第三章金属构件常见失效形式及其
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总变形量：ε0= ε弹+ ε塑 = 常数
应力 σ0
形变恒定 І
• 材料抵抗应力松弛的性能称
为松弛稳定性，用残余应力恒
量
• 残余应力高，松弛稳定性好 II
σ残
时间
金属的应力松弛曲线
• 条件：给定温度，初始变形量不变 • I阶段，持续时间短，应力随时间增加急剧下降 • II阶段，持续时间很长，应力缓慢下降
• 按断裂性质分类
– 韧性断裂 » 断裂前发生较明显的塑性变形 » 断裂过程中吸收较多能量，是高于材料屈服应力的高能断裂
– 脆性断裂 » 断裂前几乎不产生明显的塑性交形。通常材料的塑性变形小 于2％一5％的断裂均可称为脆性断裂 » 低于允许应力条件下的低能断裂
(a) 完全韧性断裂 (b) 部分韧性断裂 (c) 脆性断裂
– 摩擦力引起的失效
• 粘着磨损 • 磨粒磨损 • 表面疲劳磨损 • 冲击磨损 • 微动磨损 • 咬合
– 活性介质引起的失效
• 化学腐蚀 • 电化学腐蚀 • 应力腐蚀 • 腐蚀疲劳 • 生物腐蚀 • 辐照腐蚀 • 氢致损伤
3）根据产品的使用过程对失效进行分类
失
效
失效浴盆曲线
率
λ
早
期
失效期
随机失效期
纯剪切过程，其内表面出现蛇行滑动、涟波等特征
蛇形滑移
大韧窝底部观察到蛇形花样
剪切韧窝及涟波花样
B. 微孔聚集型断裂的微观特征
– 断口上有大量韧窝
• 材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周 围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔
• 进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂
粒子与基体脱离形成微孔
– 斜断裂
• 宏观断面取向与最大切应力方向一致，与最大正应力呈 45°角
• 滑移形变不受约束或约束较小，平面应力下的断裂
直径较大、没 有缺口及缺陷 的光滑圆棒试 样，慢应变拉 伸，韧性好
杯锥状断裂（正断与切断结合）
(a) 颈缩
(b) 空穴形成
(c)空穴长大形成裂纹
(d)裂纹扩展
(e)形成杯锥断口
– 事例
• 弯曲变形的轴类零件
– 过大挠度、偏角造成轴上啮合零件严重偏载、啮合失常，导致 传动失效
• 拉压变形的柱类零件
– 导致支撑件过载
（2）失去弹性功能的弹性变形失效
– 弹性变形不遵循可逆性、单值性、小变形量的特 性时，构件失去了弹性功能而失效
–如
• 弹簧秤的弹簧构件，很小的拉力下，弹簧被拉得很长 • 安全阀上的弹簧，压力容器没超压，阀芯被顶起
温度升高，应力松弛极限降低
应力松弛微观机理：位错滑移导致的微区塑性变形
应力松弛后，产生位错增值和位错滑移带
3.3. 断裂失效
– 断裂：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
– 金属材料的断裂过程
• 裂纹的萌生 • 裂纹的亚稳扩展及失稳扩展 • 断裂
3.3.1 断裂失效的分类
1）塑性变形
• 定义：材料的应力超过屈服极限后，产生显著的不可逆 变形而不立即破坏的形态
• 塑性指标：伸长率、断面收缩率
2）塑性变形的特点
– 不可逆性 – 变形量不恒定 – 慢速变形 – 伴随材料性能的变化
• 材料加工，随塑性变形量增加，产生应变硬化
3）塑性变形失效
– 定义：金属构件的塑性变形量超过允许的数值 – 判断依据
– 高温时，蠕变引起构件外部尺寸变化，金属内部组织结构 也发生变化
蠕变的第一阶段---减速蠕变阶段
d c
b
蠕变的第三阶
段----加速蠕
变阶段
a
蠕变的第二阶段----恒速蠕变阶段
典型的蠕变曲线
应力σ及温度T 对蠕变行为的影响
• 焊接热影响区附近金属蠕变试样在不同温度下的空洞变化 • 温度升高，空洞尺寸增大，数量增多
第三章 金属构件常见失效形式 及其判断
3-1、金属构件失效形式与原因
1、失效形式
1）按照产品失效的形态进行分类
• 过量变形失效 • 断裂失效 • 表面损伤失效
• 力学工作者按断裂时变形量大小分类：脆 性、塑性 • 金相学人员按裂纹走向与金相组织关
系：沿晶、穿晶 • 金属物理工作者按断裂机制与形貌关
– 混合断裂
• 正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥杯状，混 合断裂是最常见的断裂类型。
静拉伸试样断口
(a) 正断 (d) 混合断裂 (e) 切断
•正断不一定是脆断，正断也可以 有明显的塑性变形 • 切断是韧断，反过来韧断就不 一定是切断
• 按断裂机制分类
– 解理 – 准解理 – 韧窝 – 滑移 – 沿晶 – 疲劳
系：微孔型、解理型、纤维状、结晶 状、冰糖状、河流花样
Excessive deformation
failure fracture
Surface damage
零件失效形式分类
• 过量变形
钻杆接头螺纹部分过量变形
钻杆弯曲和扭曲
• 断裂
钻杆过载断裂（断于管体）
钻杆过载断裂 （断于焊缝热影响区）
钻铤低应力脆断
输送管延性断裂
1）特征
• 具有明显的形状改变和较大的塑性变形 • 断口宏观分析呈暗灰色纤维状，无闪烁金属光
泽，断口不平齐，与主应力成45° • 破裂不产生碎片，裂口或偶然发现少许碎片 • 破裂时，实际爆破压力与计算爆破压力相接近
• 断裂类型
– 正断型断裂
• 宏观断面取向与最大正应力垂直 • 形变约束较大的场合，平面应变下的断裂
钻杆低应力脆断 （断于焊缝）
钻杆低应力脆断
输送管脆性断裂
输送管延性断裂
钻杆应力腐蚀开裂
钻铤疲劳断裂
钻杆内壁腐蚀
2）根据失效的诱发因素对失效进行分类
– 机械力引起的失效
• 弹性变形 • 塑性变形 • 断裂 • 疲劳 • 剥落
– 热应力引起的失效
• 蠕变 • 热松弛 • 热冲击 • 热疲劳 • 蠕变疲劳
（1）过量的弹性变形失效
– 定义：构件产生的弹性变形量超过构件匹配允许的数值 – 判断依据
• 失效构件是否有严格尺寸匹配要求，是否有高温或低温要求 • 观察正常工作时构件不接触，而又很靠近的表面是否有划伤、擦伤
等痕迹 • 设计时是否考虑弹性变形影响及采取相应措施 • 计算验证是否有过量弹性变形 • 用X射线测量金属受载时的晶格常数变化，验证是否符合要求
材料混杂
比 例（%） 38 15 15 11 8 6 5 2
3-2.变形失效
❖ 变形：金属构件在外力作用下产生形状和尺寸的变化
低碳钢应力应变曲线
• 特点
– 变形失效逐步进行，非灾害性的
– 过度变形最终导致断裂
• 分类
– 弹性变形失效 – 塑性变形失效
常温，温度不高
– 蠕变失效
高温
– 热松弛失效
• 影响构件执行正常功能为依据 • 如尺寸变形过大，进行测量后与正常件进行比较 • 如形状变化量过大，肉眼观察或用形规对比
4）塑性变形失效的原因及预防措施
– 原因
• 过载
– 预防措施
• 合理选材，提高抵抗塑性变形能力 • 准确确定构件的工作载荷 • 严格按照加工工艺规程对构件成型，减少残余应力 • 严禁超载 • 监测腐蚀环境构件强度尺寸的减少
不同应力的影响，空洞尺寸增大
• 材料抵抗蠕变的能力：蠕变极限、持久强度
– 蠕变极限：高温长期载荷作用下材料抵抗塑性变 形的抗力，用给定温度下材料产生规定蠕变速率 的应力表示
– 持久强度：材料在高温长期载荷下，不发生蠕变 断裂的最大应力
2）应力松弛变形失效
– 定义：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
3）弹性变形失效原因及防护措施
– 失效原因
• 过载 • 超温 • 材料变质
构件原设计考虑不当，计算错误或 选材不当造成的
– 防护措施
• 选择合适的材料或构件结构：E高的材料不易变形 • 确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件 • 采用减少变形影响的连接件：皮带传动、软管连接
3.2.2 金属构件的塑性变形失效
• 放射区 – 裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化的标志 – 其特征是放射线花样 – 放射线发散的方向为裂纹扩展方向 – 放射条纹的粗细取决于材料的性能、微观结构及试验温度等 裂纹源
放射花样
•剪切唇区 – 断裂过程的最后阶段 – 表面较光滑，颜色灰暗，与拉伸应力轴的交角约45度 – 裂纹扩展到表面附近，由于应力状态改变，在平面应力条 件下沿最大剪应力方向剪切形成的韧性断口 – 剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。
– 混晶断裂 » 裂纹的扩展既有穿晶型，也有沿晶型的混合断口
• 按断裂方式分类
– 正断断裂
• 受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应力方向相 垂直。断口宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、解理花 样等。
– 切断断裂
• 在切应力作用下引起的断裂。断面与最大正应力成45。 角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为抛物状的韧窝 花样
(a) 金属铝中的杯锥断口
(b) 低碳钢中的脆性断口
.
• 按断裂路径分类
– 穿晶断裂 » 裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂 » 可以是韧性的，也可以为脆性的
– 沿晶断裂 » 断裂沿着晶粒边界扩展断裂 » 当晶界有脆性相、焊接热裂纹、蠕变断裂、应力腐蚀等， 发生沿晶断裂 » 多数为脆性断裂，也有韧性断裂
3.2.3 高温作用下金属构件的变形失效
– 高温：高于0.3Tm
• 碳钢构件：300℃以上 • 低合金钢构件：400 ℃以上
1）蠕变变形失效
– 定义：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力 低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象
– 蠕变变形失效是塑性变形失效，有塑性变形特点，但不一 定是过载引起的。
韧窝
河流花样
旋转的钢轴疲劳失效断口形 貌特征----海滩标记
沿晶断裂
• 其它分类法
– 按应力状态分类
• 静载断裂(拉伸、剪切、扭转) • 动载断裂(冲击、疲劳)
– 按断裂环境分类
• 低温断裂 • 中温断裂 • 高温断裂 • 腐蚀 • 氢脆
3.3.2 韧性断裂
– 定义：容器、管道在压力作用下，器壁上产生的 应力超过材料的强度极限而发生断裂的破坏形式
耗
损
失效期
t1
t2 使用时间t
4）从经济法的观点对失效进行分类
– 产品缺陷失效：本质失效 – 误用失效：使用不当 – 受用性失效：它因失效，火灾、水灾、地震 – 耗损失效：正常失效
2、失效原因
原
因
材料选择不当
装配错误
错误的热处理
机械设计错误
未预见的操作条件
环境控制不够充分
不恰当的或缺少监测与质量控制
粒子本身开裂形成 微孔
以滑移方式形成微孔汇合模型
• 韧窝的形状
– 等轴形 – 剪切长形 – 撕裂长形
等轴韧窝
剪切韧窝
撕裂韧窝
（1） （2） （3）
（1）受载后，应力接近局部破坏 时，形成微孔
（2）微孔连接，形成断裂 （3）断口上下面的微孔形貌—韧
• 加载速率
– 加载速率增大，放射区增大
温度对断口三要素各区域大小的影响
2）韧性断裂的断口形貌
(2) 韧性断裂微观形貌
• 滑断或纯剪切断口 • 微孔聚集型的剪切断口
A.滑断或纯剪切断口微观特征
– 蛇行滑动、涟波状花纹 – 大的塑性变形后，滑移面分离造成的 – 涟波花样是蛇行滑动花样进一步变形而平滑化的结果 – 在缺口、显微裂纹、空洞等附近区域由于力的作用可发生
裂纹缓慢扩展区
裂纹起源 裂纹快速扩展区
疲劳断口
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• 断口三要素的作用及其影响因素
– 作用
• 确定裂纹源位置 • 确定裂纹扩展方向 • 根据三要素所占比例大小，粗略评价材料机械性能
– 影响因素
• 零件形状：
– 圆形、板状、光滑与缺口试样
• 试验温度
– 随试验温度的降低，纤维区和剪切唇减小，放射区增大
3.2.1 金属构件的弹性变形失效
1）弹性变形
• 定义：在加外载荷后产生变形，卸载后变形消失，且构 件的形状和尺寸完全恢复到原样。
• 应力与应变遵从虎克定律
• 特点
– 可逆性 – 单值性 – 变形量很小
• 弹性阶段与塑性阶段的弹性变形总量小于0.5%-1.0%
2）弹性变形失效
– 过量的弹性变形失效 – 失去弹性功能的弹性变形失效
金属铝中的杯锥断口
滑移形变不受约束或约束较小
斜断裂
颈缩到一 点的断裂
纯剪切断裂
高纯金属圆棒小试 样，慢速拉伸
位错滑移形变引起，沿滑移面分离
2）韧性断裂的断口形貌
(1) 韧性断裂宏观形貌
光滑圆棒试样的拉伸断口
断口三要素
• 纤维区 – 位于断口的中央 – 平面应变状态下发生的断裂，正断型断裂 – 呈粗糙、灰色的纤维状，裂纹处于稳定阶段形成的韧性 断口形貌
❖带缺口圆棒拉伸试样
– 由于缺口处应力集中，裂纹在此区域萌生，发展 – 断口特征
• 外周为纤维区 • 向内扩展 • 破坏区在中心 • 无剪切唇
• 板状拉伸试样
不 同 厚 度 的 板 状 拉 伸 试 样 断 口 特 征
• 带缺口的板状拉伸试样的断口
解理断裂断口
裂纹源
人字条纹
带缺口试样，发生明显塑性变形
应力 σ0
形变恒定 І
• 材料抵抗应力松弛的性能称
为松弛稳定性，用残余应力恒
量
• 残余应力高，松弛稳定性好 II
σ残
时间
金属的应力松弛曲线
• 条件：给定温度，初始变形量不变 • I阶段，持续时间短，应力随时间增加急剧下降 • II阶段，持续时间很长，应力缓慢下降
• 按断裂性质分类
– 韧性断裂 » 断裂前发生较明显的塑性变形 » 断裂过程中吸收较多能量，是高于材料屈服应力的高能断裂
– 脆性断裂 » 断裂前几乎不产生明显的塑性交形。通常材料的塑性变形小 于2％一5％的断裂均可称为脆性断裂 » 低于允许应力条件下的低能断裂
(a) 完全韧性断裂 (b) 部分韧性断裂 (c) 脆性断裂
– 摩擦力引起的失效
• 粘着磨损 • 磨粒磨损 • 表面疲劳磨损 • 冲击磨损 • 微动磨损 • 咬合
– 活性介质引起的失效
• 化学腐蚀 • 电化学腐蚀 • 应力腐蚀 • 腐蚀疲劳 • 生物腐蚀 • 辐照腐蚀 • 氢致损伤
3）根据产品的使用过程对失效进行分类
失
效
失效浴盆曲线
率
λ
早
期
失效期
随机失效期
纯剪切过程，其内表面出现蛇行滑动、涟波等特征
蛇形滑移
大韧窝底部观察到蛇形花样
剪切韧窝及涟波花样
B. 微孔聚集型断裂的微观特征
– 断口上有大量韧窝
• 材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周 围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔
• 进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂
粒子与基体脱离形成微孔
– 斜断裂
• 宏观断面取向与最大切应力方向一致，与最大正应力呈 45°角
• 滑移形变不受约束或约束较小，平面应力下的断裂
直径较大、没 有缺口及缺陷 的光滑圆棒试 样，慢应变拉 伸，韧性好
杯锥状断裂（正断与切断结合）
(a) 颈缩
(b) 空穴形成
(c)空穴长大形成裂纹
(d)裂纹扩展
(e)形成杯锥断口
– 事例
• 弯曲变形的轴类零件
– 过大挠度、偏角造成轴上啮合零件严重偏载、啮合失常，导致 传动失效
• 拉压变形的柱类零件
– 导致支撑件过载
（2）失去弹性功能的弹性变形失效
– 弹性变形不遵循可逆性、单值性、小变形量的特 性时，构件失去了弹性功能而失效
–如
• 弹簧秤的弹簧构件，很小的拉力下，弹簧被拉得很长 • 安全阀上的弹簧，压力容器没超压，阀芯被顶起
温度升高，应力松弛极限降低
应力松弛微观机理：位错滑移导致的微区塑性变形
应力松弛后，产生位错增值和位错滑移带
3.3. 断裂失效
– 断裂：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
– 金属材料的断裂过程
• 裂纹的萌生 • 裂纹的亚稳扩展及失稳扩展 • 断裂
3.3.1 断裂失效的分类
1）塑性变形
• 定义：材料的应力超过屈服极限后，产生显著的不可逆 变形而不立即破坏的形态
• 塑性指标：伸长率、断面收缩率
2）塑性变形的特点
– 不可逆性 – 变形量不恒定 – 慢速变形 – 伴随材料性能的变化
• 材料加工，随塑性变形量增加，产生应变硬化
3）塑性变形失效
– 定义：金属构件的塑性变形量超过允许的数值 – 判断依据
– 高温时，蠕变引起构件外部尺寸变化，金属内部组织结构 也发生变化
蠕变的第一阶段---减速蠕变阶段
d c
b
蠕变的第三阶
段----加速蠕
变阶段
a
蠕变的第二阶段----恒速蠕变阶段
典型的蠕变曲线
应力σ及温度T 对蠕变行为的影响
• 焊接热影响区附近金属蠕变试样在不同温度下的空洞变化 • 温度升高，空洞尺寸增大，数量增多
第三章 金属构件常见失效形式 及其判断
3-1、金属构件失效形式与原因
1、失效形式
1）按照产品失效的形态进行分类
• 过量变形失效 • 断裂失效 • 表面损伤失效
• 力学工作者按断裂时变形量大小分类：脆 性、塑性 • 金相学人员按裂纹走向与金相组织关
系：沿晶、穿晶 • 金属物理工作者按断裂机制与形貌关
– 混合断裂
• 正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥杯状，混 合断裂是最常见的断裂类型。
静拉伸试样断口
(a) 正断 (d) 混合断裂 (e) 切断
•正断不一定是脆断，正断也可以 有明显的塑性变形 • 切断是韧断，反过来韧断就不 一定是切断
• 按断裂机制分类
– 解理 – 准解理 – 韧窝 – 滑移 – 沿晶 – 疲劳
系：微孔型、解理型、纤维状、结晶 状、冰糖状、河流花样
Excessive deformation
failure fracture
Surface damage
零件失效形式分类
• 过量变形
钻杆接头螺纹部分过量变形
钻杆弯曲和扭曲
• 断裂
钻杆过载断裂（断于管体）
钻杆过载断裂 （断于焊缝热影响区）
钻铤低应力脆断
输送管延性断裂
1）特征
• 具有明显的形状改变和较大的塑性变形 • 断口宏观分析呈暗灰色纤维状，无闪烁金属光
泽，断口不平齐，与主应力成45° • 破裂不产生碎片，裂口或偶然发现少许碎片 • 破裂时，实际爆破压力与计算爆破压力相接近
• 断裂类型
– 正断型断裂
• 宏观断面取向与最大正应力垂直 • 形变约束较大的场合，平面应变下的断裂
钻杆低应力脆断 （断于焊缝）
钻杆低应力脆断
输送管脆性断裂
输送管延性断裂
钻杆应力腐蚀开裂
钻铤疲劳断裂
钻杆内壁腐蚀
2）根据失效的诱发因素对失效进行分类
– 机械力引起的失效
• 弹性变形 • 塑性变形 • 断裂 • 疲劳 • 剥落
– 热应力引起的失效
• 蠕变 • 热松弛 • 热冲击 • 热疲劳 • 蠕变疲劳
（1）过量的弹性变形失效
– 定义：构件产生的弹性变形量超过构件匹配允许的数值 – 判断依据
• 失效构件是否有严格尺寸匹配要求，是否有高温或低温要求 • 观察正常工作时构件不接触，而又很靠近的表面是否有划伤、擦伤
等痕迹 • 设计时是否考虑弹性变形影响及采取相应措施 • 计算验证是否有过量弹性变形 • 用X射线测量金属受载时的晶格常数变化，验证是否符合要求
材料混杂
比 例（%） 38 15 15 11 8 6 5 2
3-2.变形失效
❖ 变形：金属构件在外力作用下产生形状和尺寸的变化
低碳钢应力应变曲线
• 特点
– 变形失效逐步进行，非灾害性的
– 过度变形最终导致断裂
• 分类
– 弹性变形失效 – 塑性变形失效
常温，温度不高
– 蠕变失效
高温
– 热松弛失效
• 影响构件执行正常功能为依据 • 如尺寸变形过大，进行测量后与正常件进行比较 • 如形状变化量过大，肉眼观察或用形规对比
4）塑性变形失效的原因及预防措施
– 原因
• 过载
– 预防措施
• 合理选材，提高抵抗塑性变形能力 • 准确确定构件的工作载荷 • 严格按照加工工艺规程对构件成型，减少残余应力 • 严禁超载 • 监测腐蚀环境构件强度尺寸的减少
不同应力的影响，空洞尺寸增大
• 材料抵抗蠕变的能力：蠕变极限、持久强度
– 蠕变极限：高温长期载荷作用下材料抵抗塑性变 形的抗力，用给定温度下材料产生规定蠕变速率 的应力表示
– 持久强度：材料在高温长期载荷下，不发生蠕变 断裂的最大应力
2）应力松弛变形失效
– 定义：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
3）弹性变形失效原因及防护措施
– 失效原因
• 过载 • 超温 • 材料变质
构件原设计考虑不当，计算错误或 选材不当造成的
– 防护措施
• 选择合适的材料或构件结构：E高的材料不易变形 • 确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件 • 采用减少变形影响的连接件：皮带传动、软管连接
3.2.2 金属构件的塑性变形失效
• 放射区 – 裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化的标志 – 其特征是放射线花样 – 放射线发散的方向为裂纹扩展方向 – 放射条纹的粗细取决于材料的性能、微观结构及试验温度等 裂纹源
放射花样
•剪切唇区 – 断裂过程的最后阶段 – 表面较光滑，颜色灰暗，与拉伸应力轴的交角约45度 – 裂纹扩展到表面附近，由于应力状态改变，在平面应力条 件下沿最大剪应力方向剪切形成的韧性断口 – 剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。
– 混晶断裂 » 裂纹的扩展既有穿晶型，也有沿晶型的混合断口
• 按断裂方式分类
– 正断断裂
• 受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应力方向相 垂直。断口宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、解理花 样等。
– 切断断裂
• 在切应力作用下引起的断裂。断面与最大正应力成45。 角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为抛物状的韧窝 花样
(a) 金属铝中的杯锥断口
(b) 低碳钢中的脆性断口
.
• 按断裂路径分类
– 穿晶断裂 » 裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂 » 可以是韧性的，也可以为脆性的
– 沿晶断裂 » 断裂沿着晶粒边界扩展断裂 » 当晶界有脆性相、焊接热裂纹、蠕变断裂、应力腐蚀等， 发生沿晶断裂 » 多数为脆性断裂，也有韧性断裂
3.2.3 高温作用下金属构件的变形失效
– 高温：高于0.3Tm
• 碳钢构件：300℃以上 • 低合金钢构件：400 ℃以上
1）蠕变变形失效
– 定义：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力 低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象
– 蠕变变形失效是塑性变形失效，有塑性变形特点，但不一 定是过载引起的。
韧窝
河流花样
旋转的钢轴疲劳失效断口形 貌特征----海滩标记
沿晶断裂
• 其它分类法
– 按应力状态分类
• 静载断裂(拉伸、剪切、扭转) • 动载断裂(冲击、疲劳)
– 按断裂环境分类
• 低温断裂 • 中温断裂 • 高温断裂 • 腐蚀 • 氢脆
3.3.2 韧性断裂
– 定义：容器、管道在压力作用下，器壁上产生的 应力超过材料的强度极限而发生断裂的破坏形式
耗
损
失效期
t1
t2 使用时间t
4）从经济法的观点对失效进行分类
– 产品缺陷失效：本质失效 – 误用失效：使用不当 – 受用性失效：它因失效，火灾、水灾、地震 – 耗损失效：正常失效
2、失效原因
原
因
材料选择不当
装配错误
错误的热处理
机械设计错误
未预见的操作条件
环境控制不够充分
不恰当的或缺少监测与质量控制
粒子本身开裂形成 微孔
以滑移方式形成微孔汇合模型
• 韧窝的形状
– 等轴形 – 剪切长形 – 撕裂长形
等轴韧窝
剪切韧窝
撕裂韧窝
（1） （2） （3）
（1）受载后，应力接近局部破坏 时，形成微孔
（2）微孔连接，形成断裂 （3）断口上下面的微孔形貌—韧
• 加载速率
– 加载速率增大，放射区增大
温度对断口三要素各区域大小的影响
2）韧性断裂的断口形貌
(2) 韧性断裂微观形貌
• 滑断或纯剪切断口 • 微孔聚集型的剪切断口
A.滑断或纯剪切断口微观特征
– 蛇行滑动、涟波状花纹 – 大的塑性变形后，滑移面分离造成的 – 涟波花样是蛇行滑动花样进一步变形而平滑化的结果 – 在缺口、显微裂纹、空洞等附近区域由于力的作用可发生
裂纹缓慢扩展区
裂纹起源 裂纹快速扩展区
疲劳断口
Leabharlann Baidu
• 断口三要素的作用及其影响因素
– 作用
• 确定裂纹源位置 • 确定裂纹扩展方向 • 根据三要素所占比例大小，粗略评价材料机械性能
– 影响因素
• 零件形状：
– 圆形、板状、光滑与缺口试样
• 试验温度
– 随试验温度的降低，纤维区和剪切唇减小，放射区增大
3.2.1 金属构件的弹性变形失效
1）弹性变形
• 定义：在加外载荷后产生变形，卸载后变形消失，且构 件的形状和尺寸完全恢复到原样。
• 应力与应变遵从虎克定律
• 特点
– 可逆性 – 单值性 – 变形量很小
• 弹性阶段与塑性阶段的弹性变形总量小于0.5%-1.0%
2）弹性变形失效
– 过量的弹性变形失效 – 失去弹性功能的弹性变形失效
金属铝中的杯锥断口
滑移形变不受约束或约束较小
斜断裂
颈缩到一 点的断裂
纯剪切断裂
高纯金属圆棒小试 样，慢速拉伸
位错滑移形变引起，沿滑移面分离
2）韧性断裂的断口形貌
(1) 韧性断裂宏观形貌
光滑圆棒试样的拉伸断口
断口三要素
• 纤维区 – 位于断口的中央 – 平面应变状态下发生的断裂，正断型断裂 – 呈粗糙、灰色的纤维状，裂纹处于稳定阶段形成的韧性 断口形貌
❖带缺口圆棒拉伸试样
– 由于缺口处应力集中，裂纹在此区域萌生，发展 – 断口特征
• 外周为纤维区 • 向内扩展 • 破坏区在中心 • 无剪切唇
• 板状拉伸试样
不 同 厚 度 的 板 状 拉 伸 试 样 断 口 特 征
• 带缺口的板状拉伸试样的断口
解理断裂断口
裂纹源
人字条纹
带缺口试样，发生明显塑性变形