2失效分析基础知识
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2020/8/20
气泡与白点
• 金属在熔融状态时能溶解大 量的气体，在冷凝过程中由 于溶解度随温度的降低而急 剧地减小，致使气体从液态 金属中释放出来。若此时金 属已完全凝固，则剩下的气 体不易逸出，有一部分就包 容在还处于塑性状态的金属 中，于是形成了气孔。这种 气孔称为气泡。
2020/8/20
2020/8/20
气泡与白点
• 白点最容易产生在以镍、铬、锰作为合金元素的合金结构钢及低 合金工具钢中。奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白点；铸钢 中也有可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊金属中偶尔 也会产生白点。此外．白点的产生与钢材的尺寸也有一定的关系， 横截面的直径或厚度小于30 mm 的钢材不易产生白点。
2020/8/20
偏析
• 金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。 • ① 晶内偏析与晶间偏析 • 晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。这种偏析往往导致金属中树枝状组
织的形成，故亦称枝晶偏析。 • 晶体间的成分不均匀现象，即晶间偏析。 • 碳化物偏析是一种晶间偏析，常常出现于铸造状态的合金工具钢和高速钢中。当
2020/8/20
2 失效分析基础知识
2.1 金属构件中可能引起的冶金缺陷 2.2 力学计算 宏观裂纹缺陷 2.3 环境作用机理
失效分析基础知识
• 2.1、金属构件中可能引起失效的冶金缺陷 • 2.1.1 铸态金属组织缺陷 • 铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏析、内裂
纹、气泡和白点等。 • 缩孔与疏松 • 金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心
2020/8/20
缩孔与疏松
• 钢材在锻造和轧制过程中，疏松情 况可得到很大程度的改善，但如由 于原钢锭的疏松较为严重、压缩比 不足等原因，则在热加工后较严重 的疏松仍会存在。右图所示为ZCrl3 钢热轧后退火仍有黑色小点显示的 中心疏松。此外，如原钢锭中存在 着较多的气泡，而在热轧过程中焊 合不良，或沸腾钢中的气泡分布不 良，以致影响焊合，亦可能形成疏 松。
锻造或热轧时，这种粗大的碳化物被击碎，并循加工方向变形而成为不连续的带 状碳化物分布于钢的基体中，致使钢的纵横向力学性能发生差异，特别是横向的 塑性强烈地下降。在钢的加工和使用过程中，由于这种偏析的存在，可能导致其 他缺陷的形成。因此在合金工具钢和高速钢中，应力求避免或减弱这种偏析。
2020/8/20
• 通常，具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低得并不多， 但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多， 有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能又比纵向的降低 得更多。因此，具有白点的钢材一般是不能使用的
部形成管状（或喇叭状）或分散的孔洞，称为缩孔。 缩孔的相对体积，与液态金属的温度、冷却条件以及 铸锭的大小等有关。
2020/8/20
缩孔Leabharlann Baidu疏松
2020/8/20
液态金属的温度越 高，则液体与固体 之间的体积差越大， 而缩孔的体积也越 大
缩孔与疏松
• 如在急剧冷却的条件下浇注 金属，可以避免在铸锭上部 形成集中缩孔。但在此情况 下，液态金属与固态金属之 间的体积差仍保持一定的数 值，虽然在表面上似乎已经 “消除”了大的缩孔，可是 有许多细小缩孔即疏松，分 布在金属的整个体积中
2020/8/20
缩孔与疏松
• 疏松的危害性，主要有以下几种。 ① 在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使 其在使用过程中成为疲劳源发生断裂。此外，在用作液体容器 或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不 能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象。 ② 钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过 程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件 的小。 ③ 金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表而粗糙度有一 定的影响。
气泡与白点
• 气泡的有害影响 ① 气泡减少金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大 降低了材料的强度。 ② 当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时它们可能被氧 化，以致在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝。 ③ 在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏 析，导致裂缝。
2020/8/20
偏析
• ② 区域偏析 • 外层区域富集高溶点组元，而心部则富集低熔点组元，同时也富
集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。 • 钢锭中存在区域偏析，特别是硫偏析和磷偏析，强烈地降低钢的
质量，并为以后的加工造成种种困难，甚至导致材料的严重损害 和所制机件在使用中的破坏。 • 硫偏析能破坏金属的连续性，在钢锻造时引起热脆，在轧制钢板 时产生夹层，严重地影响钢板的冷弯性能。承受交变载荷的零件， 在使用中硫偏析往往为引起疲劳断裂的主要原因之一。 • 磷偏析则使钢具有冷脆性，并促进钢的回火脆性。
2020/8/20
偏析
• ③ 比重偏析 • 在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同
时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化学 成分的不均匀现象，称为比重偏析。 • 晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度 差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。如 果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶 体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重偏析也越强烈。 由于各种组织组成物的空间上的分离，不可能通过热处理来消除 或减弱比重偏析，只能采取特殊的熔化或浇注等措施（例如快速 浇注）予以防止。
气泡与白点
• 白点 • 氢是以原子状态溶解在钢中的，它在钢中
的溶解度随温度的降低而显著减小，如果 钢液中氢含量较高，在冷却时氢以原子态 析出，聚集在钢中空隙处，结合成分子态 的氢。因氢分子很难在钢中进行扩散，在 空隙处便形成巨大的局部压力（可达数百 个大气压），远远超过了钢的强度，因而 产生裂缝。当出现这种缺陷以后，在经侵 蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连 续的发丝状裂缝；而在纵向断口上会发现 表面光滑的、银白色的圆形或椭圆形的斑 点，这种缺陷称为白点。
气泡与白点
• 金属在熔融状态时能溶解大 量的气体，在冷凝过程中由 于溶解度随温度的降低而急 剧地减小，致使气体从液态 金属中释放出来。若此时金 属已完全凝固，则剩下的气 体不易逸出，有一部分就包 容在还处于塑性状态的金属 中，于是形成了气孔。这种 气孔称为气泡。
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气泡与白点
• 白点最容易产生在以镍、铬、锰作为合金元素的合金结构钢及低 合金工具钢中。奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白点；铸钢 中也有可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊金属中偶尔 也会产生白点。此外．白点的产生与钢材的尺寸也有一定的关系， 横截面的直径或厚度小于30 mm 的钢材不易产生白点。
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偏析
• 金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。 • ① 晶内偏析与晶间偏析 • 晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。这种偏析往往导致金属中树枝状组
织的形成，故亦称枝晶偏析。 • 晶体间的成分不均匀现象，即晶间偏析。 • 碳化物偏析是一种晶间偏析，常常出现于铸造状态的合金工具钢和高速钢中。当
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2 失效分析基础知识
2.1 金属构件中可能引起的冶金缺陷 2.2 力学计算 宏观裂纹缺陷 2.3 环境作用机理
失效分析基础知识
• 2.1、金属构件中可能引起失效的冶金缺陷 • 2.1.1 铸态金属组织缺陷 • 铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏析、内裂
纹、气泡和白点等。 • 缩孔与疏松 • 金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心
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缩孔与疏松
• 钢材在锻造和轧制过程中，疏松情 况可得到很大程度的改善，但如由 于原钢锭的疏松较为严重、压缩比 不足等原因，则在热加工后较严重 的疏松仍会存在。右图所示为ZCrl3 钢热轧后退火仍有黑色小点显示的 中心疏松。此外，如原钢锭中存在 着较多的气泡，而在热轧过程中焊 合不良，或沸腾钢中的气泡分布不 良，以致影响焊合，亦可能形成疏 松。
锻造或热轧时，这种粗大的碳化物被击碎，并循加工方向变形而成为不连续的带 状碳化物分布于钢的基体中，致使钢的纵横向力学性能发生差异，特别是横向的 塑性强烈地下降。在钢的加工和使用过程中，由于这种偏析的存在，可能导致其 他缺陷的形成。因此在合金工具钢和高速钢中，应力求避免或减弱这种偏析。
2020/8/20
• 通常，具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低得并不多， 但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多， 有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能又比纵向的降低 得更多。因此，具有白点的钢材一般是不能使用的
部形成管状（或喇叭状）或分散的孔洞，称为缩孔。 缩孔的相对体积，与液态金属的温度、冷却条件以及 铸锭的大小等有关。
2020/8/20
缩孔Leabharlann Baidu疏松
2020/8/20
液态金属的温度越 高，则液体与固体 之间的体积差越大， 而缩孔的体积也越 大
缩孔与疏松
• 如在急剧冷却的条件下浇注 金属，可以避免在铸锭上部 形成集中缩孔。但在此情况 下，液态金属与固态金属之 间的体积差仍保持一定的数 值，虽然在表面上似乎已经 “消除”了大的缩孔，可是 有许多细小缩孔即疏松，分 布在金属的整个体积中
2020/8/20
缩孔与疏松
• 疏松的危害性，主要有以下几种。 ① 在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使 其在使用过程中成为疲劳源发生断裂。此外，在用作液体容器 或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不 能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象。 ② 钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过 程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件 的小。 ③ 金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表而粗糙度有一 定的影响。
气泡与白点
• 气泡的有害影响 ① 气泡减少金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大 降低了材料的强度。 ② 当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时它们可能被氧 化，以致在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝。 ③ 在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏 析，导致裂缝。
2020/8/20
偏析
• ② 区域偏析 • 外层区域富集高溶点组元，而心部则富集低熔点组元，同时也富
集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。 • 钢锭中存在区域偏析，特别是硫偏析和磷偏析，强烈地降低钢的
质量，并为以后的加工造成种种困难，甚至导致材料的严重损害 和所制机件在使用中的破坏。 • 硫偏析能破坏金属的连续性，在钢锻造时引起热脆，在轧制钢板 时产生夹层，严重地影响钢板的冷弯性能。承受交变载荷的零件， 在使用中硫偏析往往为引起疲劳断裂的主要原因之一。 • 磷偏析则使钢具有冷脆性，并促进钢的回火脆性。
2020/8/20
偏析
• ③ 比重偏析 • 在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同
时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化学 成分的不均匀现象，称为比重偏析。 • 晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度 差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。如 果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶 体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重偏析也越强烈。 由于各种组织组成物的空间上的分离，不可能通过热处理来消除 或减弱比重偏析，只能采取特殊的熔化或浇注等措施（例如快速 浇注）予以防止。
气泡与白点
• 白点 • 氢是以原子状态溶解在钢中的，它在钢中
的溶解度随温度的降低而显著减小，如果 钢液中氢含量较高，在冷却时氢以原子态 析出，聚集在钢中空隙处，结合成分子态 的氢。因氢分子很难在钢中进行扩散，在 空隙处便形成巨大的局部压力（可达数百 个大气压），远远超过了钢的强度，因而 产生裂缝。当出现这种缺陷以后，在经侵 蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连 续的发丝状裂缝；而在纵向断口上会发现 表面光滑的、银白色的圆形或椭圆形的斑 点，这种缺陷称为白点。