断裂失效分析讲课教案.ppt

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1、断裂失效分析第一章断裂失效分析在机电装备的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。目前对断裂行为的研究有两种不同的方法：一种是断裂力学的方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并考虑材料内部存在有缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。另一种是金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。而断裂失效分析则是从断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因。它在断裂力学方法和金属物理

2、方法之间架起联系的桥梁。一、金属断裂的基本概念1.断裂与断口构件或试样在外力作用下导致裂纹形成扩展而分裂为两部分（或几部分）的过程称为断裂。它包括裂纹萌生、扩展和最后瞬断三个阶段。断裂形成的断面称为断口。断口上详细记录了断裂过程中内外因素的变化所留下的痕迹与特征，是分析断裂机理与原因的重要依据。断裂可按具体的需要和分析研究的方便进行分类。①按断裂性质分类根据零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小分为：a.塑性断裂，断裂前发生较明显的塑性变形。延伸率大于5%的材料通常称为塑性材料；b.脆性断裂，断裂前几乎不产生明显的塑性变形。延伸率小于3%的

3、材料通常称为脆性材料；c.塑性-脆性混合型断裂，又称为准脆性断裂。2.断裂分类2.断裂分类②按断裂路径分类依断裂路径的走向可分为穿晶断裂和沿晶断裂两类。在实际断裂失效断口上，多数情况是既有沿晶断裂，又有穿晶断裂的混合型断裂。③按断面相对位移形式分类按两断面在断裂过程中相对运动的方向可分为：a.张开型（I型）；b.前后滑移型（II型）；c.剪切性（III型）。2.断裂分类2.断裂分类④按断裂方式分类按断面所受的外力类型的不同分为正断、切断及混合断裂三种。⑤按断裂机制分类可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶及疲劳等多种断裂。2.断裂分类⑥

4、其它分类法按应力状态分类，可分为静载断裂（拉伸、剪切、扭转）、动载断裂（冲击断裂、疲劳断裂）等。按断裂环境分类，可分为低温断裂、中温断裂、高温断裂、腐蚀断裂、氢脆及液态金属致脆断裂等。按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等三类。按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂三类。按断裂形成过程分类,可分为工艺性断裂和服役性断裂。在金属光滑圆试样室温拉伸或冲击断口上，通常可分为三个宏观特征区，即如图所示的纤维区、放射区和剪切唇区。这就是所谓的断口宏观特征三要素。3.过载断裂的宏观断口三要素断口三要素的应用案例:某型飞机起落架进行疲劳试

5、验的过程中，试验耳片发生早期断裂。前起落架断裂耳片有两个断面剪切唇、放射区的人字纹特征明显。某飞机前起落架断裂耳片主、次两个断口工程材料的显微结构都比较复杂，特定的显微结构在特定的外界条件下有特定的断裂物理机制和微观形貌特征。1.穿晶韧窝断裂韧窝是金属延性断裂的主要微观特征。韧窝又称作迭波、孔坑、微孔、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，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。虽然韧窝是延性断裂的微观特征，但不能仅仅据此就作出断裂属延性断裂的结论。二、金属断裂的微观机理与典型形貌①韧窝的形成韧

6、窝形成的机理比较复杂，大致可分为显微空洞的形核、显微空洞的长大和显微空洞的聚集三个阶段。二、金属断裂的微观机理与典型形貌1.穿晶韧窝断裂某弹用发动机零件四方轴断裂断口韧窝形貌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。二、金属断裂的微观机理与典型形貌1.穿晶韧窝断裂某直升机主减速轴上盖人工断口韧窝形貌金属断裂过程均起始于变形。金属的塑性变形方式主要有滑移、孪生、晶界滑动和扩散性蠕变四种。孪生一般在低温下才起作用；在高温下，晶界滑动和扩散性蠕变方式较为重要。而在常温下，主要的变形方式是滑

7、移。过量的滑移变形出现滑移分离，其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样、涟波等。2.滑移分离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。2.滑移分离滑移分离断口形貌滑移分离的基本特征是：断面倾斜，呈45°角；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、延伸区。2.滑移分离2.滑移分离a.蛇形花样，多晶体材料受到较大的塑形变形产生交滑移，导致滑移面分离，形成起伏弯曲的条纹，通

8、常称为蛇形滑移花样。b.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。c.如若继续变形，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可言的平坦区，称为