HT200试棒脆性断裂失效分析

HT200试棒脆性断裂失效分析

过程装备与控制工程２０１３－２刘凯（２２）李阔（１６）

摘要：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，往往造成严重的后果及巨大的经济损失。试棒脆性断裂失效分析从断口的宏观外观、微观组织、受力状态等方面综合分析，解释断裂失效的原因。

关键字：ＨＴ２００试棒脆性断裂失效分析

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，是金属构件常见的失效形式之一，特别是脆性断裂，它是危害性甚大的失效形式。脆性断裂前构件的变形量很小，没有明显可以觉察出来的宏观变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力条件下的低能断裂。通过对ＨＴ２００拉力试棒断裂失效分析包括力学性能、化学成分、金相组织、其他相关性能；断口分析、表面分析，包括金相组织、电镜分析各种分析；失效现象及原因分析等综合学习掌握关于脆性断裂的相关知识

一、试样收集与观察

ＨＨＴ２００拉力试棒

图示拉力试棒为液压万能试验机拉断后的试棒，其原始尺寸如下图。

ＨＴ２００拉力试棒尺寸图

试棒装在液压万能试验机后，开动试验机缓慢加载。在拉伸过程中，没有肉眼可见的颈缩、屈服现象，，随着“砰”一声，试棒被拉断。拉断前的应变很小，伸长率也很小，十分典型的脆性断裂过程。

二、化学成分

脆性断裂实验所用拉力试棒为ＨＴ２００材料，具体含义为灰口铸铁抗拉强度为２００ＭＰａ，硬度范围为１６３～２５５ＨＢ，抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件。其具体化学成分如下表。

试验过程中观察不到拉力试棒明显的应变过程及颈缩现象，在较小的拉应力作用下就被拉断了，没有屈服和颈缩现象，拉断前的应变很小，伸长率也很小。其拉伸时的应力－应变关系是一段微弯的曲线，没有明显的直线部分，也没有明显的屈服阶段。

铸铁在拉断时的最大应力即为其强度极限。因为没有屈服现象，强度极限σ

ｂ是衡量强度的唯一指标。σ

ｂ

＝Ｆｂ

Ａｏ

。

灰口铸铁σ－ε图

四、断裂试棒断口宏观形貌及其微观金相组织观察

脆性断裂是从金属构件内部原本存在的微小裂纹为裂纹源而开始的。因此，脆性断裂往往是突然发生的，断裂前基本没有肉眼可见的变形量。脆性断裂一般沿低指数晶面穿晶解理，解理是金属在正应力作用下沿解理面发生的一种低能断裂。由于解理是通过破坏原子间的键合来实现的，而密排面之间的原子间隙最大，键合力最弱，故绝大多数解理面是原子密排面。但也有一些脆性材料断裂是沿晶断裂，如晶界上有脆性物或有晶间腐蚀是，就有可能产生沿晶断裂。该拉力试棒为沿解理面断裂，故其断口的宏观形貌具有两个明显特征。一、其断口表面是明亮结晶状的，表面存在小刻面。一个多晶体金属材料的解理断口，由于其每个晶体的取向不同，所以其解理面与断裂面所取的位向也就不同，若把断口放在手中旋转时，将闪闪发亮，像存在许多分镜面。二、存在“山形”条纹。脆性材料在断裂时会从断裂源点形成“山形”裂纹。随着裂纹的发展，条纹会变粗，因此，根据断口“山形”裂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。综上并观察试棒断口分析可知ＨＴ２００拉力试棒为典型的脆性断裂。

脆性解理断裂的电子显微断口形态的一个特征是呈现河流花样。由于金属是多晶体，取向又是无序的，解理在某一晶粒内进行时以及穿过一个晶粒向相邻晶粒传播时，均会造成解理裂缝在不同的结晶面上断开，这些解理裂缝相交处即会形成台阶。在电子显微镜中这些解理台阶呈现出形似地球上的河流状形貌，故名河流状花样。沿着解理断裂的方向河流可以合并为“主流”。解理穿越晶界时，不仅河流花样的“流向”要发生变化，而且有可能加粗或部分消失由于实际晶体内部存在许多缺陷（位错、析出物、夹杂物等），所以在一个晶粒内的解理并不

是只沿着一个晶面，而是沿着一族相互平行的（具有相同的晶面指数），位于不同高度的晶面解理。这样，不同高度的解理面之间的裂纹相互贯通形成解理台阶，许多的解理台阶相互汇合形成河流花样。因此可以说河流花样实际上是断裂面上的微小解理台阶在图像上的表现，河流条纹就是相当于各个解理平面的交割。河流花样的流向也是裂纹的扩展方向，河流的上游（河流的分叉方向）是裂纹源。观察下面的微观金相可以明显观察到河流花样，

金相图

综合观察，拉伸试棒整个断口平坦断面较粗糙，有大小不均匀的解理面组成，解理面呈典型的河流状花样，在两个断裂面的交界处出现撕裂棱以及光滑的解理面，边缘稍有起伏，呈暗灰色，有少量白亮点，看不到钢拉伸断口三个区域(即纤维区、放射区、剪切唇)，故属脆性断裂。

五、失效分析结论

由试棒断口的宏观形貌、微观金相及实验过程中所观察到的实验现象可以确定试棒是由于承受拉应力超过其抗拉强度引起的脆性断裂。

六、脆性断裂影响因素及预防途径

影响脆性断裂的因素主要有：ａ、应力状态与缺口效应。不同的应力状态对脆性断裂有不同的影响，如最大切应力促进塑性滑移的发展，是位错移动的推动力对形变和断裂都有影响而最大拉伸应力则只促进脆性裂纹的发展。在实际金属构件中，常见由于应力分布不均而造成三向应力状态，这是造成金属构件在静压低负荷下产生脆性断裂的重要原因。ｂ、温度是造成工程构件脆性断裂的重要因素之一，尤其是低温。温度的降低会引起材料本身的性能变化，钢的屈服应力增加，韧性降低，解理应力也随之下降，可能引起由原来的韧性断裂转变为低应力状态下的脆性断裂。ｃ、材料和组织。脆性材料、劣等冶金质量、有氢脆倾向的

材料以及缺口敏感性大的材料都会促使发生脆性断裂。此外，不良热处理产生的脆性组织状态如组织偏析、脆性相析出、淬火后消除应力不及时不充分等也会促使脆性断裂的发生。ｄ、金属构件的尺寸效应、焊接质量以及工作介质存在腐蚀性等都会引起脆性断裂的发生。

为确保构件在使用中的安全，在设计制造方面应全面考虑到选择合理的材料、材料的断裂韧性水平、构件的最低工作温度和应力状态、焊接结构及工艺、工作过程中承受的载荷类型以及工作环境是否存在腐蚀性介质。