【正文】 碳體。 白點(diǎn)最容易產(chǎn)生在以鎳、鉻、錳作為合金元素的合金結(jié)構(gòu)鋼及低合金工具鋼中。這種密度差取決于金屬組元的密度差，以及晶體與溶液之間的成分差?；谕辉?，在固溶體金屬中，后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會(huì)不同，即晶間偏析。圖 22(b)所示為 2crl3鋼熱軋后退火仍有黑色小點(diǎn)顯示的中心疏松。 2 失效分析基礎(chǔ)知識 金屬構(gòu)件中可能引起失效的常見缺陷 鑄態(tài)金屬組織缺陷 鑄態(tài)金屬常見的組織缺陷有縮孔、疏松、偏忻、內(nèi)裂紋、氣泡和白點(diǎn)等。 ④ 通過歸納、演繹、類比、假設(shè)、選擇性推理，建立整個(gè)失效過程及其失效原因之間的聯(lián)系，進(jìn)行 綜合性分析 。某時(shí)期統(tǒng)計(jì) 260次壓力容器和鍋爐事故中，操作事故 194次，占％。 如 對韌性材料可能產(chǎn)生的屈服變形或斷裂，應(yīng)該選擇足夠的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；但對可能產(chǎn)生的脆性斷裂、疲勞及應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境條件，高強(qiáng)度的材料往往適得其反。 由磨損而導(dǎo)致構(gòu)件功能喪失 ， 稱為磨損失效 。 失效形式 彈性變形失效 當(dāng)應(yīng)力或溫度引起構(gòu)件可恢復(fù)的彈性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)彈性變形失效。 失效分析 對裝備及其構(gòu)件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的 特征及規(guī)律 進(jìn)行分析研究，從中找出產(chǎn)生失效的主要 原因及防止失效的措施 ，稱為失效分析。 1984年 12月 3日凌晨 ，在印度博帕爾市的美國聯(lián)合碳化物公司所屬的 —家化工廠，由于安全裝置失靈，系統(tǒng)升壓導(dǎo)致儲罐管路破裂，泄出大量毒氣，造成 375人死亡， 2022人重傷。 提高裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量 從設(shè)計(jì)、材料、制造等各方面進(jìn)行改進(jìn)，便可提高裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量。 腐蝕失效 腐蝕是材料表面與服投環(huán)境發(fā)生物理或化學(xué)的反應(yīng)，使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，構(gòu)件發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能則稱為腐蝕失效。 分析設(shè)計(jì)原因引起失效尤其要注意： 對復(fù)雜構(gòu)件未作可靠的應(yīng)力計(jì)算；或?qū)?gòu)件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小未作考慮；甚至于對工作載荷確定和應(yīng)力分析準(zhǔn)確的構(gòu)件來說，如果只考慮拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)的靜載荷能力，而忽視了脆性斷裂、低循環(huán)疲勞、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞等機(jī)理可能引起的失效，都會(huì)在設(shè)計(jì)上造成嚴(yán)重的錯(cuò)誤。如 機(jī)加工 常出現(xiàn)的圓角過小、倒角尖銳、裂紋、劃痕； 冷熱成形 的表面凹凸不平、不直度、不圓度和裂紋；在 焊接 時(shí)可能產(chǎn)生的焊縫表面缺陷 (咬邊、焊縫凹陷、焊縫過高 )、焊接裂紋、焊縫內(nèi)部缺陷 (未焊透、氣孔、夾渣 )，焊接的熱影響區(qū)更因在焊接過程經(jīng)受的溫度不同，使其發(fā)生組織轉(zhuǎn)變不同，有可能產(chǎn)生組織脆化和裂紋等缺陷； 組裝 的錯(cuò)位、不同心度、不對中及強(qiáng)行組裝留下較大的內(nèi)應(yīng)力等。 失效分析工作者的主要任務(wù)和應(yīng)具備的基本素質(zhì) 主要任務(wù) ① 深入裝備失效現(xiàn)場、廣泛收集、調(diào)查失效信息，尋找失效構(gòu)件及相關(guān) 實(shí)物證據(jù) 。 ③ 正確的失效分析思路和對失效分析形式、失效原因有良好的判斷能力 ，要有“醫(yī)生的思路，偵探的技巧”。 如在 急劇冷卻 的條件下澆注金屬，可以避免在鑄錠上部形成集中縮孔。 ③ 金屬中存在較嚴(yán)重的疏松，對機(jī)械加工后的表面粗糙度有一定的影響。 ③比重偏析 在金屬冷凝過程中，如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時(shí)，這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮。 ② 當(dāng)鑄錠表面存在著氣泡時(shí)，在熱鍛加熱時(shí)它們可能被氧化，以致在隨后的鍛壓過程中不能焊合而形成細(xì)紋或裂縫。 因此，具有白點(diǎn)的鋼材一般是不能使用的。 脫碳層的硬度、強(qiáng)度較低，受力時(shí)易開裂而成為裂源。 對于壓力容器來說 ，表面是不允許有嚴(yán)重的劃痕存在的，否則會(huì)成為使用過程中發(fā)生事故的起點(diǎn)。 e. 分層 由于非金屬夾雜、未焊合的內(nèi)裂紋、殘余縮孔、氣孔等原因，使剪切后的鋼材斷面呈黑線或黑帶，將鋼材分離成兩層或多層的現(xiàn)象，稱為分層。夾雜物與鋼基體之間的交界面處結(jié)合很好 ，產(chǎn)生裂紋的傾向性較小。 危害性最大的夾雜物是來源于爐渣和耐火材料的外來氧化物。 高溫液化裂紋 在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，母材近縫區(qū)和多層焊縫的層間金屬中，由于含有低熔共晶組成物 (如硫、磷、硅、鎳等 )面被重新熔化，在收縮應(yīng)力作用下，沿奧氏體晶間發(fā)生開裂。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼和高碳鋼的熱影響區(qū)。 d．層狀撕裂 屬低溫開裂，撕裂溫度不超過 400℃ 。 導(dǎo)致淬裂的原因： (1)原材料已有缺陷； (2)原始組織不良； (3)夾雜物； (4)淬火溫度不當(dāng)； (5)淬火時(shí)冷卻不當(dāng)； (6)機(jī)械加工缺陷； (7)不及時(shí)回火 。 (1)強(qiáng)度理論 a．最大拉應(yīng)力理論 (第一強(qiáng)度理論 ) 脆性材料的失效大多數(shù)是由拉應(yīng)力作用造成的斷裂 。 因此這一理論認(rèn)為 ，決定材料發(fā)生斷裂失效的主要因素是單元體中的最大拉應(yīng)變 ε1。 c． 最大切應(yīng)力理論 (第三強(qiáng)度理論 ) 對于塑性好的材料，當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過大時(shí)，其危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料就會(huì)沿最大切應(yīng)力所在的截面滑移而產(chǎn)生屈服，從而引起構(gòu)件失效。 第四強(qiáng)度理輪實(shí)際上也是一種塑性屈服判據(jù)，而不是斷裂判據(jù)。 對于像低碳鋼這一類的 塑性材料 ，在除了 三向拉伸應(yīng)力狀態(tài) 以外的各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，材料都會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象。當(dāng)這個(gè)安全系數(shù)取值未能包含以經(jīng)驗(yàn)取值的因素出現(xiàn)時(shí)，事故就可能發(fā)生。 斷裂力學(xué)分為線彈性斷裂力學(xué)與彈塑性斷裂力學(xué) ，前者解決具有圖 226(a)所示關(guān)系的脆性斷裂；后者解決具有圖 226(b)所示關(guān)系的韌性斷裂。如裂紋長度不變，通過 σ增大到 σ= σc， KI增大而達(dá)到裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時(shí)， σc屬斷裂應(yīng)力，式 (29)中的 a指原始裂紋尺寸 a0。按照這個(gè)判據(jù)可以解決工程結(jié)構(gòu)很多實(shí)際問題。發(fā)生塑性變形的區(qū)域，稱為塑性區(qū)。這時(shí)只有當(dāng)構(gòu)件厚度尺寸很大時(shí)，一般認(rèn)為板厚 B ≥ (KIC/σs)2，即 d為 rP的 25倍左右(如厚壁容器 )，構(gòu)件內(nèi)部裂紋尖端塑性區(qū)相對尺寸才比較小，這時(shí)通過對塑性區(qū)進(jìn)行修正，可應(yīng)用線彈性斷裂判據(jù)解決問題。該板屬于平面應(yīng)力狀態(tài)。其中 窄條形塑性區(qū) 簡化模型的解析解應(yīng)用較廣。 (2)金屬彈性變形的特點(diǎn) a．可逆性 金屬材料的彈性變形具有可逆的性質(zhì)，即加載時(shí)產(chǎn)生，卸載后恢復(fù)到原狀的性質(zhì)。 ③ 在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了彈性變形的影響及采取了相應(yīng)的措施。 ③采用減少變形影響的連接件 ，如皮帶傳動(dòng)、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等。 b．變形量不恒定 金屬是多晶體，各個(gè)晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，從面使 各晶粒變形有不同時(shí)性及不均勻性 。 過載不僅是對構(gòu)件承受的外載荷估計(jì)不足，還應(yīng)該包括偏載引起局部應(yīng)力、復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算誤差及應(yīng)力集中、加工及熱處理產(chǎn)生殘余應(yīng)力、材料微觀不均勻的附加應(yīng)力等因素，使構(gòu)件受力不均，局部區(qū)域的總應(yīng)力超值。 (1)蠕變變形失效 金屬材料在長時(shí)間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變。材料的蠕變極限及持久強(qiáng)度高，則抗高溫蠕變性能好。 構(gòu)件 在高溫長期使用中都會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛的問題， 當(dāng)殘余應(yīng)力降低至影響構(gòu)件執(zhí)行正常功能時(shí)，則產(chǎn)生應(yīng)力松弛失效或松弛變形失效。通過斷口分析可以判斷斷裂的類型、斷裂過程的機(jī)理，從而找出斷裂的原因和預(yù)防斷裂的措施。 斷裂前的變形量很小，沒有明顯的可以覺察出來的宏觀變形量。 表 31不同類型負(fù)荷下的斷裂形式 表 31不同類型負(fù)荷下的斷裂形式 (3)按斷裂過程中裂紋擴(kuò)展所經(jīng)的途徑分類 裂紋沿晶界擴(kuò)展至斷裂。 (5)按微觀斷裂機(jī)制分類 在正應(yīng)力 (拉力 )作用下，裂紋沿特定的結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展而導(dǎo)致的穿晶脆斷，但有時(shí)也可沿滑移面或?qū)\晶界分離。隨著塑性變形的不斷增加，承載截面積減小，至材料承受的載荷超過了強(qiáng)度極限σb時(shí)，裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界長度，發(fā)生韌性斷裂。 角，此區(qū)稱為 剪切唇區(qū) 。拉伸試樣斷口的杯形底部和錐形頂部就是由等軸韌窩組成的。 等軸韌窩與拉長韌窩的電子斷口形貌 ② 韌窩的大小和深淺 ， 決定于材料斷裂時(shí)微孔的核心數(shù)量和材料本身的相對塑性 ，如果微孔的核心數(shù)量很多或材料的相對塑性較低，則韌窩的尺寸較小或較淺；反之，韌窩的尺寸較大或較深。 預(yù)防的措施如下： ① 設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮構(gòu)件的承載能力，在可能的情況下設(shè)計(jì)變形限位裝置或者增加變形保護(hù)系統(tǒng)等，盡可能使塑性變形不要發(fā)展為斷裂。 ③ 脆性斷裂是從金屬構(gòu)件內(nèi)部存在的 裂紋作為裂紋源 而開始的。 人字條紋或山形條紋從細(xì)變租的方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展的方向；相反的方向，指向裂紋起源點(diǎn)。 (3)脆性斷裂的影響因素 a．應(yīng)力狀態(tài)與缺口效應(yīng) 應(yīng)力狀態(tài)是指構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的類型、分布、大小和方向。當(dāng)溫度在材料脆件轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，材料的解理應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力，材料的斷裂由原來的正常韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。選擇韌性更高、脆性轉(zhuǎn)變溫度更低的材料。 (1)疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征 ①疲勞負(fù)荷是交變負(fù)荷。 疲勞裂紋的萌生 大。 構(gòu)件疲勞斷裂是在負(fù)荷經(jīng)多次循環(huán)以后才發(fā)生的，高周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù) Nf＞ 104，而低周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)較少，一般 Nf＝ 102~104。應(yīng)該從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)來選擇材料，若材料有較高的斷裂韌性 時(shí)，則構(gòu)件中允許有較大的缺陷存在。鋼件的缺口脆性增加；關(guān)于板厚的脆化原因一般認(rèn)為與 冶金質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。 最大切應(yīng)力促進(jìn)塑性滑移的發(fā)展 ，是位錯(cuò)移動(dòng)的推動(dòng)力，它對形變和斷裂的發(fā)生及發(fā)展過程都產(chǎn)生影響； 而最大拉伸應(yīng)力則只促進(jìn)脆性裂紋的擴(kuò)展 。 實(shí)例 ，美國順納德球形儲氫壓力容器 (直徑 )爆炸成為 20個(gè)碎片，斷口呈人字條紋，脆性斷裂總長達(dá) 198m。 ⑤ 脆性斷裂一般 沿低指數(shù)晶面 穿晶解理， 解理是金屬在正應(yīng)力的作用下沿解理面發(fā)生的一種低能斷裂 。 ③ 嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，嚴(yán)禁超載、超溫、超速等。 韌窩尺寸與夾雜物的大小直接相關(guān)，而正當(dāng)夾雜物呈圓顆粒時(shí)，韌窩呈等軸狀，當(dāng)夾雜物呈條狀時(shí)，韌窩也呈長條形。剪切韌窩通常出現(xiàn)在拉伸斷口的 剪切唇區(qū) 。根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步 評價(jià)材料的性能 。 角，又稱 斜斷裂 ，這種斷裂出現(xiàn)在滑移形變不受約束或 約束較小 的情況，如 平面應(yīng)力 條件下的斷裂。 c. 疲勞斷裂 在交變應(yīng)力作用下以疲勞輝紋為標(biāo)志的斷裂。 b 穿晶斷裂 裂紋的萌生和擴(kuò)展穿過晶粒內(nèi)部的斷裂。 (2)按造成斷裂的應(yīng)力類型及斷面的宏觀取向與應(yīng)力的相對位置分類 當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的 正應(yīng)力分量超過材料的正斷抗力時(shí)發(fā)生的斷裂 。用拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、接觸作為加載方向。對緊固性構(gòu)件的實(shí)際使用也可以在構(gòu)件使用過程中對其進(jìn)行一次或多次再緊固，即在構(gòu)件應(yīng)力松弛到一定程度時(shí)重新緊固，這是經(jīng)濟(jì)而又有效的方法。 典型例子： 圖 35過熱管蠕變變形及脹裂 (2)應(yīng)力松弛變形失效 金屬的蠕變是在應(yīng)力不變的條件下，構(gòu)件不斷產(chǎn)生塑性變形的過程； 而金屬的松弛則是在總變形不變的條件下，構(gòu)件彈性變形不斷轉(zhuǎn)為塑性變形從而使應(yīng)力不斷降低的過程。h)。 ② 準(zhǔn)確地確定構(gòu)件的工作載荷 ，正確進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，合理選取安全系數(shù)及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集中水平。 c．慢速變形 金屬的彈性變形是以聲速傳播的，但塑性變形的傳播是很慢的。這種顯著且不可逆的變形稱為塑性變形 。 ⑤ 由于彈性變形是晶格的變形，可用 x射線法測量金屬在受載時(shí)的晶格常數(shù)的變化驗(yàn)證是否符合要求。 c 變形量很小 金屬的彈性變形主要發(fā)生在彈性階段，但在塑性階段也伴隨著發(fā)生定量的彈性交形。 因?yàn)?KI=σ πa ，所以 (216) 材料的臨界 COD值 δc， 按 GB 2358在實(shí)驗(yàn)室中用小試樣即可測出。實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果都證實(shí)，裂紋體受力后，裂紋尖端附近存在高應(yīng)力 (σs)的塑性區(qū)使得裂紋面分離，裂紋尖端有張開的位移 (見圖 232)。這時(shí)裂端區(qū)已大范圍屈服，不再適用線彈性斷裂力學(xué)，必須采用彈塑性斷裂力學(xué)的判據(jù)來解決問題。 對于 I型裂紋端部的塑性區(qū)大小表達(dá)式如下， rp是 θ的函數(shù)。 ② 計(jì)算構(gòu)件在服役條件下的最大裂紋容限，對構(gòu)件做出安全評估。 式 (29)表明，如用預(yù)制裂紋試樣 (a和 Y已知 )在空氣中加載，測出裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所對應(yīng)的應(yīng)力 σc，代人式 (29)就可測得此材料的 KIC值（材料平面應(yīng)變斷裂韌度 KIC的測量參考 GB 4161）。在裂