斷裂失效分析是從分析斷口的宏觀與微觀特征入手,確定斷裂失效模式,分析研究斷口形貌特征與材料組織和性能、零件的受力狀態(tài)以及環(huán)境條件(如溫度、介質(zhì)等)等之間的關(guān)系,揭示斷裂失效機(jī)理、原因與規(guī)律,進(jìn)而采取改進(jìn)措施與預(yù)防對(duì)策。

韌性斷裂失效分析

韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂,即零件斷裂之前,在斷裂部位出現(xiàn)較為明顯的塑性變形。在工程結(jié)構(gòu)中,韌性斷裂一般表現(xiàn)為過(guò)載斷裂,即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。

工程材料的顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜,特定的顯微結(jié)構(gòu)在特定的外界條件(如載荷類型與大小,環(huán)境溫度與介質(zhì))下有特定的斷裂機(jī)理和微觀形貌特征。金屬零件韌性斷裂的機(jī)理主要是滑移分離和韌窩斷裂。

滑移分離：韌性斷裂最顯著的特征是伴有大量的塑性變形,而塑性變形的普遍機(jī)理是滑移,即在韌性斷裂前晶體產(chǎn)生大量的滑移。過(guò)量的滑移變形會(huì)出現(xiàn)滑移分離,其微觀形貌有滑移臺(tái)階、蛇形花樣和漣波等。

韌窩斷裂是金屬韌性斷裂的主要特征。韌窩又稱作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韌窩是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞,經(jīng)形核、長(zhǎng)大、聚集；最后相互連接導(dǎo)致斷裂后在斷口表面留下的痕跡。

韌窩形貌(SEM)

金屬零件韌性斷裂失效分析依據(jù)：

(1) 斷口宏觀形貌粗糙,色澤灰暗,呈纖維狀;邊緣有與零件表面呈45°的剪切唇;斷口附近有明顯的塑性變形,如殘余扭角、撓曲、變粗、縮頸和鼓包等。

(2) 斷口上的微觀特征主要是韌窩。

脆性斷裂失效分析

工程構(gòu)件在很少或不出現(xiàn)宏觀塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的ψ<5%)情況下發(fā)生的斷裂稱作脆性斷裂,因其斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度,故又稱作低應(yīng)力斷裂。

金屬構(gòu)件脆性斷裂失效的表現(xiàn)形式主要有:

(1)由材料性質(zhì)改變而引起的脆性斷裂,如蘭脆、回火脆、過(guò)熱與過(guò)燒致脆、不銹鋼的475℃脆和σ相脆性等。

(2)由環(huán)境溫度與介質(zhì)引起的脆性斷裂,如冷脆、氫脆、應(yīng)力腐蝕致脆、液體金屬致脆以及輻照致脆等。

(3)由加載速率與缺口效應(yīng)引起的脆性斷裂,如高速致脆、應(yīng)力集中與三應(yīng)力狀態(tài)致脆等。

疲勞斷裂失效

工程構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下,經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷裂稱作疲勞斷裂。

(1)多數(shù)工程構(gòu)件承受的應(yīng)力呈周期性變化稱為循環(huán)交變應(yīng)力。如活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、傳動(dòng)齒輪、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸、渦輪盤與葉片、飛機(jī)螺旋槳以及各種軸承等。這些零件的失效,據(jù)統(tǒng)計(jì)60%～80%是屬于疲勞斷裂失效。

(2)疲勞破壞表現(xiàn)為突然斷裂,斷裂前無(wú)明顯變形。不用特殊探傷設(shè)備,無(wú)法檢測(cè)損傷痕跡。除定期檢查外,很難防范偶發(fā)性事故。

(3)造成疲勞破壞的循環(huán)交變應(yīng)力一般低于材料的屈服極限,有的甚至低于彈性極限。

(4)零件的疲勞斷裂失效與材料的性能、質(zhì)量、零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、外界環(huán)境等眾多因素有關(guān)。

(5)很大一部分工程構(gòu)件承受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷,其應(yīng)力分布是表面最大,故表面狀況(如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蝕及脫碳等)對(duì)疲勞抗力有極大影響。