：大多数为沿晶脆断，也有穿晶解理液态汞脆黄铜的Sn脆38二、过热断口与过烧断口过热断口1、定义材料在热锻、热轧或热处理加热时在高温长时间停留由于晶粒粗大而引起的低应力脆断2、断口形貌特征宏观形貌：过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重微观形貌：典型的延性沿晶断口39过烧断口1、过烧：材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。过烧钢的显微组织特点：晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及魏氏组织2、断口形貌宏观形貌：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗严重过烧出现豆腐渣状断口铝合金过烧后，表面出现许多气泡，晶界熔化成网络状熔化节40微观形貌：冰糖状，晶界局部熔化出现孔洞，晶界面变宽，内有氧化物，晶粒失去棱边变成表面圆滑的颗粒2214铝合金的过烧断口413、过烧断裂机理在高温加热过程中，合金元素或夹杂物（P、S、Si、Mn等）向晶界偏聚改变了晶界成分，使其熔点降低温度继续升高，首先在三叉晶界处熔化，然后沿晶界扩展，晶界的熔化孔洞相连形成熔化块，受外力作用时沿晶界断开。42四、中子脆1、定义中子辐照引起的延迟断裂。如核工业中反应堆锅炉及锅炉覆盖材料2、断口形貌典型的沿晶脆断断口43混合断裂444546第六章疲劳断裂§1引言§2疲劳裂纹的萌生与扩展§3疲劳断口形貌特征§4影响疲劳断口形貌的因素§5腐蚀疲劳47§1引言1、定义:由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类：高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高（Nf＞105）的疲劳低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材料的局部应力往往超过σ0.2，在断裂过程中产生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf＜102—105）的疲劳48接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象（齿轮相互接触）热疲劳：由温度起伏（升高或降低）或热循环效应引起的疲劳损坏。如热轧辊、热压模具表面出现的“龟裂”腐蚀疲劳：材料在循环应力与腐蚀介质共同作用下产生的失效现象（腐蚀坑）49依载荷类型的特点，分为三类：1、弯曲疲劳（单向、双向、旋转）2、轴向疲劳（拉—拉、拉—压）3、扭转疲劳单向弯曲疲劳受力及断裂示意图50双向弯曲疲劳受力及断裂示意图旋转弯曲疲劳受力及断裂示意图51扭转疲劳受力示意图523、疲劳断裂的一般特征▲疲劳断裂的应力远比静载下材料的σb低，甚至比σ0.2低很多，断裂前无明显的塑性变形，是一种低应力脆断破坏现象▲疲劳断裂是损伤累积过程的结果，是与时间相关的破坏方式。它包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段，不同阶段损伤方式和损伤量不同▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件环境等密切相关▲微观上，疲劳断裂一般为穿晶断裂，也属一种脆性穿晶534、疲劳断裂过程疲劳裂纹的萌生:表面（次表面、内部）疲劳裂纹的扩展（两个阶段）54第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展范围较小，约2—5个晶粒之内显微形貌不好分辨与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ的作用扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平裂纹扩展路径是穿晶的扩展速度快，每一应力循环微米数量级显微特征：疲劳辉纹55§2疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）一、疲劳裂纹萌生机理1、挤出挤入模型—Wood模型56金属表面形成的挤出脊与挤入沟572、位错销毁模型—藤田模型两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔（约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子面分离，形成孔洞583、空穴模型—Mott模型由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动，结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源594、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型60二、疲劳裂纹扩展模型1、连续扩展模型（塑性钝化模型）A、交变应力为0时，裂纹闭合B、当受拉应力时裂纹张开，尖角处由于应力集中沿45°方向产生滑移C、σL→σmax，滑移区扩大，使裂纹尖端变形成近似半圆，由锐→钝D、当受压应力时，滑移沿相反方向进行裂纹面被压近，裂纹尖端被弯折成耳环状切口E、σY→σmax，裂纹表面被压合，尖端由钝→锐，形成一个尖角，裂纹向前扩展一个条纹612、不连续扩展模型A、裂纹尖端塑性区在疲劳过程中部分累积损伤，形成显微空穴B、裂纹在拉应力作用下变钝C、未裂开的裂纹与空穴之间的部分受拉应力作用而变细，最后导致两部分连接，使裂纹扩展△a62§疲劳断口形貌特征一、宏观形貌特征断口组成：裂源区、平滑区、瞬断区63三区特征：1、裂源区位于材料表面、次表面或内部光滑、细洁的扇形小区域多源裂纹2、平滑区贝纹线（conchoidal、前沿线、年轮、海滩状）产生：表示裂纹前沿在间歇扩展时的依次位置，它是机器在开车、停车或负荷变动较大时造成的64形状：一条条同心的圆弧◆若年轮绕裂源成为向外凸起的同心圆，表示材料对缺不敏感（如低碳钢）◆若年轮绕裂纹源成凹杯或凹状，则材料对缺口敏感65变化规律：若年轮间距变化是规则的，则所受应力变化规则若年轮间距较小时，则表示疲劳裂纹扩展较缓慢，材料较韧颜色：黑色或褐色，因断口表面受到空气、水、水蒸汽或其它介质作用而氧化或腐蚀磨光标记：由于机械零部件断口常常是在运行过程中形成的因此两个匹配断口常互相磨擦，出现磨光的宏观特征。特别是