断裂机制的四种基本类型

关于构件失效的可能原因的两篇文章的第一篇讨论了延性失效和脆性断裂。

0
16545

W当一个部件失效时,断裂部件的断口可以很好地说明失效机制。它通常可以提供关于组件失败原因的细节或建议。在这篇简短的专栏文章中,我将尝试描述四种基本的骨折类型,并指出可能的原因。通常,失效部件上会出现多种断裂机制,从而导致研究人员确定部件失效的原因。

通过对断口和金相的检查来确定失效的原因。首先,必须确定断裂模式。不幸的是,目前还没有明确的或合乎逻辑的骨折分类。一般来说,分类是基于裂纹扩展机制。我们将讨论四种类型的断裂机制:延性断裂,脆性断裂,沿晶断裂和疲劳。

韧性失败

延性破坏是一种非常常见的破坏机制。在这种机制中,材料的载荷超过其极限抗拉强度。超过抗拉强度的荷载可能是由于设计师未采用适当的安全系数;或超出设计标准的使用条件。

在宏观尺度上,韧性断裂是在零件失效前伴随着相对较大的塑性变形。破坏后,截面减小或变形。在断裂的后半部分观察到剪切唇,表明该部分的最终破坏。断口无光泽,呈纤维状外观。扫描电镜检查显示裂缝为微孔洞聚结[1](图1)。

图1微孔隙聚结裂缝面。这也被称为韧窝断裂。这种类型的骨折是由过载引起的。

在这种破坏机制中,首先会由夹杂物等小颗粒创建自由表面。粒子周围的自由曲面将创建一个空洞。孔隙由塑性应变和静水应力增长。最后,空洞会增长到与相邻空洞连接或合并的大小。这些空隙合并形成一个中心裂纹,垂直于施加的拉伸应力。根据施加的应力,可以改变凹陷形状的形状和配置(图2)。这一事实有助于确定失效分析调查中的荷载类型[2]。

图2:加载构件的微孔洞聚结(韧窝)产生示意图。

任何类型的夹杂物都可能发生延性破坏。无论是脆性氧化铝型夹杂物还是韧性更高的硫化物型夹杂物,都是如此。夹杂物通常会在临界尺寸以上引发延性裂纹。较粗的夹杂物尺寸往往具有较大的局部应力集中系数,这可能导致局部脱粘和微裂纹的形成。

与夹杂物相似,碳化物的分布也会影响钢的韧性和延展性。孔隙形成所需的应变随碳化物体积分数的增加而减小。球型碳化物在小应变时不会开裂,并呈现脱粘现象。球化钢比同样硬度的含铁素体和珠光体的类似钢具有更强的韧性。珠光体具有较低的孔隙形成临界应变。此外,一旦珠光体基体中形成裂纹或空洞,裂纹或空洞将倾向于沿珠光体片层的长度延伸。在扫描电镜下检查这种类型的断裂,韧窝的基部将包含断裂的珠光体片层。

脆性断裂

极少的塑性变形和有光泽的断口是脆性断裂的特征。通常,v形图案指向失效[3]的起源(图3)。它可以在低应力下发生,并以快速度传播——通常在失效材料中以接近音速的速度传播。对脆性破坏的断口分析表明,脆性破坏从缺口或应力集中处开始,并在较小的塑性变形下扩展。这些缺口有三种类型:设计特征、制造细节或材料缺陷。

图3:脆性裂缝中的Chevron标记,指向起裂点[4]。

设计特点是缺口,如紧密的半径或结构成员,以小于90度的角度刚性连接和焊接。制造细节的结果从生产的缺口在制造的组件。焊接冲击、深沟和类似的加工痕迹会产生机械切口。冶金缺口是由于焊接或铸造过程中组织或孔隙的突然变化而产生的。这些缺陷也可能与磨矿实践有关,可能是大的夹杂物、内部氧化或孔隙。

在脆性断裂中,断裂吸收有限的能量。能量是通过小塑性变形区域吸收的。单个晶粒沿着特定的晶体面分裂而分离(图4)。

图4:低碳钢的解理断口,通过扫描电子显微镜观察。

从视觉上看,很少或没有塑性变形或零件形状的变形是脆性断裂的特征。断口通常是平的,并且垂直于应力轴。断口表面有光泽,呈颗粒状外观。失败发生得很快,经常伴随着响亮的报告。因为脆性解理在本质上是晶体学的,断裂的外观是多面的(图4)。

造成钢脆性解理断裂的基本因素有三个:三轴应力状态、低温和高应变速率或快速加载速率。这三个因素并不一定会导致劈裂型断裂的发生。大多数脆性、劈理型断裂发生在三轴应力状态和低温时。这是由高加载速率驱动的。

中低强度钢的缺口韧性高度依赖于温度。随着温度的降低,存在从韧性断裂到脆性断裂的转变。转变温度的一个标准是零塑性温度(NDT)。零塑性温度是断裂变成100%解理的温度,基本上没有塑性变形。

无损检测的变化可以由微观结构和化学成分的变化引起。碳和锰含量的变化会影响最大的变化。Mn浓度每增加0.1%,无损检测就降低约10°F。增加含碳量也降低了无损检测。为了获得良好的缺口韧性,Mn/C比率应约为3:1。

镍有利于增加延展性。高达2%的镍可有效降低零塑性温度。增加硅浓度会增加NDT。铬几乎没有影响,而钼在提高钢的延展性方面极为有效,并大大降低了无损检测。氧强烈降低了塑性。通过在晶界产生脆性氧化物,它还可能导致晶间断裂倾向增加。减小晶粒尺寸对提高塑性和缺口韧性有很大影响。

断面厚度对[5]的延性和脆性行为也有影响。[6][7]的研究表明,试样的韧性随试样厚度的变化较大。此外,在大厚度时,韧性似乎达到了一个恒定值[8](图5)。在这条曲线中,有三个明显的区域:第一,有获得最大韧性的区域(薄片)。第二是中间韧性区,最后是韧性相对恒定的区域(厚断面)。

图5:韧性随厚度[8]的变化。

在第一个区域,断口似乎完全由剪切唇组成,换句话说,断口面与拉伸轴的倾角约为45˚。在这种情况下,试样厚度方向的应力趋于零,达到平面应力状态。

在中等范围内,断裂行为较为复杂。断裂不完全由“倾斜”型断裂组成,也不完全包含“平坦”平面应变型断裂。相反,“平坦”和“倾斜”断裂区域大致相等。已经发现,“扁平”断裂的数量仅取决于试样的厚度,而与裂纹长度无关。

在第三个区域,裂缝主要由“扁平”裂缝组成。在断裂的后期可能存在一些非常小的剪切唇的证据。裂缝是灾难性的、快速的。没有明显的塑性变形。在这第三个区域,试样厚度的任何增加都不会导致韧性的进一步下降。

一个著名的脆性骨折失败是“波士顿糖蜜大灾难”[9]。由于这次失败,美国酒精公司1915年12月在波士顿制造了一个大型铸铁糖蜜罐。这个水箱宽90英尺,高58英尺,顶部有49.5英尺的糖蜜。它由铸铁板铆接而成。它装有230万加仑的糖蜜,表面上是用来发酵酒精的。监督施工的人看不懂图纸,也没有任何技术培训。没有征求工程师或建筑师的意见,以确保水箱的建造安全。1919年1月15日,坦克爆炸了,糖蜜淹没了波士顿的街道,海浪高达8到15英尺(图6)。据报道,这堵糖蜜长城以每小时35英里的速度移动,摧毁了波士顿的大部分地区。

图6:大波士顿糖蜜灾难。波士顿北部230万加仑的糖蜜洪水造成21人死亡,150多栋建筑被毁。(图片来源:《波士顿环球报》,Getty Images)

半英寸厚的钢板被撕裂,这些钢板被投掷的力量足以切断高架铁路的大梁。这次爆炸,以及随后的一波糖浆,导致21人死亡,150人受伤,许多建筑物被毁,整个地区被摧毁。

多年后的调查表明,可能的原因是油箱在铆钉处发生脆性断裂,温度低于韧脆转变温度。这场灾难的一个有趣的结果是,马萨诸塞州和其他许多州都制定了法律来认证工程师和监管建筑。它还要求加盖印章的图纸,证明工程师已经审查了图纸。正如我们今天所知,正是这一失败导致了专业工程师执照和印章的产生。作为旁注,第18条修正案于1919年1月16日获得批准,并签署成为法律。

结论

在这篇短文中,描述了两种类型的骨折。延性破坏是过载和超过材料极限抗拉强度的结果。观察到广泛的塑性变形。在脆性断裂中,观察到灾难性破坏,几乎没有或没有警告。未观察到塑性变形。脆性断裂通常需要三轴应力状态、应力集中或快速加载。

在下一篇文章中,将讨论沿晶断裂和疲劳。如果您对此有任何问题,或对进一步的文章有任何建议,请联系编辑或我自己。

参考文献

  1. B. Bogner, G. Rorvik和L. Marken,“螺栓失效-来自挪威石油工业的案例历史”,Microsc。Microanal。,第11卷(增刊2),第1604-1605页,2005。
  2. D. S. MacKenzie,“热处理构件失效机理综述”,《热处理钢构件失效分析》,L. Canale, R. A. Mesquita和G. E. Totten主编。, Materials Park, OH: ASM International, 2008, pp. 43-86。
  3. 加拿大运输安全委员会,"加拿大国家列车脱轨和碰撞"。U-783-21-30号列车1999年12月30日"。
  4. D.S.MacKenzie,“海军逮捕钩点的失效分析”,在Proc。第二届地中海热处理和表面工程会议,6月11日至14日,克罗地亚杜布罗夫尼克,2013年。
  5. J.M.Kraft、A.M.Sullivan和R.W.Boyle,“尺寸对缺口板快速断裂不稳定性的影响”,发表于裂纹扩展研讨会过程中,Cranfield,1961年。
  6. J. E.斯特劳利和W. F.布朗,“断裂韧性测试”,ASTM STP 381, 1965。
  7. A.S.Tetelman和A.J.McEvilly,《结构材料断裂》,纽约,纽约:Wiley&Sons,1967年。
  8. J.F.Knott,《断裂力学基础》,纽约,纽约:J.Wiley&Sons,1973年。
  9. J. S. Colton,大波士顿糖蜜灾难,1919年1月15日,佐治亚理工学院。