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金屬材料的脆性

金屬材料的斷裂

金屬在外加載荷的作用下,當應(yīng)力達到材料的斷裂強度時,發(fā)生斷裂。

斷裂是裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程。(圖)

1.1.        斷裂的類型

根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)生塑性變形量的大小,可分為韌性斷裂和脆性斷裂。

韌性斷裂:斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形,斷口呈暗灰色的纖維狀。

脆性斷裂:斷裂前沒有明顯的塑性變形,斷口平齊,呈光亮的結(jié)晶狀。

韌性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區(qū)別是裂紋擴散的情況不同。

 

               圖5-1 韌性斷裂和脆性斷裂時裂紋擴展的比較                          

韌性斷裂和脆性斷裂只是相對的概念,在實際載荷下,不同的材料都有可能發(fā)生脆性斷裂;同一種材料又由于溫度、應(yīng)力、環(huán)境等條件的不同,會出現(xiàn)不同的斷裂。

1.2.        斷裂的方式

根據(jù)斷裂面的取向可分為正斷和切斷。

正斷:斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向垂直,一般為脆斷,也可能韌斷。

切斷:斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向呈45°,為韌斷

1.3.        斷裂的形式

裂紋擴散的途徑可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。

穿晶斷裂:裂紋穿過晶粒內(nèi)部,韌斷也可為脆斷。

晶間斷裂:裂紋穿越晶粒本身,脆斷。

1.4.        斷口分析

斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產(chǎn)生原因,擴散的途徑,擴散過程及影響裂紋擴散的各內(nèi)外因素。所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素,為改進構(gòu)件設(shè)計、提高材料性能、改善制作工藝提供依據(jù)。

斷口分析可分為宏觀斷口分析和微觀斷口分析。

1.4.1.  宏觀斷口分析

斷口三要素:纖維區(qū),放射區(qū),剪切唇。   

纖維區(qū):呈暗灰色,無金屬光澤,表面粗糙,呈纖維狀,位于斷口中心,是裂紋源。

放射區(qū):宏觀特征是表面呈結(jié)晶狀,有金屬光澤,并具有放射狀紋路,紋路的放射方向與裂紋擴散方向平行,而且這些紋路逆指向裂源。

剪切唇:宏觀特征是表面光滑,斷面與外力呈45°,位于試樣斷口的邊緣部位。

1.4.2.  微觀斷口分析

自學

2. 脆性破壞事故分析

脆性斷裂有以下特征:

(1)       脆斷都是屬于低應(yīng)力破壞,其破壞應(yīng)力往往遠低于材料的屈服極限。

(2)       一般都發(fā)生在較低的溫度,通常發(fā)生脆斷時的材料的溫度均在室溫以下20℃。

(3)       脆斷發(fā)生前,無預(yù)兆,開裂速度快,為音速的1/3

(4)       發(fā)生脆斷的裂紋源是構(gòu)件中的應(yīng)力集中處。

防止脆斷的措施

(1)       選用低溫沖擊韌性好的鋼材。

(2)       盡量避免構(gòu)件中應(yīng)力集中

(3)       注意使用溫度。


3. -脆性轉(zhuǎn)變溫度

為了確定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度,進行了大量的試驗研究工作。如果把一組有缺口的金屬材料試樣,在整個溫度區(qū)間中的各個溫度下進行沖擊試驗。

低碳鋼典型的韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度。隨著溫度的降低,材料的沖擊值下降,同時在斷裂面上的結(jié)晶狀斷面部分增加,亦即材料的韌性降低,脆性增加。

有幾種方法

(1)       沖擊值降低至正常沖擊值的50~60%

(2)       沖擊值降至某一特定的、所允許的最低沖擊值時的溫度。

(3)       以產(chǎn)生最大與最小沖擊值平均時的相應(yīng)溫度

(4)       斷口中結(jié)晶狀斷面占面積50%時的溫度

對于厚度在40mm以下的船用軟鋼板,夏比V型缺口沖擊能量為25.51J/cm2時的溫度作為該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。


4. 無塑性溫度

-脆性轉(zhuǎn)變溫度是針對低碳鋼和低碳錳鋼,其它鋼材,無法進行大量試驗。

依靠其它試驗方法,定出該材料的“無塑性溫度”NDT

(1)       爆炸鼓脹試驗

正方的試樣板上堆上一小段脆性焊道,在焊道上鋸一缺口。在試樣上方爆炸,根據(jù)試樣破壞情況判斷是否塑性破壞。

平裂,凹裂,鼓脹撕裂

(2)       落錘試驗 


5. 金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的條件

5.1.        溫度 

任何一種斷裂都具有兩個強度指標,屈服強度和表征裂紋失穩(wěn)擴散的臨界斷裂強度。

溫度高,原子運動熱能大,位錯源釋放出位錯,移動吸收能量;溫度低反之。

5.2.        缺陷

5.2.1.  材料韌性

裂紋尖端應(yīng)力大,韌性好發(fā)生屈服,產(chǎn)生塑性變形,限制裂紋進一步擴散。

5.2.2.  裂紋長度

裂紋越長,越容易發(fā)生脆性斷裂。

5.2.3.  缺陷尖銳程度

越尖銳,越容易發(fā)生脆性斷裂。

5.3.        厚度

鋼板越厚,沖擊韌性越低,韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。

原因:

(1)越厚,在厚度方向的收縮變形所受到的約束作用越大,使約束應(yīng)力增加,在鋼板厚度范圍內(nèi)形成平面應(yīng)變狀態(tài)。

(2) 冶金效應(yīng),厚板中晶粒較粗大,內(nèi)部產(chǎn)生的偏析較多。

5.4.        加載速度

低強度鋼,速度越快,韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。


6. 金屬材料的脆化現(xiàn)象

分兩類:

(1)  在一定溫度條件下出現(xiàn)的脆性,溫度條件改變后,脆性自行消失,或者在一定溫度條件下,經(jīng)一定時間后出現(xiàn)的脆性。

這種情況下,金屬的組織變化不明顯。有冷脆性,熱脆性,紅脆性及回火脆性。

2)由于應(yīng)力的反復(fù)作用,介質(zhì)的浸蝕以在高溫下長期工作后,金屬組織改變引起的脆化現(xiàn)象。這種脆性無法消除或要通過一定的特殊方法消除。如苛性脆化,氫脆,熱疲勞,石墨化。

6.1.        冷脆性

冷脆性:金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的沖擊值明顯降低的現(xiàn)象。

影響因素:化學成分

(1)       含碳量

(2)       

(3)       

(4)       

6.2.        熱脆性

熱脆性:某些鋼材長時間停留在400~500℃溫度區(qū)間再冷卻至室溫,其沖擊值有明顯下降。

影響因素:

(1)       化學成分

C量,鉻錳鉬磷等

(2)       保溫時間

不同鋼產(chǎn)生熱脆性所需的保溫時間不同

(3)       熱處理

調(diào)質(zhì)處理可阻止熱脆性產(chǎn)生。

6.3.        紅脆性

S較多的鋼中,在800~900℃以上呈現(xiàn)較大脆性。S化物以網(wǎng)關(guān)分布在晶界上。

消除方法:

(1)       長時間高溫退火,使網(wǎng)狀S化物變?yōu)榍驙睢?/span>

(2)       加入錳,硫化錳以點狀,球狀存在于晶界上。

6.4.        回火脆性

對于一般鋼回火可提高沖擊韌性。

但某些鋼在回火后,沖擊韌性反而降低。回火脆性。

6.4.1.  第一類回火脆性

發(fā)生在合金結(jié)構(gòu)鋼中。但某些鋼在250~400℃回火后,沖擊韌性反而降低。實際遇到機會少。

6.4.2.  第二類回火脆性

450~600℃長時間回火或在更高溫度(600~700℃)回火后,出現(xiàn)常溫沖擊韌性下降。

再次回火消除

或加入鉬鎢防止。

對于一般鋼回火可提高沖擊韌性。

6.5.        苛性脆化

苛性脆化:金屬材料的局部高應(yīng)力區(qū)與具有一定濃度的氫氧化鈉溶液相接觸而發(fā)生的電化學晶間腐蝕脆化現(xiàn)象稱為苛性脆化。
材料在高應(yīng)力作用下,晶粒本體與晶界產(chǎn)生電位差,當與具有一定濃度的氫氧化鋼溶液相接觸,晶界部位的鐵離子將進入溶液中,與溶液中的氫氧根離子發(fā)生電化學反應(yīng)。
如果溶液中的氫氧化鈉濃度較高,溶液中的氫氧根負離子較多,促使晶界部位的鐵離子大量進入溶液,發(fā)生電化學反應(yīng),從而形成晶間裂紋,導(dǎo)致苛性脆化。

材料產(chǎn)生苛性脆化必須具備三個條件:

(1)       在材料中需存在較高的局部應(yīng)力,對于碳素鋼高達250MPa 

(2)       需具有較高濃度的氫氧化鋼溶液與材料的局部高應(yīng)力區(qū)相接觸,并且在溶液中需具有能加速反應(yīng)的催化劑;

(3)       需具有一定溫度。

在鍋爐的鉚接或脹接部位最易發(fā)生苛性脆化。

應(yīng)力: 工作應(yīng)力+聯(lián)接應(yīng)力+附加應(yīng)力

化學成分:鉚接或脹接處鍋水滲漏,濃縮

溫度:低壓鍋爐為200℃,中壓鍋爐為250℃,高壓鍋爐為300

6.6.        氫脆

  金屬在外加載荷的作用下,當應(yīng)力達到斷裂強度時,發(fā)生斷裂。

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2018年2月27日 0:48 [江苏省网友]
1 戮力同心 [云南省罗平县网友]

你们钢管的光洁度怎么样?

光洁度可以,生产工艺决定了光洁度。

2017年11月26日 4:25 戮力同心 [云南省罗平县网友]

你们钢管的光洁度怎么样?

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