零件失效分析4-金属构件常见失效形式及其判断

变形失效
塑性变形失效 ➢ 塑性变形 ➢ 塑性变形的特点 ➢ 塑性变形失效
容易鉴别
金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值
鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷、歪扭畸变
塑性变形失效的原因及预防措施
原因：过载
措施：
✓ 合理选材，提高材料抵抗塑性 变形的能力；
✓ 准确地确定构件的工作载荷， 正确进行应力计算；
✓ 冷脆金属的低温脆断
何种晶体结构的材料易发生？ 环境温度低于韧脆转变温度 构件几何尺寸较大，处于平面应变状态
宏观 结晶状，明显的镜面反光 断口特征
微观 解理断裂特征
低温脆断断裂分析
不是固定值
韧脆转变温度
材料的缺陷和晶粒是否粗大
方法？
采用系列冲击试验确定材料的实际韧脆转变温度
✓ 第二相质点致脆断裂失效
✓ 每一种金属或合金，只有在特定的介质中才能发生 应力腐蚀；
✓ 应力（尤其是拉应力）是产生应力腐蚀的必要条件； ✓ 应力腐蚀是一种与时间有关的延迟断裂； ✓ 特定的材料在特定的腐蚀环境下有确定的KISCC； ✓ 应力腐蚀裂纹的扩展速率一般为10-6~10-3mm/min； ✓ 应力腐蚀是一种低应力脆性断裂，断口齐平；
材料选用不当 制造过程中工艺不正确
回火脆性断裂失效 冷脆金属的低温脆断 第二相质点致脆断裂失效
✓ 回火脆性断裂失效
AK
低温回火脆性
在250~400℃出现韧性下降
M及残余A分解时沿M针条边 界析出薄片状Fe3C有关
穿晶型准解理 目前尚无有效方法消除，只能尽 量避开在此温度范围内回火。
快冷
慢冷
300 500 650
性能指标：
1. 蠕变极限：为保证在高温和长期载荷作用的机件不 致产生过量变形而失效。
2. 持久强度极限－断裂抗力指标
➢ 熔点高，晶体结构紧密 ➢ 形成固溶体，含有弥散相的合金 ➢ 改进冶金质量 ➢ 高温下，粗晶粒有较高的塑变抗力和持久强度 ➢ 采用定向凝固技术获得粗大柱状晶
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。
松弛稳定性：一定温度下，经规定时间后的剩余应力。
结构上补偿胀缩方法举例
断裂失效
静载荷作用下的断裂失效分析
➢ 过载断裂失效分析 ➢ 材料致脆断裂失效分析 ➢ 环境致脆断裂失效分析 ➢ 混合断裂失效分析
疲劳断裂失效分析
静载荷作用下的断裂失效分析
➢ 过载断裂失效分析
工作载荷超过构件危险截面所能承 受的极限载荷时，构件发生的断裂
✓ 氢蚀 环境气氛中的氢在高温下进入金属内部， 夺取钢中的碳形成甲烷
✓ 氢疱
材料内部的氢于表皮下析出并转变成分 子氢，产生的高压使表层鼓起
✓ 可逆性氢脆
材料内部的氢以间隙固溶体的形式存在， 缓慢加载时，原子氢由固溶体中析出并结
合成分子状态
特点：
在一定温度范围内出现 慢速加载时明显
明显的延迟断裂性质
✓ 严格按照加工工艺规程对构件 成形，减少残余应力；
承受内压的不锈钢管
轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的 润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。
变形失效
高温作用下的变形失效
金属构件在高温长时间作用下，即使其应力恒小于屈 服强度，也会慢慢地产生塑性变形，当变形量超过规定 的要求时，导致失效。
应力腐蚀裂纹的分叉特征
不锈钢的应力腐蚀开裂
核桃纹花样
泥状花样
铜锌合金锥管的应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂失效分析
详细了解材料的生产过程与处理工艺，掌握 材料成分、组织状态及杂质含量与分布
详细了解设备或部件的结构特点，加工、 制造、装配过程
详细了解设备及部件使用环境特点
断口和裂纹形态的宏观、微观分析，确定 断裂的特征
空拉
充氢慢拉伸
➢ 氢致脆断的断口形貌特征
宏观： 鱼眼形貌 起泡
微观： 鸡爪花样 解理 准解理 沿晶
➢ 氢致脆断的断口形貌特征
A F
D
B E
C
低熔点金属的接触致脆断裂失效
金属材料（钢、钛合金、铜合金等）在承受应力 的同时与低熔点金属（铅、锡、镉、水银等）接触 ， 引起材料脆化并导致断裂。
10Fe+6NO3-+3H2O→5Fe2O3+6OH-+3N2 2Fe+NO3- → Fe2O3+0.5N2+e 如果保护膜遭到破坏，金属发生阳极溶解腐蚀的应力 腐蚀开裂。由于低碳钢的氧化保护膜只在晶粒表面上 形成，而不在晶界上，所以低碳钢的硝酸盐应力腐蚀 都是沿晶开裂。
实例2
某化肥厂使用的90m3合成氨冷凝器，采用1Cr18Ni9Ti不 锈钢管作冷凝管，工作时氨由管内流通，管外壁用水冷 却，管壁温度约200 ℃，使用不到一年，发生了多根冷 凝管开裂。
➢ 氢的来源
冶炼 ✓ 水（空气、原料） ✓ 铁锈 ✓ 碳水化合物（燃料） 加工过程 ✓ 焊接、热处理 ✓ 酸洗和电镀 储运过程 ✓潮湿大气、海洋气候
➢ 氢的来源
使用过程 ✓湿空气，水， ✓有机溶剂（含痕量水） ✓ H2 环境 ✓ H2S 环境
➢ 氢致脆断的类型
✓ 白点
溶解在基体中的氢原子析出，并在内部 缺陷处聚集，产生高压
1 0.5
0
20 40 60
铁素体量（%面积）
80 100
应力：25kg/mm2 沸腾：42%MgCl2
应力腐蚀开裂的断口形貌特征
宏观特征： ✓ 断口平直，断面与主应力方向垂直； ✓ 一般为多源，裂纹起源于表面腐蚀坑处； ✓ 断裂源区、裂纹扩展区、最后断裂区；
微观特征： ✓ 裂纹起始区大多有腐蚀产物，有时会观 察到网状龟裂的“泥纹花样”； ✓ 断口上经常出现二次裂纹； ✓ 应力腐蚀裂纹在扩展过程中发生分叉， 形成“树枝状”裂纹；应力腐蚀系统及影响因素 ✓ 穿晶、沿晶、混合型
回火温度 ℃
如何消除？
高温回火脆性 在500~600℃回火后缓慢冷却会出现韧性下降 钢中的杂质S、P、AS、Sn等在晶界上偏聚引起的。 沿晶冰糖状 ✓ 对小型零件可采用回火后快冷的方法； ✓ 对于大型零件则可在材料中加入Mo、W等， 可阻止或延缓有害元素在晶界上的析出。
回火致脆断裂分析： ✓ 室温冲击试验法 ✓ 系列冲击试验法 ✓ 低温拉伸试验法 ✓ 断裂韧度法
•裂纹起始于外表面，向内壁扩展，有的已经穿透壁厚； •断口的电子显微特征为穿晶解理； •断口上的腐蚀产物主要Fe2O3，并有氯元素富集； •冷却水为黄浦江水，含有大量氯离子。
• 冷却器管的失效原因为氯化物应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂的条件及其影响因素
基本条件：弱的腐蚀介质、不大的拉应力、特定的腐蚀系统 共同特征：
第4章 金属构件常见失效形式及其判断
❖ 变形失效 ❖ 断裂失效 ❖ 腐蚀失效 ❖ 磨损失效
变形失效
弹性变形失效 ➢ 弹性变形 ➢ 弹性变形的特点 ➢ 过量的弹性变形失效
构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值
刚度不足
判断困难
工程实例：
镗床镗杆的过量弹性变形会降低被加工零 件的精度甚至造成废品；
脆性的第二相质点沿原奥氏体 晶界择优析出引起的晶界脆化 某些杂质元素沿晶界富集引起
的晶界弱化
断口特征
宏观 晶粒状 微观 沿晶断裂，晶界处第二相质点
➢ 环境致脆断裂失效分析
应力腐蚀开裂 氢致脆断失效 低熔点金属的接触致脆断裂失效 热脆失效 蠕变断裂失效
应力腐蚀开裂 ( Stress Corrosion Cracking )
条件： 长时间接触 存在拉应力和较高的温度条件 存在一定的环境体系 低速加载
产生应力腐蚀开裂的材料－介质组合
金属或合金
低碳钢 低合金钢 奥氏体不锈钢 铜和铜合金 镍和镍合金 蒙乃尔合金 铝合金 铅 镁
腐蚀介质
NaOH, 硝酸盐溶液,(硅酸纳+硝酸钙)溶液 42% MgCl2溶液,HCN NaCl 溶液,海水, H2S水溶液 氯化物溶液,高温高压蒸馏水 氨蒸气,汞盐溶液,含SO2大气 NaOH 水溶液, HF酸,氟硅酸溶液 熔融NaCl, NaCl水溶液,海水,水蒸气,含SO2大气Pb(AC)2溶液 海洋大气,蒸馏水,KCl-KCrO4溶液
20
）
10
18-8
Kg/mm2
1
35
10
30 50 100
300
500 1000
开裂时间（小时）
各种Cr-Ni奥氏体不锈钢在沸腾的45%MgCl2溶液中 的应力-断裂时间曲线
●● 腐蚀因素
（1）SCC对环境有选择性； （2）氧化剂的存在有决定性作用； （3）温度有着重要的影响。温度升高，材料发生SCC的
✓ 蠕变变形失效
✓ 应力松弛变形失效
蠕变变形失效
金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应 力低于屈服点也会慢慢发生塑性变形，称为蠕变。
典型的蠕变曲线
晶界的弱化和在应力作用下的沿晶界的滑移
蠕变空洞 蠕变断裂
蠕变变形 蠕变裂纹
1. 在三晶粒交汇处形成楔形裂纹－－应力集中理论 高应力＋较低温度
2. 在晶界上由空洞形成的晶界裂纹－－空位聚集理论 低应力＋较高温度
构件危险截面上的真实应力 截面上的有效尺寸
✓ 过载断裂失效断口的一般特征
塑性断裂
宏观 微观
杯锥状断口 微孔聚集型断口
脆性断裂
宏观 微观
结晶状断口 解理断口
常见形貌特征：
✓ 影响过载断裂失效特征的因素 材料性质的影响 零件形状与几何尺寸的影响 载荷性质的影响 环境因素的影响
➢ 材料致脆断裂失效分析
影响因素
●● 力学因素
（1）应力使材料发生形变，而形变使表面膜破裂。 应力与环境腐蚀的相互促进，才使得材料在很弱的 腐蚀性介质中发生破坏。
（2）临界应力σscc和临界应力强度因子KIscc低于某 临界值时，材料不发生开裂。
Kg/mm2
80
施 加
70
应
力 60
（
Baidu Nhomakorabea
50
40 ） 30
20
10 0
0.1
腐蚀疲劳的特征：
（1）任何金属在任何介质中都能发生腐蚀疲劳，即不要 求特定的材料－环境组合。 （2）环境条件对材料的腐蚀疲劳行为都有显著影响。 （3）纯疲劳性能与循环频率无关，腐蚀疲劳性能与频率 有关。 （4）腐蚀疲劳裂纹主要为穿晶型。
氢致断裂失效
➢ 氢的来源 ➢ 氢致脆断的类型 ➢ 氢致脆断的断口形貌特征
工业不锈钢耐应力腐蚀开裂性能的比较
型号
310
型号
314
305
型号
309
304
316
3041
347
347-2
1
10
100
1000
断裂时间（小时）
40
外 应 加 力 30 （
310 18Cr/20Ni/Mo/Cu
310Mo 16Cr/12Ni 316
20Cr/30Ni/Mo/Cu 20Cr/34Ni
314
齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常 啮合，加速磨损，增加噪声；
弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能 驱动作用。
螺栓等紧固件、轴承
弹性变形失效的原因及预防措施
原因：过载、超温、材料
设计考虑不周、计算错误、选材不当 预防？
✓ 选择合适的材料或构件结构，获得足够的刚度
✓ 采用减少变形影响的连接件（皮带传动、软管连接、 柔性轴）
➢ 应力腐蚀开裂 ➢ 应力腐蚀开裂的条件及其影响因素 ➢ 应力腐蚀开裂的断口形貌特征 ➢ 应力腐蚀开裂失效分析
工作应力、残余应力、热应力
应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造成 的破坏形式。
静止应力—应力腐蚀开裂（SCC）；
循环应力—腐蚀疲劳（CF）；
特点：
局部腐蚀 断裂有突发性
具体实例？
实例1
1921年就有硝酸盐引起低碳钢应力腐蚀开裂的事故报 道。低碳钢在硝酸盐溶液中发生阳极溶解的同时，在 表面形成一层Fe2O3保护性薄膜：
(2) 对于奥氏体不锈钢在氯化物溶液中的SCC来说， 提高Ni含量，加入硅、铜，有利于提高抗SCC性能。
(3) 增加碳含量也有利于提高耐SCC性能，但含碳量 大则容易产生晶间性SCC。
100
破
裂
时 间
50
（
小
时
）
10
5
Cr 21~23%，Ni 1~10% 复相不锈钢耐应力腐蚀 与钢中铁素体含量关系
倾向增大； （4）干湿交替环境使有害离子浓缩，SCC更容易发生；
OF
温 度
400
300
347型
200
316型 100
0
20
40
60
80
100
120
产生破裂所需要的时间（小时）
温度对开裂诱发时间的影响，316及347型不锈钢 在含875ppm NaCl的水中
● ● 冶金因素
(1) 合金的化学成分、热处理、组织结构、加工状态 对其SCC敏感性都有影响。
在实际使用条件下重复试验或在实验室内 加速试验
应力腐蚀试验：恒载荷法、恒变形法
腐蚀疲劳
在循环应力(交变应力)和腐蚀环境的联合作用下金 属材料发生的严重腐蚀破坏叫做腐蚀疲劳 (CF)。
●S－N曲线和疲劳极限 在腐蚀环境中疲劳极限不存在，即在低应力下造成
断裂的循环数仍与应力有关。为了便于对各种金属材料 耐腐蚀疲劳性能进行比较，一般是规定一个循环次数(如 107)，从而得出名义的腐蚀疲劳极限，记为 -1c。