1《金屬材料零部件失效分析基礎與應用》第2章失效分析基礎與基本性能目錄金屬材料典型力學性能試驗條件下的應力分布與斷裂過程應力集中與三向應力殘余應力產生原理與分析方法斷口宏觀形貌分析方法目錄斷口微觀形貌分析方法斷口宏觀形貌與斷口微觀形貌間的關系金相組織分析方法實際案例分析金屬材料典型力學性能試驗條件下的應力分布與斷裂過程2.1.1 拉伸試驗金屬材料應力分布與斷裂特征（a）實測拉伸曲線為標準圓柱形低碳鋼典型的拉伸曲線。拉伸過程中是單向加載，最大正應力處在垂直拉力軸的截面上，最大切應力位于圓柱軸45的截面上，最大切應力與最大正應力比值為0.5，這種應力狀態就決定了斷裂的基本過程。2.1.1 拉伸試驗金屬材料應力分布與斷裂特征（b）拉伸試棒應力分布曲線加載開始時僅發生彈性變形，隨著應力增加曲線呈現鋸齒狀，表明開始發生材料屈服。隨后應力增加不多變形很大，說明材料發生塑性變形，材料長度增加并且截面減少。塑性變形是在切應力作用下發生的。在塑性變形區域，材料要發生加工硬化使材料強化。在整個截面上加工硬化的程度并不均勻，所以塑性變形也不均勻。為了保持恒定速度拉伸就必須增加載荷。在產生加工硬化較小的區域發生不斷變形，也就是說僅在截面的某些局部區域發生塑性變形。此處顯示橫截面減少，宏觀表現是出現“縮頸”。在縮頸位置截面積局部減少，類似表面產生一個缺口，形成三向應力狀態中心的徑向與軸向產生應力最大值。2.1.1 拉伸試驗金屬材料應力分布與斷裂特征顯然在這種應力作用下，一定會在試棒中心產生裂紋，然后向徑向擴展。當裂紋接近表面時，殘留材料就是一個薄殼，因此變成平面應變條件，導致裂紋擴展由平面破斷向斜面過程變化。根據材料力學可知，平面應力條件下45°方向的剪應力最大，所以形成剪切唇。根據上述拉伸樣品的斷裂過程，可以推出以下一些結論：（1）拉伸斷口表面一般分成兩個區域，中心區域是垂直拉力軸的相當平坦區域，傾斜45的邊緣區域成為剪切唇。斷口形貌成為杯錐形斷口，見圖（c）。（c）斷口形貌2.1.1 拉伸試驗金屬材料應力分布與斷裂特征（2）斜面斷裂與平面斷裂的相對數量取決于約束的程度。（3）如果在實際工件中觀察到斷口形貌與之類似，說明主要受到單向拉伸載荷，且斜面區域（即剪切唇區域）應該是最后斷裂區域。（4）如果單向加載情況下裂紋出現在表面，一般認為表面有組織缺陷。（5）如果材料的切斷抗力tk很小，當外載荷引起的正應力還沒有達到材料正斷抗力時，而切應力就已經達到切斷抗力tk，根據式（2-3）可知，試樣會發生切斷斷裂。斷口與軸線成45°角，見圖。破斷面與軸線成45拉伸斷口2.1.2 彎曲試驗金屬材料應力分布與斷裂特征受彎曲載荷的樣品與受拉伸載荷的樣品既有類似之處，也存在明顯差別。主要的差別是樣品一側受拉，另一側受壓。受拉一側情況與拉伸載荷類似，但是由于不會出現縮頸階段，所以不會產生三向應力狀態，因此樣品產生的裂紋不會在樣品內部。因為最大應力在表面，所以裂紋最有可能出現在表面。圓形截面彎曲情況下，上表面處于軸向拉伸，下表面則受到壓縮。最大正應力位于頂部表面，最大切應力位于兩個互相垂直的平面，分別垂直于平行圓柱軸。彎曲載荷下正應力和剪應力與樣品的形狀有關。根據材料力學，對于矩形、圓形等截面，最大剪應力一般不大，往往是在正應力下開裂。對于工字形截面，在腹板剪應力可能很大，有可能在剪應力作用下開裂。如果零部件的跨度很短，正應力就不會很大，但剪應力會較大，此時如果材料的抗剪能力很低（即切斷抗力很低），就很有可能在剪應力作用下開裂。2.1.2 彎曲試驗金屬材料應力分布與斷裂特征對于在正應力作用下斷裂的樣品，如果上表面受拉、下表面受壓，裂紋啟裂于上表面，則斷裂過程相當從上表面開始，一層一層拉斷，逐漸向下表面進行，所以最后斷裂的下表面類似拉伸斷裂的左后斷裂區域，因此在下表面會出現剪切唇。為彎曲斷裂樣品的斷口形貌圖。（a）受到彎曲載荷的軸類零件應力分布示意圖（b）受到彎曲載荷斷裂螺栓的斷口形貌照片2.1.3 扭轉過載試驗金屬材料應力分布與斷裂特征圓形截面扭轉情況下，受力狀態如圖所示，最大正應力位于與軸成45°的平面，最大切應力與軸線成90°，最大切應力與最大正應力比值為0.8。（a）圓柱樣品受扭轉載荷示意圖 （b）圓柱樣品上截取小單元體受力示意圖最大切應力示意圖2.1.3 扭轉過載試驗金屬材料應力分布與斷裂特征是鋁合金樣品扭轉斷裂后，表面變形線的激光共聚焦形貌照片，從圖中可以更清楚地看到變形線與軸成45角。斷裂可以呈韌性或脆性方式斷裂，導致兩種不同形式的斷口。（1）90°切斷斷口：如果材料以韌性方式斷裂，說明材料屈服強度相當低，材料切斷抗力tk較低，因此在切應力作用下則發生明顯塑性變形，外加應力達到tk時樣品發生斷裂。因為

鋁合金扭轉后表面出現與軸線成45的變形條紋照片最大切應力與軸線垂直，所以斷口與軸線成90°。因為在切應力下發生塑性變形，所以如果在圓柱表面做一條平行軸線得到標線，變形后該線就要圍繞表面做螺旋運動。

是鋁合金材料進行扭轉試驗后由于塑性變形留下的痕線，有時可以采用腐蝕方法顯示扭轉塑性變形留下的痕跡。鋁合金樣品扭轉斷裂后表面激光共聚焦照片2.1.3 扭轉過載試驗金屬材料應力分布與斷裂特征（2）45°正斷斷口：對于脆性材料（如鑄鐵），由于材料本身正斷抗力SOT較低，而切斷抗力tk較高，所以在正應力作用下斷裂。由于45位向的正應力最大，所以破斷面與軸線成45°角。圓柱樣品在拉伸載荷作用下，最大拉應力在垂直軸線平面上，最大剪應力在與軸線成45°的平面上。而在扭轉載荷作用下，卻是最大剪應力在垂直軸線平面上，最大拉應力在與軸線成45°的平面上。因此，破斷面的位向也會發生變換。韌性材料在拉伸過載斷裂情況下，其破斷面與軸線成45°，而在扭轉過載斷裂情況下，破斷面與軸線成90°。脆性材料在拉伸過載斷裂情況下，其破斷面與軸線成90°，而在扭轉過載斷裂情況下，破斷面與軸線成45°。2.1.4 剪切過載試驗金屬材料應力分布與斷裂特征沿垂直于軸的方向作用于軸上的外力稱為橫向力。在橫向力作用下，軸的相鄰橫截面發生相對錯動，這種變形稱為剪切變形。在工程實際中許多零部件（如銷、鍵及鉚釘）主要受到剪切作用。剪應力計算模型橫截面上剪切應力按照式計算：?＝Q/FQ是作用在橫截面上的內力，與外力P數值相等、方向相反；F是橫截面面積。剪應力計算示意圖2.1.4 剪切過載試驗金屬材料應力分布與斷裂特征從上述受力狀態可知，如果一個軸類零件受到純剪切應力，其斷裂的斷口應該是平行剪應力方向，并且與軸線垂直。下圖是螺栓受到剪切作用斷裂的斷口照片。宏觀斷口表面很平整，掃描電鏡下，可以看到方向性韌窩形貌。韌窩拉長方向就是剪應力方向。螺栓受剪應力斷裂的形貌照片2.1.5 沖擊試驗金屬材料斷裂過程當物體以一定速度作用在工件上時，物體的速度發生急劇變化。由于物體的慣性，使工件受到很大的作用力，這種載荷稱為沖擊載荷。在沖擊載荷作用下工件中所引起的應力可能很大，稱為沖擊應力。而材料的力學性能數據也不能用靜載荷下測定的數據評價。鍛造、沖壓等實際加工過程中均存在沖擊應力問題。計算沖擊問題時一般僅關心變形與應力的瞬時最大值。下面以受到縱向沖擊為例進行力學分析， 。圖中剛體A的重量為Q，桿的長度為l，面積為F，彈性模量為E。計算沖擊變形與應力2.1.5 沖擊試驗金屬材料斷裂過程根據機械能守恒定律可以推導出下列公式：?d＝Kd?s?d＝Kd?skd＝1＋[（1＋2h/?

s）]1/2式中，?d與?d分別為沖擊變形量與沖擊應力；?s與?s分別為靜載荷下應變與靜載荷下應力，其中，?s

＝Q/F，?s＝Ql/EF；Kd稱為沖擊時動荷系數。如果h＝0則kd＝2，說明當重量Q不是由高度落下，而是突然加在kd桿端上，桿的變形與沖擊力將是靜載荷的2倍。如果h很大，則動載荷系數為kd≈1＋[2h/?s]1/2≈[2h/?s]1/2可以求出在h很大的情況下的動載荷應力：?s

≈[2hQE/Fl]1/22.1.5 沖擊試驗金屬材料斷裂過程上面推導出的公式可以用于其他桿件情況，如圖所示。計算水平桿件沖擊變形與應力一個重為Q的物體A從高度h自由落下，打到一個簡支梁的中點。已知在梁中點有靜載荷Q作用時梁的撓度：?s＝Ql3/48EJ （2-10）將d代s

入式（2-9）可以求出沖擊時梁的變形與沖擊應力。當h很大時：?d≈[96hQEJ]1/2/Fl （2-11）水平桿件受沖擊模型與測定材料的沖擊韌性試驗有些類似，但是計算靜載荷下所受應力s時s

應該考慮缺口效應產生的應力集中（應力集中問題見2.2節），式（2-11）修正為?d≈K[96hQEJ]1/2/Fl （2-12）式中，K是靜載下由于缺口引起的應力集中系數（見2.2節）。由（2-12）式可見，材料的彈性模量增加會引起動應力增加。采用表面處理技術，可以在表面形成化合物層，提高疲勞強度與耐磨性能，由于化合物層一般均有高的彈性模量，所以帶來的負面影響是增加動荷應力。2.1.6 交變載荷應力分布特點與斷裂過程一個零部件受到隨時間而變化的載荷作用，稱為交變載荷，如圖所示。交變載荷示意圖交變載荷的特點是：（1）在靜載拉伸情況下，試樣拉伸到屈服強度以上，試樣出現均勻滑移變形。而在交變載荷下即使應力幅值低于屈服強度，經過多次循環后也會出現滑移，但是滑移分布不均勻。這是交變載荷與靜載荷最大的差別。而這種滑移的不均勻性一般出現在試樣表面、金屬晶界及非金屬夾雜物等處。2.1.6 交變載荷應力分布特點與斷裂過程（2）根據特點（1）可以推知：在拉伸、彎曲、扭轉等靜載荷情況下，如果應力小于材料的屈服強度s，材料不會塑性變形，如果應力低于斷裂強度b，材料不會斷裂。但是在交變載荷下，材料可以在低于屈服強度的情況下發生斷裂。還可推知疲勞裂紋往往啟裂于表面或夾雜物等處。（3）一定的應力幅值S對應一定的循環破壞次數N，應力幅值越大對應的循環破壞次數越少，應力幅值與循環次數間的關系稱為S-N曲線，見圖。這就說明疲勞裂紋擴展的過程是：應力循環一次裂紋擴展一定距離，應力幅值高，裂紋擴展距離長。所以斷口有著與靜載條件下不同的形貌，并且與應力幅值的大小有密切的關系。（4）由于應力分布的特殊性，所以無論是脆性材料還是韌性材料，在交變載荷下均是疲勞裂紋擴展到一定程度突然破壞，即使是韌性非常好的材料也不會出現明顯的塑性變形。（5）某些材料存在一個應力值，如果低于它，裂紋則不會擴展。此應力值稱為疲勞極限。一般情況下疲勞極限對循環頻率不敏感。2.1.6 交變載荷應力分布特點與斷裂過程材料變形形式對稱循環下疲勞極限脈沖循環下疲勞極限結構鋼彎曲拉伸扭轉s－1＝0.27（ss＋sb）s－1L＝0.23（ss＋sb）t－1m＝0.15（ss＋sb）s0＝1.33s－1s0L＝1.42s－1t－1n＝1.50t－1m鑄鋼彎曲拉伸扭轉s－1＝0.45sbs－1l＝0.40sbs－1n＝0.36sbs0＝1.33s－1s0l＝1.42s－1ls0n＝1.35t－1m鋁合金彎曲拉伸s－1＝s－1l＝0.167sb＋75

MPas0＝s0l＝1.50s－1l青銅彎曲s－1＝0.21sb根據大量試驗結果，人們總結出常用材料的疲勞極限與靜強度之間的關系，見表。材料疲勞強度與靜強度的關系2.1.7 實際零部件疲勞強度影響因素材料的疲勞強度均是在標準條件下測定的，一般采用小尺寸圓形試樣測定。但是實際零部件是多種多樣的，與材料的疲勞強度有較大的差別。這是因為實際的零部件由于形狀、表面狀態、服役環境均與試驗條件有很大差別，所以必須考慮多種因素影響1.尺寸效應影響測定材料疲勞極限的樣品尺寸直徑一般在10

mm左右，實際零部件尺寸千變萬化。基本規律是：隨零部件尺寸增加疲勞強度下降。其原因目前解釋是：試樣表面拉應力相等條件下，尺寸大的樣品，從表面到心部的應力梯度減少，處于應力區的體積大，在交變載荷下，受損傷的區域大，碰到的缺陷的概率也大，所以疲勞強度降低。2.1.7 實際零部件疲勞強度影響因素可以用尺寸系數定量地表示其影響：構件的尺寸系數2.1.7 實際零部件疲勞強度影響因素2.

應力集中影響2.1.7 實際零部件疲勞強度影響因素3.

表面腐蝕的影響在水與鹽水環境下的腐蝕系數2.1.7 實際零部件疲勞強度影響因素由圖可以推導出以下規律：（1）眾所周知，一般鋼鐵材料在鹽水環境下比在流水下更容易發生腐蝕，在同樣強度情況下，腐蝕條件越惡劣，β2就越低。（2）圖中橫坐標是鋼的強度極限。一般情況下，強度極限高，材料的疲勞極限高。圖中數據表明，強度越高的材料β2越低，說明腐蝕對高強鋼的影響更嚴重。（3）根據圖獲得一個粗略的定量數據，在腐蝕環境下疲勞強度大約要降低30%～80%。可得出推論：在腐蝕環境下受到交變載荷的零部件，不能僅考慮如何提高疲勞性能，而且要同時考慮如何提高抗腐蝕性能。在零部件實際服役條件下，可能有多種影響因素存在，一般根據主要因素選取相應的影響系數。應力集中與三向應力2.2 應力集中與三向應力2.1節討論了試樣在典型力學試驗中的斷裂過程，但是零部件在實際服役條件下，其受力狀況與試樣進行力學性能試驗往往有很大不同，在進行分析時必須考慮到這些不同因素的影響。其中一個最明顯的不同之處就是，在力學試驗過程中樣品均采用標準樣品，樣品均是具有一定簡單形狀不變截面積的幾何圖形且表面一般是光滑的。而實際工件往往是不同形狀的構件，甚至在表面就有機加工形成的不規則區域，如尖角、臺階等。在這些區域會產生應力集中問題，這是必須要考慮的問題。應力集中產生的原因定性分析可以可用圖表示。（a）無缺口 （b）有缺口用應力線描述應力集中概念2.2 應力集中與三向應力設一個圓柱體沿軸向受到拉伸載荷，單位面積受到的載荷可以用應力線表示，如上圖（a）所示，應力線均勻分布在整個截面上。應力線越密集表明應力值越高，現在假設圓柱體上開有一個圓周缺口，遠離缺口表面區域載荷應力線分布仍然是均勻的，但是在缺口附近由于在缺口處無法承受載荷，應力線必將“繞過缺口區域”，分布在缺口附近的區域，造成此處的應力線就變得密集，在缺口根部其密度達到最大值，表明此處的應力遠高于遠離缺口附近的平均應力，這就是應力集中。根據上述模型零部件的形狀將影響應力線的分布，在一些特殊的部位會產生應力集中，（a）（d）（e）（b） （c）圓柱體的幾何形狀對應力分布的影響2.2 應力集中與三向應力為定量分析應力集中的影響，對于一些簡單應力集中現象可以進行定量計算。例如，對于一個無限寬板上有一個橢圓形圓孔受到如圖所示的載荷后在圓孔的邊緣產生應力集中。無限寬板上橢圓孔應力集中計算模型平均應力為?平均＝P/A（A為寬板的截面積），在橢圓的長軸兩端出現應力集中。根據彈性力學理論計算最大應力：?max＝?平均（1＋2a/b） （2-17）將最大應力與平均應力的比值定義為應力集中系數K：K＝?max/?平均＝（1＋2a/b） （2-18）對于無限寬板上橢圓孔出現的K顯然與橢圓的幾何形狀有關，a越大b越小。其中，a、b是指圖中橢圓裂紋的長軸與短軸尺寸，應力集中系數就越大，應力集中影響也就越大。其他情況下也有類似的結論，即應力集中系數取決于幾何形狀與載荷。不同幾何形狀零部件在特殊部位產生的應力集中系數見附錄A。2.2 應力集中與三向應力分析一個受拉伸的樣品：2.1節中已經論述，圓柱樣品在單向拉伸時中部應力最大，因此首先在中部形成裂紋，這時繼續拉伸就類似于對有裂紋的樣品進行單向拉伸，可以用圖進行分析。在裂紋處的上下兩個表面沒有軸向應力作用，所以在裂紋表面X與Y方向沒有應變。但是在裂紋的根部（虛線處）材料是連續的，當有應力作用時在Y方向要伸長，因此在Z方向必然要收縮。因為整個裂紋面材料也是連續的，所以這種收縮會受到無收縮的裂紋表面的阻礙。也就是說，在裂紋面處裂紋根部虛線處要收縮，但是其他區域不收縮，即在Z方向有應力作用，同理在X方向也存在應力作用。因此雖然是單向拉伸，在心部產生裂紋后樣品就處于三向應力狀態。這種應力狀態使材料更易于脆性斷裂。對于板狀材料，板越厚，裂紋越長，三向應力就越大。明確三向應力產生的原因對分析斷口很有幫助。裂紋樣品單向拉伸產生三向應力2.2 應力集中與三向應力（a）連桿螺栓斷裂源處明顯的加工刀痕 （b）連桿螺栓疲勞源照片疲勞源處于加工刀痕位置【例2-2】

空壓機連桿螺栓刀痕對疲勞斷裂的影響。某空壓機連桿螺栓發生斷裂，宏觀斷口分析屬于疲勞斷裂（具體判斷方法見3.1節），并確定出裂紋源的位置，見圖，疲勞源恰好處于加工刀痕的位置處，說明應力集中對裂紋形成有影響。殘余應力產生原理與分析方法2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力1.

熱應力的產生產生原因在冷卻過程中，工件內外“熱脹冷縮”不可能同時發生，因此會產生應力。下面以圓柱樣品為例進行分析（在冷卻過程中，假設樣品不發生相變）。由于冷卻時樣品表面與心部不可能同時冷卻，將圓柱樣品分成表層與心部（表層與心部具體尺寸無法劃分，只是粗略劃分）。在加熱狀態表面與心部溫度一致時，見圖（a）。急速冷卻時，表面溫度大幅度降低，心部基本不降。表面與心部產生溫度差。表面要收縮，但是受到心部的抵制，有一個作用力作用在表面，將表層看成一個薄壁圓筒，受到沿直徑方向作用力。作用力的方向如圖（b）所示。因此，冷卻初期表層受到拉應力，根據作用力與反作用力的原理，心部受到壓應力。在冷卻后期，表面溫度基本不變，心部要收縮但是受到表面的牽制，有一個作用力作用在心部，即將心部看成一個圓柱，受到沿直徑方向作用力。作用力的方向如圖（c）所示。因此，冷卻后期心部受到拉應力，根據作用力與反作用力原理，表面受到壓應力。2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力由于表面與心部熱脹冷縮不同，表面由拉應力向壓應力轉換，心部從壓應力向拉應力轉換，見圖（d）。由于冷卻初期心部處于高溫，在應力作用下會發生變形，釋放應力，所以冷卻后期的應力會形成殘余應力，保留在樣品中。因此，熱應力造成的殘余應力最后的結果是：表面壓應力，心部拉應力。試驗測得熱應力造成的殘余拉應力，軸向最大。（a）加熱狀態（b）冷卻初期表層收縮受到心部抵制（c）冷卻后期心部收縮受到表層抵制（d）表面與心部冷卻曲線與應力變化2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力上述分析過程及殘余應力分布特點可用下表進行概括。（1）工件尺寸增大，熱應力引起的殘余應力上升。（2）在合金鋼和碳鋼尺寸與冷卻速度相同的情況下，由于合金鋼導熱一般比碳鋼小，所以表面與心部溫度差更大，引起熱應力會更大。位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層收縮基本不變心部變形基本不變心部收縮表面應力拉應力壓應力心部應力壓應力拉應力（軸向最大）淬火過程中熱應力殘余應力產生過程與分布特點2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層膨脹基本不變心部變形基本不變心部膨脹表面應力壓應力拉應力（切向最大）心部應力拉應力壓應力2.

組織應力的產生鋼在進行淬火處理時，在產生熱應力的同時要發生馬氏體相變，因此要產生組織應力。組織應力產生的基本原因是：冷卻時奧氏體變為馬氏體，由于馬氏體的比容高于奧氏體，所以高溫的奧氏體相轉變為低溫的馬氏體相時，要發生體積膨脹。采用與分析熱應力的方法對圓柱樣品進行類似分析，可以直接利用上表進行分析。需要注意：與產生熱應力的“熱脹冷縮”相反，此時變為“冷脹熱縮”，這樣便得到下表。淬火過程中組織應力殘余應力產生過程與分布特點2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力3.

殘余應力綜合分析與控制鋼在進行淬火處理時，會同時產生組織應力與熱應力，并且這兩種應力的方向相反，所以在淬火過程中產生的殘余應力應該是兩種應力疊加的結果，稱為合成應力。如何分析合成殘余應力是一個非常復雜的問題，目前已經總結出一些定性的規律，概述如下：（1）變形一般取決于冷卻初期零件心部的應力狀態，開裂一般取決零件冷卻后期表面應力狀態，根據變形與開裂情況判斷組織應力與熱應力哪種作用大。（2）組織應力造成的殘余應力在工件表面，最大殘余應力方向是切向，如果形成裂紋為與軸的軸線平行的縱向裂紋，最大切向應力值隨尺寸增加而增加。（3）組織應力與熱應力均可以產生三個方向的應力，即軸向、切向與徑向應力。它們存在的位置相同但是作用方向相反，有互相抵消作用。兩種應力均有致裂與抑裂的雙重作用。2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力（4）合成應力可以分成三類：組織應力型、熱應力型、過渡型，最大應力的位置見圖2-20[5]。（5）合成應力造成的最大殘余應力在距工件表面一定深度的區域。最大殘余應力由軸向熱應力與切向組織應力合成，形成的裂紋與軸的軸線成一定角度。角度越小，表明組織應力作用越大，裂紋越接近表面；角度越大，表明熱應力作用越大，裂紋越接近心部。（6）低淬透性鋼快冷（22CrMo4鋼，水淬）：工件尺寸小（直徑為10

mm），完全淬透殘余應力，為組織應力型；尺寸大（直徑為100

mm），中心沒淬透殘余應力，為熱應力型；尺寸中（直徑為30

mm），為過渡型。或者說，對淬透性不高普通零件快冷條件下，最大拉應力部位隨幾何尺寸變化而變化。當尺寸由小變到大時，將由零件表面移到中心（尺寸小指10

mm以下，尺寸大必伴隨淬不透）。組織應力型過渡型熱應力型2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力（7）高淬透性鋼慢冷（Cr2-Ni4-Mo0.5鋼，4～75

mm，油冷）：只要被淬透殘余應力均為組織應力型，最大殘余應力處于表面，且直徑越大殘余應力也越大。（8）高淬透性鋼快冷水冷（Cr2-Ni4-Mo0.5鋼，4～75

mm）：直徑小，為組織應力型；直徑大（20

mm以上），為過渡型。（9）零件淬透情況下的應力狀態與淬不透情況下的應力狀態完全不同，可以利用上述分析方法進行分析（見表2-2和表2-3）。（10）鋼存在“淬火危險尺寸”，即在這種尺寸范圍的鋼，淬火非常容易淬裂。其尺寸范圍是：碳鋼水淬8～15

mm，低合金鋼油淬火25～40

mm。2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力（11）大型非淬透零件能產生熱應力型淬火裂紋，淬裂的主要危險在中心或附近。對于長徑比兩倍以上的零件易產生橫斷裂紋，對于長徑比接近的零件易產生縱劈裂紋。（12）在預測變形與開裂時，首先要根據CCT曲線及淬透性曲線等預測零件是否能夠淬透（心部得到50%以上的馬氏體）。零件淬透情況下的應力狀態與淬不透情況下的應力狀態完全不同。（13）縱向裂紋一般是小尺寸零件在淬透情況下組織型殘余應力作用的結果。（14）弧狀裂紋：裂紋形貌是弧狀，局部裂紋，裂紋方向與最大幾何尺寸方向近似垂直。（15）弧狀裂紋一般發生在不能淬透的碳鋼零件上，并且采用了強冷卻介質（水、鹽水、堿水等）。2.3.1 鋼在熱處理過程中的殘余應力【例2-3】 圖2-21是一件40Cr鋼制軸類零件在淬火過程中出現的裂紋形貌，裂紋與軸線夾角約為30°。試分析：（1）產生裂紋的應力是組織應力還是熱應力？（2）裂紋的啟裂位置是在表面？還是在心部？還是在其他位置？分析：（1）根據圓柱樣品產生殘余應力的原理與分布特點可知，在組織應力作用下產生的裂紋應該平行軸線，如果是熱應力作用下產生裂紋應該是垂直軸線。現在裂紋形貌與軸線成30夾角，說明是在合成應力作用下產生的裂紋，因為與軸線夾角比較小，所以應該是組織應力作用較大。（2）裂紋的啟裂位置應該是最大應力位置。如果裂紋平行于軸線，說明完全在組織應力作用下開裂，最大應力位置在表面，啟裂點也應該在圓柱表面。現在裂紋與軸線成30夾角，說明熱應力有影響，在表面抵消部分組織應力，最大應力位置應該向心部移動，所以啟裂位置既不在表面、也不會在心部，應該是在距離表面一定位置處。40Cr軸淬火裂紋形貌示意圖2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力為了提高材料的壽命（尤其是疲勞壽命、耐磨性能、抗腐蝕性能），往往對零部件采用表面技術進行處理，強化表面層。因此，了解經過表面技術處理的零部件殘余應力分布，對進行失效分析很有幫助。1.

經表面淬火工件殘余應力分析表面淬火產生的殘余應力分布很復雜，與材料的成分、工件尺寸、硬化層深度、加熱速度等因素有關，難以精確地進行理論判斷。但是可以根據2.3.1節中論述的采用圓柱樣品進行整體淬火得出的一些基本規律進行粗略的、但是有意義的分析。2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力【例2-4】

40Cr材料直徑為20

mm的圓柱桿件采用感應加熱淬火，硬化層深度為1.5

mm，試判斷表面殘余應力狀態。利用總結出的規律進行分析：將硬化層認為是表面層，其余部分認為是心部。利用2.3.1節總結出的方法與規律進行分析。位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層收縮基本不變心部變形基本不變心部基本不變表面應力拉應力拉應力心部應力壓應力壓應力表面淬火過程中熱應力殘余應力產生過程與分布特點位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層膨脹基本不變心部變形基本不變心部基本不變表面應力壓應力壓應力心部應力拉應力拉應力表面淬火過程中組織應力殘余應力產生過程與分布特點2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力位置冷卻初期冷卻后期表層變形基本不變表面膨脹心部變形心部膨脹基本不變表面應力拉應力壓應力心部應力壓應力拉應力2.

滲碳產生的殘余應力分析組織應力產生殘余應力的特點應該與圓柱樣品進行整體淬火有很大差別。在圓柱樣品整體淬火時是表面先發生馬氏體相變，而心部后發生相變，從而產生了組織應力分布特點。在滲碳淬火情況下就完全不同。這是因為表層含碳量高而心部含碳量低，造成表層的馬氏體開始轉變點低于心部，所以心部先發生馬氏體相變而表層后發生相變，順序與整體淬火完全相反，所以組織應力特點也完全反向。利用2.3.1節中表的方法分析組織應力，得到滲碳淬火組織應力產生過程與分布特點（淬透情況下）2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力3.

氮化、氮碳共滲、滲金屬產生的殘余應力在分析表面淬火殘余應力時，可知由于表面變為馬氏體比容增加，發生體積膨脹，所以產生殘余應力。而氮化時也是由于表面比容增加造成殘余應力，因此氮化表面殘余應力分布規律應與表面淬火有類似之處。同時知道對工件進行氮化處理，工件在冷卻過程中不發生相變。組織變化應力是在氮化過程中產生的，可以用類似模型分析，氮化過程中殘余應力產生過程與分布特點位置氮化初期（氮化層尚未形成或形成極少）氮化后期（氮化層形成）表層變形基本不變表面膨脹心部變形基本不變基本不變表面應力基本為零壓應力心部應力基本為零拉應力2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力因此，氮化后表面一般是壓應力。文獻[6]提供了定量的數據：34CrAl6鋼直徑為20

mm的圓柱樣品，氮化后殘余壓應力可以達到800

MPa左右。根據這樣的思路可以分析氮碳共滲、滲金屬產生的殘余應力問題。氮碳共滲后表面得到是氮碳化合物，如Fe3N等。根據晶體結構可以計算出Fe3N比容為0.146

cm3/g；鋼基體的比容約為0.128

cm3/g，可見化合物層的比容高于鋼基體，所以表面產生壓應力。實際測試結果見表。不同材料經過氮碳共滲后彎曲疲勞強度與殘余應力數據工藝滲層深度/mm彎曲疲勞/MPa表面壓應力/MPa材料鹽浴硫氮碳共滲0.22555－341（45鋼）氣體氮碳共滲0.22540（45鋼）離子滲氮0.20452－244（45鋼）氣體滲氮0.43595－78（45鋼）沒有處理400（45鋼）2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力續表工藝滲層深度/mm彎曲疲勞/MPa表面壓應力/MPa材料鹽浴硫氮碳共滲0.18186－243（QT600-3）氣體氮碳共滲0.16184－243（QT600-3）離子滲氮0.15176－122（QT600-3）氣體滲氮112（QT600-3）沒有處理112（QT600-3）離子滲氮0.45725－12225Cr2MoV沒有處理52625Cr2MoV滲金屬后往往通過反應擴散得到化合物層，可以根據化合物層的晶體結構計算其比容，從而判斷表面的應力狀態。2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力【例2-5】

T10鋼滲釩后表面殘余應力分析。T10鋼滲釩后表面得到化合物層形貌，（a）化合物層金相組織照片 （b）化合物層TEM明場像（c）化合物層TEM暗場像T10鋼滲釩化合物層金相組織照片2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力4.

電鍍產生的殘余應力關于殘余應力產生的原因目前沒有明確的結論。一般簡單地認為，由于溶液中急速產生電析出，同時將基體金屬與電鍍金屬的比容差看成殘余應力產生的原因。提出三種假說：（1）過剩能假說：電鍍時金屬原子在電析出過程中處在高能狀態，使金屬晶格發生膨脹，因此在下一個階段如產生收縮就會產生拉伸殘余應力。也有另一種說法，電鍍剛完成時金屬表面1

nm范圍的薄層內溫度可以達到數百攝氏度，與周圍鄰近部分存在極大的溫度梯度。由于受到周圍的急冷，類似表面淬火中的熱應力，依據2.3.1節中熱應力模型與分析方法，依據過剩能理論電鍍層殘余應力產生過程與分布特點位置電鍍初期（鍍層尚未形成）電鍍后期（電鍍層已形成）表層變形基本不變表層收縮心部變形基本不變心部基本不變表面應力基本為零拉應力心部應力基本為零壓應力2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力金屬電鍍溶液應力值/MPa鉻鉻酸-硫酸50

°C106鉻酸-硫酸65

°C254鉻酸-硫酸85

°C430由于殘余應力產生的原因沒有明確的結論，只能針對各種電鍍具體情況分析殘余應力的值。（1）鍍鉻：當鍍層薄時產生很高的拉伸殘余應力，厚度增加應力值下降，電鍍溫度上升應力增加。（2）鍍鎳：一般也產生拉應力，低電流密度與低溫情況下應力增加。（3）鍍銅：應力值是鍍液成分與電流密度的函數。當基體是銅時產生壓應力，是其他金屬時，產生拉應力。在鍍液中增加鉛時拉應力幾乎成倍增加，而添加硫氫酸鉀時則變成壓應力。當有鋅等雜質存在時，產生壓應力。（4）鍍鋅、鎘、鉛：一般產生壓縮殘余應力，但是酸性鍍鋅液產生拉應力，并且隨電流密度增加而增加。但用硫酸鹽鍍液時，產生壓縮殘余應力。下表是對不同電鍍時殘余應力具體數值，可供進行失效分析時參考。電鍍層中具有代表性的殘余應力值2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力續表金屬電鍍溶液應力值/MPa鎳光亮鍍鎳用液純凈106光亮鍍鎳用液＋雜質224光亮鍍鎳用液＋糖精18銅酒石酸鉀鈉-氰化物＋硫氰酸鉀－27酒石酸鉀鈉-氰化物60鈷硫酸鹽310～620銠硫酸鹽310～620鋅酸性鍍液－56～12鎘氰化物－8鉛過氯酸鹽－302.3.2 經過表面技術處理后殘余應力5.

化學鍍產生的殘余應力化學鍍產生殘余應力的原因有兩種。一種是因為化學鍍層與基體材料的熱膨脹系數不同所引起的。因為化學鍍的溫度一般在90

°C左右，當將樣品從化學鍍槽中冷卻到室溫時，表面鍍層與心部基體材料由于熱脹冷縮不會同時發生，同時鍍層與基體的熱膨脹系數不同，因此產生應力。其規律是熱膨脹系數大的一方產生壓應力，而膨脹系數小的一方產生拉應力。試驗得出的規律是當樣品從鍍槽中取出，化學鍍鎳層要收縮10%左右。另一種原因是，化學鍍層的形成也是晶粒形核與長大的過程。開始形成一些島狀的顆粒，這些粒子在其間填充上新的粒子之前被表面應力拉在一起形成拉應力。當表面被新的鍍層覆蓋或進行熱處理時，會發生原子重排而改變原子間距從而產生應力。

數據列出了化學鍍層應力定量數據。2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力化學鍍層中殘余應力與工藝條件關系鍍液組成pH溫度/°C含磷量/%熱處理前應力/MPa熱處理后應力/MPaNiSO2·6H2O 0.8

mol/LH2C3H5O3 0.36

mol/LNaH2PO2·H2O 0.23

mol/L5.05.04.94.54.54.04.04.04.08288949393979493916.97.07.28.18.410.711.612.212.426.558.87.812.743.7－53.9－88.2－72.5－105.678.471.564.767.6139.129.40.0－7.8－26.5NiCl2·7H2O 0.126

mol/LNH4·C2H3O 0.5

mol/LNaH2PO2·H2O 0.095

mol/L4.5958.03.565NiSO2·6H2O 0.057

mol/LHC3H6O2 0.14

mol/LMoO3 0.015

mol/LNaH2PO2·H2O 0.17

mol/L5.4908.56.02.3.2 經過表面技術處理后殘余應力6.

熱噴涂產生的殘余應力2.3.2 經過表面技術處理后殘余應力2.3.3 鑄造殘余應力5.

化學鍍產生的殘余應力鑄件在凝固后的冷卻過程中，應力按其形成原因可分為熱應力、相變應力和機械阻礙應力三種。【例2-6】 一個鑄件的形狀如圖所示，分析冷卻后由于熱應力的作用，在鑄件A區域與B區域產生的殘余應力是拉應力？還是壓應力？鑄件間尺寸不同產生的殘余應力2.3.3 鑄造殘余應力分析：從鑄件的結構可見，鑄件的兩個外側A區域，受到冷卻的面積大，冷卻速度一定快。而中間部分B區域，受到冷卻的面積小，冷卻速度要慢。所以A區域相當2.3.1節分析淬火熱應力圓柱模型的表面區域，而B區域相當圓柱模型的心部區域。根據淬火熱應力殘余應力形成規律，可以推測出：冷卻到室溫后A區域受到壓應力，B區域受到拉應力。相變應力：鑄件各部分在冷卻過程中發生固態相變的時間和程度不同，使體積和長度的變化也不一樣，而各部分之間又互相制約，由此而引起相變應力。對于灰鑄鐵件來說，當鑄件的某一部分冷卻到共析溫度以下時，奧氏體轉變為鐵素體及高碳相（石墨或滲碳體）。由于共析石墨化而使鑄件某部分產生一定的膨脹，如鑄件各部分溫度不一致，相變不同時發生，就會產生相變應力。可見，此處的相變應力與淬火組織應力也有類似之處。所不同之處是：在淬火過程中產生膨脹的組織是馬氏體，而鑄造過程中產生膨脹的組織是石墨。灰鑄鐵件粗厚部分的石墨化程度比細薄部分更充分些，因此薄部分受拉應力，而厚部分受壓應力。機械阻礙應力：鑄鐵件冷卻到彈性狀態后，由于收縮受到機械阻礙而產生機械阻礙應力。它可表現為拉應力或切應力。當機械阻礙一經消除，應力也隨之消失，所以它是一種臨時應力。2.3.3 鑄造殘余應力鑄件部位熱應力相變應力機械阻礙應力由于共析轉變由于石墨化落砂前落砂后薄部分或外層－s＋s＋s＋s0厚部分或內層＋s－s－s＋s0鑄鐵種類彈性模量E/MPa鑄造應力s鑄/MPa鑄鐵種類彈性模量E/MPa鑄造應力s鑄/MPa合金鑄鐵蠕墨鑄鐵121

870148

740106.30122.0～137.3球墨鑄鐵灰鑄鐵175

50087

510180.052.3鑄造應力是熱應力、相變應力和機械應力三者的代數和。鑄鐵件不同部位上的三種應力見下表。各種鑄鐵的鑄造應力見下表。灰鑄鐵的鑄造應力最小，球墨鑄鐵最大，蠕墨鑄鐵的鑄造應力在兩者之間。鑄鐵件不同部位上的三種應力 各種鑄鐵的鑄造應力2.3.4 焊接殘余應力焊接殘余應力的產生是在焊接過程中，焊接部位局部急速加熱到高溫，由于表面與內部溫度的不均勻而引起的。可見，與淬火過程中熱應力產生的原因有類似之處。從原理上分析似乎比淬火情況要簡單，但是焊接是將構件彼此之間結合起來，并因為這種結合使整個構件處于束縛狀態。焊接結構形狀、尺寸等變化及焊接工藝的不同，使焊接應力非常復雜，一般將焊接應力分成焊接殘余應力與約束應力兩類。焊接殘余應力約束應力是指構件焊接部位附近處在自由狀態的部分，由于焊接本身急速加熱到高溫而產生的殘余應力，這種應力是靠本身保持平衡而存在的。是指來自結合部以外的約束而造成的殘余應力。2.3.4 焊接殘余應力（1）直接應力（2）組織應力不均勻加熱的結果取決于加熱和冷卻時的溫度梯度而表現出來的應力。它是形成焊接殘余應力的主要原因。由于焊接過程中材料發生相變，組織發生變化而產生的應力。也就是相變造成的比容變化而產生的應力，這與淬火組織應力產生原因類似。對于焊接殘余應力按其發生來源區分有以下三種情況：（3）間接應力焊接前加工狀況造成的殘余應力，如構件經過軋制或拉拔，會產生殘余應力。這種應力如果沒有消除在焊接構過程中就會疊加到焊接殘余應力上去。2.3.4 焊接殘余應力下表所列為焊接殘余應力的一些具體數據。工件形狀材料焊接方法焊縫最高拉應力值與位置最高壓應力值與位置應力為零處距焊縫中心距離/mm厚度12

mm板低碳鋼電焊不預熱140

MPa焊縫中心－140

MPa距焊縫50

mm處32厚度12

mm板低碳鋼電焊200

°C預熱70

MPa焊縫中心－120

MPa距焊縫50

mm處15T形結構（高度為200

mm）低碳鋼電焊300

MPa焊縫中心－200

MPa距焊縫100

mm處80平板低碳鋼點焊徑向200

MPa距中心10

mm徑向周向150

MPa距中心10

mm焊接殘余應力的一些具體數據斷口宏觀形貌分析方法2.4.1 宏觀斷口分析的目的與意義斷裂的宏觀分析一般是指用肉眼或放大鏡對宏觀斷口形貌、斷裂位置及裂紋形貌等進行的分析方法。微觀分析主要指用掃描電鏡分析斷口或者用光學顯微鏡與透射電鏡分析微觀組織。對于斷裂后的零部件而言，斷口是材料斷裂后的留下的自然表面，提供重要的斷裂信息。用放大鏡對宏觀斷口分析進行，有觀察面積大、結論可靠的優點，一些情況下甚至根據宏觀斷口分析就可以初步確定斷裂的原因。宏觀斷口分析在失效分析中占有舉足輕重的地位，其分析的準確性直接影響到后續分析工作。本節主要分析拉伸、彎曲、扭轉及沖擊等斷裂后的宏觀斷口，至于最重要的疲勞斷口將在第3章中進行分析。2.4.1 宏觀斷口分析的目的與意義對宏觀斷口進行分析的主要目的：（1）根據宏觀斷口的形貌可以判斷裂紋源的位置與斷裂類型。這對進一步分析及防止失效有重要的意義。例如裂紋源出現在表面，則應強化零件的表面性能；如果裂紋源出現在材料內部，則應強化整體性能。找到裂紋源后才可以有的放矢地對裂紋源處的組織結構作進一步深入分析。根據斷口宏觀形貌往往可以判斷出疲勞斷裂、脆性斷裂等斷裂類型。（2）通過宏觀斷口分析，結合零部件實際服役條件及各類典型力學試驗條件下的斷裂應力與斷裂過程確定斷裂模式。（3）宏觀斷口的形貌與微觀斷口形貌存在一定的聯系（見2.6節），通過宏觀斷口分析可以大致估計斷口微觀形貌，并確定對斷口進行微觀分析（如利用掃描電鏡分析）的區域。（4）很多情況下根據宏觀斷口形貌可以粗略判斷材料某些性能。（5）某些情況下可以定性分析載荷大小（拉伸、疲勞等）。2.4.2 裂紋源與裂紋擴展方向的確定方法1.

利用輻射線（或稱放射狀條紋）判斷裂紋源多數情況下在宏觀斷口上均可以觀察到幅射線。這些幅射線本質是：裂紋裂紋在不同平面上擴展產生的微小塑性變形、斷口交割或鏈接而留下的痕跡，見圖。因此，可以根據幅射線推斷裂紋源的位置，這是最常用的方法。利用宏觀斷口判斷裂紋源（或啟裂點）具體的方法：沿著幅射線返回到它們匯聚成的“聚集區域”就是裂紋源（或啟裂點）區域。具體的例子分析如下：【例2-7】

T8鋼材料經過淬火＋低溫回火的樣品，加工成沖擊樣品進行沖擊。斷口形貌如圖所示。試確定樣品沖擊斷口啟裂點位置。斷口上放射線示意圖2.4.2 裂紋源與裂紋擴展方向的確定方法分析：材料受到沖擊載荷作用，斷口呈現出明顯的放射線，其匯聚交點區域在右下角頂角處，如圖所示。可以斷定啟裂點就在該頂角處。根據啟裂點位置可以推測，材料經沖擊載荷作用時，在不同部位受到的應力是不相同的，應該是在尖角處受到更大的應力作用，所以在該處首先開裂。因此，對于承受沖擊載荷的部件，尖角處存在破壞的危險性，在設計時應該引起足夠重視。沖擊樣品裂紋源斷口形貌照片2.4.2 裂紋源與裂紋擴展方向的確定方法2.1節中已經論述，拉伸過載樣品會出現纖維區域。實際斷裂的部件很多情況下受到拉伸載荷或以拉伸為主的多種載荷共同作用斷裂，因此也會出現纖維區域。根據拉伸過載應力分析可知，纖維區域的中部是應力最大區域，所以纖維區域的中部應該為裂紋源。從圖中可見輻射線的匯聚區在纖維區域的中心位置。2.

纖維區域的中心為裂紋源纖維中心區域裂紋源照片2.4.2 裂紋源與裂紋擴展方向的確定方法根據剪切唇判斷裂紋源拉伸過載樣品在最后斷裂區域會出現剪切唇，而剪切唇是最后斷裂區域。實際零部件受到拉伸載荷作用也會出現剪切唇，該區域應該是最后斷裂區域，根據此區域位置推測裂紋源，斷裂應該是由裂紋源指向剪切唇。裂紋源位于斷口平坦區域零部件的宏觀斷口往往呈現出平坦區域與凹凸不平區域。凹凸不平區域實質是塑性變形大的區域，應該是應力過載區域。所以凹凸不平區域是裂紋擴展到最后快速失穩擴展形貌特征，而平坦區域是應力較小的開始擴展區域，所以裂紋源應該在斷口平坦區域。2.4.2 裂紋源與裂紋擴展方向的確定方法【例2-8】

40Cr鋼制備的M26螺栓在使用過程中斷裂，斷口的形貌見圖，試判斷裂紋源的位置。剪切唇判斷裂紋源分析：在斷口上不能找到明顯的輻射線的匯聚區域。在斷口的右側存在明顯的剪切唇，所以應該屬于最后斷裂區域。在斷口左側存在平坦區域及不明顯的輻射線匯聚區域，因此判斷出裂紋源的位置如圖所示。2.4.2 裂紋源與裂紋擴展方向的確定方法5.

根據疲勞弧線確定裂紋源很多疲勞斷口可見明顯的疲勞弧線，裂紋源位于疲勞弧線半徑最小處，具體分析見3.1節。為說明宏觀斷口分析的重要性，舉例如下：【例2-9】 根據宏觀斷口分析并初步判斷鐵路彈條的斷裂原因。鋼軌是依靠彈條、螺旋道釘等多個工務配件固定在軌枕上。彈條是固定鋼軌的重要部件，材料采用60Si2CrVA經過淬火＋中溫回火后使用。某廠生產的彈條在安裝使用一定時間后，約10%的彈條發生斷裂。斷裂彈條典型的宏觀斷口形貌如圖所示。斷裂彈條的宏觀斷口照片2.4.2 裂紋源與裂紋擴展方向的確定方法通過仔細觀察宏觀斷裂現象基本可以斷定：這件彈條早期斷裂的主要原因是彈條在熱加工成型過程中存在明顯的加工缺陷。依據如下：（1）上圖中可以清楚地看到輻射線匯聚區域，從而確定斷裂開始點位置。在彈條啟裂位置處，存在明顯的加工缺陷，肉眼可見。在該缺陷上存在很厚的藍色氧化皮。這種氧化皮并非是服役過程中彈條開裂發生銹蝕的銹斑，而是熱加工留下的氧化痕跡。（2）彈條是在交變應力作用下使用，如果是在服役條件下斷裂應該是疲勞斷裂，該斷口的宏觀形貌顯然并非疲勞斷口形貌（判斷疲勞斷口見3.1節），說明存在引起斷裂的異常原因。6.

裂紋擴展方向的確定裂紋源確定后，一般情況下裂紋擴展的宏觀方向即可確定，它是指向裂紋源的反方向。例如斷口上可以見到輻射線（放射線），其輻射線的發散方向就是裂紋擴展方向。如果斷口上可見纖維區域，纖維區域至剪切唇方向為裂紋擴展方向。2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過載斷裂斷口分析1.

圓柱樣品拉伸斷口在2.1節中說明了拉伸試驗過程中試樣的應力狀態與斷裂過程，這種應力分布狀態、斷裂過程及材料的性能就決定了拉伸斷口形貌。在工程上習慣以拉伸試驗斷裂時的延伸率小于5%判定是脆性材料，反之是韌性材料。脆性材料還是韌性材料本質上取決材料的屈服強度tT，如果其值很低則為塑性材料。根據破斷面的形貌，宏觀上可以大致將斷裂情況分成三類：第一類試樣的破斷面與拉伸軸成90°，即斷口垂直試樣的軸線，并且斷口上可以看見明顯的剪切唇。這類斷口也稱為“杯錐狀斷口”。第二類試樣的破斷面雖然與拉伸軸成90o，但是斷口上觀察不到剪切唇。第三類試樣的破斷面與拉伸軸成45o，即斷口面的法線與試樣的軸線成45°角，并且斷口上可以看見剪切唇。2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過載斷裂斷口分析以上三類斷裂形式與斷口形貌見圖。（a）斷口形貌（b）斷口形貌說明圓柱形樣品第一類拉伸斷口（a）第二類拉伸斷裂照片（c）第三類拉伸斷裂（b）第二類拉伸斷裂斷口形貌圓柱形樣品第二、三類拉伸斷口2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過載斷裂斷口分析根據斷口宏觀分析結合加載狀態可以推測出下面一些重要結論：（1）推測出最大拉應力與切應力在零部件中的大致位置。將零部件大致分為縱向（幾何尺寸最長方向）、橫向方向（幾何尺寸居中方向）與厚度方向（幾何尺寸最小方向），如果載荷是沿縱向加載，就可以大致判斷出最大拉應力垂直縱向、最大切應力大約與縱向成45°。根據零部件幾何形狀與應力集中的影響（見2.2節）大致可以推測最大應力的區域。這些區域應該是最容易斷裂的位置。（2）確定裂紋源位置。如果零部件形狀是圓柱形，按照設計軸向受到拉伸載荷，但是裂紋源卻沒有出現在中心區域，有理由懷疑零部件服役過程中受到其他附加應力，或存在殘余應力，或材料內部有問題。（3）斷口呈第一類斷口說明材料抗剪切屈服強度較低，在外加切應力作用下發生塑性變形，表現出有較好的塑韌性。但是材料的切斷抗力tk較高，切斷抗力與正斷抗力比值大于1/2，所以在最大拉應力方向斷裂。2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過載斷裂斷口分析（4）當觀察到纖維區的面積與剪切唇的面積減少，纖維區的粗糙度降低，同時放射區的面積增加，粗糙程度也降低，表面顯得光亮，表明材料強度較高但是塑性韌性降低。（5）如果觀察到斷口上幅射線很細，說明材料韌性差，輻射線越細，韌性越差。（6）如果觀察不到輻射線，初步斷定微觀斷裂機制為沿晶斷裂或者解理斷裂（見2.5節）。實際零部件在拉伸載荷作用下斷裂的斷口與拉伸試驗中樣品斷口會有一定的差別，但是只要加載方式類似，其基本的規律就不會發生變化，在實際零部件斷口中，往往觀察不到剪切唇，要注意觀察放射區與纖維區域的比例、斷口的光澤、斷口的粗糙程度，從而判斷斷裂的性質是脆斷還是韌斷。2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過載斷裂斷口分析同樣地，材料由于熱處理工藝不同、拉伸試驗溫度不同，斷口形貌會發生變化，見圖。（a）不同熱處理工藝硬度不同樣品拉伸斷口宏觀形貌 （b）不同拉伸溫度斷口宏觀形貌同種材料不同熱處理工藝及不同試驗溫度宏觀斷口形貌變化照片2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過載斷裂斷口分析2.

片狀樣品拉伸斷口片狀拉伸樣品斷口形貌與圓柱形樣品斷口形貌有所不同，主要原因是片狀樣品在拉伸時處于平面應力狀態。對于韌性材料，由于切斷抗力比正斷抗力弱得多，在最大剪應力作用下斷裂。因為最大剪應力與軸線約成45°角，所以斷口面往往與拉伸軸成45°，見圖。（a）（c）（b）片狀樣品45°破斷面照片與示意圖2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過載斷裂斷口分析【例2-10】 Al-5%Cu合金拉伸斷口45加入10%的Al2O3纖維制成Al-5%Cu基的復合材料，強度大幅度上升。拉伸斷口成90°，試根據斷口形貌變化分析斷裂機制差別（見圖2-33）。Al-5%Cu與Al-5%Cu基的復合材料拉伸斷口破斷面形貌照片根據2.1節中分析可知，Al-5%Cu合金拉伸斷口成45°，表明材料切斷抗力tk較低，是在剪切應力作用下斷裂的。因為拉伸試驗時45°斜面上的切應力最大，且與軸向拉應力的比值是1/2，所以推知材料的切斷抗力與正斷抗力之間的比值小于1/2。加入纖維之后拉伸斷口破斷面發生從45°變換到90°變化，說明斷裂機制發生變化，斷裂是在正斷應力作用下發生的。推知纖維的加入大幅度提高材料的切斷抗力，所以使復合材料的拉伸強度提高。2.4.4 圓柱樣品扭轉過載斷裂斷口分析2.1節中論述了圓柱樣品在純扭轉情況下的應力狀態。最大正應力與軸線成45，最大切應力與軸成90°，最大切應力與最大正應力比值為0.8。因為這個比值高于拉伸載荷下最大切應力與最大正應力比值0.5，所以更容易在切應力作用下斷裂。與拉伸斷口有類似之處，由于材料性能不同可以分成韌性斷裂與脆性斷裂，即斷裂面與試樣軸線可以成45°與90°兩種角度，實質上反映出不同材料有不同的正斷抗力與切斷抗力的大小。韌性扭轉斷裂：斷口與軸線成90°。下圖是Al-4%Cu合金樣品扭轉斷裂斷口照片。眾所周知，該合金有良好的韌性，實質上材料的屈服強度與切斷抗力均很低，所以在外載荷引起的切應力作用下發生韌性斷裂。因為最大剪應力與軸線垂直，導致斷口與軸線垂直，斷口常表現出“漩渦”狀。2.4.4 圓柱樣品扭轉過載斷裂斷口分析（a）斷裂面垂直軸線切斷斷口（b）斷口宏觀照片（斷口非常平坦）（c）下斷口激光共聚焦照片可見斷口上變形條紋（100×）（d）下斷口激光共聚焦照片可清楚看見斷口上變形條紋（500×）2.4.5 彎曲過載斷裂斷口由于試樣承受彎曲載荷與拉伸載荷有類似之處，所以斷口形貌也有類似之處。由于試樣一側受拉、另一側受壓，所以斷裂從拉伸一側向相對的另一側進行。與拉伸斷裂類似斷口也可以分成脆性斷口與韌性斷口兩類，見圖。（a）車軸彎曲沖擊過載宏觀斷口照片（c）彎曲過載脆性斷口照片（b）車軸彎曲過載宏觀斷口照片彎曲過載脆性斷口與韌性斷口2.4.5 彎曲過載斷裂斷口脆性斷口由于沒有發生顯著塑性變形，斷口上沒有明顯的輻射線，因此難以確認裂紋源的位置，但根據受力狀態裂紋源應該在受拉一側表面。斷口形貌與拉伸過載脆性斷口類似。對于彎曲過載的韌性斷裂斷口，裂紋在拉伸一側形成后橫向擴展直到斷裂，在裂紋擴展過程中發生顯著塑性變形，直到裂紋擴展到另一側很薄區域，類似變成平面應力狀態拉伸形成剪切唇。根據上述分析，彎曲過載韌性斷口形貌與拉伸斷裂韌性斷口最顯著的不同之處是：裂紋源在表面，剪切唇僅在一側出現，剪切唇相對位置的外表面常常是裂紋源位置。剪切唇部分區域越大，說明承受的彎曲應力也越大。一些韌性斷裂的斷口上可以觀察到輻射線，見圖，根據輻射線可以確定裂紋源位置，見圖。彎曲斷裂斷口存在明顯輻射線照片2.4.5 彎曲過載斷裂斷口【例2-11】

某公司為大型設備設計使用的螺栓，在設計時根據服役條件分析，認為螺栓受到的是拉伸應力，所以按照材料強度指標進行設計。采用42CrMo材料制造，經過調質處理。但是在使用過程中出現斷裂情況，斷口形貌見圖。試分析斷裂模式。分析：由圖可見，斷口并非拉伸過載斷口，屬于典型的彎曲斷裂斷口。說明在實際服役條件下螺栓受到的是彎曲載荷（也可能是彎曲交變載荷）。根據輻射線與剪切唇的位置可以判斷出裂紋源的位置是在螺栓的根部。由圖還可見，剪切唇部分所占據的面積相當大，說明在服役過程中，螺栓受到較大的彎曲應力作用。斷裂螺栓宏觀斷口形貌照片2.4.6 剪切過載斷裂斷口工程中純剪切斷裂情況并不多見。剪切試驗斷口用途與實際零部件對比，服役條件下是否承受了剪切載荷。圖是34CrNiMo鋼Φ10

mm圓棒調質處理后，剪切過載后樣品斷裂情況與斷口宏觀形貌照片。材料抗拉強度為450～520MPa，屈服強度為250～300MPa，剪切強度為350～420MPa。（a）剪切過載斷裂樣品宏觀形貌（b）剪切斷口宏觀形貌（c）剪切斷口宏觀形貌（心部裂紋長）（d）剪切斷口宏觀形貌（心部小裂紋）（e）剪切斷口宏觀形貌（心部粗糙）

（f）剪切斷口宏觀形貌（嚴重變形開裂）2.4.7 沖擊過載斷裂斷口（a）50CrVA淬火＋回火（常溫沖擊，沖擊功34J）（b）50CrVA淬火＋回火（－20

°C沖擊，沖擊功15J）沖擊試樣斷口形貌與說明見圖。（c）50CrVA（粗晶粒鋼）淬火＋回火（－40°C沖擊，沖擊功4.5J）2.4.7 沖擊過載斷裂斷口沖擊試樣斷口也可以分成纖維區域、放射區域與剪切唇。裂紋是從切口表面開裂的。如果材料的韌性好，斷口上纖維區域與剪切唇所占的面積就較大，如果放射區域增加了，但是還存在剪切唇與纖維區域，說明材料雖然含有一定韌性，但是韌性變差了。如果出現結晶狀斷口[見圖（c）]，則說明材料基本是脆性的。如果工件的斷口出現結晶狀斷口形貌，提示材料韌性太低，這種材料不適合在此環境下服役，或者是材料本身的質量出現問題及工作環境出現變化（如環境溫度過低等）。上面各種載荷下宏觀斷口分析結論可以用于失效分析之中：（1）將零部件斷裂后的斷口與典型力學試驗斷口對比，對確定斷裂模式提供直接的依據。（2）根據宏觀斷口形貌可以將斷裂分成韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂（斷口形貌分析見3.1節）三種主要類型及應力和環境綜合作用斷裂類型（綜合作用斷裂包括應力腐蝕開裂、液體金屬致脆、間隙元素脆化、腐蝕疲勞和持久斷裂等）。確定斷裂類型對于改進設計和預防失效的發生有重要的作用。斷口微觀形貌分析方法2.5.1 分析目的進一步分析斷裂機制常采用SEM分析微觀斷裂機制，采用SEM方法的目的是：（1）觀察裂紋源附近的形貌是否有特殊之處（如夾雜物等）。（2）觀察斷口上是否有微裂紋。（3）判斷微觀斷裂機制（觀察疲勞條紋，判斷韌性斷裂與脆性斷裂、解理斷裂、韌窩斷裂等）。（4）疲勞定量分析。（5）在光學顯微鏡分辨率不夠時，有時可用觀察樣品微觀組織形貌。2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途掃描電鏡成圖像仍為不同形狀的黑區＋白區，意義又不相同，掃描線圈，兩者同步掃描。掃描電鏡（見圖）是利用聚焦的電子束對樣品表面進行掃描，

與樣品表面互相作用激發出各種信號（主要是背散射電子與二次電子），這些信號通過后續的同步檢測、放大后作用在熒光屏上。熒光屏表面有熒光體材料，這種材料受電子作用后會發光，作用電子越多，強度越高。2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途1.

二次電子成像原理二次電子：在單電子激發過程中，被入射電子轟擊出來的核外電子稱為二次電子。二次電子的信號主要來源于樣品表面5～10nm深度范圍。二次電子強度規律——二次電子產生的數量（即強度）與原子序數沒有明顯關系，但是對于微區小平面相對于入射電子束的角度卻十分敏感，見圖。（a）

0

（b）

45

（c）

60

（d）襯度與二次電子產額的關系2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途試驗表明：在入射電子束強度一定的條件下，二次電子的強度隨樣品傾斜角度的增加而增加。二次電子的產額正比1/cos，因此樣品表面尖棱處、小粒子處產生的二次電子強度非常高，據此對掃描電鏡的二次電子成像中的黑區與白區給出解釋：（1）利用二次電子成像的SEM圖像中的白區對應樣品尖角區、小粒子區等。（2）利用二次電子成像的SEM圖像中的黑區對應樣品凹區。（3）凹區與尖角區越多，黑白越分明，襯度也就越大。斷裂樣品的斷口，微觀上分析就是由許多凹凸不平的區域組成，所以特別適合掃描電鏡分析。配合能譜可以對微小區域進行成分測定，因此它成為失效分析的主要手段。2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途2.

背散射電子成像原理背散射電子——被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，所以也稱為反射電子。背散射電子的強度規律——當入射電子能量在10～40KeV范圍內，背散射電子強度隨材料原子序數Z的增大而增大，形成一種“成分襯度”。可見背散射電子的強度規律與二次電子完全不同，所以形成的黑區與白區的物理意義也不同。根據上述原理可有以下結論：背散射電子像中，黑區是平均原子序數小的區域，白區是平均原子序數大的區域。應該說明的是：很多情況下是二次電子與背散射電子是同時存在的。因為光鏡極限分辨率為200

nm，掃描電鏡分辨率為10～30

nm。因此，如果樣品是基體中析出細小的合金化合物，如果合金化合物尺寸非常細小，在光學顯微鏡下難以觀察清楚，當化合物成分與基體有很大差別時，在掃描電鏡下觀察可以獲得良好效果。2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途【例2-12】 圓管形軸承圈采用G20CrNi2MoA

材料制造。工藝如下：鍛造→正火→粗加工→滲碳＋淬火＋回火→磨削在生產過程中出現裂紋，為分析裂紋產生原因，需要對組織進行觀察，但是在金相顯微鏡下觀察不清楚內部細節，在掃描電鏡下觀察，發現存在沿晶界析出的碳化物，見圖。（a）滲層金相組織照片（500×） （b）滲層組織掃描電鏡照片滲碳組織光學顯微鏡與掃描電鏡照片2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途【例2-13】 某企業生產鐵路車輛軸承內圈，采用的材料為G20GrNi2Mo2，處理的工藝如下：下料→鍛造→鍛造后緩冷（相當退火）→機加工→滲碳（930C；30

h降溫到870C；3

h；油冷）→低溫回火→800C45

min淬火→低溫回火（170C

4

h）→磨削→140C

5

h去應力→精磨→磷化要求磷化膜厚度為3～5

mm。軸承是通過擠壓安裝在車軸上進行使用的。為防止軸承使用過程中松動，標準擠壓力要達到88.2～247

kN。生產中發現不同廠家生產的軸承內圈擠壓力不穩定，顯然與磷化膜組織有關，但是在光學顯微鏡下，無法觀察出磷化膜的形貌，需采用掃描電鏡進行觀察。兩個廠家生產的軸承內圈表面磷化層形貌照片2.5.3 典型斷口微觀形貌（a）解理臺階（b）河流花樣1.

解理斷裂的斷口形貌典型形貌見圖。（c）－196C沖擊破壞解理斷口形貌

（d）焊縫金屬解理斷口形貌（e）解理斷口（f）解理斷口2.5.3 典型斷口微觀形貌如果在掃描電鏡下觀察到解理斷口，提供關于材料失效的信息總結如下：（1）說明材料發生的斷裂是一種脆性斷裂機制。但是并不能說明材料斷裂時沒有塑性變形，有些材料雖然微觀斷裂機制是脆性斷裂，但是還是有一定的塑性變形。但是從預防失效的角度考慮，一般說提高材料韌性是必要的。（2）裂紋應該在材料的內部一些特殊的晶面首先形成。（3）斷口上可以判斷裂紋擴展的局部方向。河流花樣是由解理臺階匯聚而成。仔細觀察（4）結合材料性能測定，如果材料的韌性較好，出現解理斷口，從材料本身考慮，提示是否零部件在脆性轉變溫度以下工作，也可懷疑是否材料本身的晶粒尺寸過大。（5）從零部件服役條件考慮，可以懷疑是否零部件處于三向應力狀態服役，或者零部件服役前就存在原始裂紋，即使受到單向拉應力也會在裂紋尖端產生三向應力狀態（見2.2節）。2.5.3 典型斷口微觀形貌2.

韌性斷裂韌窩狀斷口形貌材料發生延性斷裂，其主要斷口微觀形貌見圖。（a）韌窩狀斷口形貌 （b）韌窩內存在夾雜物延性斷裂韌窩狀斷口形貌照片2.5.3 典型斷口微觀形貌韌窩是韌性斷裂的微觀特征，但是不能據此就