金屬材料斷裂失效分析 減少斷裂失效的措施有哪些?

日期:2022-03-28 14:50:52 瀏覽量:2199 標簽: 金屬材料失效分析

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)

金屬材料斷裂失效分析 減少斷裂失效的措施有哪些?

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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