断裂失效分析(2)

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断裂失效分析(2)

钟培道

(北京航空材料研究院,北京100095)

3脆性断裂失效分析

3.1概述

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。

由于脆性断裂大都没有事先预兆,具有突发性,对工程构件与设备以及人身安全

常常造成极其严重的后果。因此,脆性断裂是人们力图予以避免的一种断裂失效模式。

尽管各国工程界对脆性断裂的分析与预防研究极为重视,从工程构件的设计、用材、

制造到使用维护的全过程中,采取了种种措施,然而,由于脆性断裂的复杂性,至今由

脆性断裂失效导致的灾难性事故仍时有发生。

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)由加载速率与缺口效应引起的脆性断裂,如高速致脆、应力集中与三应力状态

致脆等。

3.2脆性断裂的宏观特征

金属构件脆性断裂,其宏观特征虽随原因不同会有差异,但基本特征是共同的。

(1)断裂处很少或没有宏观塑性变形,碎块断口可以拼合复原。

(2)断口平坦,无剪切唇,断口与应力方向垂直。

(3)断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。

(4)断面颜色有的较光亮,有的较灰暗。光亮断口是细瓷状,对着光线转动,可见到闪光的小刻面;灰暗断口有时呈粗糙状,有时呈现出粗大晶粒外形。

(5)板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向,如图1所示。

图1板材构件脆性断口宏观特征

(6)脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。

3.3脆性断裂机理与微观特征

金属构件脆性断裂主要有穿晶脆断(解理与准解理)和沿晶脆断两大类。

3.3.1解理断裂

解理断裂是金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面(即解理面)快速分离。解理面一般是表面能量最小的晶面。常见的解理面见表1。面心立方晶系的金属及合金,在一般情况下,不发生解理断裂。

3.3.1.1解理裂纹的萌生与扩展

(1)解理裂纹形核的位置解理裂纹大都在有界面存在的地方及位错易于塞积的地方(例如晶界、亚晶界、孪晶界、杂质及第二界面)形核。

(2)解理裂纹的萌生解理裂纹萌生的模型有位错单向塞积、位错双向塞积、位错交叉滑移和刃型位错合并等。它们都是建立在解理生核之前存在变形这一前提之下。如果位错塞积处不产生塑性变形,则由于应力集中加大而会导致裂纹的萌生。

除位错塞积机制外,还有位错反应机制。该机制认为,在适当的条件下,柏氏矢量较小的位错相互反应生成柏氏矢量较大的位错,大位错像楔子一样塞入解理面,将其劈开。

(3)解理裂纹的扩展解理裂纹形成后能否扩展至临界长度,不仅取决于应力大小和应力状态,而且还取决于材料的性质和环境介质与温度等因素。

3.3.1.2解理裂纹的微观形貌特征

解理裂纹区通常呈典型的脆性状态,不产生宏观塑性变形。

解理小刻面是解理断裂的典型特征。解理断口上的小刻面即为结晶面,呈无规则取向。当断口在强光下转动时,可见到闪闪发光的特征。图2为解理断口上见到的小刻面特征。在多晶体中,由于每个晶粒的取向不同,尽管宏观断口表面与最大拉伸应力方向垂直,但在微观上每个解理小刻面并不都是与拉力方向垂直。

典型的解理小刻面上有以下微观特征:解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及瓦纳线等。图3中A区域以及B区域所指的河流花样中的每条支流都是解理台阶。弄清解理台阶的特征及其形成过程,对于理解与解释解理断裂的主要微观特征———河流花样,是非常重要的。

图2解理断口上的小刻面

图3解理小刻面的微观形貌

A———台阶B———河流花样

(1)解理台阶解理裂纹与螺位错相交割而形成台阶。设晶体存在一个螺位错,当解理裂纹沿解理面扩展时,与螺位错交截,产生一个高度为柏氏矢量的解理台阶,如图4所示。

(a)裂纹AB向螺位错CD扩展(b)裂纹与螺位错CD交割,形成台阶

图4解理台阶的形成过程示意图

解理台阶形成的途径主要有两种:一种是解理台阶在裂纹扩展过程中,要发生合并与消失或台阶高度减小等变化,如图5所示。其中图5a表示具有相反方向的解理台阶,合并后解理台阶消失;图5b表示具有相同方向的解理台阶,合并后解理台阶增加;另一种是通过次生解理撕裂的方式形成台阶。两个相互平行但处于不同高度上的解理裂纹可通过次生解理或撕裂的方式互相连接而形成台阶,如图6所示。

(2)河流花样解理裂纹扩展过程中,台阶不断地相互汇合,便形成了河流花样,如图3所示。河流花样是解理断裂的重要微观形貌特征。

在断裂过程中,台阶合并是一个逐步的过程。许多较小的台阶(即较小的支流)到下游又汇合成较大的台阶(即较大的支流),见图7所示。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以根据河流花样的流向,判断解理裂纹在微区内的扩展方向。

(a)异号台阶汇合(b)同号台阶汇合

图5解理台阶相互汇合示意图

(a)通过次解理而形成台阶(b)通过撕裂而形成台阶

图6通过次生解理或撕裂而形成台阶

图7河流花样形成示意图图8舌状花样

(3)舌状花样解理舌是解理面上的典型特征之一,它的显微形貌为舌状,见图8。

解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高的速度向前扩展时,在裂纹前端形成的。

(4)其它花样①扇形花样,在很多材料中,解理面并不是等轴的,而是沿着裂纹扩展方向伸长,形成椭圆形或狭长形的特征,其外观类似扇形或羽毛形状;②鱼骨状花样,在解理面上,有时可以见到类似于鱼骨状花样。

3.3.2准解理断裂

准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。准解理的形成过程如图9所示。首先在不同部位(如回火钢的第二相粒子处),同时产生许多解理裂纹