焊接接头延性损伤与断裂的数值模拟与分析
焊接接头延性损伤与断裂的数值模拟与分析
目录
第一章绪论 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2 理论基础及研究现状 (2)
1.2.1 延性损伤力学的发展 (2)
1.2.2 细观损伤力学的现状 (3)
1.2.3 延性裂纹扩展模拟研究现状 (5)
1.3 本文研究内容 (8)
第二章30Cr2Ni4MoV转子钢焊接接头GTN模型材料参数的确定 (9)
2.1 引言 (9)
2.2 实验方法 (9)
2.3 有限元计算模型 (11)
2.4 GTN模型参数的确定 (12)
2.5 结果分析 (15)
2.6 小结 (17)
第三章裂纹位置对焊接接头延性裂纹起裂和扩展的影响 (18)
3.1 概述 (18)
3.2 有限元计算模型 (18)
3.3 有限元计算结果及讨论 (19)
3.3.1 模拟的载荷位移曲线和J阻力曲线 (19)
3.3.2 延性裂纹起裂和扩展的力学分析 (21)
3.3.3 延性裂纹扩展路径 (26)
3.4 结论 (28)
第四章裂尖局部残余应力对焊接接头延性裂纹起裂和扩展的影响 (29)
4.1 概述 (29)
4.2 有限元模型 (30)
4.3 残余应力分布 (31)
4.3.1 母材、焊缝、热影响区中裂尖残余压应力分布 (31)
4.3.2 界面处残余压应力分布 (33)
4.3.3 裂尖残余拉应力分布 (33)
4.4 裂尖局部残余应力对载荷位移曲线和J阻力曲线的影响 (35)
4.4.1 局部残余压应力对载荷位移曲线和J阻力曲线的影响 (35)
4.4.2 残余拉应力对载荷位移曲线的影响 (38)
4.5 残余应力对应力、应变及损伤场的影响 (39)
4.5.1 母材裂尖局部残余压应力对裂尖前应力、应变、损伤场的影响 (39)
4.5.2 焊缝裂尖残余压应力对应力、应变、损伤场的影响 (43)
4.5.3裂尖残余压应力对焊缝和热影响区界面材料裂尖应力、应变、损伤场的影响 (46)
4.5.4母材裂尖局部残余拉应力对裂尖前应力、应变、损伤场的影响 (49)
4.6 小结 (52)
第五章残余应力对三维延性裂纹起裂和扩展的影响 (53)
5.1 概述 (53)
5.2 有限元模型 (54)
5.3 残余应力分布 (55)
5.4 残余应力对载荷位移曲线和J阻力曲线的影响 (58)
5.5 残余应力对裂纹扩展路径的影响 (60)
5.6 残余应力对应力、应变、损伤场的影响 (61)
5.7 小结 (65)
第六章总结 (67)
第一节 断裂的分类
第一节断裂的分类 通常，根据失效形式，导致失效的因素和失效的部位对失效进行分类，基本的失效形式有以下四种： 过大的弹性变形；塑性变形；破裂或断裂；材料变化(包括金相变化、化学变化和棱变化)。 导致失效的有以下主要因素：力、时间、温度、工作环境的影响。失效的部位分为：整体型和表面型。 在四种失效形式中，破裂特别是断裂是最主要的最具危害性的失效。为了掌握断裂产生的机理，寻找预防断裂失效的措施，材料科学家、力学工作者及工程技术人员对断裂问题作了大量的实验研究和理论分析工作。而对已出现的各类断口的实际观察与研究就是其中最常采用的有效手段。 不同的材料和受力状态，不同的作用时间和温度以及不同的环境条件下产生的断裂，可表现为断口形貌特征的具体差异，具体地分析各种断口形貌与各种因索的内在关系是借以揭示金属断裂机理，进行事故分析及采取预防措施非常重要的方面。因此，近年来断口分析技术和分析仪器发展很快．断口分析也取得了大量理论的和实用性成果。 一、宏观脆性断裂与延性断裂 从宏观现象上看，断裂可分为脆性断裂和延性断裂。 脆性断裂表现为以材料表面、内部的缺陷或微裂纹为源，在较低的应力水平下(通常不超过材料的屈服强度)，在无塑性变形或只有微小塑性变形的情况下裂纹急速扩展。在出现宏观裂纹后裂纹的扩展速度迅速上升到某个极限速度，大约可达声波在该材料中传播速度的三分之一。在多晶体材料中，断裂是沿着各个晶体内部的解理面产生的．但由于材料中各个晶体及解理面的方向是变化的，因而断裂表面在外观上呈现粒状。脆性断裂有时主要沿晶界产生，因而称为晶问断裂。脆性断口较平齐，且与正应力相垂直，断口附近的截面，在厚度上的收缩很小，一般不超过3％。断口上常有人字纹或放射花纹。由于脆性断裂前很难发现预兆，断裂时又容易产生很多碎片，是一种非常危险的突发事故，危害较大。 延性断裂是在较大的塑性变形之后发生的断裂。它是由于裂纹的缓慢扩展而造成的，而这种裂纹扩展又起源于孔穴的形成和合并。延性断裂的断口表面外观特征为无光泽的纤维状。大多数多晶体金属的拉伸试验的延性断裂有三个明显的阶段。首先，试样开始出现局部“颈缩”，并在“颈缩”区域产生小的分散的空穴，接着这些小空穴不断增加和扩大并聚合成微裂纹，裂纹方向一般垂直于拉应力方向。最后，裂纹沿剪切面扩展到试件表面，剪切面方向与拉伸轴线近似成45°。这三个阶段就构成了通常所见的典型的“杯锥”失效断面。因为延性断裂在断裂前出现大量的塑性变形，有明显的失效预兆，它对构件和环境造成的危险性远小于脆性断裂。 二、穿晶断裂与沿晶断裂 依裂纹扩展途径的不同，可把断裂分为穿晶断裂和沿晶断裂，也有二者兼而有之的混台型。 多晶金属的断裂若是以裂纹穿过晶粒内部的途径发生的，称为穿晶断裂，如图l-1(a)所示。穿晶断裂可能是延性的，也可能是脆性的。若断裂是穿过晶体沿解理面断开，但并无明显的塑性变形时为脆性断裂。若穿晶断裂时出现明显的塑性变形则为延性断裂。 若断裂是以裂纹沿着晶界扩展的方式发生的，称为沿晶断裂，如图1-1(b)所示，晶界上存在脆性相，焊接热裂纹，蠕变断裂、应力腐蚀一般都呈沿晶断裂特征。沿晶断裂多数属脆性断裂，但也有延性的。若断裂是沿晶进行，但晶粒无明显的塑性变形的属脆性断裂，如钢中因回火脆性后的断口，应力腐蚀断口，氢脆断口等。
管桩断裂原因分析及处理方法
高强预应力空心管桩断裂原因分析及处理方法 辽宁省营口市紧邻渤海，属辽河冲积平原，地下水位较浅，挖深0.9m即遇到丰富地下富存水。地表以下12m深度范围内的土质均是粉质粘土（淤泥），土体渗透系数低，土方开挖前需提前两周采取轻型井点降水才能使拟开挖基坑具备开挖条件。若场地条件具备，土方开挖一般均按1:1.5进行自然放坡。超过5层的建筑物，其基础形式基本上都是采用高强混凝土预应力空心管桩(PHC)，有效桩长一般则在12～18m之间（太和小区、欢心小区），局部地区有效桩长能达到30m（营东大厦）。 高强混凝土预应力空心管桩(PHC)静压施工完成后，须进行低应变动测检验其桩身完整性；检测合格时，始准施工进行下一道工序。通常情况下，在低应变动测检验时其桩身接桩部位能测出存在质量缺陷，这一表象无妨。用肉眼尚不能识别的微裂缝在低应变动测时亦能测出缺陷存在，但裂缝宽度小于0.2mm的裂缝不会影响到桩体质量及结构安全。这种裂缝一般都分布在桩长中间1/3区段；这是由于桩节过长，若吊点选择不当或运输过程中受到较大震动而因自身重量过大导致的。现就我单位在施的部分工程管桩经低应变动测时检查出的质量问题及处理思路作以简要总结： 一、管桩断裂的原因分析及预防措施 1、预制管桩断裂的原因分析 (1)、堆放方式不合理导致断桩 在预制厂，从蒸养室出来的管桩需在堆放区实施分类堆放，若堆放支承点选择的不合理就极易导致管桩的桩身出现微裂缝。 (2)、出厂强度不足造成的断裂 高强预应力混凝土空心管桩(PHC)的混凝土设计强度为C80，管桩混凝土养护一般均采取蒸养方式进行。有时候，管桩出厂时的混凝土强度会与设计强度存在些许偏差，在场内堆放、出厂运输过程中可能会因存在的震动而导致管桩桩身出现微裂缝。 (3)、吊装过程中发生断裂 管桩在装卸车时需采取“二点吊法”，要求吊点距离桩端0.207L位置且吊绳与桩体的夹角不得小于45度。为节省运输成本，虽然装卸车时采取的也是二点吊法，但吊点是选在了桩端；当单根管桩较长时，受自重较大的影响就有可能在管桩桩身的中部产生微裂缝。 (4)、施工方法选择不当造成断裂
综述焊接接头断裂形式及断口特征
综述焊接接头断裂形式及 断口特征 姓名： XXXXXXXXX 学号： 03080222 系别：数控与材料工程系 专业：焊接技术及自动化 学制：三年制 指导教师： XXXXXXXXXXXX
综述焊接接头断裂形式及断口特征 摘要 焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。熔池金属在经历一系列化学冶金反应后，随着热源远离温度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝，并在继续冷却中发生固态相变熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将发生不同的组织变化。很多焊接缺陷如气孔、夹杂裂纹等都是在上述过程中产生，因此了解接头组织与性能变化的规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。 焊接结构在较低的温度下工作可能导致焊接结构的低温脆断。焊接接头中又不可避免的存在应力集中和残余应力，在反复的交变应力作用下会发生疲劳断裂。本文通过对焊接接头的分析分别从宏观和微观的角度阐述了焊接接头的断裂形式和断口特征。 关键词 残余应力、应力集中、断口特征、疲劳断裂、脆性断裂
目录 引言 (4) 第一章焊接接头的基本理论 (5) 第一节焊接接头的基础知识 (5) 1.1焊接接头的组成 (5) 1.2焊接接头的基本形式 (5) 第二节电弧焊接头的工作应力 (6) 2.1应力集中的概念 (6) 2.2产生应力集中的原因 (6) 第二章焊接结构的断裂控制与失效分析 (7) 第一节焊接接头的断裂形式 (7) 1.1断裂形式的分类 (7) 1.2焊接接头的疲劳断裂 (7) 1.3焊接接头的脆性断裂 (7) 第二节焊接结构断裂控制与失效分析 (8) 2.1焊接结构的完整性与不完整性 (8) 2.2焊接结构断裂的控制 (8) 2.3焊接结构断裂控制设计 (9) 2.4焊接结构断裂失效分析 (9) 第三章焊接接头的组织与性能 (14) 第一节焊接熔合区的特征 (14) 1.1熔合区形成的原因 (14) 第二节焊接热影响区 (14) 2.1焊接热影响区热循环的特点 (14) 2.2焊接热影响区的组织分布特征及性能 (15) 第四章焊接接头断口特征 (16) 第一节焊接接头疲劳断裂的断口分析 (16)
金属塑性变形与断裂
金属塑性变形与断裂集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。
第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因： （1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的组织，回火温度低，易产生此类断裂。 （2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。 （3）、构件的薄弱环节处处于平面应变状态。 （4）、材料的尺寸比较粗大。 （5）、回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出。 准解理断裂往往开始是因为碳化物，析出物或者夹杂物在外力作用下产生裂纹，然后沿某一晶面解理扩展，之后以塑性变形方式撕裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准解理断裂面不是一
金属塑性变形与断裂
金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。 第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因：
焊接裂纹产生原因及防治措施
焊接裂纹就其本质来分，可分为热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂等。下面仅就各种裂纹的成因、特点和防治办法进行具体的阐述。 1．热裂纹 在焊接时高温下产生的，故称热裂纹，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。 根据所焊金属的材料不同（低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等），产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各不相同。 目前，把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边裂纹等三大类。 1）结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中（含S，P，C，Si 缝偏高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金焊缝中。 这种裂纹是在焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足，不能及时添充，在应力作用下发生沿晶开裂。 防治措施：在冶金因素方面，适当调整焊缝金属成分，缩短脆性温度区的范围控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量；细化焊缝金属一次晶粒，即适当加入Mo、V、Ti、Nb等元素；在工艺方面，可以通过焊前预热、控制线能量、减小接头拘束度等方面来防治。 2）近缝区液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它的尺寸很小，发生于HAZ近缝区或层间。 它的成因一般是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属，在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶组成物被重新熔化，在拉应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。 这一种裂纹的防治措施与结晶裂纹基本上是一致的。 特别是在冶金方面，尽可能降低硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的；在工艺方面，可以减小线能量，减小熔池熔合线的凹度。 3）多边化裂纹是在形成多边化的过程中，由于高温时的塑性很低造成的。 这种裂纹并不常见，其防治措施可以向焊缝中加入提高多边化激化能的元素如Mo、W、Ti等。 2、再热裂纹 通常发生于某些含有沉淀强化元素的钢种和高温合金（包括低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金，以及某些奥氏体不锈钢），他们焊后并未发现裂纹，而是在热处理过程中产生了裂纹。 再热裂纹产生在焊接热影响区的过热粗晶部位，其走向是沿熔合线的奥氏体粗晶晶界扩展。 防治再热裂纹从选材方面，可以选用细晶粒钢。
焊接容易疲劳断裂分析
焊接容易疲劳断裂分析 悬臂梁焊接件从底部断裂，从外观看，断裂位于底板的中间位置，靠近焊缝，断口呈纤维状，暗灰色，没有塑性变形，属于脆性断裂。 初步分析 1、从零件结构看，断裂位置位于零件的几何受力中心，此处受到的力矩最大，容易产生开裂。 2、断裂位置靠近焊缝，属于过热区（宽度约1～3mm）；焊接时，它的温度在固相线至1100℃之间，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧度明显下降，容易产生开裂。 3、零件在使用过程中，长期受到变化的外力作用，容易产生疲劳断裂。 <1>疲劳断裂是指金属件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂。 <2>疲劳断裂起源于引起应力集中的微裂纹，并沿特定的晶面扩展、劈开，最终形成宏观上的裂纹。这些特定的晶面称为解理面。 <3>Q235属于金属，微观上，晶胞与晶胞之间都会有，间距较大、键结合较弱而易于开裂的低指数面（解理面）。 <4>当外力作用下，晶粒内的位错沿滑移面运动，滑移面不平行时，在交叉位置会形成位错塞积，造成应力集中，如不能通过其他方式松弛，就会在易于开裂的低指数面形成初裂纹。 <5>初裂纹很容易在晶粒内部扩展至晶界，造成晶界附近产生很大的应力集中，使相邻晶粒形成新的裂纹源。 <6>当应力足够大的时候，裂纹突破晶界的阻碍，迅速扩展，形成宏观上的金属裂纹。 <7>当合金（Q235也属于合金，铁碳合金）沿晶界析出连续或不连续的脆性相时，或者是当偏析或杂质弱化晶界时，裂纹可能沿晶界扩展，造成沿晶界断裂。 <8>疲劳断裂，断裂前既无宏观塑性变形，又没有其他征兆，并且一断裂后，裂纹扩展迅速，造成整体断裂或很大的裂口。
断裂理论
断裂及环境断裂的最新研究进展 姓名：李高洁 学号：s2******* 专业：材料科学与工程
断裂及环境断裂的最新研究进展 1 引言 材料在外力或内力作用下分成几部分的现象叫断裂，它是工程材料失效的主要形式之一。金属的断裂是一个复杂的过程，金属材料所受应力不同，其断裂机理及相应的断裂形式均会有所不同。以应力为衡量尺度建立起来的传统强度理论和基于能量尺度建立起来的断裂力学理论分别建立了相应的断裂模型及准则用以解释不同的断裂现象。 化学环境，特别是水介质，引起的材料断裂现象，简称为环境断裂;断裂所需应力或是外加的、残余的，或是化学变化、相变引起的。 环境断裂是指氢致开裂、应力腐蚀以及液体金属脆.由于他们能导致正在服役的构件发生灾难性的脆断事故，故几十年来一直受到重视.到目前为止，环境断裂的宏观规律、影响因素等已基本弄清，但对于其微观机理仍存在争议。 2 文献综述 2.1 研究现状 材料中的氢能引起各种损伤，如原子氢在缺陷处复合成分子氢，其内压能产生鼓泡或裂纹(如钢中白点，酸洗或H2S中浸泡产生的裂纹);氢形成氢化物或诱发马氏体相使材料变脆;高温高压环境下的氢腐蚀。以上称为不可逆氢脆(氢损伤)。另外，由原子氢扩散、富集而引起的氢致塑性损失和滞后开裂称为可逆氢脆。各种不可逆氢脆的机
理已经清;但对氢致开裂(可逆氢脆)机理，仍有很大争议。已提出的机理主要有:氢压理论;氢降低原子键合力或表面能理论;氢促进局部塑性变形从而促进断裂的理论。 应力腐蚀按其机理可分为氢致开裂型和阳极溶解型两类。关于阳极溶解型应力腐蚀(如黄铜在氨水，奥氏体不锈钢在沸腾MgCl2溶液)的机理一直有争议。早期提出的机理主要有:沿晶界择优溶解;应力引起离子吸附;应力或蠕变使钝化膜破裂;滑移溶解机理等。新提出的机理有:应力集中提高表面原子的活性，钝化膜阻碍位错发射导致脆断;溶解促进局部塑性变形导致应力腐蚀。关于液体金属脆断，已提出的机理有:应力诱导溶解,裂尖前方形成键合力减弱的新合金,吸附降低表面能或键合力,吸附促进局部塑性变形导致脆断。 2.2断裂机理 传统强度理论是以应力为尺度研究材料单元体在空间应力作用下的屈服和破坏准则，它涉及力学、材料科学、固体物理和工程应用等领域。由于其普遍性和重要性，从17世纪到现在，不同的研究者从不同角度出发，建立了各自的理论。 σF= σ1(1)(最大主应力理论) σF= σ1－ v(σ2－σ3) (2)(最大主应变理论) σF= max(|σ1－σ2|，|σ2－σ3|，|σ3－σ1|) (3)(Tresca断裂准则) 式中σ1、σ2、σ3分别为第一主应力、第二主应力、第三主应力; υ为泊松比，σF为断裂强度。
焊接芯轴断裂失效分析
焊接芯轴断裂失效分析 一、背景资料 1.1 失效件断口形貌 某公司送来断裂失效芯轴样品，据该公司相关人员介绍断裂失效发生在焊缝位置。送检断裂芯轴样品宏观形貌如图1和图2所示。要求分析套筒与芯轴焊缝在使用过程中发生断裂的原因。限于断裂后失效件的采集受限，厂方仅送检一半失效件（芯轴）；另外从已焊接完成而未断的实际产品上线切割制取了含完整焊缝的试样，如图3所示。 图1 送检样品宏观形貌图2 送检样品图1中的局部放大 （a）焊缝正面（b）含完整焊缝试样的侧面 图3 含完整焊缝的试样 1.2 失效件成分及性能 套筒材料为27SiMn钢，芯轴材料为20#钢，其化学成分以及力学性能由该公司提供，具体数值见下表。 表1 27SiMn钢的化学成分（质量分数）（%） 试验项 目 C Mn Si S P Cr Ni Cu 保证值 0.24 ~0.32 1.1 ~1.4 1.1 ~1.4 ≤ 0.03 5 ≤ 0.03 5 ≤ 0.25 ≤ 0.30 ≤ 0.25 表2 27SiMn钢的力学性能 试验项目σ b （MPa）σ s （MPa）A（%）Z 一般值980 835 40 12 表3 20#钢化学成分（质量分数）（%） 试验项 目C Mn Si S P Cr Ni Cu A B A B
保证值 0.17 ~0.24 0.35 ~0.65 0.17 ~0.37 ≤ 0.03 5 ≤ 0.03 5 ≤ 0.25 ≤ 0.25 ≤ 0.25 表4 20#钢的力学性能 试验项目 σb （MPa ） σs （MPa ） A （%） Z 一般值 370-520 215 27 24 1.3 失效件的结构 套筒与芯轴的焊接结构如图所示，坡口形式见图。焊接采用Φ1.2焊丝JM-58，焊接时适宜的焊接参数为I=235~300A ，U=28~32V ，Q=15~20L/min 。 图4 芯轴套筒焊接结构形式剖面图 二、断裂失效分析的思路[1] 1.现场基本情况调查，调查了解断裂失效件的有关情况和使用历史情况。 2.失效分析的初步判断，根据失效件的使用情况、工作环境、宏观特征等进行初步的判断，为后续的实验分析做准备。 3.建立具体的分析思路并实施工作程序，主要包括化学成分分析、力学性能分析、显微硬度分析、显微金相组织分析、断口分析等。 4.断裂失效机理综合分析阶段，根据基本分析结论的提示，研究断裂失效件的设计、生产和工作过程中与失效相关的内外因素以及失效机理。 5.排除断裂失效措施研究阶段，根据其产生的断裂失效机理，研究出切实、有效、可行的方案，减少或防止类似事故的再次发生。 三、现有资料分析 3.1 材料检验 利用GP1000光谱分析仪器对送检的完整焊缝及两边母材进行化学成分分析，测试结果见表5。 表5 送检样品焊缝及母材的化学成分测定结果(%) 通过对比表1、表3与表5可以明显发现：芯轴化学成分与厂方所提供的标准材质（20#钢）不符，标准材质的碳含量上限是0.24,但是实际采用的材质碳含量高达0.478，严重超标。如此高 试样 C Si Mn P S Cr Ni Cu 20#钢 0.478 0.238 0.72 0.016 0.013 0.064 <0.001 0.005 27SiMn 0.304 1.146 1.337 0.013 0.011 0.095 0.02 0.108 焊缝 0.207 0.647 1.113 0.015 0.011 0.065 0.002 0.065
断裂原因分析
断裂原因分析 机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂失效两大类。非断裂失效一般包括磨损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化失效等。断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效,其分类比较复杂,一般有如下几种: (1)按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂；(2)按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂；(3)按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。在失效分析实践中大都采用这种分类法。断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手,确定断裂失效模式,分析研究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件(如温度、介质等)等之间的关系,揭示断裂失效机理、原因与规律,进而采取改进措施与预防对策。韧性断裂失效分析韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂之前,在断裂部位出现较为明显的塑性变形。在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。工程材料的显微结构复杂,特定的显微结构在特定的外界条件(如载荷类型与大小,环境温度与介质)下有特定的断裂机理和微观形貌特征。金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断
裂。滑移分离：韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形,而塑性变形的普遍机理是滑移,即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离,其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。 滑移线形貌 蛇形滑移花样 涟波形貌韧窝断裂是金属韧性断裂的主要特征。韧窝又称作迭波、孔坑、微孔或微坑等。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,最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹。韧窝形貌(SEM)金属零件韧性断裂失效分析依据：(1) 断口宏观形貌粗糙,色泽灰暗,呈纤维状;边缘有与零件表面呈45°的剪切唇;断口附近有明显的塑性变形,如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。(2) 断口上的微观特征主要是韧窝。脆性断裂失效分析工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光滑拉伸试样的ψ<5%)情况下发生的断裂称作脆性断裂,因其断裂应力低于材料的屈服强度,故又称作低应力断裂。金属构件脆性断裂失效的表现形式主要有: (1)由材料性质改变而引起的脆性断裂,如兰脆、回火脆、过热与过烧致脆、不锈钢的475℃脆和σ相脆性等。(2)由环境温度与介质引起的脆性断裂,如冷脆、氢脆、应力腐蚀致脆、液体金属致脆以及辐照致脆等。(3)由加载速率与缺
断裂失效分析(1)
您现在位置：失效分析 广告 断裂失效分析(1) 钟培道 (北京航空材料研究院,北京100095) 1引言 机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂失效两大类。非断裂失效一般包括 磨损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化失效等。 断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效,其分类比较复杂,一般有如下 几种: (1)按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶 断裂和疲劳断裂; (2)按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂; (3)按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。 在失效分析实践中大都采用这种分类法。 断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手,确定断裂失效模式,分析研 究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件(如温度、介质等) 等之间的关系,揭示断裂失效机理、原因与规律,进而采取改进措施与预防对策。 从本期起分期介绍韧性、脆性及疲劳三类断裂失效分析的基础知识及典型失效案 例分析。 2韧性断裂失效分析 2.1概述 韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂之前,在断裂部位出现较为明显 的塑性变形。在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受
的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。 在正常情况下,机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下,一般不会出现韧性断裂失效。但是,由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中,存在着众多环节和各种复杂因素,因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。 2.2韧性断裂机理与典型形貌 工程材料的显微结构复杂,特定的显微结构在特定的外界条件(如载荷类型与大小,环境温度与介质)下有特定的断裂机理和微观形貌特征。金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。 2.2.1滑移分离 韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形,而塑性变形的普遍机理是滑移,即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离,其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。因此有必要对滑移分离加以叙述。 (1)滑移带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。确切地说,目前人们将在电镜下分辨出来的滑移痕迹称为滑移带。滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层,滑移层宽度在5～50nm之间。随着外力的增加,一方面滑移带不断加宽,另一方面,在原有的滑移之间还会出现新的滑移带。 金属材料滑移的一般规则是:①滑移方向总是原子的最密排方向;②滑移通常在最密排的晶面上发生;③滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生。 (2)滑移的形式晶体材料产生滑移的形式是多种多样的,主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波状滑移、滑移碎化和滑移扭折等。 (3)滑移分离断口形貌滑移分离的基本特征是:断面呈45°角倾斜;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、涟波花样和延伸区。 图1为在电子显微镜下观察到的滑线形貌,是多系滑移留下的微观痕迹。
中空轴断裂的原因分析与焊接处理
中空轴断裂的原因分析与焊接处理 1、引言 中空轴是磨机非常关键的部件，它承受着整个磨体及研磨体的运转载荷，在交变应力作用下连续运行，是磨机机体最薄弱的环节，也是最难控制制造质量的机件。同时还是容易发生问题的磨体部件，特别是进、出料端的中空轴发生故障的相当多，磨机中空轴断裂是非常严重的设备故障。必须停机检修，以免造成“落磨”的重大设备事故。处理磨机中空轴断裂的技术难度比较大，检修周期长，劳动强度大，费工费时。处理不好还影响磨机的安全运行，容易继续引发各类设备故障，严重影响生产。我公司磨机进、出料端中空轴的断裂，经过严格细致的处理后，磨机一直安全稳定运行，没有发生任何不正常的问题，说明我们的处理是成功的。现就结合我公司的处理情况，对磨机进、出料端中空轴断裂的原因与处理作一分析总结、与各位同仁一起探讨。 2、磨机进、出料端中空轴断裂的基本情况 我公司由φ3×11m水泥磨自2000年7月投入运行以来，设备运行状况一直较好，该磨机的技术参数见表l；2005年5月31日白班停机检修时，发现右边磨尾中空轴靠内圈螺栓处大R角处环向有裂纹，刮开油污后发现裂纹长度为1250mm；吊开磨机后瓦盖后，又发现左边靠内圈螺栓处大R角处环向也有裂纹，刮开油污后发现长度为1060mm。左边裂纹在中空轴内圈法兰螺栓处，长度经过内圈法兰螺栓4个。右边裂纹在中空轴内圈法兰螺栓处，长度经过内圈法兰螺栓5个半。两个裂纹间距为内圈法兰螺栓3个半。两个裂纹为八字型，在中空轴内圈法兰螺栓和大R角外端处。 2005年6月2日白班11：00对磨头中空轴检查发现右边靠内圈螺栓处大R 角处环向有裂纹，清除油污后发现裂纹长度为770mm，此裂纹在大R角中下部环
焊缝开裂原因
钢结构焊接裂纹的原因及预防措施 (一)热裂纹 热裂纹是指高温下所产生的裂纹，又称高温裂纹或结晶裂纹，通常产生在焊缝内部，有时也可能出现在热影响区，表现形式有：纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹弧坑裂纹和热影响区裂纹。其产生原因是由于焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象，低熔点共晶和杂质在结晶过程中以液态间层形式存在从而形成偏析，凝固以后强度也较低，当焊接应力足够大时，就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂纹。此外，如果母材的晶界上也存在有低熔点共晶和杂质，当焊接拉应力足够大时，也会被拉开。总之，热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果。针对其产生原因，其预防措施如下： (1)限制母材及焊接材料(包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体)中易偏析元素和有害杂质的含量，特别应控制硫、磷的含量和降低含碳，一般用于焊接的钢材中硫的含量不应大于0.04 5% ，磷的含量不应大于0.055% ;另外钢材含碳量越离，焊接性能越差，一般焊缝中碳的含量控制在0.10% 以下时，热裂纹敏感性可大大降低。(2)调整焊缝金属的化学成分，改善焊缝组织，细化焊缝品粒，以提高其塑性，减少或分散偏析程度，控制低熔点共品的有害影响。(3)采用碱性焊条或焊剂，以降低焊缝中的杂质含摄，改善结晶时的偏析程度。(4)适当提高焊缝的形状系数，采用多层多道焊接方法，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹。 (5)采用合理的焊接顺序和方向，采用较小的焊接线能超，整体预热和锤击法，收弧时填满弧坑等工艺措施。 (二) 冷裂纹 冷裂纹一般是指焊缝在冷却过程中温度降到马氏体转变温度范围内(300—200℃以下)产生的，可以在焊接后立即出现，也可以在焊接以后的较长时间才发生，故也称为延迟裂纹。其形成的基本条件有3个：焊接接头形成淬硬组织;扩散氢的存在和浓集;存在着较大的焊接拉伸应力。其预防措施主要有： (1)选择合理的焊接规范和线能，改善焊缝及热影响区组织状态，如焊前预热、控制层问温度、焊后缓冷或后热等以加快氢分子逸出。(2)采用碱性焊条或焊剂，以降低焊缝中的扩散氧含量。(3)焊条和焊剂在使用前应严格按照规定的要求进行烘干(低氢焊条300℃ ～3 50℃保温lh;酸性焊条l 00℃ ～l50℃保温lh;焊剂200℃～250.C保温2h)，认真清理坡口和焊丝，太除油污、水分和锈斑等脏物，以减少氢的来源。(4)焊后及时进行热处理。一是进行退火处理，以消除内应力，使淬火组织回火，改善其韧性;二：是进行消氢处理，使