金属材料断裂失效分析 减少断裂失效的措施有哪些?

日期:2022-03-28 14:50:52 浏览量:1738 标签: 金属材料失效分析

金属在外加载荷的作用下,当应力达到材料的断裂强度时,发生断裂。金属材料的断裂过程一般有三个阶段,即裂纹的萌生,裂纹的亚稳扩展及失稳扩展,最后是断裂。金属构件可能在材料制造、构件成形或使用阶段的不同条件下启裂、萌生裂纹;并受不同的环境因素及承载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。

金属构件断裂后,在断裂部位都有匹配的两个断裂表面,称为断口。断口及其周围留下与断裂过程有密切相关的信息。通过断口分析可以判断断裂的类型、断裂过程的机理,从而找出断裂的原因和预防断裂的措施。

1. 断裂的类型

根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小,可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂:断裂前产生较大的塑性变形,断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂:断裂前没有明显的塑性变形,断口平齐,呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。

韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念,在实际载荷下,不同的材料都有可能发生脆性断裂;同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同,会出现不同的断裂。

2. 断裂的方式

根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断:断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直,一般为脆断,也可能韧断。切断:断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°,为韧断。

3. 断裂的形式

裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂:裂纹穿过晶粒内部,韧断也可为脆断。晶间断裂:裂纹穿越晶粒本身,脆断。

4. 断口分析

断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因,扩散的途径,扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素,为改进构件设计、提高材料性能、改善工艺依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。

(1)宏观断口分析

断口三要素:纤维区,放射区,剪切唇。纤维区:呈暗灰色,无金属光泽,表面粗糙,呈纤维状,位于断口中心,是裂纹源。放射区:宏观特征是表面呈结晶状,有金属光泽,并具有放射状纹路,纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行,而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇:宏观特征是表面光滑,断面与外力呈45°,位于试样断口的边缘部位。

(2)微观断口分析(需要深入研究)

金属材料断裂失效分析 减少断裂失效的措施有哪些?

5. 脆性破坏事故分析

脆性断裂有以下特征:

(1)脆断都是属于低应力破坏,其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。

(2)一般都发生在较低的温度,通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。

(3)脆断发生前,无预兆,开裂速度快,为音速的1/3。

(4)发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。

减少断裂失效的措施有哪些?

(1)选用低温冲击韧性好的钢材。

(2)尽量避免构件中应力集中。

(3)注意使用温度。

6. 韧-脆性转变温度

为了确定材料的脆性转变温度,进行了大量的试验研究工作。如果把一组有缺口的金属材料试样,在整个温度区间中的各个温度下进行冲击试验。

低碳钢典型的韧-脆性转变温度。随着温度的降低,材料的冲击值下降,同时在断裂面上的结晶状断面部分增加,亦即材料的韧性降低,脆性增加。

有几种方法:

(1)冲击值降低至正常冲击值的50~60%。

(2)冲击值降至某一特定的、所允许的最低冲击值时的温度。

(3)以产生最大与最小冲击值平均时的相应温度。

(4)断口中结晶状断面占面积50%时的温度。

对于厚度在40mm以下的船用软钢板,夏比V型缺口冲击能量为25.51J/cm2时的温度作为该材料的脆性转变温度。

7. 无塑性温度

韧-脆性转变温度是针对低碳钢和低碳锰钢,其它钢材,无法进行大量试验。依靠其它试验方法,定出该材料的“无塑性温度”NDT

(1)鼓胀试验 正方的试样板上堆上一小段脆性焊道,在焊道上锯一缺口。在试样上方,根据试样破坏情况判断是否塑性破坏。平裂,凹裂,鼓胀撕

(2)落锤试验

8. 金属材料产生脆性断裂的条件

(1)温度 任何一种断裂都具有两个强度指标,屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。温度高,原子运动热能大,位错源释放出位错,移动吸收能量;温度低反之。

(2)缺陷 材料韧性 裂纹尖端应力大,韧性好发生屈服,产生塑性变形,裂纹进一步扩散。裂纹长度 裂纹越长,越容易发生脆性断裂。缺陷尖锐程度 越尖锐,越容易发生脆性断裂。

(3)厚度 钢板越厚,冲击韧性越低,韧-脆性转变温度越高。

原因:(1)越厚,在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大,使约束应力增加,在钢板厚度范围内形成平面应变状态。(2)冶金效应,厚板中晶粒较粗大,内部产生的偏析较多。

(4)加载速度 低强度钢,速度越快,韧-脆性转变温度降低。

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