金屬材料斷裂失效分析 減少斷裂失效的措施有哪些？

金屬在外加載荷的作用下，當應(yīng)力達到材料的斷裂強度時，發(fā)生斷裂。金屬材料的斷裂過程一般有三個階段，即裂紋的萌生，裂紋的亞穩(wěn)擴展及失穩(wěn)擴展，最后是斷裂。金屬構(gòu)件可能在材料制造、構(gòu)件成形或使用階段的不同條件下啟裂、萌生裂紋;并受不同的環(huán)境因素及承載狀態(tài)的影響而使裂紋擴展直至斷裂。

金屬構(gòu)件斷裂后，在斷裂部位都有匹配的兩個斷裂表面，稱為斷口。斷口及其周圍留下與斷裂過程有密切相關(guān)的信息。通過斷口分析可以判斷斷裂的類型、斷裂過程的機理，從而找出斷裂的原因和預防斷裂的措施。

1. 斷裂的類型

根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)生塑性變形量的大小，可分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結(jié)晶狀。韌性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區(qū)別是裂紋擴散的情況不同。

韌性斷裂和脆性斷裂只是相對的概念，在實際載荷下，不同的材料都有可能發(fā)生脆性斷裂；同一種材料又由于溫度、應(yīng)力、環(huán)境等條件的不同，會出現(xiàn)不同的斷裂。

2. 斷裂的方式

根據(jù)斷裂面的取向可分為正斷和切斷。正斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向垂直，一般為脆斷，也可能韌斷。切斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向呈45°，為韌斷。

3. 斷裂的形式

裂紋擴散的途徑可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內(nèi)部，韌斷也可為脆斷。晶間斷裂：裂紋穿越晶粒本身，脆斷。

4. 斷口分析

斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產(chǎn)生原因，擴散的途徑，擴散過程及影響裂紋擴散的各內(nèi)外因素。所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進構(gòu)件設(shè)計、提高材料性能、改善工藝依據(jù)。斷口分析可分為宏觀斷口分析和微觀斷口分析。

（1）宏觀斷口分析

斷口三要素：纖維區(qū)，放射區(qū)，剪切唇。纖維區(qū)：呈暗灰色，無金屬光澤，表面粗糙，呈纖維狀，位于斷口中心，是裂紋源。放射區(qū)：宏觀特征是表面呈結(jié)晶狀，有金屬光澤，并具有放射狀紋路，紋路的放射方向與裂紋擴散方向平行，而且這些紋路逆指向裂源。剪切唇：宏觀特征是表面光滑，斷面與外力呈45°，位于試樣斷口的邊緣部位。

（2）微觀斷口分析（需要深入研究）

5. 脆性破壞事故分析

脆性斷裂有以下特征：

（1）脆斷都是屬于低應(yīng)力破壞，其破壞應(yīng)力往往遠低于材料的屈服極限。

（2）一般都發(fā)生在較低的溫度，通常發(fā)生脆斷時的材料的溫度均在室溫以下20℃。

（3）脆斷發(fā)生前，無預兆，開裂速度快，為音速的1/3。

（4）發(fā)生脆斷的裂紋源是構(gòu)件中的應(yīng)力集中處。

減少斷裂失效的措施有哪些？

（1）選用低溫沖擊韌性好的鋼材。

（2）盡量避免構(gòu)件中應(yīng)力集中。

（3）注意使用溫度。

6. 韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度

為了確定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，進行了大量的試驗研究工作。如果把一組有缺口的金屬材料試樣，在整個溫度區(qū)間中的各個溫度下進行沖擊試驗。

低碳鋼典型的韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度。隨著溫度的降低，材料的沖擊值下降，同時在斷裂面上的結(jié)晶狀斷面部分增加，亦即材料的韌性降低，脆性增加。

有幾種方法：

（1）沖擊值降低至正常沖擊值的50～60%。

（2）沖擊值降至某一特定的、所允許的最低沖擊值時的溫度。

（3）以產(chǎn)生最大與最小沖擊值平均時的相應(yīng)溫度。

（4）斷口中結(jié)晶狀斷面占面積50%時的溫度。

對于厚度在40mm以下的船用軟鋼板，夏比V型缺口沖擊能量為25.51J/cm2時的溫度作為該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

7. 無塑性溫度

韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度是針對低碳鋼和低碳錳鋼，其它鋼材，無法進行大量試驗。依靠其它試驗方法，定出該材料的“無塑性溫度”NDT

（1）鼓脹試驗 正方的試樣板上堆上一小段脆性焊道，在焊道上鋸一缺口。在試樣上方，根據(jù)試樣破壞情況判斷是否塑性破壞。平裂，凹裂，鼓脹撕

（2）落錘試驗

8. 金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的條件

（1）溫度 任何一種斷裂都具有兩個強度指標，屈服強度和表征裂紋失穩(wěn)擴散的臨界斷裂強度。溫度高，原子運動熱能大，位錯源釋放出位錯，移動吸收能量；溫度低反之。

（2）缺陷 材料韌性 裂紋尖端應(yīng)力大，韌性好發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，裂紋進一步擴散。裂紋長度 裂紋越長，越容易發(fā)生脆性斷裂。缺陷尖銳程度 越尖銳，越容易發(fā)生脆性斷裂。

（3）厚度 鋼板越厚，沖擊韌性越低，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。

原因：（1）越厚，在厚度方向的收縮變形所受到的約束作用越大，使約束應(yīng)力增加，在鋼板厚度范圍內(nèi)形成平面應(yīng)變狀態(tài)。（2）冶金效應(yīng)，厚板中晶粒較粗大，內(nèi)部產(chǎn)生的偏析較多。

（4）加載速度 低強度鋼，速度越快，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。

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