無損檢測與失效分析

無損檢測與失效分析材料學院張毓雋Non-destructiveTestingandFailureAnalysis

教材及參考書目教材：

1.《無損檢測》，李喜孟，北京，機械工業(yè)出版社，2011。2.《金屬構件失效分析》，廖景娛，北京，化學工業(yè)出版社，2011.參考書目：1.《無損檢測》，邵澤波，北京，化學工業(yè)出版社，2011.2.《無損檢測新技術》，宋天民，北京，中國石化出版社，2012.3.《失效分析新技術》，陶春虎，何玉懷，劉新靈，北京，國防工業(yè)出版社，2011.成績評定：1、平時成績（出勤20%、作業(yè)20%）40%；2、期末考試60%。學時：32

學分：2

第一章緒論

失效的定義：儀器裝備及其構件在使用的過程中，由于應力、時間、溫度、環(huán)境介質和操作失誤等因素的作用，失去原有功能的現象，稱為失效。失效的危害實例：1912年，Titanic號的沉沒，船上705人生還，船長，和設計師和1559人沉入海底。其原因就是低溫下焊縫脆性斷裂引起的失效。2010年，發(fā)生在美國墨西哥灣的英國抽油井水原油泄漏，其原因就是在發(fā)生抽油井爆炸時，井下的閥門（防噴閥）無法關閉。結果造成大量原油泄漏，經濟損失高達幾百億美元的損失和企業(yè)股票的嚴重下滑，同時也給該地區(qū)的海洋生態(tài)環(huán)境造成無法估量的損失。失效的特點：局部性。突然性。頻發(fā)性。失效分析的定義：對裝備及其構件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現象的特征及規(guī)律進行分析研究，從中找出產生失效的主要原因及防止失效的措施。失效分析的意義：促進科學技術發(fā)展疲勞斷裂學的誕生自由輪事件交叉學科提高裝備及其構件的質量日本與德國的汽車制造業(yè)具有高經濟效益和社會效益失效分析能分清責任，為仲裁和執(zhí)法提供依據失效分析揭示了規(guī)章、制度、法規(guī)及標準的不足，為其修改提供依據。金屬構件的失效形式彈性變形失效當應力或溫度引起構件可恢復的彈性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預定的功能時，就出現彈性變形失效。塑性變形失效當受載荷的構件產生不可恢復的塑性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預定的功能時，就出現塑性變形失效。韌性斷裂失效構件在斷裂之前產生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。脆性斷裂失效構件在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。疲勞斷裂失效:構件在交變載荷作用下，經過一定的周期后所發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。金屬構件的失效形式腐蝕失效

:腐蝕是材料表面與服役環(huán)境發(fā)生物理或化學的反應，使材料發(fā)生損壞或變質的現象，構件發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，有均勻遍及構件表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現的局部腐蝕，局部腐蝕又有點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。磨損失效當材料的表面相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運動時，由于物理和化學的作用，材料表面的形狀、尺寸或質量發(fā)生變化的過程，稱為磨損。由磨損而導致構件功能喪失，稱為磨損失效。磨損有多種形式，其中常見粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。金屬構件的失效原因設計不合理選材不當及材料缺陷制造工藝不合理使用操作不當和維修不當失效分析與其他學科的關系無損檢測的定義采用不破壞產品原來的形狀、不改變使用性能的檢測方法，對產品進行百分之百的檢測（或抽檢），以確保產品的安全可靠性，這種技術就是無損檢測技術。無損檢測的內容在不損壞被檢驗對象的使用性能為前提，以物理或化學方法為手段（借助先進的技術和設備器材），對試件的內部及表面結構、性質、狀態(tài)進行檢查和測試的方法，從而對其進行連續(xù)性、完整性、安全可靠性及某些物理性能的測試。具體包括：探測材料或構件中是否含有缺陷，并對缺陷的形狀、大小、方位、取向、分布和內含物等情況進行判斷，還能提供組織分布、應力狀態(tài)以及某些機械和物理量等信息。分析材料（或構件）在不同勢場作用下的物理性質，并測量材料（或構件）性能的細微變化，說明產生變化的原因并評價其適用性，就構成了無損檢測工作的基本內容。無損檢測的應用機械制造、石油化工、造船、汽車、航空航天和核能等工業(yè)中被廣泛利用。無損檢測工序在靜態(tài)和（或）動態(tài)檢測以及質量管理中，已成為一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。無損檢測人員已發(fā)展為一只龐大的生力軍，并享有“工業(yè)衛(wèi)士”的美譽。無損檢測的目的質量管理改進制造工藝、降低生產成本在役檢測保障產品的使用安全質量鑒定借助儀器和器材，可以發(fā)現目視檢查無法發(fā)現的內外部宏觀缺陷；由于無損檢測不需破壞試件，所以可以對產品進行100%檢驗和逐件檢驗，為產品質量提供保證。無損檢測技術的發(fā)展無損檢測技術的發(fā)展是和材料物理性質研究的進展一致的，所有目前世界上物理研究的新成就和新方法都會很快利用在無損檢測上。此外，由于計算機技術向無損檢測領域的移植和滲透，無損檢測技術得到了較大的進步。發(fā)展的三個階段；NDI（Non-destructiveInspection）無損探傷NDT（Non-destructiveTesting）無損檢測NDE（Non-destructiveEvaluation）無損評價無損檢測方法的選用原則經濟原因技術原因無損檢測的類型超聲波檢測（UltrasonicTesting）：對面狀缺陷敏感射線檢測（RadiographyTesting）：對體積型缺陷比較敏感渦流檢測（EddycurrentTesting）：對開口或近表面缺陷、磁性和非磁性的導電材料比較適用。磁粉檢測（MagneticTesting）：只適用于鐵磁性材料。滲透檢測（PenetrantTesting）：只適用于表面開口缺陷的檢測。無損檢測與失效分析的聯系和區(qū)別聯系：目的都是對于材料、零件以及產品的質量的維護與提高，都是為了避免失效和破壞等事故的發(fā)生。區(qū)別：無損檢測通常是在失效發(fā)生以前進行的預防性措施（未雨綢繆），而失效分析通常是在失效發(fā)生以后進行追溯性的分析，從而找出原因，提出改進和預防的措施（亡羊補牢）。此外，失效分析包括對于失效事故進行的所有檢測和分析，而檢測和分析手段非常多樣，其中就可能包括無損檢測。超聲波檢測超聲檢測的基礎知識超聲波是一種機械振動波,是超聲振動在介質中的傳播。實質是機械振動以波的形式在彈性介質中的傳播。聽覺范圍:聲波頻率在l6Hz-20kHz次聲波:頻率小于l6Hz的聲波超聲波:頻率超過20kHz的聲波超聲波具有頻率高、波長短、傳播能量大、穿透力強、指向性好的特點。超聲波在均勻介質中沿直線傳播，遇到界面時發(fā)生反射和折射。并且可以在任何彈性介質(固體、液體和氣體)中傳播。在工業(yè)超聲波探傷中傳播介質主要是固體，液體作為耦合劑以減少聲能損失。超聲波探傷原理超聲波探傷：是利用超聲波通過兩種介質的界面時發(fā)生反射和折射的特性來探測零件內部的缺陷。超聲波探傷方法按波的傳播方式分為脈沖反射波法和透射波法。脈沖反射波法是利用脈沖發(fā)生器發(fā)出的電脈沖激勵探頭晶體產生超聲脈沖波。超聲波以一定的速度向零件內部傳播。遇到缺陷的波發(fā)生反射，得到缺陷波，其余的波則繼續(xù)傳播至零件底面后發(fā)生反射，得到底波。探頭接收發(fā)射波、缺陷波和底波，放大后顯示在熒光屏上。超聲波探傷的特點厚度:探測5~3000mm厚的金屬或非金屬材料的構件。粗糙度:對零件表面粗糙度有一定要求。一般要求粗糙度等級高于Ra6.3，表面清潔光滑，與探頭接觸良好。盲區(qū)：零件表面一段距離內的缺陷波與初始波難于分辨，難以探測缺陷。盲區(qū)的大小因超聲波探傷儀不同而異，一般為5~7mm。超聲波探傷中對缺陷種類和性質的識別較為困難，需借助一定的方法和技術。超聲波檢測方法超聲波檢測通用技術儀器選擇A型、B型、C型、三維型探頭的選擇超聲波換能器：以壓電效應為工作原理的超聲波探頭，應用最廣，數量最多。換能器主要由壓電晶體組成。利用石英、鈦酸鋇的正壓電效應產生超聲披，逆壓電效應接收超聲波。壓電晶體在交變電壓作用下，在晶體厚度方向產生伸縮變形，產生與交變電壓頻率相同的機械振動，即產生超聲波。當把高頻振動(超聲波)作用在晶體上，在晶體的兩個電極之間產生與超聲波頻率相同、強度與超聲波成正比的高頻電壓，即接收超聲波。總功率一定的情況下，探頭的精度和覆蓋面積是成反比的。

超聲波檢測方法試塊的選擇在當量法中所采用的具有簡單幾何形狀的人工反射體的試件稱為試塊。其主要作用是用來調整和確定探傷儀的測定范圍，確定合適的檢測方法、檢測儀器和探頭的性能以及檢測靈敏度、測量材料的聲學特性（聲速、聲衰減、彈性模量）。聲波的耦合耦合劑多采用機油，甘油，硅油。超聲檢測方法共振法應用共振現象對試件進行檢測的方法。通過連續(xù)調整聲波的頻率以改變波長，使試件的厚度為聲波半波長的整數倍，即形成駐波。透射法又叫穿透法，是最早采用的一種超聲檢測技術。其原理為：將發(fā)射探頭和接收探頭分別置于試件的兩個相對面上，根據超聲波穿透試件后的能量變化情況，來判斷試件內部質量的方法。優(yōu)缺點：當缺陷尺寸大于探頭波束寬度時，測量尺寸精度較高。適合高衰減的材料。對發(fā)射探頭和接收探頭的位置要求嚴格，需專門的探頭支架。當選擇好耦合劑后，特別適用于單一產品大批量加工制造過程中的機械自動化檢測。探頭與試件相對位置布置得當后，即可進行檢測，在試件中幾乎不存在盲區(qū)。超聲檢測方法脈沖反射法應用最廣泛的一種超聲波檢測方法。其中以直接接觸式脈沖反射法最為常見，按檢測時所使用的波型可以分為：縱波法、橫波法、表面波法、板波法。在某些特殊情況下，需要采用兩個探頭，有時則需要在液浸的情況下。工作原理：利用超聲波在試件內傳播的過程中，遇有聲阻抗相差較大的兩種介質的界面時，將發(fā)生反射的原理進行檢測的方法。超聲檢測方法脈沖反射法優(yōu)點：檢測靈敏度高，能發(fā)現較小的缺陷。當調整好儀器的垂直線性和水平線性后，可得到較高的檢測精度。適用范圍廣，適當改變耦合方式，選擇一定的探頭以實現預期的探測波型和檢測靈敏度，或者說，可采用多種不同的方法對試件進行檢測。操作簡單、方便、容易實施。缺點：單探頭檢測往往在試件中留有一定盲區(qū)。由于探頭的近場效應，故不適用與薄壁試件和近表面缺陷的檢測。缺陷波的大小與被檢缺陷的取向關系密切，容易有漏檢現象發(fā)生。因聲波往返傳播，故不適用于衰減太大的材料。超聲檢測方法直接接觸法液浸法在探頭和試件之間填充一定厚度的液體介質作耦合劑，使聲波首先經過液體耦合劑，而后再入射到試件中去，探頭與試件并不直接接觸，從而克服了直接接觸法的上述缺點。優(yōu)缺點：超聲波檢測技術的應用大型鍛件的超聲檢測鑄件缺陷的檢測小型壓力容器殼體超聲檢測復合材料檢測焊接接頭缺陷的超聲檢測非金屬材料檢測超聲波測量技術聲速測量超聲波測厚超聲波衰減系數的測定超聲波測量液位超聲波測量流量超聲波測量溫度其他超聲波測量方法射線檢測射線的種類波長較短的電磁波3和速度高、能量大的粒子流都叫射線。射線由射線源向外發(fā)射的過程稱為輻射，一般可分為電離輻射和非電離輻射兩大類。前者指那些能量很低，不足以引起物質電離的射線，如微波輻射、紅外線燈；后者指那些能夠直接或間接引起電離的輻射。直接電離輻射通常是指那些帶電離子，如陰極射線、α射線、β射線和質子射線等。易與物質發(fā)生作用，穿透力弱，一般不利用其進行無損檢測。而間接電離輻射是不帶電的離子，如X射線、γ射線及中子射線等。貫穿本領強，被廣泛的用于無損檢測。射線的產生X射線高速電子撞擊陽極靶面，大部分能量以熱量散發(fā)出來，極少部分能量以X射線的形式輻射出來。它是一種混合射線，包括連續(xù)X射線和標識X射線組成。γ射線一種電磁波，由放射性原子核發(fā)射。一般工業(yè)應用的γ射線源都是采用由核反應制成的人工放射性源。中子射線通過核反應得到。其來源一般分三類：同位素中子源加速器中子源反應堆中子源射線的特性具有穿透物質的能力不帶電荷、不受電磁場的作用具有波粒二象性能使某些物質起光化學作用能使氣體電離和殺死有生命的細胞X射線的檢測原理當射線通過被檢物體時，有缺陷部位（如氣孔、非金屬夾雜）與無缺陷部位對射線的吸收能力不同，一般情況是透過有缺陷部位的射線強度高于無缺陷部位的射線強度，這種差異可以用來判斷被檢測物體中是否含有缺陷。檢測方法照相法：將感光材料（膠片）置于被檢測試件后面，來接收透過試件的不同強度的射線。靈敏度高，直觀可靠，重復性好，是最常用的方法之一。電離檢測法：當射線透過氣體時，與氣體分子撞擊使其失去電子而電離，生成正離子，有的氣體分子得到電子而生成負離子，從而產生電流，電離電流的大小與射線的強度有關。這種方法的自動化程度高，成本低，但是對缺陷的性質判斷較困難，只適合于形狀簡單、表面平整的工件，可以制成專業(yè)設備。檢測方法熒光屏直接觀察法：將透過試件的射線投射到涂有熒光物質的熒光屏上時，在熒光屏上則會激發(fā)出不同強度的熒光來，可以用來辨認缺陷。如車站的危險品檢測設備，醫(yī)院的X光胸透儀。這種方法具有成本低，效率高，可連續(xù)檢測等特點。適用于形狀簡單，要求不嚴格的產品檢驗。電視觀察法是熒光屏直接觀察法的發(fā)展，即將熒光屏上的可見影像通過光電倍增管增強圖像，再通過電視設備顯示。該方法自動化程度高，可觀察靜態(tài)或者動態(tài)的情況，但是靈敏度比照相法稍差，對于復雜形狀的零件檢測比較困難。照相法的靈敏度靈敏度X射線檢測的靈敏度是指顯示缺陷的程度或能發(fā)現最小缺陷的能力，它是檢測質量的標志。絕對靈敏度在射線底片上能發(fā)現被檢試件中與射線平行方向的最小缺陷尺寸。相對靈敏度它是指在射線底片上能發(fā)現被檢工件中與射線平行方向的最小缺陷尺寸占缺陷處試件厚度的百分數。即K=X/d×100%，其中X為平行射線方向的最小缺陷尺寸，d為缺陷處工件厚度。目前一般所說的射線照相靈敏度都是指相對靈敏度。透度計透度計透度計（或像質計）是用來估價檢測靈敏度的一種標準工具，同時也常用來選取或驗證射線檢驗的透照參數。因此用透度計測得的靈敏度來表示底片的影像質量。增感屏射線照相的影像主要是由膠片吸收的能量決定的，然而X射線進入膠片并被吸收的效率又是很低的，一般只能吸收約1%的有效射線能量來形成影像，這意味著要得到一張清晰的具有一定黑度的底片需要很長的感光時間。實際上，即使感光時間很長，往往也得不到滿意的效果（黑度）。所以常常利用某些特殊物質，這些物質在射線的作用下能激發(fā)熒光或產生次級射線，這些激發(fā)出的熒光或次級射線對膠片有強感光作用，增感屏就是用這種特殊物質制造的。增感屏的三種類型：熒光增感屏、金屬增感屏和金屬熒光增感屏。曝光曲線影響透照靈敏度的因素很多，包括X射線探傷機的性能，膠片質量及其暗室處理條件，增感屏的選用，散射線的防護，被檢部件的材質、形狀與幾何尺寸，缺陷的尺寸、方位、形狀和性質，X射線探傷機的管電壓、管電流，檢測過程中曝光時間和焦距等參數的選擇，等等。典型工件的透照方向選擇平板形工件包括扁平鑄件、對接焊板、直徑很大的圓筒形鑄件焊件等。一般來說，射線源和感光膠片分置工件的兩側。對于V形和X形坡口焊縫檢測，除了從垂直方向上進行透照以為，還要從(垂直于)坡口斜面的方向上進行透照。以便于對未熔合時容易產生的裂紋進行檢測。圓管圓管形或曲率小的圓弧形工件。外透法膠片在內，射線由外向內照射。適用于大直徑的圓筒狀工件。內透法膠片在外，射線由內向外透射。適用于小直徑，壁厚較大的工件。典型工件的透照方向選擇雙壁雙影法膠片在下，射線從上方傾斜透射。適用于直徑小，內部無法接近（無法在管內貼膠片）的工件。直徑不能超過80~100mm的管件。雙壁單影法膠片在下，射線從上方垂直透射。適用于管徑較大，內部無法接近的管件。直徑大于100~900mm的管件。角形件包括角焊、迭焊、十字焊等焊接工藝焊接的工件，以及鑄件肋板的根部和凸緣部等。照射方向多為其角的角平分線方向。管接頭焊縫典型工件的透照方向選擇圓柱體包括軸、圓管、試棒、鋼索等圓形或橢圓形斷面的工件，以及厚壁而內徑很小的圓管形部件。對于大批量的相同部件檢測，可以考慮采用專用托座和夾具。一般情況下，可以使用濾波板。濾波板的作用是：提高輻射束的平均能量，增加寬容度；過濾軟射線，削弱了散射線的有害影響。厚度變化劇烈的物體為避免曝光差異過大的問題，可以采取以下措施：采用不同感光度的膠片分別曝光采用補償措施，如補償塊，或放入補償液體中。

常見缺陷及其在底片上的影像特征鑄件焊件中常見的缺陷表面缺陷偽缺陷缺陷埋藏深度的確定γ射線檢測的特點γ射線能量固定，要根據材料厚度、精度要求合理選擇γ射線源。γ射線的輻射劑量低于X射線，所以曝光時間比較長，一般都要使用增感屏。γ射線的無法開關，不像X射線那樣可以隨時開關，所以要注意射線的防護工作。γ射線的穿透能力強于X射線，但是靈敏度低于X射線，可用于高空、水下、野外作業(yè)，對于無水無電及其他設備不能接近的部位（狹小的孔洞或高壓線的接頭）比較適用。中子射線照相檢測的特點穿透力強于X射線和γ射線，但是對含氫材料表現為很強的散射性能；不同的元素對中子射線的吸收系數不同；中子射線不能直接使X射線膠片感光，所以需要通過一種特殊的轉換屏與X射線底片組合使用。射線的防護定義：通過采取適當措施，減少射線對工作人員和其它人員的照射劑量，比避免超劑量照射以及減少射線對人體的影響。國家允許的輻射劑量標準為1×10-3Sv/周。屏蔽防護法距離防護時間防護中子防護渦流檢測渦流檢測的基本原理當導電體靠近變化著的磁場或導體作切割磁力線運動時，由電磁感應定律可知，導體內部必然會感生出呈渦狀流動的電流，即渦流。而渦流又會產生自己的磁場，這個磁場會削弱和抵消激勵磁場的變化，這個磁場會受試件內部組織狀態(tài)和缺陷等的影響，通過檢測線圈來檢測試件中渦流磁場的變化，從而達到檢測的目的，稱為渦流檢測。渦流效應原理示意圖渦流效應應用實例渦流檢測的特點對導電材料表面和近表面缺陷的檢測靈敏度高。應用范圍廣，對影響感生渦流特性的各種物理和工藝因素均能實施檢測。在一定條件下，能反映有關裂紋深度的信息。不需要耦合劑，易于實現管、棒、線材高速高效的自動化檢測?？稍诟邷亍⒈”诠?、細線、零件內孔表面等其他檢測方法不適用的場合實施檢測。對于形狀復雜的機械零件來說，進行渦流檢測效率較低，而且在工業(yè)探傷中也難以區(qū)分缺陷的種類和形狀。渦流的趨膚效應和滲透深度當交變電流通過導體時，分布在導體橫截面上的電流密度并不均勻，而是越接近表層電流密度越大，越接近中心越小，這稱之為趨膚效應。滲透深度（趨膚深度）：在渦流檢測中，將渦流密度衰減為其表面密度的1/e（36.8%）時，對應的深度定義為滲透深度。其數學表達式為：h=503/(fμrγ)1/2

可以看出，滲透深度與被檢材料的電導率γ、磁導率μr以及激勵頻率f的二分之一次冪成反比，當深度達到3h時，其渦流密度僅為其表面密度的5%，這個深度也稱為渦流探傷能夠達到的極限深度。我們要根據檢測深度的要求合理選擇渦流檢測頻率。特征頻率和相似律兩個電磁性質和幾何尺寸都不一樣的兩根導電棒材，只要采用相同的頻率比f/fg，則兩個導電棒材內部的磁場強度和渦流密度與分布都將相同，即渦流檢測效果相同，這稱為渦流檢測的相似律，f為實際檢測頻率，fg也稱為該材料的特征頻率。此外，為了考慮信噪比，頻率比f/fg可以盡量選高一點，但是頻率越高，滲透深度越淺，所以還需要考慮檢測深度的因素。信號調制在渦流檢測的過程中，由于試件內部狀態(tài)改變引起的檢測線圈輸出信號變化的過程，稱為信號調制。而調制包括幅度調制，相位調制等。渦流檢測線圈分類外穿過式線圈可以實現小直徑管、棒、線材表面質量的高速、大批量自動化檢測。內通過式線圈可以檢測安裝好的管件、小直徑的孔的內壁的表面質量。探頭式（放置式）線圈體積小，線圈內部一般帶有磁芯。探頭式線圈檢測靈敏度高，適用于各種板材、帶材和大直徑的管材和棒材的表面檢測。檢測線圈的使用方式絕對式

只用一個線圈進行渦流檢測，該方法在檢測前要進行標準試樣的調零。可用于材質分選和涂層測厚，也可用于材料探傷。差動式

兩個線圈反接在一起進行工作?？煞譃闃藴时容^式和自比較式。標準比較式兩個線圈分別放置在標準試樣和被檢工件上。比較兩個線圈的輸出信號有無差異來判斷。自比較式兩個完全相同的線圈同時對同一工件的相鄰部分進行檢測，如果出現裂紋缺陷時，就會產生信號差異。檢測線圈的使用方式絕對式和差動式的優(yōu)缺點：絕對式優(yōu)點：對于缺陷和材質的變化均十分敏感，而且對于這種變換的敏感程度較高，可以顯示缺陷的全長。絕對式缺點：有溫度的漂移，對探頭的顫動較為敏感。差動式的優(yōu)點：無溫度漂移，對探頭的顫動不敏感。差動式的缺點：對于缺陷只能測出起點和終點，對于標準差動式來說，可以檢測材質的變化，但是對于自比較式來說，無法檢測出材質的變化，對于緩變不夠敏感。渦流探傷金屬管材探傷一般采用穿過式線圈，利于自動化，對于小直徑的管材比較適用，但是由于感生渦流沿工件的周向流動，所以對于周向裂紋不敏感，此外，如果直徑過大，缺陷面積過小，從而會降低檢測靈敏度，這時需要采用放置式（探頭式）線圈。對于需要檢測管材內壁的情況下，如在服役中的管道的維護檢測，就需要采用內穿過式線圈。渦流探傷金屬棒材、線材和絲材的探傷一般采用和管材類似的穿過式線圈檢測。如果需要對棒材內部較深處的缺陷進行檢測，就要適當降低頻率。結構件疲勞裂紋探傷服役的結構件表面的疲勞裂紋，經常采用放置式（探頭式）線圈進行檢測。材質檢驗材料成分及雜質含量的鑒別雜質含量會嚴重的影響導電材料的電導率，而電導率會影響檢測線圈的阻抗，利用這個原理可以很容易的檢測出金屬材料中雜質的含量。熱處理狀態(tài)的鑒別不同的熱處理組織具有不同的電導率，同樣可以被檢測出來。混料分選利用不同材料的電導率差異進行區(qū)分。要注意材料厚度、溫度和表面狀態(tài)的影響。渦流測厚覆層厚度的測量原理提離效應：采用探頭式線圈檢測工件時，線圈阻抗會隨其到工件表面的距離發(fā)生變化。適用范圍：非鐵磁性材料（除鐵、鎳、鈷等以外的金屬材料）表面各種絕緣膜的厚度測量。金屬薄板或箔厚度的測定厚度越薄，測量精度越高。磁粉檢測定義：利用磁粉的聚集來顯示鐵磁性材料及其工件表面與近表面缺陷的無損檢測方法，稱為磁粉檢測。優(yōu)點：可以直觀地顯示出缺陷的形狀、位置與大小，并能大致確定缺陷的性質。檢測靈敏度高，可檢測出寬度僅為0.1μm的表面裂紋。應用范圍廣，幾乎不受被檢工件大小及幾何形狀的限制。工藝簡單，檢測速度快，費用低廉。缺點：只能用于鐵磁性材料（鐵、鈷、鎳及其合金）；只能用于檢測表面及近表面缺陷。磁粉檢測的基本原理鐵磁性漏磁場漏磁場與磁粉的相互作用影響漏磁場強度的主要因素

磁化方法周向磁化通電方向：軸線磁化方向：垂直于軸線的周向應用：檢測近軸線方向的缺陷。磁化方法：對于小型工件，整體通電或中心導體通電，整體磁化。對于大型工件，觸頭法（直接通電）和平行電纜法（輔助通電），局部磁化。縱向磁化磁化方向：軸線方向應用：檢測與軸線方向垂直的缺陷磁化方法磁軛法：可以橫向磁化，也可以縱向磁化。通常情況下，為了避免漏檢，同一部位應該進行至少兩次方向相互垂直的檢測。而且移動磁軛時，有效檢測部位應該重疊25mm以上。線圈法：可以對管道環(huán)焊縫進行縱裂紋的檢測。復合磁化磁化電流交流磁化能實現復合磁化，檢測靈敏度高，而且由于交流電的趨膚效應，對于表面缺陷的靈敏度高。整流和直流滲透能力強，可檢測較深處的缺陷。檢測以后的退磁比較困難。磁化規(guī)范保證足夠的磁場強度電磁軛提升力縱向磁場觸頭法磁化電流周向磁場纏繞電纜法（檢測管道環(huán)焊縫）安匝數系統(tǒng)靈敏性能與靈敏度標準試板試環(huán)磁場指示器磁粉檢測技術表面預處理有助于磁粉遷移被檢表面應充分干燥；用化學或機械方法徹底清除被檢表面的油污、鐵銹、氧化等等；采用直接通電法時，應保證觸電處接觸良好，避免燒傷。磁粉檢測技術施加磁粉的方法干法用干燥磁粉（粒度10~60μm）進行檢測。濕法磁粉（粒度1~10μm）懸浮在油、水或其它載體中進行檢測的方法。靈敏度較高。磁粉檢測技術檢測方法連續(xù)法在有外加磁場作用的同時向被檢表面施加磁粉或懸浮液的檢測方法。濕粉連續(xù)磁化干粉連續(xù)磁化剩磁法利用磁化過后被檢工件上的剩磁進行磁粉檢測的方法稱為剩磁法。磁痕分析與記錄磁痕觀察(放大鏡、光照強度）磁痕分析退磁后處理滲透檢測滲透檢測的基本原理由于滲透液的潤濕作用和毛細現象而進入表面開口的缺陷，隨后被吸附和顯像。滲透作用的深度和速度與滲透液的表面張力、粘附力、內聚力、滲透時間、材料的表面狀況、缺陷的大小及類型等因素有關。表面張力液體表面收縮的趨勢。液體的潤濕作用潤濕（接觸角小于90°）和不潤濕（接觸角大于90°）毛細現象乳化作用：由于表面活性劑的作用，使本來不能混合到一起的兩種液體能夠混到一起的現象稱為乳化現象，具有乳化作用的表面活性劑稱為乳化劑。滲透檢測的基本步驟預清洗滲透（水洗型、后乳化型）清洗多余的滲透劑干燥顯像（顯像劑）觀察常見缺陷的顯像特征氣孔疏松非金屬夾雜各種裂紋無損檢測新技術激光全息照相的原理全息照相：以光波干涉原理為基礎，其主要特點是把被測物光波的全部信息（振幅、相位）記錄在介質上。全息照相是一種兩步成像的過程。第一步是記錄，即將能使光波再現的振幅信息和位相信息記錄在感光底片上。第二步是再現，用參考光束照明全息照片，便可實現波前（它指的是某一時刻波動所達到最前方的各點所連成的曲面）的再現。

激光全息檢測的原理利用激光全息照相來檢測物體表面和內部缺陷。由于物體在受到外界載荷的作用下會產生變形，這種變形與物體是否含有缺陷有直接的關系，在不同的外界載荷作用下，物體表面變形的程度是不相同的。而這些變形被全息照相技術記錄下來，并進行觀察和分析，得出檢測結論。激光全息檢測的原理激光全息檢測的特點采用干涉原理計量，靈敏度高?？梢詸z測大尺寸物體對被檢對象沒有材質和表面粗糙度的要求?？梢愿鶕治龈缮鏃l紋的數量和分布來確定缺陷的大小、位置和取向，便于進行定量分析。激光全息檢測方法物體表面位移的觀察方法實時法兩次曝光法時間平均法激光全息檢測方法激光全息檢測的加載方法內部充氣法適合內部中空的工件。表面真空法適合內部無法充氣的工件。熱加載法聲振檢測法激勵被測工件產生振動，通過測量被檢測工件的振動特征來判定其質量的一種無損檢測方法。檢測原理及方法激勵被測工件產生振動，通過檢測工件的振動特征（包括振動幅度、頻率、振動摩擦生熱等）來判斷缺陷的方法。微波無損檢測微波檢測的基本原理通過研究微波照射工件時產生的反射、透射、衍射、干涉、腔體微擾等物理現象，以及微波作用于被檢測材料時電磁特性-介電常數的損耗正切角（耗散因數與介電常數之比稱作損耗正切角，其可表示材料與微波的耦合能力），通過檢測微波基本參數（頻率、振幅、相位）的變換來判斷被測材料質量的方法。介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質中電場比值即為介電常數。微波檢測的方法穿透法反射法散射法微波檢測技術的應用對于塑料、陶瓷、樹脂、玻璃、橡膠以及復合材料等非金屬材料比較適合，也適合于各種膠接結構中脫粘和分層的檢測，此外，金屬加工工件表面粗糙度和裂紋的檢測。聲發(fā)射檢測技術聲發(fā)射檢測原理聲發(fā)射：材料或者結構件受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放出應變能的現象。在外部因素（如應力、電磁、溫度等）的作用下，使材料或構件發(fā)生塑性變形或者斷裂，就會產生聲發(fā)射，利用高靈敏度的儀器檢測和分析這些聲發(fā)射信號，從而對材料的質量和缺陷做出判斷。聲發(fā)射檢測特點動態(tài)檢測，即材料內部的結構和缺陷處于運動變化的過程中，才能實施檢測。不可逆性，由于塑性變形的不可逆性，在同樣或者小于前次載荷的情況下，聲發(fā)射不會發(fā)生，也稱為Kaiser效應。紅外無損檢測紅外無損檢測的原理紅外輻射：任何溫度高于絕對零度的物體，都會不停的向外進行紅外輻射，也稱熱輻射。通過任何物體都會進行紅外輻射的原理，在一定的條件下，對物體的紅外輻射進行檢測和分析，從而判斷物體的熱狀態(tài)，進而對物體的實際工作狀態(tài)和可靠性進行判斷。紅外無損檢測技術的特點操作安全靈敏度高檢測效率高難于確定被檢測物體的內部熱狀態(tài)失效分析基礎知識金屬構件在制造過程或服役期間的失效，其原因與來自原材料缺陷、鍛軋缺陷、焊接缺陷、熱處理缺陷及機械加工缺陷形成的缺陷密切相關。

例子：

1979年9月7日，中國某電化廠氯氣車間的液氯鋼瓶爆炸，使10t液氯外溢擴散，波及范圍7．25km2，致使59人死亡，779人中毒，當時統(tǒng)計的直接經濟損失達63萬元。

1984年12月3日凌晨，在印度博帕爾市的美國聯合碳化物公司所屬的—家化工廠，由于安全裝置失靈，系統(tǒng)升壓導致儲罐管路破裂，泄出大量毒氣，造成375人死亡，2000人重傷。該市50萬居民中有20萬受到毒氣的侵害，其中2萬人需要住院治療。有關方面要求美國公司賠償150億美元的損失費。失效的因素金屬構件中可能引起失效的冶金缺陷縮孔、疏松、偏析、內裂紋、氣泡和白點等。金屬鍛造及軋制件缺陷內部組織缺陷粗大的魏氏體組織網絡化碳化物及帶狀組織鋼材表層脫碳表面缺陷折疊劃痕結疤表面裂紋分層失效的因素夾雜物及其對鋼性能的影響夾雜物的分類脆性夾雜物塑性夾雜物半塑性變形的夾雜物夾雜物對鋼性能的影響夾雜物對鋼的強度影響較小，對韌性影響較大。夾雜物形成裂紋源的主要原因：熱膨脹系數不同引起的應力集中，進而形成開裂。夾雜物本身產生斷裂或夾雜物與基體交界面產生斷裂而成為裂紋源。失效的因素金屬焊接組織缺陷氣孔、晶粒粗大、裂紋等。裂紋可以分為熱裂紋結晶裂紋高溫液化裂紋多邊化裂紋再熱裂紋冷裂紋層狀撕裂失效的因素鋼鐵熱處理產生的組織缺陷熱應力與組織應力淬裂的原因材料本身的缺陷，包括縮孔、夾雜物、晶粒粗大、偏析等等。淬火溫度不當淬火時冷卻不當，冷速過快或零件結構復雜，截面尺寸變化大。機械加工缺陷不及時回火失效構件的力學計算傳統(tǒng)強度理論第一強度理論第二強度理論第三強度理論第四強度理論斷裂力學的基本概念環(huán)境作用機理化學反應化學反應：氧化的原理氧化膜的保護性直線規(guī)律拋物線規(guī)律對數規(guī)律

電化學反應金屬構件常見失效形式及其判斷變形失效

在常溫或溫度不很高的情況下的變形失效主要有彈性變形失效和塑性變形失效，彈性變形失效主要是變形過量或喪失原設計的彈性功能，塑性變形失效一般是變形過量。在高溫下的變形失效有蠕變失效和熱松弛失效。1、金屬構件的彈性變形失效

σ＝Eε(1)彈性變形

在彈性狀態(tài)下，固體材料吸收了加裁的能量，依靠原子間距的變化而產生變形，但因未超過原子之間的結合力，當卸裁時，全部能量釋放，變形完全消失，恢復材料的原樣。

要有好的彈性，應從提高材料的彈性極限及降低彈性模量入手。(2)金屬彈性變形的特點

a．可逆性金屬材料的彈性變形具有可逆的性質，即加載時產生，卸載后恢復到原狀的性質。

b．單值性金屬材料在彈性變形過程中，不論是加載階段還是卸載階段，只要在緩慢的加載條件下，應力與應變都保持正比的單值對應的線性關系，即符合虎克定律。

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。但兩個階段彈性變形的總量是很小的，加起來一般小于0.5%-1.0%。(3)過量的彈性變形失效

構件產生的彈性變形量超過構件匹配所允許的數值，稱為過量的彈性變形失效。判斷方法如下：①失效的構件是否有嚴格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫的工作條件。②注意觀察在正常工作時，構件互相不接觸，而又很靠近的表面上是否有劃傷、擦傷或磨損的痕跡。只要觀察到這種痕跡．而且構件停工時，構件相互間仍有間隙，便可作為判斷的依據。③在設計時是否考慮了彈性變形的影響及采取了相應的措施。④通過計算驗證是否有過量彈性變形的可能。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的晶格常數的變化驗證是否符合要求。

(4)失去彈性功能的彈性變形失效當構件的彈性變形已不遵循變形可逆性、單值對應性及小變形量的特性時，則構件失去了彈性功能而失效。(5)彈性變形失效的原因及防護措施

過載、超溫或材料變質是構件產生彈件變形失效的原因。預防措施：①選擇合適的材料或構件結構。②確定適當的構件匹配尺寸或變形的約束條件。對于拉壓變形的桿柱類零件、彎扭變形的軸類零件，其過量的彈性變形都會因構件喪失配合精度導致動作失誤，要求精確計算可能產生的彈性變形及變形約束而達到適當的配合尺寸。③采用減少變形影響的連接件，如皮帶傳動、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等。2、金屬構件的塑性變形失效(1)塑性變形

塑性表示材料中的應力超過屈服極限后，能產生顯著的不可逆變形而不立即破壞的性態(tài)。這種顯著且不可逆的變形稱為塑性變形。通常反映材料塑性性能優(yōu)劣的指標是伸長率δ和斷面收縮牢φ。伸長率和斷而收縮率越高，則塑性越好。金屬的塑性變形一般可看作是晶體的缺陷運動。(2)金屬塑性變形的特點a．不可逆性

金屬材料的塑性交形是不可恢復的，當材料應力等于或高于屈服極限后產生的變形，在卸裁后，其變形仍然保留在材料內。塑性交形的微觀機制表明，位錯運動及增殖使晶體實現一個晶面在另一個晶面上的逐步滑移，宏觀表征是卸載后塑性變形保留至可觀察及測量。b．變形量不恒定金屬是多晶體，各個晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，從面使各晶粒變形有不同時性及不均勻性。一個構件在各個部位的塑性變形量不相同，因而個別塑性變形量大的部位將出現材料的不連續(xù)(成為斷裂失效的裂源)。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。d．伴隨材料性能的變化這主要是因為塑性變形時，金屬內部組織結構發(fā)生變化，由位錯運動及增殖實現了晶面的滑移，亞晶結構形成；晶粒歪扭，微裂紋等缺陷產生。如在材料加工中，隨塑性交形量增加，即產生了加工硬化，原因是位錯密度增加、位錯纏結、位錯運動相互作用及運動阻力增加，其宏觀表現就是應變硬化。

(3)塑性變形失效金屬構件產生的塑性變形量超過允許的數值稱為塑性變形失效。其變形失效判斷以影響構件執(zhí)行正常功能為依據。(4)塑性變形失效的原因及預防措施

構件塑性變形失效的原因主要是過載，使構件的受力過大，出現影響構件使用功能的過量的塑性變形。過載不僅是對構件承受的外載荷估計不足，還應該包括偏載引起局部應力、復雜結構應力計算誤差及應力集中、加工及熱處理產生殘余應力、材料微觀不均勻的附加應力等因素，使構件受力不均，局部區(qū)域的總應力超值。

塑性變形失效預防措施：

①合理選材，提高金屬材料抵抗塑性變形的能力，除了選擇合適的屈服強度的材料，還要保證金屬材料質量，控制組織狀態(tài)及冶金缺陷。

②準確地確定構件的工作載荷，正確進行應力計算，合理選取安全系數及進行結構設計，減少應力集中及降低應力集中水平。

③嚴格按照加工工藝規(guī)程對構件成形，減少殘余應力。

④嚴禁構件運行超載。⑤監(jiān)測腐蝕環(huán)境構件強度尺寸的減小。3、高溫作用下金屬構件的變形失效

金屬構件在高溫長時間作用下，即使其應力恒小于屈服強度，也會緩慢地產生塑性變形，當該變形量超過規(guī)定的要求時，會導致構件的塑性變形失效。此時所稱的高溫為高于0.3Tm(Tm是以絕對溫度表示的金屬材料的熔點)，一般情況下碳鋼構件在300℃以上，低合金強度鋼構件在400℃以上。

(1)蠕變變形失效金屬材料在長時間恒溫、恒應力作用下，即使應力低于屈服強度，也會緩慢地產生塑性變形，這種現象稱為蠕變。蠕變曲線可分為三個階段：第Ⅰ階段ab是減速蠕變階段第Ⅱ階段bc是恒速蠕變階段第Ⅲ階段cd是加速蠕變階段壓力容器的蠕變變形量一般規(guī)定在105h為1％，即蠕變速率為10-7mm／(mm·h)。特點：蠕變變形失效也是一種塑性變形失效，有塑性變形失效的特點，但蠕變失效并不一定是過載，只是載荷大時，蠕變變形失效的時間短，恒速蠕變階段蠕變速度大。高溫下不僅有蠕變變形引起的構件外部尺寸的變化，還有金屬內部組織結構特有的變化，導致高溫力學性能下降、構件承載能力降、蠕變速度加快、失效加快。衡量指標：材料抵抗蠕變的能力用蠕變極限及持久強度來衡量。蠕變極限是高溫長期載荷下材料抵抗塑性變形的抗力指標，用給定溫度下材料產生規(guī)定蠕變速率的應力值或材料產生一定蠕變變形量的應力值來表示。持久強度則是材料在高溫長期載荷下，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力值。材料的蠕變極限及持久強度高，則抗高溫蠕變性能好。預防措施：選用抗蠕變性能合適的材料與防止裝備中構件的超溫使用。典型例子：圖3-5過熱管蠕變變形及脹裂(2)應力松弛變形失效金屬的蠕變是在應力不變的條件下，構件不斷產生塑性變形的過程；而金屬的松弛則是在總變形不變的條件下，構件彈性變形不斷轉為塑性變形從而使應力不斷降低的過程。處于應力松弛條件的構件，在—定的溫度下，彈性變形量與塑性變形量的變化可用下式表示：總變形量ε0＝ε彈＋ε塑＝常數

金屬的應力松弛曲線:

第Ⅰ階段持續(xù)時間較短，應力隨時間增加而急劇下降；

第Ⅱ階段持續(xù)時間很長，應力緩慢下降。而且往往經很長時間仍然看不到松弛的下限應力。

在某一時間段上構件所保持的應力稱為殘余應力。松弛穩(wěn)定性的衡量指標：材料抵抗應力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，用殘余應力σ殘來衡量。殘余應力高則松弛穩(wěn)定性好。構件在高溫長期使用中都會出現應力松弛的問題，當殘余應力降低至影響構件執(zhí)行正常功能時，則產生應力松弛失效或松弛變形失效。

預防高溫松弛失效的措施：是選用松弛穩(wěn)定性好的材料。對緊固性構件的實際使用也可以在構件使用過程中對其進行一次或多次再緊固，即在構件應力松弛到一定程度時重新緊固，這是經濟而又有效的方法。但要注意到再緊固會對松弛性能有所影響，因為每進行一次再緊固，材料都產生應變硬化，殘余應力有所下降，隨著塑性應變的總量增加，材料最終是會斷裂的。3.2斷裂失效

斷裂是金屬構件在應力作用下材料分離為互不相連的兩個或兩個以上部分的現象。

金屬材料的斷裂過程一般有三個階段，即裂紋的萌生，裂紋的亞穩(wěn)擴展及失穩(wěn)擴展，最后是斷裂。金屬構件可能在材料制造、構件成形或使用階段的不同條件下啟裂、萌生裂紋；并受不同的環(huán)境因素及承載狀態(tài)的影響而使裂紋擴展直至斷裂。金屬構件斷裂后，在斷裂部位都有匹配的兩個斷裂表面，稱為斷口，斷口及其周圍留下與斷裂過程有密切相關的信息。通過斷口分析可以判斷斷裂的類型、斷裂過程的機理，從而找出斷裂的原因和預防斷裂的措施。

統(tǒng)一斷裂要素：①加載條件：中、低速列入靜載荷，高速列人沖擊載荷；交變載荷指循環(huán)載荷。用拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、剪切、接觸作為加載方向。②裂紋擴展速率：裂紋低速穩(wěn)態(tài)擴展每秒小于5米；裂紋非穩(wěn)態(tài)快速擴展，高達每秒上千米。③最終斷裂前的應變狀態(tài)用脆性、韌性來說明；宏觀斷裂方向用平直面(平面應變狀態(tài))和剪切面(平面應力狀態(tài))來說明。④斷口表面的宏觀形貌用肉眼、放大鏡或低倍顯微鏡觀察后用光反射(發(fā)亮或發(fā)灰)和紋理(光滑或粗糙、結晶或絲光、顆?；蚶w維、自然現象景觀等)來表示。⑤斷口表面的微觀形貌用顯微鏡觀察的圖像緣像形來表示(韌窩、解理小平面、輝紋、自然現象景觀等)。1、斷裂失效的分類

(1)按斷裂前變形程度分類

a.韌性斷裂斷裂前產生明顯的塑性變形，斷裂過程中吸收了較多的能量，—般是在高于材料屈服應力條件下的高能斷裂。

b.脆性斷裂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。斷裂過程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允許應力條件下的低能斷裂。(2)按造成斷裂的應力類型及斷面的宏觀取向與應力的相對位置分類

a.正斷當外加作用力引起構件的正應力分量超過材料的正斷抗力時發(fā)生的斷裂。斷裂面垂直于正應力或最大的拉伸應變方向。

b.切斷當外加作用力引起構件的切應力分量超過材料在滑移面上的切斷抗力時發(fā)生的斷裂。斷裂面平行于最大切應力或最大切應變方向，與最大正應力約呈45。交角。

正斷可能是脆性的，也可能是韌性的，而切斷一般總是韌性的。表3-1不同類型負荷下的斷裂形式表3-1不同類型負荷下的斷裂形式(3)按斷裂過程中裂紋擴展所經的途徑分類a.沿晶斷裂裂紋沿晶界擴展至斷裂。沿晶斷裂多屬脆性斷裂。

b穿晶斷裂裂紋的萌生和擴展穿過晶粒內部的斷裂。穿晶斷裂可以是韌性的也可以是脆性的。c混晶斷裂在多晶體金屬材料的斷裂過程中，多數是其裂紋的擴展既有穿晶型、也有晶間型的混晶斷裂。如馬氏體或回火馬氏體材料的瞬間斷裂。(4)按負荷的性質及應力產生的原因分類

a.疲勞斷裂材料在交變負荷下發(fā)生的斷裂

b.環(huán)境斷裂材料在環(huán)境作用下引起的低應力斷裂。主要包括應力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。

(5)按微觀斷裂機制分類

a.解理斷裂在正應力(拉力)作用下，裂紋沿特定的結晶學平面擴展而導致的穿晶脆斷，但有時也可沿滑移面或孿晶界分離。

b.韌窩斷裂在外力作用下因微孔聚集相互連通而造成的斷裂。

c.疲勞斷裂在交變應力作用下以疲勞輝紋為標志的斷裂。

d.蠕變斷裂材料在一定溫度下，恒載經一定時間后產生累進式形變而導致的斷裂。

e.結合力弱化斷裂裂紋沿著出于各種原因而引起的結合力弱化所造成的脆弱區(qū)域擴展而形成的斷裂。2、韌性斷裂在構件斷裂之前產生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂。1)韌性斷裂特征

韌性斷裂是一個緩慢的斷裂過程，塑性變形與裂紋成長同時進行。裂紋萌生及亞穩(wěn)擴展阻力大、速度慢，材料在斷裂過程中需要不斷消耗相當多的能量。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度極限σb時，裂紋擴展達到臨界長度，發(fā)生韌性斷裂。韌性斷裂有兩種類型：一種是宏觀斷面取向與最大正應力相垂直的正斷型斷裂，又稱平面斷裂，這種斷裂出現在形變約束較大的場合，如平面應變條件下的斷裂；另一種是宏觀斷面取向與最大切應力方向相一致的切斷，即與最大正應力約呈45°角，又稱斜斷裂，這種斷裂出現在滑移形變不受約束或約束較小的情況，如平面應力條件下的斷裂。工程構件最常出現的兩種韌性斷裂宏現形貌2）韌性斷裂的斷口形貌

(1)韌性斷裂斷口宏現形貌在直徑大的圓棒鋼試樣新斷裂的金屬灰色斷口上能觀察到三個區(qū)：凹凸不平暗灰色且無光澤的纖維區(qū)、放射線紋理的灰色有光放射區(qū)及平滑絲光的亮灰色剪切唇區(qū)。

纖維區(qū)是材料內部處在平面應變三向應力作用下啟裂，在試樣中心形成很多小裂紋及裂紋緩慢擴展而形成的。纖維區(qū)外顯示出平行于裂紋擴展的放射線狀的紋理，這是中心裂紋向四周放射狀快速擴展的結果，該區(qū)稱為放射區(qū)。當裂紋快速擴展到試樣表面附近時，由于試樣剩余厚度很小，故變?yōu)槠矫鎽顟B(tài)，從而剩余的外圍部分剪切斷裂。斷裂面沿最大切應力面和拉伸軸成45。角，此區(qū)稱為剪切唇區(qū)。

從韌性斷裂宏觀形貌三區(qū)的特征可分析斷口的類型、斷裂的方式及性質，有助于判斷失效的機理及找出失效的原因。根據纖維區(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材料的性能。如纖維區(qū)較大，材料的塑性和韌性比較好；如放射區(qū)比較大，則材料的塑性降低，而脆性增大。(2)韌性斷裂斷口微觀形貌

a.韌窩韌性斷裂斷口的微觀形貌呈現出韌窩狀，在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質點。

①韌窩的分類。根據受力狀態(tài)的不同，通?？梢猿霈F三種不同形態(tài)的韌窩。

等軸韌窩在正應力(即垂直于斷面的最大主應力)的均勻作用下，顯微孔洞沿空間三個方向上的長大速度相同，因而形成等軸韌窩。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。剪切韌窩在切應力(平行于斷面的最大切應力)的作用下、塑性變形使顯微孔洞沿切應力方向的長大速度達到最大，同時，顯微孔被拉長，形成拋物線狀或半橢圓狀的韌窩，這時兩個匹配面上的韌窩朝著相反方向，這種韌窩稱為剪切韌窩。剪切韌窩通常出現在拉伸斷口的剪切唇區(qū)。撕裂韌窩

撕裂應力作用下出現伸長的或呈拋物線狀的韌窩。此時兩個匹配面上的韌窩朝著相同的方向，這種韌窩稱為撕裂韌窩。撕裂韌窩的方向指向裂紋源，而其反方向則是裂紋的擴展方向。撕裂韌窩與剪切韌窩在形貌上沒有什么不同，大多是長形、拋物線狀。只是在對應的兩個斷面上，其拋物線韌窩的方向不同，對剪切韌窩凸向相反，對撕裂韌窩凸向相同。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，決定于材料斷裂時微孔的核心數量和材料本身的相對塑性，如果微孔的核心數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。通常韌窩越大越深，材料的塑性越好。韌窩尺寸與夾雜物的大小直接相關，而正當夾雜物呈圓顆粒時，韌窩呈等軸狀，當夾雜物呈條狀時，韌窩也呈長條形。

③韌窩數量的多少取決于顯微孔洞數目的多少。當材料含有較多的第二相質點或夾雜物時，則在形成韌窩過程中，第二相質點或夾雜物往往存在于韌窩底部，形成的韌窩數量較多，而且較小。

b．蛇行花樣在某些金屬材料中，尤其是雜質、缺陷少的金屬材料，在較大的塑性變形后，沿滑移面剪切分離，因位向不同的晶粒之間的相互約束和牽制，不可能僅僅沿某一個滑移面滑移，而是沿著許多相互交叉的滑移面滑移。形成起伏彎曲的條紋形貌，一般稱為“蛇行花樣”。3）產生韌性斷裂的影咱因素及防止措施韌性斷裂的原因多是各種影響因素造成的材料強度不足，如構件受到較大的載荷或過載、局部應力集中等。預防的措施如下：

①設計時充分考慮構件的承載能力，在可能的情況下設計變形限位裝置或者增加變形保護系統(tǒng)等，盡可能使塑性變形不要發(fā)展為斷裂。

②操作時保持儀表完好的狀態(tài)，準確顯示操作工況。

③嚴格遵守操作規(guī)程，嚴禁超載、超溫、超速等。

④隨時注意有無異常變形。

⑤定期測厚，尤其有腐蝕、高溫氧化等引起壁厚減薄的工況。3、脆性斷裂(1)脆性斷裂的特征

①脆性斷裂時工作應力是不高的，往往低于材料的屈服點，甚至低于設計時的許用應力。②中、低強度鋼的脆性斷裂一般是在比較低的溫度下發(fā)生的，因此人們也把脆性斷裂叫做“低溫脆性斷裂”。與面心立方金屬比較，體心立方金屬隨溫度的下降，塑性將明顯下降，屈服應力升高。

③脆性斷裂是從金屬構件內部存在的裂紋作為裂紋源而開始的。

④脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬材料中出現，而面心立方金屬材料只有在特定的條件下才會出現脆性斷裂。

⑤脆性斷裂一般沿低指數晶面穿晶解理，解理是金屬在正應力的作用下沿解理面發(fā)生的一種低能斷裂。由于解理是通過破壞原子間的接合力來實現的，而密排面之間的原子間隙最大，接合力最弱，故絕大多數解理面是原子密排面。(2)脆性斷裂的斷口形貌a．斷口的宏現形貌

小刻面脆性解理斷裂的斷口是平滑明亮結晶狀的。人字條紋或山形條紋脆性解理斷口還具有另一特殊的宏觀形貌特征，即從斷裂源點形成“人字條紋“或“山形條紋”。隨著裂紋的發(fā)展，人字條紋或山形條紋變粗。因而根據斷口人字條紋或山形條紋的圖形可以判斷脆性斷裂的裂紋擴展方向和尋找斷裂起源點。人字條紋或山形條紋從細變租的方向為裂紋擴展的方向；相反的方向，指向裂紋起源點。這個判斷方法對于尋找脆性斷裂源，從而正確分析失效原因是有實際意義的。

實例，美國順納德球形儲氫壓力容器(直徑11.7m)爆炸成為20個碎片，斷口呈人字條紋，脆性斷裂總長達198m。失效分析工作者將20個碎片拼合，根據斷口人字條紋矢形方向匯集到清掃孔A、B、C處從而斷定裂紋源于清掃孔處。

b．斷口的微觀形貌

河流花樣

實際上是斷裂面上的微小解理臺階在圖像上的表現，河流條紋就是相當于各個解理平面的交割。河流條紋的流向也是裂紋擴展的方向，河流的上游(即河流分叉方向)是裂紋源。舌狀花樣當材料的脆性大、溫度低，臨界變形困難，晶體變形以形變孿晶方式進行。其他花樣有羽毛花樣、青魚骨狀花樣及瓦納線花樣。

(3)脆性斷裂的影響因素

a．應力狀態(tài)與缺口效應應力狀態(tài)是指構件內應力的類型、分布、大小和方向。不同的應力狀態(tài)對脆性斷裂有不同的影響，如最大拉伸應力和最大切應力對形變和斷裂起不同的作用。最大切應力促進塑性滑移的發(fā)展，是位錯移動的推動力，它對形變和斷裂的發(fā)生及發(fā)展過程都產生影響；而最大拉伸應力則只促進脆性裂紋的擴展。因此，最大拉應力與最大切應力的比值越大，構件失效脆性斷裂可能性越大，在三向拉伸應力狀態(tài)下比值最大，極易導致脆性斷裂。在實際金屬構件中，常見由于應力分布不均勻而造成三向應力狀態(tài)，如構件的截面突然變化、小的圓角半徑、預存裂紋、刀痕、尖銳缺口尖端處往往由應力集中而引起應力不均勻分布，周圍區(qū)域為了保持變形協調，便對高應力區(qū)以約束，即造成三向拉伸應力狀態(tài)。這是造成金屬構件在靜態(tài)低負荷下產生脆性斷裂的重要原因。b．溫度低溫下造成構件的脆性斷裂是由于溫度的改變而引起材料本身的性能變化。隨著溫度的降低，鋼的屈服應力增加，韌性下降，解理應力也隨著下降。當溫度在材料脆件轉變溫度以下時，材料的解理應力小于其屈服應力，材料的斷裂由原來的正常韌性斷裂轉為脆性斷裂。c．尺寸效應隨著鋼板厚度的增加，脆性轉變溫度升高。鋼件的缺口脆性增加；關于板厚的脆化原因一般認為與冶金質量和應力狀態(tài)有關。d焊接質量焊接缺陷一般有夾雜、氣孔、未焊透和焊接裂紋等，而其中焊接裂紋的存在對焊接構件的斷裂起著重要作用。e．工作介質金屬構件在腐蝕介質中，受應力(尤其拉應力)作用，同時又有電化學腐蝕時，極易導致早期脆性斷裂。f．材料和組織因素脆性材料、劣等冶金質量、有氫脆傾向的材料以及缺口敏感性大的鋼種都能促使發(fā)生脆性斷裂；不良熱處理產生脆性組織狀態(tài)，如組織偏析、脆性相析出、晶間脆性析出物、淬火裂紋、淬火后消除應力處理不及時或不充分等也能促進脆性斷裂的發(fā)生。

(4)預防脆性斷裂的途徑①溫度是引起構件脆斷的重要因素之一，設計者必須考慮構件的最低工作溫度應高于材料的脆性轉變溫度。若所設計的構件工作溫度較低，甚至低于該材料的脆性轉變溫度，則必須降低設計應力水平，使應力低于不會發(fā)生裂紋擴展的水平；若其設計應力不能降低，則應更換材料。選擇韌性更高、脆性轉變溫度更低的材料。②設計者在選擇材料時，除考慮材料的強度外，還應保證材料有足夠的韌性。應該從斷裂力學的觀點來選擇材料，若材料有較高的斷裂韌性時，則構件中允許有較大的缺陷存在。③為減少構件脆性斷裂，在設計時應使由缺陷所產生的應力集中減小到最低限度；如減少尖銳角；消除未焊透的焊縫；結構設計時應盡量保證結構幾何尺寸的連續(xù)性(因為在結構不連續(xù)的過渡部位往往使構件應力集中而形成高應力區(qū))；過渡段的連接應采用正確的焊接方法。④盡量減少由焊接產生的缺陷。這種設計包括選擇適當的焊縫金屬缺口韌性，焊接預熱和焊后的熱處理制度，適當設計焊接條件以減少缺陷。4、疲勞斷裂金屬構件在交變載荷的作用下，雖然應力水平低于金屬材料的抗拉強度，有時甚至低于屈服極限，但經過一定的循環(huán)周期后，金屬構件會發(fā)生突然的斷裂，這種斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是脆性斷裂的一種形式。(1)疲勞斷裂的現象及特征①疲勞負荷是交變負荷。

②金屬構件在交變負荷作用下，一次應力循環(huán)對構件不產生明顯的破壞作用，不足以使構件發(fā)生斷裂。構件疲勞斷裂是在負荷經多次循環(huán)以后才發(fā)生的，高周疲勞斷裂的循環(huán)次數Nf＞104，而低周疲勞斷裂的循環(huán)次數較少，一般Nf＝102~104。疲勞斷裂應力還小于抗拉強度σb，其至也小于屈服點σs。高周疲勞斷裂應力水平，一般σf＜σs，也稱低應力疲勞；而低周疲勞斷裂應力水平較高，一般σf≥σs

，往往有塑性應變發(fā)生，也稱高應力疲勞或應變疲勞。③疲勞斷裂只可能在有使材料分離扯開的反復拉伸應力和反復切應力的情況下出現。純壓縮負荷不會出現疲勞斷裂，疲勞起源點往往出現在最大拉應力處。④疲勞斷裂過程包括疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴展和瞬時斷裂三個階段。

疲勞裂紋的萌生

大量研究表明，疲勞裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的，主要方式有表面滑移帶形成，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂及各類冶金缺陷，工藝缺陷等。金屬構件由于受到交變負荷的作用，金屬表面晶體在平行于最大切應力平面上產生無拘束相對滑移，產生了一種復雜的表面狀態(tài)，常稱為表面的“擠出。和“擠入”現象，形成了滑移帶，當金屬表面的滑移帶形成尖銳而狹窄的缺口時，便產生疲勞裂紋的裂紋源。疲勞裂紋的擴展

疲勞裂紋擴展的第一階段為切向擴展階段。裂紋尖端將沿著與拉伸軸呈45°方向的滑移面擴展。

疲勞裂紋擴展的第二階段為正向擴展階段。在交變應力作用下，疲勞裂紋從原來與拉伸軸呈45°的滑移面，發(fā)展到與拉伸軸呈90°，即由平面應力狀態(tài)轉變?yōu)槠矫鎽儬顟B(tài)，這一階段中最突出的顯微特征是存在著大量的、相互平行的條紋，稱為“疲勞輝紋”。瞬時斷裂

疲勞裂紋在第二階段擴展到一定深度后，由于剩余工作截面減小，應力逐漸增加，裂紋加速擴展。當剩余面積小到不足以承受負荷時，在交變應力作用下，即發(fā)生突然的瞬時斷裂，其斷裂過程同單調加裁的情形相似。疲勞斷裂與其他一次負荷斷裂有所區(qū)別，它是一種累進式斷裂。

⑤即使是塑性良好的合金鋼或鋁合金，疲勞斷裂構件斷口附近通常也觀察不到宏觀的塑性變形。(2)疲勞斷裂的斷裂形貌a．斷口的宏觀形貌疲勞裂紋起源區(qū)即為疲勞裂紋萌生區(qū)。這個區(qū)域在整個疲勞斷口中所占的比例很小。通常就是指斷面上疲勞花樣放射源的中心點或疲勞弧線的曲率中心點。疲勞裂紋源一般位于構件表面應力集中處或不同類型的缺陷部位。一般情況下，一個疲勞斷口有一個疲勞源。

疲勞裂紋擴展區(qū)在此區(qū)中?？煽吹接腥绮ɡ送期s海岸沙灘而形成的“沙灘花樣”，又稱“貝殼狀條紋”、“疲勞弧帶”等，這種沙灘花樣是疲勞裂紋前沿線間斷擴展的痕跡，每一條條帶的邊界是疲勞裂紋在某一個時間的推進位置，沙灘花樣是由于裂紋擴展時受到障礙，時而擴展、時而停止，或由于開車停車、加速減速、加載卸載導致負荷周期性突變而產生的。

疲勞裂紋擴展區(qū)是在一個相當長時間內，在交變負荷作用下裂紋擴展的結果。拉應力使裂紋擴張，壓應力使裂紋閉合(或大小應力使裂紋張合)，裂紋兩側反復張合，使得疲勞裂紋擴展區(qū)在客觀上是一個明亮的磨光區(qū)，越接近疲勞起源點越光滑。如果在宏觀上觀察到沙灘花樣時，就可判別這個斷口是疲勞斷裂。多源疲勞的裂紋擴展區(qū)，各個裂源不一定在一個平面上，隨著裂紋擴展被此相連時，同的平面間的連接處形成疲勞臺階或折紋。疲勞臺階越多，表示其應力或應力集中越大。最終斷裂區(qū)當疲勞裂紋擴展到臨界尺寸時，構件承載截面減小至強度不足引起瞬時斷裂，該瞬時斷裂區(qū)域是最終斷裂區(qū)。最終斷裂區(qū)的斷口形貌較多呈現宏觀的脆性斷裂特征，即粗糙“晶?！睜罱Y構，其斷口與主應力基本垂直。只有當材料的塑性很大時，最終斷裂區(qū)才具有纖維狀的結構，并出現較大的45°剪切唇區(qū)。從一個疲勞斷口的宏觀特征，能夠判斷以下幾個問題：i．判斷疲勞起源點及裂紋擴展方向。

可以在條紋稠密處、條紋曲率半徑最小的地方尋找疲勞裂紋起源點。疲勞裂紋起源點可能在構件表面上，也可能在構件的亞表面處或零件的心部。如果疲勞裂紋起源點在構件的表面上，那么應當從構件表面質量和表面應力狀態(tài)及工作介質等方面去查明疲勞斷裂的原因；如果疲勞裂紋起源點處于亞表面上，則應考慮亞表面是否有拉應力峰值或表面熱處理的過渡層質量問題，或其他材質缺陷；如果疲勞裂紋起源點落于構件內部，則疲勞斷裂多半是材料內部質量(夾雜物、內裂紋等)所引起的。

最初疲勞源區(qū)相對于其他疲勞源區(qū)所承受的應力較小。裂紋擴展速率較慢，經歷交變負荷作用的時間長(摩擦次數多)。因此沒有臺階，疲勞裂紋密度大，且密度越大起源的時間越早，同時比較光澤明亮。沙灘花樣從疲勞裂紋起源點向最終斷裂區(qū)放射的方向就是疲勞裂紋擴展的方向。

ⅱ判斷應力大小。如果最終斷裂區(qū)在斷裂構件的中心，那么疲勞斷裂應力等級是很高的，名義應力可能超過疲勞極限的30％～100％，斷裂循環(huán)次數大約不超過3×105周次；如果最終斷裂區(qū)在構件的表面或接近于表面，那么引起疲勞斷裂的實際應力可能高出疲勞極限不多，最多高出10％左右，構件可能是經歷了幾百萬周次循環(huán)后才斷裂。最終斷裂面所占斷口面積的比例反映應力數值的大小，最終斷裂面的面積大，則應力大；反之則應力小。ⅲ

材料的缺口敏感性常常影響疲勞斷裂的斷口形態(tài)。若材料對缺口不敏感，則疲勞條紋繞著裂紋源或為向外凸起的同心圓狀；若材料對缺口敏感，則疲勞條紋繞著裂源開始較為平坦，向前擴展一定距離后即以反弧形向前擴展。

ⅳ

判斷負荷類型。b．斷口的微觀形貌疲勞輝紋具有以下的幾個特征：ⅰ疲勞輝紋是一系列基本上相互平行的條紋，略帶彎曲，呈波浪狀。并與裂紋微觀擴展方向相垂直。裂紋的擴展方向均朝向波紋凸出的一側。輝紋的間距(每兩條相鄰疲勞條紋之間的距離)在很大程度上與外加交變負荷的大小有關，條紋的清晰度則取決于材料的韌性。因此，高應力水平比接近疲勞極限應力下更易觀察到疲勞輝紋；高強鋼疲勞就不如鋁合金疲勞那樣容易觀察到疲勞輝紋。

ⅱ每一條疲勞輝紋表示該循環(huán)下疲勞裂紋擴展前沿線在前進過程中的瞬時微觀位置。裂紋三階段有不同的微觀特征：疲勞起源部位由很多細滑移線組成，以后形成致密的條紋，隨著裂紋的擴展，應力逐漸增加，疲勞條紋的間距也隨之增加。ⅲ

疲勞輝紋可分為韌性輝紋和脆性輝紋兩類。脆性疲勞輝紋的形成與裂紋擴展中沿某些解理面發(fā)生解理有關，在疲勞輝紋上可以看到把疲勞輝紋切割成一段段的解理臺階，因此，脆性疲勞輝紋的間距呈不均勻，斷斷續(xù)續(xù)的，脆性疲勞輝紋一般不常見。韌性疲勞輝紋較為常見，它的形成與材料的結晶學之間無明顯關系，有較大塑性變形，疲勞輝紋的間距均勻規(guī)則。圖3-38韌性和脆性疲勞輝紋ⅳ疲勞斷口的微觀范圍內，通常由許多大小不同、高低不同的小斷片組成。疲勞輝紋均勻分布在斷片上，每一小斷片上的疲勞輝紋連續(xù)且相互平行分布，但相鄰斷片上的疲勞輝紋是不連續(xù)、不平行的。圖3-39疲勞輝紋與小斷片示意圖ⅴ疲勞輝紋中每一條輝紋一般代表一次裁荷循環(huán)，輝紋的數目與載荷循環(huán)次數相等。輪胎壓痕花樣它是由于疲勞斷口的兩個匹配斷面之間重復沖擊和相互運動所形成的機械損傷，也可能是由于松動的自由粒子(硬質點)在匹配斷裂面上作用留下的微觀變形痕跡。輪胎壓痕花祥不是疲勞本身的形態(tài)，但卻是疲勞斷裂的一個表征。(3)影響疲勞斷裂的因素及其改善的途徑a．構件表面狀態(tài)大量疲勞失效分析表明，疲勞斷裂多數起源于構件的表面或亞表面，這是由于承受交變載荷的構件工作時其表面應力往往較高，典型的是彎曲疲勞構件表面拉應力最大，加上各類工藝程序難以確保表面加工質量而造成的。因此，凡是制造工藝過程中產生預生裂紋(如淬火裂紋)、尖銳缺口(如表面祖糙度不符合要求，有加工刀痕等)和任何削弱表面強度的弊病(如表面氧化、脫碳等)都將嚴重地影響構件的疲勞壽命。而且，材料的強度越高，則表面狀態(tài)對疲勞的影內也越大。

b．缺口效應與應力集中許多構件包含有缺口、螺紋、孔洞、臺階以及與其相類似的表面幾何形狀，也可能有刀痕、機械劃傷等表面缺陷，這些部位使表面應力提高和形成應力集中區(qū)，且往往成為疲勞斷裂的起源。c殘余應力

如果構件表面存在著殘余拉應力，對疲勞是極為不利的。但是，如果使構件表面誘發(fā)產生殘余壓應力，則對抗疲勞大有好處。因為殘余壓應力起著削減表面拉應力數值的作用。一些表面熱處理工序，如表而淬火、滲碳和氮化；一些機械加工工序，如噴丸、表面滾壓、冷拔、擠壓和拋光都產生有利的殘余壓應力。因此，工程上經常采用這些方法來提高構件的疲勞抗力。d材料的成分和組織在各類工程材料中，結構鋼的疲勞強度最高。在結構鋼中，疲勞強度隨著含碳量增加而增高，鉑、鉻、鎳等也有類似的效應。碳是影響疲勞強度的重要元素，碳既可間隙固溶強化基體，又可形成彌散碳化物進行彌散強化，提高鋼材的形變抗力，阻止循環(huán)滑移帶的形成和開裂，從而阻止疲勞裂紋的萌生和擴展，以及提高疲勞強度。其他合金元素主要通過提高鋼的淬透性和改善鋼的強韌性來改善疲勞強度。

質量均勻、無表面或內在連續(xù)性缺陷的材料組織抗疲勞性能好。試驗表明，減少夾雜物的數量，減小夾雜物的尺寸和改善夾雜物形狀(減少尖角)都能有效地提高疲勞強度。e工作條件

①載荷頻率對疲勞強度的影響是其在一定范圍內可以提高疲勞強度。

②低于疲勞極限的應力稱為次載。金屬在低于疲勞極限的應力下先運轉一定次數之后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強化作用稱為次載鍛煉。這種現象可能是由于應力應變循環(huán)產生的硬化及局部應力集中松弛的結果。

次載鍛煉效果的大小和下列因素有關；次載應力水平越接近疲勞極限，其鍛煉效果越明顯；次載鍛煉的循