第六章 过程装备失效与材料的关系.ppt

第六章 过程装备失效与材料的关系 6．1金属材料常见失效形式及其判断 6．1．1 变形失效 6．1．2 断裂失效 6．1．3 表面损伤 6．2过程装备及其构件失效的原因和失效分析 6．2．1 过程装备及其构件失效的原因 6．2．2 失效分析方法简介 6．1 金属材料常见失效形式及其判断 6．1 金属材料常见失效形式及其判断 装备在使用过程中，由于应力、时间、温度和环境介质等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。这种丧失其规定功能的现象称为失效。 过程装备失效存在着各种不同的情况： a. 完全失去原有功能的现象是失效； b. 装备性能劣化，不能完成指定的任务是失效； c. 失去安全工作能力的情况也属于失效。 金属断裂的物理本质 一、断裂的基本类型 根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。 通常以单向拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，而小于5%者为脆性断裂。 此外，按断裂面相对作用力方向的取向关系，分正断与剪断两种形式，垂直于最大正应力的断裂称正断，沿最大切应力方向发生的断裂为剪断。 通常正断沿解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。 韧性断裂 在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤维状，灰暗无光。韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。 韧性断裂也有不同的表现形式：一种是切变断裂，例如密排六方金属单晶体沿基面作大量滑移后就会发生这种形式的断裂，其断裂面就是滑移面，如图3-68b所示；另一种是试样在塑性变形后出现缩颈，一些塑性非常好的材料如金、铅和铝，可以拉缩成一个点才断开，如图3-68c所示；对于一般的韧性金属，断裂则由试样中心开始，然后沿图3-68d所示的虚线断开，形成杯锥状断口。 韧性断裂有如下几个特点： 1。韧性断裂前已发生了较大的塑性变形，断裂时要消耗相当多的能量，所以韧性断裂是一种高能量的吸收过程； 2。在小裂纹不断扩大和聚合过程中，又有新裂纹不断产生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源； 3。韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程； 4。随着变形的不断进行裂纹不断生成、扩展和集聚，变形一旦停止，裂纹的扩展也将随着停止。 1．脆性断裂 在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐，如图3-68a所示。 脆性断裂在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。所谓解理面，一般都是晶面指数比较低的晶面，如体心立方的（100）面。 在多晶体试样中则可能出现两种情况： 一是裂纹沿解理面的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面； 二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。 解理断裂 cleavage 穿晶脆性断裂：在一定条件下（低温高速及应力集中），当应力达到一定值，快速沿一定的结晶面（解理面）而发生的断裂。 例：低碳钢发生解理断裂时，常沿铁素体『100』晶面发生。 密排六方 『0001』 二、断裂过程与物理本质 金属的塑性变形过程和断裂过程是同时发生的，而断裂过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶段。 从力学角度看，金属多晶体在外力的作用下发生塑性变形的初始阶段并不是在所有晶粒内同时发生，而首先在位向有利的晶粒（即外力对其滑移系统具有最大切应力的晶粒）中以滑移或孪晶方式发生塑性变形。 从位错理论的观点来看：金属的塑性变形实质上是位错在滑移面上运动和不断增殖的过程。 金属断裂的基本过程 一、微裂纹的萌生机理 金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自两个方面：一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。 裂纹形核理论 1．位错塞积理论 2．位错反应理论 3．位错墙侧移理论 4．位错消毁理论 2．位错反应理论 图3-71表示在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同号位错的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两位错相遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的[001]刃型位错，刃型位错的合并即是体心立方的解理面（001）面上形成解理裂纹。 3．位错墙侧移理论 由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙，同时引起滑移面的弯折而使裂口形核（图3-72），裂口面将是和滑移面重合。密排六方金属沿滑移面断裂的原因正是这一理论。 4．位错消毁理论 在外力作用下位错发生相对运动，若两个相距为h10个