第三章常见失效形式以及特征和诊断3腐蚀疲劳断裂等课件

第三章常第三章常见失效形式以及特征和失效形式以及特征和诊断断3腐腐蚀疲疲劳断裂等断裂等第一页，共43页。第三章常见失效形式以及特征和诊断3腐蚀疲劳断裂等第三章常见失3 3、应力腐蚀评定方法、应力腐蚀评定方法 恒定应力下的断裂时间tf，或者指定时间内发生应力腐蚀断裂的最低应力SCC以及应力腐蚀的门槛应力。评定应力腐蚀的断裂力学参量为指定时间内应力腐蚀的界限应力强度因子KISCC。第二页，共43页。3、应力腐蚀评定方法恒定应力下的断裂时间tf，或者指定4 4、应力腐蚀开裂的形貌、应力腐蚀开裂的形貌a宏观形貌及断口特征宏观形貌及断口特征 呈现脆性断裂的特征起源于表面膜层的缺陷处，颜色比较深；外表面及裂缝内壁的腐蚀程度轻,裂纹深而窄。主裂纹上常大量分叉，并在大致垂直于应力方向上连续扩展，有强烈的方向性失稳扩展区没有腐蚀产物覆盖；呈现过载断裂的特征 第三页，共43页。4、应力腐蚀开裂的形貌a宏观形貌及断口特征呈现脆性断裂的第四页，共43页。第四页，共43页。波纹管表面腐蚀形态第五页，共43页。波纹管表面腐蚀形态第五页，共43页。b微观形貌及断口特征微观形貌及断口特征（1）裂纹走向 扩展路径有穿晶的、沿晶的或二者混合的。易平面滑移的材料倾向于穿晶断裂；易发生交错滑移的金属材料更倾向于沿晶断裂。碳钢及低合金钢、铬不锈钢、铝、钛、镍等多为沿晶的；奥氏体不锈钢则多为穿晶的.第六页，共43页。b微观形貌及断口特征（1）裂纹走向扩展路径有穿晶的、第七页，共43页。第七页，共43页。（2）特征花样：河流花样、扇形花样、羽毛状花样、鱼骨花样、准解理等第八页，共43页。（2）特征花样：河流花样、扇形花样、羽毛状花样、鱼骨花样、准第九页，共43页。第九页，共43页。腐蚀断口表面的准解理（韧窝）特征第十页，共43页。腐蚀断口表面的准解理（韧窝）特征第十页，共43页。6、防止应力腐蚀开裂的措施（1 1）合理选材）合理选材：针对零件所受的应力和使用条件选用耐应力腐蚀的材料：在接触氨的环境中避免用铜的合金在高浓度氯化物介质，考虑氯对镍的腐蚀。在选材时，尽可能选用应力腐蚀界限强度因子KISCC高的材料。第十一页，共43页。6、防止应力腐蚀开裂的措施（1）合理选材：针对零件所受的应力(2)(2)减少或消除零件中的残余拉应力减少或消除零件中的残余拉应力设计上尽可能减小零件的应力集中工艺上加热冷却均匀，必要时采用退火工艺消除内应力采用喷丸处理或者表面热处理，在零件表面产生一定的残余压应力。第十二页，共43页。(2)减少或消除零件中的残余拉应力设计上尽可能减小零件的应力（3 3）改善介质条件）改善介质条件（4 4）采用电化学保护。）采用电化学保护。采用净化方式，减少或消除应力腐蚀开裂的有害化学离子添加缓蚀剂。（5 5）在设计中对应力进行控制。）在设计中对应力进行控制。第十三页，共43页。（3）改善介质条件（4）采用电化学保护。采用净化方式，减少或二、氢脆失效1 定义：在氢（0.0001w%）和应力共同作用下使金属材料的塑性、韧性下降的一种现象。2、氢的来源：（1）熔炼过程中，水分和油垢在高温下分解（2）机加工中（酸洗、电镀）引入。（3）有氢环境中服役引入。第十四页，共43页。二、氢脆失效1定义：在氢（0.0001w%）和应力共同作3 3、氢的存在方式：、氢的存在方式：（1）间隙固溶；（2）以氢分子扩散聚集在空洞或裂纹处。（3）和过渡族、稀土金属、碱土金属元素作用，以氢化物形式存在。第十五页，共43页。3、氢的存在方式：（1）间隙固溶；（2）以氢分子扩散聚集在空3 3、氢脆失效的类型、特征以及评定、氢脆失效的类型、特征以及评定根据氢存在方式以及氢与金属作用方式，氢脆理论包括：氢压理论、氢化理论、减聚理论氢脆失效的类型氢脆失效的类型1 1、白点、白点：也称为发裂。由于含有过量的氢造成。在断口上可见银白色椭圆形斑点。在钢的纵向剖面上呈现发纹状。可以通过精炼除气、锻后缓冷或等温退火以及加入稀土和微量元素消除。第十六页，共43页。3、氢脆失效的类型、特征以及评定根据氢存在方式以及氢与金属作2 2、氢蚀、氢蚀：与碳化合，生成CH4，产生高压,导致钢的塑性降低。呈沿晶断裂，在200 以上出现。通过减碳加合金（Ti、V）消除。第十七页，共43页。2、氢蚀：与碳化合，生成CH4，产生高压,导致钢的塑性降低3 3、氢化物致脆：、氢化物致脆：纯纯TiTi、V V、NbNb、锆、锆（ZiZi）合金）合金4 4、氢致延滞断裂、氢致延滞断裂（高强钢或（高强钢或-TiTi合金）合金）-100150 慢速加载显著降低延伸率、断面收缩率裂纹路径与应力有关高浓度自发形成氢化物应力感生氢化物第十八页，共43页。3、氢化物致脆：4、氢致延滞断裂（高强钢或-Ti合金）氢脆的评定氢脆的评定分别为不含氢和含氢试样的断面收缩率采用氢脆敏感性表示或者da/dtKith曲线表示第十九页，共43页。氢脆的评定分别为不含氢和含氢试样的断面收缩率采用氢脆敏感性表4 4、防止氢脆的措施防止氢脆的措施1、环境因素切断氢进入金属内途径。表面涂层加入抑制剂电镀酸洗后及时去氢第二十页，共43页。4、防止氢脆的措施1、环境因素切断氢进入金属内途径。表面涂2 2、力学因素、力学因素3 3、材料因素、材料因素避免产生残余拉应力尽量避免在含氢介质中使用高强度钢制定正确工艺，避免出现氢脆敏感性的组织细化晶粒，提高抗氢脆能力第二十一页，共43页。2、力学因素3、材料因素避免产生残余拉应力尽量避免在含氢介质三、腐蚀疲劳断裂1、定义：在腐蚀介质和循环应力共同作用下的一种失效形式。叠加模型竞争模型第二十二页，共43页。三、腐蚀疲劳断裂1、定义：在腐蚀介质和循环应力共同作用下的一2 2、腐蚀疲劳损伤的特点、腐蚀疲劳损伤的特点a、表面受到腐蚀破坏，断口有较多的二次裂纹、腐蚀坑和锈斑特征。b、腐蚀疲劳断口的疲劳条纹，因腐蚀而较模糊。第二十三页，共43页。2、腐蚀疲劳损伤的特点a、表面受到腐蚀破坏，断口有较多的二次c、碳钢和铜合金的腐蚀疲劳断口多为沿晶断裂，奥氏体不锈钢和镁合金断口为穿晶断裂。d、腐蚀疲劳电子断口上，经常可观察到腐蚀坑，泥裂花样以及腐蚀产物。第二十四页，共43页。c、碳钢和铜合金的腐蚀疲劳断口多为沿晶断裂，奥氏体不锈钢和镁第二十五页，共43页。第二十五页，共43页。3、提高腐蚀疲劳抗力的措施a、表面感应淬火，提高表面层的强度。b、喷丸或表面滚压，造成表面压应力，提高表面层的强度。c、表面化学热处理。渗碳、氮化、氰化以及渗Cr、渗碳化铬，提高腐蚀疲劳抗力。第二十六页，共43页。3、提高腐蚀疲劳抗力的措施a、表面感应淬火，提高表面层的强度d、电镀:表面电镀Cr、Ni、Cu等高熔点金属，在表面呈拉应力状态，对抗腐蚀疲劳不力，而镀Zn和镀Cd（镉）在镀层中产生残余压应力，提高抗疲劳腐蚀强度。e、涂层保护。第二十七页，共43页。d、电镀:表面电镀Cr、Ni、Cu等高熔点金属，在表面呈拉应腐蚀疲劳失效案裂腐蚀疲劳失效案裂例蒸汽涡轮发电机上的保险阀弹簧在潮湿空气中的腐蚀疲劳断裂该弹簧由工具钢H21制成。当气压达到2.45MPa时，保险阀开启，但在压力尚未达到1.79MPa时，保险阀弹簧却破碎为12片。弹簧工作环境为水蒸气，其温度在330400范围变化。对碎片目视检查发现，每一断口上均有拇指状断裂源，具有典型的疲劳断口特征。弹簧断口表面特征及同时碎成12片的事实说明，弹簧所受均匀载荷主要为扭矩，而且疲劳裂纹在多处造成应力集中，由断口碎片穿过断裂源垂直于断口平面制成剖面试样。观察发现断口表面有腐蚀坑，并且有以腐蚀坑为核心的发散状裂纹。在其中一块试样中，在直径约1.2mm的腐蚀坑边缘产生了约0.7mm和1.5mm的两条裂纹，裂纹面上的腐蚀产物为氧化铁。上述分析表明，弹簧断裂属腐蚀疲劳失效，其原因是潮湿空气条件下的循环应力。第二十八页，共43页。腐蚀疲劳失效案裂第二十八页，共43页。3、5 磨损失效摩擦、磨损、润滑磨损的分类：氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损和表面疲劳磨损一、磨损机制及其行为特征1、氧化磨损两个表面之间相对运动时，在发生塑性变形的同时，由于已经形成的氧化物在接触点遭到破坏，又重新形成再遭破坏脱落并逐渐损耗的过程。第二十九页，共43页。3、5磨损失效摩擦、磨损、润滑磨损的分类：氧化磨损、咬合磨第三十页，共43页。第三十页，共43页。特点：a、在任意滑动速度和比压下均可能发生，只是程度不同。b、磨损速度最小的磨损。可允许的磨损，其失效可认为是正常失效。c、是防止或降低其他磨损的终极环节第三十一页，共43页。特点：a、在任意滑动速度和比压下均可能发生，只是程度不同。b2、咬合磨损（第一类粘者磨损）对偶件金属表面某些摩擦点处氧化膜遭到破坏，而形成金属结合点并逐渐被磨损的现象。如 结合点强度比金属基体高，金属基体遭到破坏，反之，结合点遭到破坏。磨损量V与载荷F、滑动距离以及材料硬度HB有关：K为粘着概率第三十二页，共43页。2、咬合磨损（第一类粘者磨损）对偶件金属表面某些摩擦点处防止粘着磨损的措施1、合理选择配合表面的材料。2、在金属表面覆以特殊的薄膜，改变表面的特性。3、减小表面粗糙度。4、提高材料的硬度。第三十三页，共43页。防止粘着磨损的措施1、合理选择配合表面的材料。2、在金属表面3、热磨损（第二类粘着磨损）定义：滑动摩擦时，当滑动速度大，比压也很大时，将产生大量摩擦热蚀的润滑油变质，并使得表层金属加热到熔化温度，在接触点处发生局部金属粘着，出现金属质点的撕脱甚至熔化，这种现象称为热磨损。是高速重载机器发展中的重大阻碍。第三十四页，共43页。3、热磨损（第二类粘着磨损）定义：滑动摩擦时，当滑动速度大，防止措施：（1）减小摩擦形成热和降低温度。如水冷却，或在表面造成S、P或者氯的非金属表面层。（2）设法提高金属热稳定性和润滑油的热稳定性。如堆焊热稳定硬质合金第三十五页，共43页。防止措施：（1）减小摩擦形成热和降低温度。如水冷却，或在表面4、磨粒磨损定义：硬质点在压力下划过或滚过一个表面，产生的磨损，称为磨粒磨损。影响因素：磨粒性质（硬度）、形状和大小第三十六页，共43页。4、磨粒磨损定义：硬质点在压力下划过或滚过一个表面，产生的磨磨粒磨损的三种状态：(1)低磨损状态HaHm为了减小磨粒磨损，金属的硬度Hm应比磨粒Ha的硬度高0.3倍，即Hm1.3Ha第三十七页，共43页。磨粒磨损的三种状态：(1)低磨损状态HaHm(5、接触疲劳A、定义：零件表面在接触应力的反复作用下引起的表面疲劳破坏，称为接触疲劳。B、接触疲劳的类型及行为特征（1）裂纹源于次表层的麻点剥落。（纯滚动源于次表层平行接触面的切应力作用）第三十八页，共43页。5、接触疲劳A、定义：零件表面在接触应力的反复作用下引起的表（2）裂纹源于表层的麻点剥落。（滚动带有滑动场合）（表层的接触应力引起。）（3）裂纹源于硬化层与心部交界处的表层剥落。（表面有强化场合）（在结合处，切应力与材料的剪切强度之比超过某一值0.55）第三十九页，共43页。（2）裂纹源于表层的麻点剥落。（滚动带有滑动场合）（表层的接6、微动磨损 定义：在紧配合件和连接件的配合处，发生的一种表面损伤。第四十页，共43页。6、微动磨损定义：在紧配合件和连接件的配合处，发生的一种表特征：褐红色和黑色碎屑，零件配合表面有磨痕和坑斑防治措施：1、加强紧配合，使不出现微振。2、载摩擦幅之间加绝缘层。第四十一页，共43页。特征：防治措施：第四十一页，共43页。二、磨损失效判断和改善耐磨性的措施从结构、加工工艺、改善运动条件着手2、改善耐磨性的措施1、失效机理和判据见表3、8第四十二页，共43页。二、磨损失效判断和改善耐磨性的措施从结构、加工工艺、改善运动谢谢大家！第四十三页，共43页。谢谢大家！第四十三页，共43页。