断裂失效分析
机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂失效两大类。非断裂失效一般包括磨损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化失效等。断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效其分类比较复杂一般有如下几种: 1按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂2按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂3按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。在失效分析实践中大都采用这种分类法。断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手确定断裂失效模式分析研究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件如温度、介质等等之间的关系揭示断裂失效机理、原因与规律进而采取改进措施与预防对策。从本期起分期介绍韧性、脆性及疲劳三类断裂失效分析的基础知识及典型失效案例分析。. 韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂即零件断裂之前在断裂部位出现较为明显的塑性变形。在工程结构中韧性断裂一般表现为过载断裂即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。在正常情况下机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下一般不会出现韧性断裂失效。但是由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中存在着众多环节和各种复杂因素因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。. 工程材料的显微结构复杂特定的显微结构在特定的外界条件如载荷类型与大小环境温度与介质下有特定的断裂机理和微观形貌特征。金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。2.2.1 滑移分离韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形而塑性变形的普遍机理是滑移即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。因此有必要对滑移分离加以叙述。1滑移带晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线滑移部分的晶体与晶体表
面形成的台阶称为滑移台阶。由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。确切地说目前人们将在电镜下分辨出来的滑移痕迹称为滑移带。滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层滑移层宽度在5～50nm之间。随着外力的增加一方面滑移带不断加宽另一方面在原有的滑移之间还会出现新的滑移带。金属材料滑移的一般规则是:①滑移方向总是原子的最密排方向②滑移通常在最密排的晶面上发生③滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生。2滑移的形式晶体材料产生滑移的形式是多种多样的主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波状滑移、滑移碎化和滑移扭折等。3滑移分离断口形貌滑移分离的基本特征是：断面呈45°角倾斜断口附近有明显的塑性变形
滑移分离是在平面应力状态下进行的。滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样和延伸区。图1为在电子显微镜下观察到的滑线形貌是多系滑移留下的微观痕迹。图1 典型的滑移线形貌图2 蛇形滑移花样蛇形花样多晶体材料受到较大的塑形变形产生交滑移而导致滑移面分离形成起伏弯曲的条纹通常称为蛇形滑移花样如图2所示。若变形程度加剧则蛇形滑移花样因变形而平滑化形成“涟波”花样典型的照片见图3。涟波花样也将进一步平坦化在断口上留下了没有什么特殊形貌的平坦区称为延伸区。实际材料总是存在缺陷如缺口、裂纹和显微空洞等。在应力作用下这些缺陷附近的区域可能发生纯剪切过程在其内表面上也会显示出蛇形滑移、涟波和延伸区等特征。靠滑移分离而导致的断裂即使在晶界处也能发生。这种断裂有两种可能一种是在相邻的两个晶粒内部发生了滑移而导致晶界产生分离另一种是由于晶界本身的滑移而产生分离。沿晶界滑移分离的断口显微形貌
也具有蛇形滑移、涟波花样及无特征等。图3 涟波形貌图4 典型的韧窝形貌SEM 2.2.2 韧窝断裂韧窝是金属韧性断裂的主要特征。韧窝又称作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞经形核、长大、聚集最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹。图4为典型的韧窝形貌。虽然韧窝是韧性断裂的微观特征但不能仅仅据此就作出韧性断裂的结论因为韧性断裂与脆性断裂的主要区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性变形。即使在脆性断裂的断口上个别区域也可能由于微区塑变而形成韧窝。1韧窝的形成韧窝形成的机理比较复杂大致可分为显微空洞的形核、显微空洞的长大和空洞的聚集三个阶段。D.Broek根据实验结果建立了韧窝形核及生长模型如图5所示。其中a图为微孔聚集模型其典型形貌见图4b图为第二相粒子形核模型。a 微孔聚集模型b 在第二相粒子处形核模型图5 韧窝形核及扩展模型这个韧窝模型可以同时解释在拉应力作用下形成等轴韧窝或抛物线韧窝和夹杂物或第二相粒子在切应力作用下破碎而形成韧窝的现象。2韧窝的形状韧窝的形状主要取决于所受的应力状态最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种如图6所示。等轴韧窝是在正应力作用下形成的。在正应力的作用下显微空洞周边均匀增长断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。剪切韧窝是在切应力作用下形成的通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上其形状呈抛物线形匹配断面上抛物线的凸向相反见图6b。  a 等轴韧窝b 剪切韧窝c 撕裂韧窝  d 拉长韧窝图6 三种基本韧窝形态示意图撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上也呈抛物线形但在匹配断口上撕裂韧窝不但形状相似而且抛物线的凸向也相同见图6c。在实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存或在拉长韧窝的周围有少量的等轴韧窝见图4。3韧窝的大小韧窝的大小包括平均直径和深度深度常以
断面到韧窝底部的距离来衡量。影响韧窝大小的主要因素有第二相质点的大小与密度、基体塑性变形能力、硬化指数、应力的大小与状态及加载速度等。通常对于同一材料当断裂条件相同时韧窝尺寸愈大表征材料的塑性愈好。. 2.3.1 韧性断裂的宏观特征零件所承受的载荷类型不同断口特征会有所差异但基本的断裂特征是相似的。以拉伸载荷造成的韧性断裂为例其断裂的宏观特征主要有: 1断口附件有明显宏观塑性变形。2断口外形呈杯锥状。杯底垂直于主应力锥面平行于最大切应力与主应力成45°角或断口平行于最大切应力与主应
力成45°的剪切断口。3断口表面呈纤维状其颜呈暗灰。2.3.2 韧性断裂的微观特征韧性断裂的微观特征主要是在断口上存在大量的韧窝。不同加载方式造成的韧性断裂其断口上的韧窝形状是不同的如图6所示。然而只有通过电镜主要是扫描电镜观察才能做出准确的判断。需要指出的是: 1在断口上的个别区域存在韧窝不能简单地认为是韧性断裂。这是因为即使在脆性断裂的断口上个别区域也可能产生塑性变形而存在韧窝。2沿晶韧窝不是韧性断裂的特征沿晶韧窝主要是显微空穴优先在沿晶析出的第二相处聚集长大而成。. 2.4.1 韧性断裂失效分析的判据根据上述韧性断裂的宏观与微观特征在实际的失效分析中判断金属零件是否是韧性断裂的主要判据是: 1断口宏观形貌粗糙泽灰暗呈纤维状边缘有与零件表面呈45°的剪切唇断口
附近有明显的塑性变形如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。2断口上的微观特征主要是韧窝。2.4.2 引起零件韧性断裂失效的载荷性质分析由于不同类型载荷所造成的韧性断裂其断口特征不同因此
反过来可根据零件断口宏、微观特征来分析判定该零件所受载荷的类别。1拉伸载荷引起的韧性断裂宏观断口往往呈杯锥状或
呈45°切断外形断裂处一般可见缩颈断口上具有大面积的韧窝且大都呈等轴韧窝或呈轻微拉长韧窝。2扭转载荷引起的韧性断裂宏观断口大都呈切断型微观上是拉长韧窝匹配面的韧窝拉长方向相反。3冲击载荷引起的韧性断裂在宏观上有冲击载荷作用留下的痕迹断口周边有不完整的45°唇口微观上呈撕裂拉长韧窝匹配面上的韧
窝拉长方向相同。2.4.3 韧性断裂原因分析与预防金属零件韧性断裂的本质是零件危险截面处的实际应力超过材料的屈服强度所致。因此下列因素之一均有可能引起金属零件韧性断裂失效。1零件所用材料强度不够。2零件所承受的实际载荷超过原设计要求。3零件在使用中出现了非正常载荷。4零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效。5零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。为了准确地出引起零件韧性断裂失效的确切原因需要对失效件的设计、材质、工艺和实际使用条件进行分析针对分析结果采取有针对性的改进与预防措施防止同类断裂失效再次出现。2.4.4 零件韧性断裂失效实例分析某输油管分油活门杆工作时承受拉应力用25号无缝钢管经焊接、机加工、杆部镀铬、螺纹部镀锌和装配出厂仅使用6h就在活门杆端螺纹部位的销钉孔处产生断裂。分析得出：螺纹部位沿主应力方向变形明显断口附近的螺距由原来的0.8mm伸长到1.6mm断口微观形貌为等轴韧窝杆的材质合格机加工质量良好。上述结果表明该活门杆属韧性断裂失
效。其原因是销钉孔处设计安全系数过小从而导致过载韧性断裂失效。. 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ψlt5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。. 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。. 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核然后按解理方式扩展成解理小刻面最后以塑性方式撕裂与相韧性断裂
邻的解理小刻面相连形成撕裂棱。图9 准解理裂纹形成机理示意图图10 准解理断面典型形貌准解理断口与解理断口的不同之处在于: 1准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物和第二相粒子而不像解理断裂那样断裂起源于晶粒边界或相界面上如图10所示。2裂纹传
播的途径不同准解理是由裂源向四周扩展不连续而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展表现河流走向。3准解理小平面的位向并不与基体体心立方的解理面100严格对应相互并不存在确定的对应关系。4在调质钢中准解理小刻面的尺寸要大得多它相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。准解理断口宏观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小呈脆性特征。其形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。3.3.3 沿晶断裂沿晶断裂又称晶间断裂它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离即沿晶界发生断裂。在通常情况下晶界的键合力高于晶内断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶如前述的韧窝型断裂和解理断裂等。但如果热加工工艺不当造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因温度过高加工温度与使用温度使晶界弱化、或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时晶界的键合力被严重削弱往往在低于正常断裂应力的情况下被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。沿晶断裂的路线一般沿着与局部拉应力垂直的晶界进行。按断面的微观形貌通常可将沿晶断裂分为沿晶韧窝断裂和沿晶脆性断裂。1沿晶韧窝断裂是由晶界沉淀的分散颗粒作为裂纹核然后以剪切方式形成空洞最后空洞连接形成的细小韧窝而分离见图11。这种沿晶断裂又称微孔聚合型沿晶断裂或沿晶韧断。图11 沿晶韧性断裂图12 沿晶脆性断裂2沿晶脆性断裂是指在断后的沿晶分离面平滑、干净及
无微观塑性变形特征往往呈现冰糖块形貌见图12。这种沿晶断裂又叫沿晶光面断裂或非微孔聚合型沿晶断裂。回火脆、氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆以及因过热、过烧引起的脆断断口大都为沿晶光面断裂特征而蠕变断裂、某些高温合金的室温冲击或拉伸断口往往为沿晶韧窝形貌。另外还有两种情况也属沿晶断裂范畴。一是沿结合面发生的断裂如沿焊接结合面发生的断裂二是沿相界面发生的断裂如在两相金属中沿两相的交界面发生的断裂。. 在了解和掌握上述脆性断裂宏观与微观特征的基础上只要对实际断裂失效件进行深入细微的观察并加以综合分析就可以得出失效件是否属于脆性断裂。但在失效分析中准确地说明失效性质模式只是第一步重要的是要分析引起失效的原因。为此首先要对零件断裂的起源裂纹扩展走向及载荷类型与速度等进行分析判断。1断裂起源和走向脆性断裂的宏观断口大都呈放射状撕裂棱或呈人字纹花样。放射状撕裂棱的放射源即为断裂的起源放射状撕裂棱的方向即为断裂走向。同样人字纹的交点为断裂起源处反向即为断裂走向见图1。当构件有缺口时则相反人字纹尖顶方向为裂纹的扩展方向。2载荷性质的判断由拉伸载荷导致的脆断其断口平齐并与拉应力垂直一般呈无定型粗糙表面或呈现出晶粒外形由扭转载荷导致的脆断其断口呈麻花状也呈无定型粗糙表面或呈现晶粒外形由冲击载荷导致的脆断断面有放射条纹或人字纹花样由压缩载荷造成的脆断断口一般呈粉碎性条状有时呈45°切断形状且无塑性变形。. 4.2.1 引起解理断裂的原因引起解理断裂的主要因素有环境温度、介质、加载速度、材料的晶体结构、显微组织和应力大小与状态等。1环境温度环境温度影响解理裂纹扩展时所吸收能量的大小随着温度的降低解理裂纹扩展时所吸收的能量较小更容易导致解理断裂。2加载速度加载速率不同不仅影响解理裂纹扩展应力的大小而且还影响材料应变硬化指数。在高应变速率下有利于解理断
裂发生如图13所示。由图可以看出在同一试验温度Ta下加载高的V2所对应的冲击能Ak2小于加载速率低的V1所对应的Ak1。
Ak1为韧性断裂Ak2则进入脆断区。图13 钢的延性-脆性转变曲线3材料的种类、晶体结构及冶金质量对断裂起着重要的作用在通常情况下所遇到的解理断裂大多

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