金属脆性断裂与疲劳失效.ppt

4.1 断裂的类型 4.2 脆性断裂失效现象及特征 4.3 脆性断裂的裂纹萌生与扩展 4.4 脆性断裂失效原因分析 4.5 防止脆性断裂失效的途径 4.2 脆性断裂失效现象及特征 4.2.1 脆性断裂失效现象 4. 2. 2 脆性断口宏观形貌特征 4.2.3 脆性断口微观形貌特征 表4-2 断裂分类及其特征 通过对大量脆性断裂现象的分析与考查，脆性断裂的主要特征可归纳如下： 1. 零件断成两部分或碎成多块； 2. 断裂后的残片能很好地拼揍复原，断口能很好地吻合，在断口附近没 有 宏观的塑性变形迹象； 3. 脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，因此，人们 把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”； 4. 脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始； 5. 温度降低，脆断倾向增加； 6. 脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹； 7. 一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速，因此带来的后果常常是灾难性的； 8. 高强度钢可能发生脆性断裂，在比较低的温度下，中、低强度钢也可能发生脆性断裂。 脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。 4.2.2 脆性断口宏观形貌特征 1. 解理断口 （1）小刻面 （2）人字状条纹、山形条纹或松枝状花样 2. 准解理断口 3. 晶界脆性断口 前面我们在讨论断裂类型时曾广义地把所有断裂分为脆性断裂和韧性断裂两大类。广义的脆性断裂包括有： 单次加载断裂——狭义的脆性断裂； 多次加载断裂——疲劳断裂； 环境促进断裂——氢脆、应力腐蚀开裂等。 图4-2 锅炉钢板的解理断口 图4-3 爆炸破坏筒断口上出现的人字形花样 图4-4 4.2.3 脆性断口微观形貌特征 1. 解理断口 2. 准解理断口 3. 沿晶断口 图4-5 解理断裂 图4-6 二次解理和撕裂形成台阶 图4-7 河流花样形成示意图 图4-8 舌状花样 图4-9 解理舌形成示意图 准解理断口与解理断口的区别表现在： （1）准解理裂纹多萌生于晶粒内部的空洞、夹杂物、硬质点处，而解理裂纹则萌生在晶粒的边界或相界面上； （2）裂纹传播的路径不同，准解理是裂纹向四周扩展，裂纹的扩展从解理台阶逐渐过渡向撕裂棱，相对于解理裂纹要不连续得多，而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内定向扩展，表现出河流走向； （3）准解理小刻面不是晶体学解理面。在调质钢中准解理小刻面的尺寸比回火马氏体的尺寸要大得多，与原奥氏体晶粒尺寸相近。解理与准解理之间的主要区别归于表4-3 表4-3 解理断裂与准解理断裂的区别 4.3.1 脆性裂纹的萌生机理 1. 解理裂纹的萌生 1）位错塞积理论（Zener-Stroh理论） 2）位错反应理论（cottrell理论） 3）脆性第二相开裂理论（Smith理论） 2. 沿晶脆性裂纹的萌生 图4-10 位错塞积形成的裂纹 图4-11 位错反应形成裂纹 图4-12 裂纹形成的Smith模型 2. 温度 温度降低会引起材质本身的性能变化，如钢的屈服应力随温度降低而增加，韧性下降，解理应力也随着下降。对某些体心立方金属及合金，由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错，特别在低温下，这种结构的螺位错难以交滑移，使得派-纳力（在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力）随温度的降低迅速升高，这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高即对温度产生强烈依赖关系，并因此导致材料脆化的主要原因。 3. 尺寸效应 众所周知，钢板厚度对脆性断裂有较大的影响，厚钢板的缺口韧性差已由实验所证明，即随钢板厚度的增加，脆性转变温度升高，钢材的缺口脆性增加，其脆化原因一般认为： （1）冶金质量。厚钢板的冶金质量比薄钢板差，如厚板晶粒粗大，偏析程度增加，冶炼质量及组织不均匀，使得厚板脆化倾向提高； （2）应力状态。钢板厚度增加，即处于平面应 变状态，从而使脆化倾向提高。如在给定温度下，带缺口的厚板可能是脆性的，而材料相同的带缺口的薄板却可能是韧性的。 6. 材料化学成分与组织 低温状态下使用的低碳钢或低合金钢中，增加含碳量将增加钢的脆性。磷强烈增加钢的脆性，特别是低温脆性。某些淬火的合金钢（如Cr-Ni钢、Si-Mn钢等）在450～650℃回火后缓冷，韧性显著下降的高温回火脆性。钢的组