金属脆性断裂失效现象.doc

金属脆性断裂失效现象近百年来,随着金属材料的广泛应用,曾频繁出现过不少重大的工程断裂事故, 包括桥梁、储气和储油罐、管道、转子、轮船、导弹发动机壳体的断裂等,造成严重的后果和重大的经济损失。通过对大量脆性断裂现象的分析与考查,脆性断裂的主要特征有: 1、零件断成两部分或碎成多块; 2、断裂后的残片能很好地拼凑复原,断口能很好地吻合,在断口附近没有宏观的塑性变形迹象; 3、脆断时承受的工作应力很低,一般低于材料的屈服强度,因此,人们把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”; 4、脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始; 5、温度降低,脆断倾向增加; 6、脆断断口宏观上平直,断面与正应力垂直,断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹; 7、一旦发生开裂,裂纹便以极高的速度扩展,其扩展速度可达声速,因此带来的后果常常是灾难性的; 8、高强度钢可能发生脆性断裂,在比较低的温度下,中、低强度钢也可能发生脆性断裂。脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现,而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。金属脆性断裂失效原因分析 1 、应力分布最大拉应力与最大切应力对形变和断裂起不同作用。最大切应力促进塑性变形,是位错移动的推动力,而最大拉应力则只促进脆性裂纹的扩展。当零件存在缺陷(如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等)或零件的截面突然变化, 这些部位往往引起应力集中而使应力分布不均匀,即造成三向拉应力状态,极易导致脆性断裂。因此,应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是造成金属零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。材料的应力状态越严重,则发生解理断裂的倾向性越大。 2 、温度温度降低会引起材质本身的性能变化,如钢的屈服应力随温度降低而增加,韧性下降,解理应力也随着下降。对某些体心立方金属及合金,由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错,特别在低温下,这种结构的螺位错难以交滑移,使得派-纳力(在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力)随温度的降低迅速升高,这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高即对温度产生强烈依赖关系,并因此导致材料脆化的主要原因。金属零件发生低温脆断的基本条件:一是所用材料属于冷脆金属;二是环境温度较低,即零件处在脆性转变温度 T c以下的环境中工作;三是零件的几何尺寸较大,即处在平面应变状态。此外,当零件上存在显微裂纹、缺口或大块非金属夹杂物等缺陷时,会使 T c提高,从而促使零件在较高温度下发生脆化。普通铸铁件,硬度不高,其基体为塑性很好的铁素体或珠光体,但由于晶粒粗大,片状石墨造成的应力集中,加之含有大量缺陷使丁,显著升高,所以, 室温条件下即可发生宏观脆性的解理断裂。金属脆性断口微观形貌特征 1 、解理断口解理断裂常发生于低温、高应变速率、应力集中及粗大晶粒的条件下,裂纹一经形成,便会迅速扩展。因为解理的存在取决于晶体结构,并且它沿着十分确定的原子面扩展,所以,宏观观察解理断口是十分平滑的,相邻的区域没有塑性变形,而在电镜下观察每一个解理小刻面,发现这些小刻面并不是一个单一的解理面。金属解理断口的微观形貌最主要特征是河流花样。河流花样的形成是因为解理并非沿单一的结晶学平面进行,而是沿着相互平行的许多平面以不连续的方式开裂的。不在一个平面上的解理裂纹在向前扩展时,通过二次解理或与螺型位错