课堂：金属材料失效分析（三）之断裂失效

金属材料常见失效形式及其判断

      金属材料在各种工程应用中的失效模式主要有断裂、腐蚀、磨损和变形等。

断裂是金属材料在应力作用下材料分离为互不相连的两个或多个部分的现象。

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断裂失效的分类

按断裂前变形程度分类，分为韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂前产生明显的塑性变形，断裂过程中吸收了较多的能力，一般是在高于材料屈服应力条件下的高能断裂。

脆性断裂前的变形量很小，不会出现明显的宏观变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力条件下的低能断裂。通常材料的塑性变形小于2%~5%的断裂均可称为脆性断裂。

（a）完全韧性断裂（b）部分韧性断裂（c）脆性断裂

按造成断裂的应力类型及断面的宏观取向与应力的相对位置分类，可分为正断、切断及混合断裂。正断可能是脆性的，也可能是韧性的，而切断一般总是韧性的。

正断是指当外加作用力引起构件的正应力分量超过材料的正断抗力时发生的断裂。断裂面垂直于正应力或最大的拉伸应变方向。

切断是指当外加作用力引起构件的切应力分量超过材料在滑移面上的切断抗力时发生的断裂。断裂面平行于最大切应力或最大切应变方向，与最大正应力约呈45°交角。

按断裂过程中裂纹扩展所经的途径分为三类：沿晶断裂、穿晶断裂及混晶断裂。

沿晶断裂是指裂纹沿晶界扩展至断裂，沿晶断裂多属于脆性断裂。

穿晶断裂是指裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂。穿晶断裂可以是韧性的也可以是脆性的。混晶断裂是指在多晶体金属材料的断裂过程中，多数是其裂纹的扩展既有穿晶型、也有晶间型的混晶断裂。如马氏体或回火马氏体材料的瞬间断裂。

裂纹扩展路径示意图

A-沿晶裂纹；B-穿晶裂纹；C-混晶裂纹

按负荷的性质及应力产生的原因分为疲劳断裂和环境断裂。

疲劳断裂是指由于在局部应力集中或强度较低部位首先产生裂纹，裂纹随后扩展导致的断裂。

环境因素(气相、液相腐蚀介质或氢)的作用引起形变和断裂的基元过程，从而导致应力脆断，因而以这种形式破坏失效的现象统称为环境断裂。环境断裂具体可分为应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking)、氢脆或氢致开裂(Hydrogen Induced Cracking)和腐蚀疲劳断裂(Corrosion Fatigue Cracking)三种。

韧窝

沿晶断裂

2韧性断裂

韧性断裂是指容器、管道在压力作用下，器壁上产生的应力超过材料的强度极限而发生显著的宏观塑性变形的断裂。

韧性断裂是一个缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹成长同时进行。裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢，材料在断裂过程中需要不断消耗相当多的能量。随着塑性变形的不断增加，承载截面积减小，至材料承受的载荷超过了强度极限σ_b 时，裂纹扩展达到临界长度，发生韧性断裂。

韧性断裂有两种类型: 一种是宏观断面取向与最大正应力相垂直的正断型断裂，又称平面断裂，这种断裂出现在形变约束较大的场合，如平面应变条件下的断裂；另一种是攻关断面取向与最大切应力方向相一致的切断，即与最大正应力约呈45°，又称斜断裂，这种断裂出现在滑移形变不受约束或约束较小的情况，如平面应力条件下的断裂。

韧性断裂断口形貌

（1）宏观形貌

韧性断裂断口宏观形貌

在直径大的圆棒钢试样新断裂的金属灰色断口上能观察三个区：凹凸不平暗灰色且无光泽的纤维区、放射线纹理的灰色有光放射区及平滑丝光的亮灰色剪切唇区。

断口三要素

1-纤维区 F；2-放射区 R；3-剪切区S

（2）微观形貌

微孔聚集型断裂的微观特征：断口上有大量韧窝。材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔，进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂。

韧窝是指韧性断裂断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心常有夹杂物或第二相质点。根据受力状态的不同，通常可以出现三种不同形态的韧窝：

产生韧性断裂的影响因素：（1）零件形状（圆形、板状、光滑与缺口试样）；（2）温度（随温度的降低，纤维区和剪切唇区减小，放射区增大）；（3）加载速率（速率越大，放射区增大）。

3脆性断裂

脆性断裂是指容器在破裂时没有宏观塑性变形，器壁平均应力远没有达到材料的强度极限，有的甚至低于屈服极限。脆性断裂的发生条件：设备、容器本身存在缺陷或几何形状发生突变；存在一定的应力水平；材料的韧性很差。

脆性断裂的特征

（1）脆性断裂时，工作应力不高，往往低于材料的屈服点，甚至低于设计时的许用应力。

（2）中、低强度钢的脆性断裂一般在比较低的温度下发生，因此脆性断裂也称为“低温脆性断裂”。与面心立方金属比较，体心立方金属随温度的下降，塑性将明显下降，屈服力升高；

（3）脆性断裂从金属构件内部存在的裂纹作为裂纹源而开始。

（4）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在特定的条件下才会出现脆性断裂；

（5）脆性断裂一般沿低指数晶面穿晶解理。解理通过破坏原子的结合力来实现，而密排面之间的原子间隙最大，结合力最弱，故绝大多数解理面是原子密排面。

（6）破裂时无明显的塑性变形，破裂之前没有或只有局部极小的塑性变形；

（7）断口宏观分析呈金属晶粒状并有光泽，断口平直与主应力垂直；

（8）在较低温度发生，且材料韧性很差。

脆性断裂的断口形貌

（1）宏观形貌

断裂前无明显的塑性变形，断口附近无颈缩；

断裂表面垂直于最大正应力方向；

断口平齐，无剪切唇；

断口上呈现小刻面；

断裂源点形成“人字条纹”或“山形条纹”

小刻面是指脆性解理断裂的断口呈平滑明亮结晶状。

根据断口人字条纹或山行条纹的图形可判断脆性断裂的裂纹扩展方向和寻找断裂起源点。人字条纹或山行条纹从细变粗的方向为裂纹扩展方向，相反的方向指向裂纹起源点。

（2）微观形貌

脆性断裂的微观形貌一般分为河流花样、扇形花样、舌状断口、鱼骨状花样；

河流花样实际上是断裂面上的微小解理台阶在图像上的表现，河流条纹就是相当于各个解理平面的交割。河流条纹的流向也是裂纹扩展的方向，河流的上游是裂纹源。

扇形花样：以裂纹源为中心单方向径向扩展，在焊接区冲击断口常见。

舌状花样：当材料的脆性大、温度低，临界变形困难，晶体变形以形变孪晶方式进行。舌状花样在低温冲击断口中易出现。

脆性断裂的影响因素

（1）应力状态与缺口效应

应力状态是指构件内应力的类型、分布、大小和方向。不同的应力状态对脆性断裂有不同的影响，如最大拉伸应力和最大切应力对形变和断裂起不同的作用。最大切应力促进塑性滑移的发展，是位错移动的推动力，它对形变和断裂的发生及发展过程都产生影响；而最大拉伸应力则只促进脆性裂纹的扩展。因此，最大拉应力与最大切应力的比值越大，构件失效脆性断裂的可能性越大，在三向拉伸应力状态下比值越大，极易导致脆性断裂。

在实际金属构件中，常见由于应力分布不均匀而造成三向应力状态，如构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀痕、尖锐缺口尖端处往往由应力集中而引起应力不均匀分布，周围区域为了保持变形协调，便对高应力区以约束，即造成三向拉伸应力状态。这是造成金属构建在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。

（2）温度

低温下造成构件的脆性断裂是由温度的改变而引起材料本身的性能变化。随着温度的降低，金属材料屈服应力增加，韧性下降，解理应力下降；当温度在材料脆性转变温度以下时，材料的解理应力小于其屈服应力，材料的断裂由原来的正常韧性断裂转为脆性断裂。

（3）尺寸效应

钢板厚度增加，脆性转变温度升高，缺口脆性增加；关于板厚的脆化原因一般认为与冶金质量和应力状态有关。

（4）焊接质量

焊接缺陷一般有夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹等，而切中焊接裂纹的存在对焊接构件的断裂起着重要作用。

（5）工作介质

金属构件在腐蚀介质中，受应力（尤其是拉应力）作用，同时又有电化学腐蚀时，极易导致早起脆性断裂；

（6）材料和组织因素

脆性材料、冶金质量差、氢脆倾向的材料以及缺口敏感性大的钢种都能促使发生脆性断裂；不良热处理产生脆性组织状态，如组织偏析、脆性相析出、晶间脆性析出物、淬火裂纹、淬火后消除应力处理不及时或不充分等也能促进脆性断裂的发生。

预防脆性断裂的途径

（1）温度是引起构件脆断的重要因素之一， 设计者必须考虑构件的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度。若所设计的构件工作温度较低，甚至低于该材料的脆性转变温度，则必须降低设计应力水平，使应力低于不会发生裂纹扩展的水平；若其设计应力不能降低，则应更换材料。选择韧性更高、脆性转变温度更低的材料；

（2）设计者在选择材料时，除考虑材料的强度外，还应保证材料有足够的韧性。应该从断裂力学的观点来选择材料，若材料有较高的断裂韧性时，则构件中允许有较大的缺陷存在；

（3）为减少构件脆性断裂，在设计时应使缺陷产生的应力集中减小到最低限度，如减少尖锐角，消除未焊透的焊缝，结构设计时应尽量保证结构几何尺寸的连续性(因为在结构不连续的过渡部位往往使构件应力集中而形成高应力区)；过渡段的连接应采用正确的焊接方法；

（4）尽量减少焊接产生的缺陷。这种设计包括选择适当的焊缝金属缺口韧性，焊接预热和焊后的热处理制度，适当设计焊接条件以减少缺陷。

4疲劳断裂

金属构件在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于金属材料的抗拉强度，优势甚至低于屈服极限，但经过一定的循环周期后，金属构件会发生突然的断裂，这种断裂称为疲劳断裂，疲劳断裂是脆性断裂的一种形式。

疲劳断裂的现象及特征

①疲劳负荷是交变负荷。

②金属构件在交变负荷作用下，一次应力循环对构件不产生明显的破坏作用，不足以使构件发生断裂。构件疲劳断裂是在负荷经多次循环以后发生，高周疲劳断裂的循环次数Nf>104，而低周疲劳断裂的循环次数较少，一般Nf=102~104。疲劳断裂应力还小于抗拉强度σb，其值也小于屈服点σs。

③疲劳断裂只可能在有使材料分离扯开的反复拉伸应力和反复切应力的情况下出现。纯压缩负荷不会出现疲劳断裂，疲劳起源点往往出现在最大拉应力处。

④疲劳断裂过程包括疲劳裂纹的萌生、裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。

疲劳裂纹的萌生：大量研究表明，疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷、工艺缺陷等。金属构件由于受到交变负荷的作用，金属表面晶体在平行于最大切应力平面上产生无拘束相对滑移，产生了一种复杂的表面状态，常称为表面的“挤出”和“挤入”现象，当金属表面的滑移带形成尖锐而狭窄的缺口时，便产生疲劳裂纹的裂纹源。

疲劳裂纹的扩展：疲劳裂纹扩展的第一阶段为切向扩展阶段，裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°方向的滑移面扩展。疲劳裂纹扩展的第二阶段为正向扩展阶段。在交变应变作用下，疲劳裂纹从原来与拉伸轴呈45°的滑移面，发展到与拉伸轴呈90°。即由平面应力状态转变为平面应变状态，这一阶段中最突出的显微特征是存在大量的、相互平行的条纹，称为“疲劳辉纹”。

疲劳裂纹在第二阶段扩展到一定深度后，由于剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展。当剩余面积小到不足以承受负荷时，在交变应力作用下，即发生突然的瞬时断裂，其断裂过程同单调加载的情形相似。疲劳断裂与其他一次负荷断裂有所区别，它是一种累进式断裂。

⑤即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断裂构件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。

疲劳断裂的断裂形貌

（1）宏观形貌

起源区：即为疲劳裂纹萌生区。这个区域在整个疲劳断口中所占的比例很小。通常就是指断面上疲劳花样放射源的中心点或疲劳弧线的曲率中心点。疲劳裂纹源一般位于构件表面应力集中处或不同类型的缺陷部位。一般情况下，一个疲劳断口有一个疲劳源。疲劳区中磨得最亮的地方即是疲劳源（疲劳核心），位于零件强度最低或应力最高的地方。

扩展区：在此区中常可看到有如波浪推赶海岸沙滩而形成的"沙滩花样"，又称"贝壳状条纹"、"疲劳弧带"等，这种沙滩花样是疲劳裂纹前沿线间断扩展的痕迹，每一条条带的边界是疲劳裂纹在某一个时间的推进位置，沙滩花样是由于裂纹扩展时受到障碍，时而扩展、时而停止，或由于开车停车、加速减速、加载卸载导致负荷周期性突变而产生。

疲劳裂纹扩展区是在一个相当长时间内，在交变负荷作用下裂纹扩展的结果。拉应力使裂纹扩张，压应力使裂纹闭合，裂纹两侧反复张合，使得疲劳裂纹扩展区在客观上是一个明亮的磨光区，越接近疲劳起源点越光滑。如果在宏观上观察到沙滩花样时，就可判别这个断口是疲劳断裂。多源疲劳的裂纹扩展区，各个裂源不一定在一个平面上，随着裂纹扩展被此相连时，同的平面间的连接处形成疲劳台阶或折纹。疲劳台阶越多，表示其应力或应力集中越大。

断裂区：当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，构件承载截面减小至强度不足引起瞬时断裂，该瞬时断裂区域是最终断裂区。最终断裂区的断口形貌较多呈现宏观的脆性断裂特征，即粗糙"晶粒"状结构，其断口与主应力基本垂直。只有当材料的塑性很大时，最终断裂区才具有纤维状的结构，并出现较大的45°剪切唇区。

（2）微观形貌

微观形貌主要分为疲劳辉纹、轮胎压痕花样。

①疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状。并与裂纹微观扩展方向相垂直。裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧。辉纹的间距在很大程度上与外加交变负荷的大小有关，条纹的清洗度则取决于材料的韧性。因此，高应力水平比接近疲劳极限应力下更易观察到疲劳辉纹。

②每一条疲劳辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿线在前进过程中的瞬时微观位置。裂纹三个阶段有不同的微观特征：疲劳起源部位由很多细滑线组成，以后形成致密的条纹，随着裂纹的扩展，应力逐渐增加，疲劳条纹的间距也随之增加。

③疲劳辉纹可分为韧性辉纹和脆性辉纹两类。脆性疲劳辉纹的形成与裂纹扩展中沿某些解理面发生解理有关，在疲劳辉纹上可以看到把疲劳辉纹切割成一段段的解理台阶，因此脆性疲劳辉纹的间距呈不均匀，断断续续状。韧性疲劳辉纹较为常见，它的形成与材料的结晶之间无明显关系，有较大塑性变形，疲劳辉纹的间距均匀规则。

④疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不同的小断片组成。疲劳辉纹均匀分布在断片上，每一小断片上的疲劳辉纹连续且互相平行分布，但相邻断片上的疲劳辉纹不连续、不平行。

⑤疲劳辉纹中每一条辉纹一般代表依次载荷循环，辉纹的数目与载荷循环次数相等。

⑥轮胎压痕花样是由于疲劳断口的两个匹配断面之间重复冲击和相互运动所形成的机械损伤，也可能是由于松动的自由粒子在匹配断裂面上作用留下的微观变形痕迹。轮胎压痕花样不是疲劳本身的形态，但却是疲劳断裂的一个表征方法。

影响疲劳断裂的因素及其改善的途径

①构件表面状态

大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂多数起源于构件的表面或亚表面，这是由于承受交变载荷的构件工作时其表面应力往往较高，典型的是弯曲疲劳构件表面拉应力最大，加上各类工艺程序难以确保表面加工质量而造成。因此，凡是制造工艺过程中产生预生裂纹(如浮火裂纹)、尖锐缺口(如表面祖糙度不符合要求，有加工刀痕等)和任何削弱表面强度的弊病(如表面氧化、脱碳等)都将严重地影响构件的疲劳寿命。而且，材料的强度越高，则表面状态对疲劳的影响也越大。

②缺口效应与应力集中

许多构件包含有缺口、螺纹、孔洞、台阶以及与其相类似的表面几何形状，也可能有刀痕、机械划伤等表面缺陷，这些部位使表面应力提高和形成应力集中区，且往往成为疲劳断裂的起源。

③残余应力

如果构件表面存在着残余拉应力，对疲劳极为不利。但是，如果使构件表面诱发产生残余压应力，则对抗疲劳大有好处。因为残余压应力起着削减表面拉应力数值的作用。一些表面热处理工序，如表面淬火、渗碳和氮化；一些机械加工工序，如喷丸、表面、冷拔、挤压和抛光都产生有利的残余压应力。因此，工程上经常采用这些方法来提高构件的疲劳抗力。

④材料的成分和组织

在各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，疲劳强度随着含碳量增加而增高，铬、镍等也有类似的效应。碳是影响疲劳强度的重要元素，既可间隙固溶强化基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高钢材的形变抗力，阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，以及提高疲劳强度。其他合金元素主要通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来改善疲劳强度。质量均匀、无表面或内在连续性缺陷的材料组织抗疲劳性能好。

⑤工作条件

载荷频率对疲劳强度的影响是其在一定范围内可提高疲劳强度。

低于疲劳极限的应力称为次载。金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数之后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。这种现象可能是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。次载应力水平越接近疲劳极限，其锻炼效果越明显；次载锻炼的循环周次越长，其锻炼效果越好，但达到一定循环周次之后效果就不再提高。

当加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至还会降低疲劳强度。这种间歇加载影响疲劳强度的规律，可以指导制订机器运行操作规程和检验规程。

温度对疲劳强度的影响一般是温度降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。

腐蚀环境介质使构件表面产生蚀抗、微裂纹等缺陷，将会加速疲劳源萌生而促进腐蚀疲劳。