断裂失效分析

失效分析培训陶春虎中国航空工业集团公司失效分析中心联系方式：010-62496798，13910753038北京市81信箱4分箱，100095引言•在机电装备的各类失效分析中以断裂失效最主要，危害最大。因此，国内外对断裂失效进行了大量的分析研究。断裂失效分析是从裂纹和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因和规律。•环境介质作用下的失效是相当广泛的概念。“环境”是指机电产品工作现场的气氛、介质和温度等外界条件。金属构件或整个机械产品的环境失效的主要模式是我们常讲的腐蚀，当然包括“环境”与应力共同作用下的破坏—如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及液态金属致脆等。•断口的定量分析主要指对断口表面的成分、结构和形貌特征等方面进行定量参数的测试、描述和表征。通过对疲劳断口定量分析可得出构件在实际工作中的疲劳裂纹扩展速率，从而能合理地对零部件进行疲劳寿命估算、可确定构件形成裂纹的时间、评价其制造质量、估算疲劳应力等。第一章断裂失效分析在机电装备的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。目前对断裂行为的研究有两种不同的方法：一种是断裂力学的方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并考虑材料内部存在有缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。另一种是金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。而断裂失效分析则是从断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因。它在断裂力学方法和金属物理方法之间架起联系的桥梁。一、金属断裂的基本概念1.断裂与断口构件或试样在外力作用下导致裂纹形成扩展而分裂为两部分（或几部分）的过程称为断裂。它包括裂纹萌生、扩展和最后瞬断三个阶段。断裂形成的断面称为断口。断口上详细记录了断裂过程中内外因素的变化所留下的痕迹与特征，是分析断裂机理与原因的重要依据。断裂可按具体的需要和分析研究的方便进行分类。①按断裂性质分类根据零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小分为：a.塑性断裂，断裂前发生较明显的塑性变形。延伸率大于5%的材料通常称为塑性材料；b.脆性断裂，断裂前几乎不产生明显的塑性变形。延伸率小于3%的材料通常称为脆性材料；c.塑性-脆性混合型断裂，又称为准脆性断裂。2.断裂分类2.断裂分类②依断裂路径的走向可分为穿晶断裂和沿晶断裂两类。在实际断裂失效断口上，多数情况是既有沿晶断裂，又有穿晶断裂的混合型断裂。③按断面相对位移形式分类按两断面在断裂过程中相对运动的方向可分为：a.张开型（I型）；b.前后滑移型（II型）；c.剪切性（III型）。2.断裂分类2.断裂分类④按断裂方式分类按断面所受的外力类型的不同分为正断、切断及混合断裂三种。⑤按断裂机制分类可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶及疲劳等多种断裂。2.断裂分类⑥其它分类法按应力状态分类，可分为静载断裂（拉伸、剪切、扭转）、动载断裂（冲击断裂、疲劳断裂）等。按断裂环境分类，可分为低温断裂、中温断裂、高温断裂、腐蚀断裂、氢脆及液态金属致脆断裂等。按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等三类。按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂三类。按断裂形成过程分类,可分为工艺性断裂和服役性断裂。在金属光滑圆试样室温拉伸或冲击断口上，通常可分为三个宏观特征区，即如图所示的纤维区、放射区和剪切唇区。这就是所谓的断口宏观特征三要素。3.过载断裂的宏观断口三要素断口三要素的应用案例:某型飞机起落架进行疲劳试验的过程中，试验耳片发生早期断裂。前起落架断裂耳片有两个断面剪切唇、放射区的人字纹特征明显。某飞机前起落架断裂耳片主、次两个断口工程材料的显微结构都比较复杂，特定的显微结构在特定的外界条件下有特定的断裂物理机制和微观形貌特征。1.穿晶韧窝断裂韧窝是金属延性断裂的主要微观特征。韧窝又称作迭波、孔坑、微孔、微坑等。韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。虽然韧窝是延性断裂的微观特征，但不能仅仅据此就作出断裂属延性断裂的结论。二、金属断裂的微观机理与典型形貌①韧窝的形成韧窝形成的机理比较复杂，大致可分为显微空洞的形核、显微空洞的长大和显微空洞的聚集三个阶段。二、金属断裂的微观机理与典型形貌1.穿晶韧窝断裂某弹用发动机零件四方轴断裂断口韧窝形貌②韧窝的形状韧窝的形状主要取决于所受的应力状态，最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种。二、金属断裂的微观机理与典型形貌1.穿晶韧窝断裂某直升机主减速轴上盖人工断口韧窝形貌金属断裂过程均起始于变形。金属的塑性变形方式主要有滑移、孪生、晶界滑动和扩散性蠕变四种。孪生一般在低温下才起作用；在高温下，晶界滑动和扩散性蠕变方式较为重要。而在常温下，主要的变形方式是滑移。过量的滑移变形出现滑移分离，其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样、涟波等。2.滑移分离晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线.滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶称为滑移台阶。由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。2.滑移分离滑移分离断口形貌滑移分离的基本特征是：断面倾斜，呈45°角；断口附近有明显的塑性变形，滑移分离是在平面应力状态下进行的。滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样、延伸区。2.滑移分离2.滑移分离a.蛇形花样，多晶体材料受到较大的塑形变形产生交滑移，导致滑移面分离，形成起伏弯曲的条纹，通常称为蛇形滑移b.若变形程度加剧，则蛇形滑移花样因变形而平滑化，形成涟波花样。c.如若继续变形，涟波花样也将进一步平坦化，在断口上留下了没有什么特殊形貌可言的平坦区，称为延伸区。几种典型滑移分离断口形貌3.解理断裂②解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键的破坏而造成的沿一定的晶体学平面（即解理面）快速分离的过程。解理断裂是脆性断裂的一种机理，属于脆性断裂，但并不是脆断的同义语，有时解理可以伴有一定的微观塑性变形。解理面一般是表面能量最小的晶面。面心立方晶系的金属及合金，在一般情况下，不发生解理断裂。3.解理断裂②解理断裂的形貌特征典型的解理断口微观形貌有以下重要特征：解理台阶、河流花样、“舌”状花样、鱼骨状花样、扇形花样等。某型机装配脱板螺母后发现有多个该型螺母在椭圆形收口处存在细小裂纹。裂纹附近未观察到塑性变形痕迹，裂纹较平直，由此说明裂纹的开裂为脆性开裂。裂纹断口区域为解理＋沿晶断裂的脆性断裂特征裂纹形态3.解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。首先在不同部位，同时产生许多解理裂纹核，然后按解理方式扩展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小刻面相连，形成撕裂棱。4.准解理断裂某弹用十字槽扁圆头螺钉断口准解理断面形貌4.准解理断裂准解理断口宏观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小，呈脆性特征。其微观形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。案例：某厂装泵运转的弹簧发生断裂。断口如图呈准解理断裂形貌。4.准解理断裂准解理断裂形貌5.沿晶断裂沿晶断裂又称晶间断裂，它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离，即沿晶界发生的断裂现象。按断面的微观形貌，通常可将沿晶断裂分为两类：沿晶韧窝断裂和沿晶脆性断裂。5.沿晶断裂图示：沿晶脆性断裂沿晶韧窝断裂5.沿晶断裂回火脆、氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆以及因过热、过烧引起的脆断断口大都为沿晶脆性断裂特征；而蠕变断裂、某些高温合金的室温冲击或拉伸断口往往为沿晶韧窝形貌。另外还有两种情况也属沿晶断裂范畴。一是沿结合面发生的断裂，如沿焊接结合面发生的断裂；二是沿相界面发生的断裂，如在两相金属中沿两相的交界面发生的断裂。5.沿晶断裂案例：某型飞机进行发动机调试过程中，左发动机成功起动至慢车时，信号盘报出“断开空调”信息，停车进行检查，发现空调系统中燃油—空气散热器出口处卡箍断裂（位置如图）。基体区域的沿晶断裂特征根据氢含量测定结果可知，钢带中的氢含量均远远高出一般钢中对氢含量的要求值，可以判断为氢脆导致沿晶断裂。6.疲劳断裂①定义疲劳断裂是材料(或构件)在交变应力反复作用下发生的断裂。②疲劳断裂的危害性a.多数机件承受的应力是周期性变动的。b.疲劳破坏表现为突然断裂，断裂前无显著变形。c.造成疲劳破坏时，循环交变应力中的最高应力一般远低于静载荷下材料的强度极限；d.零件的疲劳断裂不仅取决于材质，而且对零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等非常敏感。e.很大一部分机件承受弯曲扭转应力。6.疲劳断裂疲劳断裂过程示意图③疲劳断裂过程●疲劳裂纹的萌生、稳定扩展及失稳断裂三个阶段。④疲劳裂纹的萌生交变载荷产生局部滑移→滑移线变粗形成滑移带→驻留滑移带的形成→驻留滑移带挤入槽和挤出峰的形成→萌生疲劳裂纹。疲劳裂纹的萌生示意图6.疲劳断裂⑤疲劳裂纹稳定扩展的两个阶段(1)疲劳裂纹稳定扩展第一阶段●与正应力呈45，扩展深度很浅。断裂形貌特征：类解理小平面平行锯齿状断面叶片疲劳断裂第一阶段锯齿状断面6.疲劳断裂⑤疲劳裂纹稳定扩展的两个阶段(2)疲劳裂纹稳定扩展第二阶段疲劳裂纹按第一阶段方式扩展一定距离后，将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展产生重大影响。这就是疲劳裂纹稳定扩展的第二阶段，疲劳裂纹扩展第二阶段断面上最重要的显微特征是疲劳条带，又称疲劳辉纹。6.疲劳断裂⑥疲劳条带的类型与形态延性疲劳条带(晶体学和非晶体学)、脆性疲劳条带(晶体学和非晶体学)延性疲劳条带与脆性疲劳条带a.延性疲劳条带b.脆性疲劳条带6.疲劳断裂图示：某蓄压油箱疲劳裂纹源区位置及疲劳弧线源区处疲劳条带三、疲劳断裂失效分析1.分类三、疲劳断裂失效分析2.疲劳断裂的宏观分析典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区，即疲劳源区、扩展区和瞬断区（1）源区的宏观特征a.氧化或腐蚀严重，颜色较深b.断面平坦、光滑、细密，有些可见闪光小刻面c.有放射台阶或放射棱线d.向外发射疲劳弧线的中心（2）扩展区的宏观特征断面平坦、与主应力垂直，颜色介于源区和瞬断区，最基本的特征是疲劳弧线，也称海滩花样或贝壳花样。（3）瞬断区的宏观特征与静载拉伸断口相近，瞬断区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质环境介质等因素。三、疲劳断裂失效分析2.疲劳断裂的宏观分析案例：某电气控制盒固定脚焊缝附近断裂，断口可见疲劳弧线和源区的磨损特征，扩展较充分，瞬断区面积较小，断口具有典型的疲劳断裂特征。断口宏观形貌断口疲劳弧线与源处的磨损三、疲劳断裂失效分析3.疲劳断口的微观分析疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容：源区的微观分析(具体位置：多源疲劳：主源、次源；微观形貌特征：加工及材质缺陷)扩展区的微观分析第一扩展区：有无疲劳条带、韧窝、台阶二次裂纹等第二扩展区：有无疲劳条带及疲劳条带的性质瞬断区的微观分析(韧窝形态)三、疲劳断裂失效分析4.低周疲劳断裂的判据1)宏观特征a.多源，且多为线状；b.瞬断区面积大；c.疲劳弧线间距大，稳定扩展区棱线粗、短；d.断口高差较大。2)微观特征：对低周疲劳，由于宏观塑性变形较大，静载断裂机理就会出现在疲劳断裂过程中，在断口上出现各种静载断裂所产生的断口形态。三、疲劳断裂失效分析4.低周疲劳断裂的判据案例：某发动机的涡轮叶片和轮盘上多个榫齿出现了超过修理标准的裂纹，且裂纹部位基本上在第三齿，多数为单裂，少数为对裂，亦有邻裂的情况。断口源区为穿晶滑移类解理断裂形貌，呈多源特征，扩展区主要为扇形解理扩展形貌和疲劳条带特征，为起始应力较大的以低周疲劳为主的疲劳开裂。叶片槽位处裂纹断口低倍扩展区载荷变化较大的条带特征据源区较远处条带特征三、疲劳断裂失效分析5.腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交应载荷协同、交互作用下发生的一种失效模式。●腐蚀疲劳的断裂特征a.断口低