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作者：徐書根 設(shè)備及其構(gòu)件在使用過程中,，由于應(yīng)力,、時間、溫度和環(huán)境介質(zhì)和操作失誤等因素的作用,，失去其原有功能的現(xiàn)象時有發(fā)生,。這種喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效。裝備及其構(gòu)件除了早期適應(yīng)性運行及晚期耗損達到設(shè)計壽命有預(yù)料中的正常失效外,，在正式運行期間,，金屬裝備及其構(gòu)件在何時,、以何種方式發(fā)生失效是隨機事件，暫時還無法完全預(yù)料,。 1.1失效分析的定義和目的 對裝備及其構(gòu)件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的特征及規(guī)律進行分析研究,，從中找出產(chǎn)生失效的主要原因及預(yù)防措施，稱為失效分析,。 其目的是明確失效類型,、找出失效原因，采取改進和預(yù)防措施,，防止類似的失效在設(shè)計壽命范圍內(nèi)再發(fā)生,，對裝備及其構(gòu)件在以后的設(shè)計、選材,、加工及使用進行指導,。 1.2 失效分析的意義 （1）促進科學技術(shù)的發(fā)展 失效分析是對事物認識的一個復(fù)雜過程，通過多學科交叉分析,，找到失效的原因,，不僅可以防止同樣的失效再發(fā)生，而且能更進一步完善裝備構(gòu)件的功能,，并促進與之相關(guān)的各項工作的改進,。 案例 船舶低溫脆斷 在焊接結(jié)構(gòu)斷裂中，船舶的脆性斷裂事故頗受人們注意,。在第二次世界大戰(zhàn)期間,，美國的焊接“自由輪”在使用過程中發(fā)生大量的破壞事故,，其中238艘向完全報廢,、19艘船沉沒。船舶損壞有完全斷裂或部分斷裂兩種情況,，據(jù)統(tǒng)計有24艘船舶脆斷成兩半的情況,。 Shank等人對船舶的脆性斷裂事故作了詳細調(diào)查，并獲得了大量數(shù)據(jù),。認為造成最主要的原因是鋼的缺口敏感性,。更值得注意的是：大部分船舶脆斷是在氣溫較低的情況下發(fā)生的。當時美國船舶技術(shù)標準中沒有列出對船舶鋼板的缺口敏感性和低溫韌性的性能要求,。 碳鋼和低合金鋼有一個脆性轉(zhuǎn)變溫度,，盡管這些鋼材在常溫下有良好的韌性，但在低于室溫的某一溫度就會變脆(對缺口極為敏感),。某些常用鋼材的低溫韌性轉(zhuǎn)變特性可以很好地解釋美國的“自由輪”,、鋼制橋梁、壓力容器,、管道等在低溫下工作的脆性失效,，促使研制出在低溫下有良好性能的材料?，F(xiàn)在已制造出在接近絕對零度的超低溫下工作的裝備和構(gòu)件。 案例—— 火車車軸疲勞斷裂 19世紀中期,，鐵路運輸?shù)某霈F(xiàn)給工作和生活帶來了方便,，但不久后頻繁出現(xiàn)車軸的斷裂。通過對大量斷軸失效分析和試驗研究工作,，找到了原因：金屬構(gòu)件在交變應(yīng)力的作用下,，即使應(yīng)力遠低于金屬材料的拉伸強度，經(jīng)過一定的循環(huán)積累,，也會發(fā)生斷裂,，這就是“疲勞”。此后經(jīng)物理學家,、冶金學家,、機械工程師反復(fù)、深入,、系統(tǒng)的研究,，使疲勞斷裂成為金屬材料強度學中的一個重要領(lǐng)域。用疲勞的機理可以解釋很多失效現(xiàn)象,，研制出抗疲勞的性能良好的金屬材料,、結(jié)構(gòu)和成形工藝。 對材料和構(gòu)件各種失效機理的認識都是通過對裝備構(gòu)件發(fā)生各種失效進行分析,，提高了對觀規(guī)律的認識,。失效、認識(失效分析),、提高,、再失效、再認識,、再提高,，由此促進了科學技術(shù)的發(fā)展。 （2）提高裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量 裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量是非常重要的,，以質(zhì)量求信譽,，以質(zhì)量求效益，通過對裝備構(gòu)件的失效分析,，是提高質(zhì)量的有力措施,。 裝備構(gòu)件的質(zhì)量往往是通過各種試驗檢測進行考核。試驗室內(nèi)再好的模擬試驗也不可能做到與裝備構(gòu)件服役條件完全相同,。任何一次失效都可視為在實際使用條件下對裝備構(gòu)件質(zhì)量檢查所做的科學試驗,，失效越是意想不到的，越能給人們意想不到的啟示,，引導分析復(fù)雜多變的過程及影響因素下裝備構(gòu)件質(zhì)量的偏差,，找出被忽略的質(zhì)量問題,。由此從設(shè)計、材料,、制造等各方面進行改進,，便可提高裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量。（典型的錯誤） 從大量化工及石油化工裝置構(gòu)件的失效分析總結(jié)出很多的經(jīng)驗,，其中“金屬材料的高質(zhì)量”是預(yù)防失效的首要要求,。 （a）20世紀20年代，奧氏體不銹鋼存在晶間腐蝕失效,，通過失效分析提出晶間腐蝕的貧鉻理論,、選擇性腐蝕理論及沉淀相腐蝕理論等，為避免有害的碳化鉻在晶界沉淀,，降碳,、加穩(wěn)定的碳化物形成元素及雜質(zhì)含量低的奧氏體不銹鋼相繼問世；
（a）裝備及構(gòu)件失效帶來直接及間接的經(jīng)濟損失，進行失效分析找出失效原因及防止措施,，使同樣的失效不再發(fā)生,，這無疑就減少了損失，帶來了經(jīng)濟效益,；（尿素合成塔爆炸） （b）提高裝備構(gòu)件質(zhì)量,，使用壽命增加,，維修費用降低及高的產(chǎn)品質(zhì)量信譽等都帶來經(jīng)濟效益,； （c）失效分析能分清責任，為仲裁和執(zhí)法提供依據(jù),；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(jù),。（通過標準規(guī)避高壓鋼管應(yīng)變時效脆化的發(fā)生） （d）科學技術(shù)是生產(chǎn)力，失效分析有力地推動科學技術(shù)的發(fā)展,，在這個方面失效分析給整個社會帶來的經(jīng)濟效益和社會效益是難以估計,。 1.3 失效分析的歷史,、現(xiàn)狀和未來 失效分析的三個階段 失效分析的初級階段（公元前2025年到第一次工業(yè)革命前） 巴比倫國王漢莫拉比撰寫的漢莫拉比法典是史料記載的最早的產(chǎn)品質(zhì)量的法律文件。它第一次在人類歷史上明確提出規(guī)定對制造有缺陷產(chǎn)品的工匠進行嚴厲制裁,。 近代失效分析階段（從工業(yè)革命到20世紀50年代末） 鍋爐爆炸,、橋梁倒塌、車軸斷裂,、船舶斷裂等事故頻繁出現(xiàn),，人們總結(jié)了各種失效形式及規(guī)律，促使研究帶裂紋體力學行為的斷裂力學雛形的誕生,。 現(xiàn)代失效分析階段 電子顯微分析使失效細節(jié)觀察成為可能,，促使斷口學及痕跡學的完善，成為失效分析最重要的科學技術(shù),； 斷裂力學已成為研究含裂紋的工程結(jié)構(gòu)件變形及裂紋擴展的分支學科,，斷裂力學在失效分析診斷中起了重大作用，揭示含裂紋體的裂紋擴展規(guī)律,，并推進失效預(yù)測預(yù)防工作的進展,； 失效分析集斷裂特征分析、力學分析,、結(jié)構(gòu)分析,、材料抗力分析及可靠性分析為一體，已發(fā)展成為跨學科的,、綜合的和相對獨立的專門學科,，不再是材料科學技術(shù)的一個附屬部分。 國外失效分析發(fā)展現(xiàn)狀 國外工業(yè)發(fā)達國家高度重視航空裝備在內(nèi)的交通安全事故的調(diào)查研究工作,。 美國建有國家運輸安全委員會,，并早在1967年，美國成立了“機械故障預(yù)防中心(MFPC)”,，由原子能委員會,、美國國家航空和宇航局(NASA)等長期支持開展航空和宇航材料與結(jié)構(gòu)的服役失效分析工作。 在德國,，失效分析中心主要建在聯(lián)邦及州立的材料檢驗中心,。原西德的11個州共建了523個材料檢驗站，分別承擔各自富有專長的失效分析任務(wù),。工科大學的材料檢驗中心,，在失效分析技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。 日本的金屬材料技術(shù)研究部是政府的機械失效分析工程管理及運作機構(gòu),。日本的特色是企業(yè)對失效分析特別重視,，認為失效分析是質(zhì)量管理的一個組成部分。 前蘇聯(lián)早在20世紀40,、50年代就開展了失效分析工作,，并出版了一系列有關(guān)失效分析的專著,，但國內(nèi)曾出現(xiàn)的重大事故卻很少在刊物上報道，對于與失效分析相關(guān)的一些問題,，如材料的強度與斷裂,、機械的可靠性與耐用性等則在公開刊物上討論得較詳盡。 中國的失效分析工作從20世紀70年代進入一個新時期,，無論是組織管理,、實際的分析操作技術(shù)、理論研究及普及教育都取得了很大的進步和提高,。 會議方面： 中國機械工程學會失效分析分會與理化檢驗分會一起組織了舉辦全國失效分析學術(shù)會議,。 圖書方面： 《金屬斷口分析》、《機械產(chǎn)品失效分析叢書》,、《機械零件失效分析》,、《機械失效分析手冊》和《失效分析》等。 期刊方面： 《失效分析與預(yù)防》,、除此之外還有許多期刊開設(shè)了失效分析欄目,，例如《金屬熱處理》、《理化檢驗》(物理分冊),、《壓力容器》等,。 中國失效分析的差距與對策 失效分析的重視與普及程度有待提高； 失效分析人員水平差別較大,，需要大力推進人員培訓與 技術(shù)交流,； 失效分析體制有待改進；（政府主導） 失效分析人員的誠信意識和中立意識有待加強,。 1.1鑄態(tài)金屬組織缺陷 鑄態(tài)金屬常見的組織缺陷有縮孔、疏松,、偏析,、內(nèi)裂紋、氣泡和白點等,。 (1)縮孔與疏松
金屬在冷凝過程中,，由于某些因素的影響而形成的化學成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析。 在實際生產(chǎn)中的一般冷卻條件下,，擴散過程常落后于凝固和冷卻過程,。由于擴散不足,，在凝固后的金屬中,，便存在晶體范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，即晶內(nèi)偏析,。這種偏析往往導致金屬中樹枝狀組織的形成,，故亦稱枝晶偏析,。 基于同一原因，在固溶體金屬中,，后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會不同,。此外，在任何一種金屬中,，各個樹枝狀晶體之間最后凝固的部分,，通常屬于低熔點組成物和不可避免的雜質(zhì)，它們與晶體本身的成分不同,。上述這兩種情況都屬于晶體間的成分不均勻現(xiàn)象,，即晶間偏析。
金屬在熔融狀態(tài)時的溶解大量的氣體,，在冷凝過程未能及時逸出,，包容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中，于是形成了氣孔,。這種氣孔稱為氣泡,。 如果鋼液中氫含量較高，在冷卻時氫以原子態(tài)析出,，聚集在鋼中空隙處,，結(jié)合成很難在鋼中進行擴散的氫分子。在空隙處便形成巨大的局部壓力(可達數(shù)百個大氣壓),，遠遠超過了鋼的強度,，因而產(chǎn)生裂縫。當出現(xiàn)這種缺陷以后,，在經(jīng)侵蝕后的橫向截面上,，呈現(xiàn)較多短小的不連續(xù)的發(fā)絲狀裂縫；而在縱向斷口上會發(fā)現(xiàn)表面光滑的,、銀白色的圓形或橢圓形的斑點,，這種缺陷稱為白點。
(1)內(nèi)部組織缺陷 a．粗大的魏氏體組織 在熱軋或停鍛溫度較高時,，由于奧氏體晶粒粗大,，在隨后冷卻時的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒內(nèi)部生長,，或平行排列,，或成一定角度。這種形貌稱為魏氏體組織,。 魏氏體組織因其組織粗大而使材料脆性增加,，強度下降。比較重要的工件不允許魏氏體組織存在。
對于工具鋼,，鍛造和軋制的目的不但是毛坯成形,，更重要的是使其內(nèi)部的碳化物碎化和分布均勻。如果不是多方向鍛造,，和小的鍛造比,，鍛件就存在網(wǎng)絡(luò)狀或帶狀分布的碳化物 由于網(wǎng)狀和帶狀組織破壞了材料性能的均勻性和連貫性，常成為工,、模具過早失效的內(nèi)在因素,。
鋼加熱時，金屬表層的碳原子燒損,，使金屬表層碳成分低于內(nèi)層,，這種現(xiàn)象稱為脫碳，凡降低了碳量的表面層叫做脫碳層,。一般的鍛造和軋制是在大氣中進行的,，加熱及鍛、軋過程中鋼件表層會強烈燒損而出現(xiàn)脫碳層,。
最常見鋼材的表面缺陷有折疊,、劃痕、結(jié)疤,、分層,、表面裂紋等。
(1)脆性夾雜物 脆性夾雜物一般指那些不具有塑性變形能力的簡單氧化物(如A12O3,、Cr2O3,、ZrO2等)、雙氧化物(如FeO·A12O3,、Mg·A12O3,、CaO·6A12O3等)、氮化物[如TiN,、Ti(CN),、AlN、VN等]和不變形的球狀(或點狀)夾雜物(如球狀鋁酸鈣和含SO2較高的硅酸鹽等),。
塑性夾雜物這類夾雜物在鋼經(jīng)受加工變形時具有良好的塑性,，沿著鋼的流變方向延伸成條帶狀，屬于這類的夾雜物有含SO2量較低的鐵錳硅酸鹽,、硫化錳(MnS),、(Fe，Mn)S等,。
半塑性變形的夾雜物一般指各種復(fù)合的鋁硅酸鹽夾雜物,，復(fù)合夾雜物中的基體，在熱加工變形過程中產(chǎn)生塑性變形，但分布在基體中的夾雜物(如鋁酸鈣,、尖晶石型的雙氧化物等)不變形,，基體夾雜物隨著鋼基體的變形而延伸,，而脆性夾雜物不變形,，仍保持原來的幾何形狀，因此將阻礙鄰近的塑性夾雜物自由延伸,，而遠離脆性夾雜物的部分沿著鋼基體的變形方向自由延伸,。
夾雜物對鋼性能的影響 大量試驗事實說明夾雜物對鋼的強度影響較小，對鋼的韌性危害較大,，其危害程度又隨鋼的強度的增高而增加,。 （1）變形性能 由于夾雜物與鋼基體之間的物理性質(zhì)和變形性方面存在著較大的差異，在加工變形過程中,，鋼基體的均勻連續(xù)性受到破壞，引起應(yīng)力集中,。 （2）應(yīng)力集中 由于夾雜物和金屬的彈塑性性質(zhì)不同，非金屬夾雜物可使金屬中發(fā)生應(yīng)力再分配，引起應(yīng)力集中,，成為材料中的薄弱環(huán)節(jié)。 （3）裂紋誘因 夾雜物本身產(chǎn)生斷裂或夾雜物與基體交界面產(chǎn)生斷裂而成為裂源。 1.4金屬焊接組織缺陷 (1)金屬焊接的特點 金屬的焊接是在不平衡的熱力學條件下進行的,，加熱與冷卻速度大。在大的結(jié)構(gòu)件上,，焊接接頭金屬只是一個微小部分，它的加熱與冷卻又是在相當大的剛性拘束下進行的,，因此焊接接頭具有如下特點： （1）焊接區(qū)無論是結(jié)構(gòu)應(yīng)力,，還是熱應(yīng)力都是很復(fù)雜； （2）組織轉(zhuǎn)變的不均勻性以及不平衡的結(jié)晶凝固引起的物理的與化學的不均勻性 （3）容易產(chǎn)生工藝缺陷 (2)焊接接頭的形成與區(qū)域特征
a．熱裂紋 在高溫下產(chǎn)生,，而且都是沿奧氏體晶界開裂,。根據(jù)產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài),、機理和溫度區(qū)間等因素不同，熱裂紋又分為結(jié)晶裂紋,、高溫液化裂紋和多邊化裂紋三類 結(jié)晶裂紋 焊縫在結(jié)晶過程中,，固相線附近由于凝固金屬收縮時,，殘余液相不足,，致使沿晶界開裂,，故稱結(jié)晶裂紋,。 這種裂紋在顯微鏡下觀察時,，可以發(fā)現(xiàn)具有晶間破壞的特征,，多數(shù)情況下在焊縫的斷面上發(fā)現(xiàn)有氧化的色彩,，說明這種裂紋是在高溫下產(chǎn)生的。
在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下,，母材近縫區(qū)和多層焊縫的層間金屬中，由于含有低熔共晶組成物(如硫,、磷,、硅,、鎳等)而被重新熔化,，在收縮應(yīng)力作用下,，沿奧氏體晶間發(fā)生開裂。 多邊化裂紋 焊接時焊縫或近縫區(qū)在固相線溫度以下的高溫區(qū)間,，晶格缺陷的移動和聚集,，便形成了二次邊界，即“多邊化邊界”,，組織疏松,，高溫時的強度和塑性都很低,，易沿著多邊化的邊界開裂,，產(chǎn)生多邊化裂紋,，又稱高溫塑性裂紋,。
厚板結(jié)構(gòu)焊后再進行消除應(yīng)力熱處理,，其目的是消除焊后的殘余應(yīng)力,，改善焊接接頭的金相組織和力學性能,。但對于某些鋼種(含有沉淀強化元素的)在進行消除應(yīng)力熱處理的過程中，在焊接熱影響區(qū)的粗晶部位產(chǎn)生裂紋,。這種裂紋是在重新加熱(熱處理)過程中產(chǎn)生的,，故稱“再熱裂紋”，又稱“消除應(yīng)力處理裂紋”,，國外簡稱“SR裂紋”(StressReliefCracking),。 再熱裂紋與熱裂紋雖然都是沿晶界開裂，但是再熱裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)與熱裂紋根本不同,，再熱裂紋只在一定的溫度區(qū)間(約550～650℃)敏感,，而熱裂紋是發(fā)生在固相線附近。
在相當?shù)偷臏囟?，大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(即Ms點)附近,，由于拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫的作用下,，在焊接接頭產(chǎn)生的裂紋屬冷裂紋,。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼和高碳鋼的熱影響區(qū),，個別情況下,，如焊接超高強鋼或某些鈦合金時，冷裂紋也出現(xiàn)在焊縫上,。主要分為延遲裂紋,、淬硬脆化裂紋和低塑性脆化裂紋。
焊接結(jié)構(gòu)的層狀撕裂是屬低溫開裂,，常用的低合金高強鋼,，撕裂溫度不超過400℃,。層狀撕裂與一般的冷裂紋不同，它主要是由于軋制鋼材的內(nèi)部存在有分層的夾雜物(特別是硫化物夾雜物)和在焊接時產(chǎn)生的垂直軋制方向的應(yīng)力,，致使焊接熱影響區(qū)附近或稍遠的地方產(chǎn)生呈“臺階”狀的層狀開裂,，并具有穿晶發(fā)展。層狀撕裂常發(fā)生在裝焊過程或結(jié)構(gòu)完工之后,，是一種難以修復(fù)的結(jié)構(gòu)破壞,，甚至造成災(zāi)難性事故。,。
鋼鐵零件在熱處理時出現(xiàn)廢品是平常事,，其原因是零件在加熱和冷卻過程中不可避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力來源有兩個方面,。一方面由于冷卻過程中零件表面與中心冷卻速度不同,，其體積收縮在表面與中心也就不一樣。這種由于溫度差而產(chǎn)生體積收縮量不同所引起的內(nèi)應(yīng)力稱做“熱應(yīng)力”,。另一方面,，鋼件在組織轉(zhuǎn)變時比體積發(fā)生變化，比如奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時比體積增大,。由于零件斷面上各處轉(zhuǎn)變的先后不同,，其體積變化各處不同，由此引起的內(nèi)應(yīng)力稱做“組織應(yīng)力”,。
2.1傳統(tǒng)強度理論及適用范圍
（1）在材料力學傳統(tǒng)的強度理論的基礎(chǔ)上建立的一整套有關(guān)結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的計算方法，被稱為傳統(tǒng)的強度計算方法,。到目前為止,，傳統(tǒng)的強度計算方法仍對工程實踐起著很大的指導作用。（GB150和ASMEcode） （2）傳統(tǒng)的強度計算方法簡單易行,，但不夠準確,，因為假設(shè)材料為均勻連續(xù)、無損傷的前提,，與材料的實際情況是有區(qū)別的,。任何原材料都存在微裂紋、微孔洞,、剪切帶以及各種損傷基元的組合,。為了保證構(gòu)件的安全，傳統(tǒng)強度計算方法采用了較高的安全系數(shù),。安全系數(shù)既包容了材料的實際情況與均勻連續(xù)無損傷假設(shè)的差異,，也包容了真實變形體與受力假設(shè)模型的差異,，甚至包容了制造、使用等過程產(chǎn)生的變化與理論假設(shè)的差異在內(nèi),，是一個無知程度系數(shù),。 （3）船舶折斷、橋梁倒塌,、車軸斷裂,、飛機墜毀多是構(gòu)件材料裂紋擴展引起的。人們對裂紋萌生,、長大及失穩(wěn)過程的規(guī)律及對構(gòu)件承載能力削弱的程度研究,，促進了斷裂力學的蓬勃發(fā)展。 2.2斷裂力學的基本概念 斷裂力學研究帶有宏觀裂紋(大于等于0.1mm)的均勻連續(xù)基體的力學行為,，認為引起構(gòu)件斷裂失效的主要原因是構(gòu)件材料存在宏觀裂紋的成長及其失穩(wěn)擴展,。主要研究兩個問題： （1）裂紋體在裂端區(qū)應(yīng)力強度的表征及變化規(guī)律——外力作用下裂紋失穩(wěn)擴展的能力； （2）是裂紋體發(fā)生失穩(wěn)擴展的臨界值——材料抵抗裂紋擴展的能力,。
1.應(yīng)力場表達式
由KI的表達式可見,，隨著應(yīng)力σ的增大，KI值也隨之增加,。因此可以推斷,，當應(yīng)力增大到某一臨界值時，構(gòu)件發(fā)生破壞即裂紋發(fā)生擴展,。此時,，裂紋應(yīng)力強度因子KI達到一個臨界值KIC，稱之為臨界應(yīng)力強度因子,。是材料斷裂韌度之一,，表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的物理參量，由試驗測定,。 3.K-判據(jù) 對于帶裂紋的構(gòu)件來說,，因裂紋擴展引起構(gòu)件破壞的判據(jù)（簡稱斷裂判據(jù)）應(yīng)該是： KI＜KIC K1是裂紋擴展的推動力，它取決于裂紋尺寸和所受載荷（應(yīng)力）而與材料性能無關(guān),，只要材料性能符合線彈性的胡克定律,。 KIC是材料的斷裂韌性度，可根據(jù)標準測試出來,，屬于材料的力學性能之一,，表征材料的韌性優(yōu)劣。 線彈性斷裂力學的歷史功績： 第一次建立了缺陷尺寸—應(yīng)力—材料韌度三者之間的關(guān)系,，從而構(gòu)建了“結(jié)構(gòu)完整性”理論,、“合乎使用”準則。 線彈性斷裂力學的不足之處： “線彈性”假設(shè)未能充分考慮裂尖的塑性變形的影響，不能適用于裂尖大范圍屈服甚至結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域（如應(yīng)力集中區(qū)）全面屈服狀況下裂紋的斷裂問題,。 于是出現(xiàn)了彈塑性甚至全塑性條件下的斷裂力學： —COD理論—裂紋尖端張開位移理論 —J積分理論 裂紋尖端張開位移（COD）理論 －對于無限板中心穿透裂紋,，利用彈塑性力學可以導出裂尖的張開位移（D-M模型）：
δ=δC 是裂紋的臨界狀態(tài),；當δ稍大于δC時，裂紋開裂,；當δ小于δC時,，裂紋不開裂。 （1）裂紋尖端張開位移δ,，可用直接觀察法與蝕刻條紋法等實驗方法測定,，也可用有限元法與公式計算求出。 （2）δC是材料彈塑性斷裂韌度的指標,，是材料常數(shù),，由實驗測得。 優(yōu)點 δ斷裂判據(jù)應(yīng)用到焊接結(jié)構(gòu)和壓力容器的斷裂安全分析非常有效,，而且簡單可行,，加上δC的測量方法也比較簡單，因此,，在20世紀中后期,，δ斷裂判據(jù)在工程上應(yīng)用比較普遍。 缺點 （1）δ斷裂判據(jù)的理論基礎(chǔ)薄弱,，δ公式是根據(jù)M-D模型推出的,，將裂紋尖端塑性區(qū)簡化為窄條形，與真實情況（魚尾形狀）不符合,。 （2）裂紋尖端張開位移臨界值δC的規(guī)定有困難,。如果以開裂點δi的值規(guī)定δC，尺寸影響較小,，比較穩(wěn)定,，適合作為材料常數(shù)，但是用于設(shè)計,，則偏于保守；如果以失穩(wěn)點δmax的值規(guī)定δC,，尺寸影響較大,，數(shù)值不穩(wěn)定，不適合作為材料常數(shù),，但是與斷裂的實際情況較符合,。 （3）M-D模型僅適用穿透裂紋，而工程中遇到的多數(shù)是表面裂紋。對于表面裂紋還沒有相應(yīng)的模型,，只能工程方法近似確定,。 J-積分理論 Rice導出圍繞裂紋的一種線積分是一個與所取積分回路的路線無關(guān)的常量：
－J積分的物理意義是表征裂紋體在載荷作用下由應(yīng)力應(yīng)變構(gòu)成的一種形變能量 －當J積分值達到臨界值JIC時，裂紋發(fā)生開裂 特點 J-積分斷裂判據(jù)與裂紋尖端張開位移δ斷裂判據(jù)等比較,，其優(yōu)點是：理論根據(jù)嚴謹,，定義明確；用有限元法能夠計算不同受力情況與各種結(jié)構(gòu)形狀的J積分（平面問題）,，不像δ斷裂判據(jù)那樣,，計算公式僅限于最簡單的幾何形狀和受力情況；實驗求JC,，簡易可行,，與δ斷裂判據(jù)的實驗相仿。 2.3力學分析的手段 （1）解析法(解析解)：即以彈性與塑性力學為基礎(chǔ)的數(shù)學解法,，包括板殼力學,。然而并非所有問題都可以求得解析解，因而所得的解具有很大的局限性,； （2）數(shù)值法(數(shù)值解)：目前,，最常用的是有限元法，可以解決許多復(fù)雜的實際問題,，但所得結(jié)果并非數(shù)學表達式,，而是一組離散的數(shù)值，因而無通用性,，只能具體問題具體分析,； （3）實驗應(yīng)力分析：包括電測法和光彈法。對于結(jié)構(gòu)或受載復(fù)雜的容器,，是一種有效的分析方法,，也是驗證解析解或數(shù)值解的重要途徑。
核心思想：將結(jié)構(gòu)離散化,，通過結(jié)構(gòu)力學的手段解決問題。 固體力學商業(yè)軟件：ABAQUS,ANSYS,ADINA等 斷裂力學有限元軟件：ALOF,FEcrack,ABAQUS的crack模塊等,。
3.1化學反應(yīng)（腐蝕） 化學腐蝕的方式是環(huán)境介質(zhì)中的某些組分在與金屬表面接觸時取得金屬原子的價電子而被還原，與失去價電子的被氧化的金屬“就地”形成腐蝕產(chǎn)物,，一般情況下這種腐蝕產(chǎn)物覆蓋在金屬表面上,。
金屬被氧化后成為正價離子(包括絡(luò)合離子)進入介質(zhì)或成為難溶化合物一般是金屬的氧化物或含水氧化物或金屬鹽)留在金屬表面。金屬失去的電子通過金屬材本身流向金屬表面的另一部位,，在那里由介質(zhì)中被還原的物質(zhì)所接受,。按這種途徑進行的反應(yīng)稱電化學反應(yīng)，或稱為電化學腐蝕。
前言
截止到2010年底,，全國特種設(shè)備647.65萬臺,。其中：鍋爐60.73萬臺，壓力容器233.59萬臺,。另有氣瓶14072.73萬只,，工業(yè)壓力管道73.2萬公里。 事故與損失 2010年特種設(shè)備萬臺事故起數(shù)為0.64起,，萬臺死亡人數(shù)為0.67人,，與2009年同期相比，萬臺事故起數(shù)減少30.4％,，萬臺設(shè)備死亡人數(shù)下降11.8％,，死亡人數(shù)控制在國務(wù)院安委會下達的特種設(shè)備安全生產(chǎn)控制指標之內(nèi)，事故狀況保持平穩(wěn)態(tài)勢,。 事故原因 從管理層面分析,，違章作業(yè)仍是造成事故的主要原因，約占73%,，具體表現(xiàn)為作業(yè)人員違章操作,、操作不當甚至無證作業(yè)、維護缺失,、管理不善等,；因設(shè)備制造、安裝以及運行過程中產(chǎn)生的質(zhì)量安全缺陷導致的事故約占19％,；因非法行為導致的事故,，約占5％，具體表現(xiàn)為非法制造,、非法修理,、非法改造、非法充裝氣體和非法使用,。 3.1變形失效 定義：金屬構(gòu)件在外力作用下產(chǎn)生形狀和尺寸的變化稱為變形,。 過程：彈性→塑性→縮頸→斷裂 特點：逐步進行，非災(zāi)難性,。 分類：彈性變形失效／塑性變形失效／蠕變變形失效
過量彈性變形失效 構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超過構(gòu)件匹配所允許的數(shù)值,，稱為過量的彈性變形失效。 彎曲變形的軸類零件,，其過大的彈性變形量(過大撓度,、偏角或扭角)會造成軸上嚙合零件的嚴重偏載、甚至嚙合失常,，也會造成軸承的嚴重偏載、甚至咬死，進而導致傳動失效,。 在臥式裝備支撐的雙鞍座設(shè)計中,，一般鞍座墊板上用兩種地腳螺栓孔，一個鞍座螺栓孔為圓孔,，一個鞍座螺栓孔為長圓孔,，就是考慮避免過量彈性變形引起失效。 管道的膨脹節(jié),，以便管道能夠熱脹冷縮,。 浮頭式換熱器，防止熱變形使換熱管和管板拉開,。 過量彈性變形失效 構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超過構(gòu)件匹配所允許的數(shù)值,，稱為過量的彈性變形失效。 彎曲變形的軸類零件,，其過大的彈性變形量(過大撓度,、偏角或扭角)會造成軸上嚙合零件的嚴重偏載、甚至嚙合失常,，也會造成軸承的嚴重偏載,、甚至咬死，進而導致傳動失效,。 在臥式裝備支撐的雙鞍座設(shè)計中,，一般鞍座墊板上用兩種地腳螺栓孔，一個鞍座螺栓孔為圓孔,，一個鞍座螺栓孔為長圓孔,，就是考慮避免過量彈性變形引起失效。 管道的膨脹節(jié),，以便管道能夠熱脹冷縮,。 浮頭式換熱器，防止熱變形使換熱管和管板拉開,。 彈性變形失效的原因及防護措施 過載,、超溫或材料變質(zhì)是構(gòu)件產(chǎn)生彈性變形失效的原因，預(yù)防措施從下列幾個方面考慮： ①選擇合適的材料或構(gòu)件結(jié)構(gòu),。如對彈性變形有嚴格限制的構(gòu)件,，則要選擇剛性高的材料與設(shè)計結(jié)構(gòu)，E值高的材料不容易彈性變形,； ②確定適當?shù)臉?gòu)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(gòu)件喪失配合精度導致動作失誤,，要求精確計算可能產(chǎn)生的彈性變形及變形約束而達到適當?shù)呐浜铣叽纾?/p> 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 化工設(shè)備產(chǎn)生的塑性變形量超過允許的數(shù)值稱為塑性變形失效。其變形失效判斷以影響設(shè)備或構(gòu)件執(zhí)行正常功能為依據(jù),。包括鼓脹,、橢圓度增大、翹曲,、凹陷及歪扭畸變等,，用肉眼觀察或用形規(guī)對比即可判別。 塑性變形失效預(yù)防措施如下： 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(zhì)量,，控制組織狀態(tài)及冶金缺陷,。 ②準確地確定設(shè)備的工作載荷，正確進行應(yīng)力計算,，合理選取安全系數(shù)及進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集中水平。 ③嚴格按照加工工藝規(guī)程對設(shè)備成形,，減少殘余應(yīng)力,。 ④嚴禁設(shè)備運行超載。 ⑤監(jiān)測腐蝕環(huán)境設(shè)備強度尺寸的減小,。 蠕變變形失效 金屬材料在長時間恒溫,、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于屈服強度,，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形,，這種現(xiàn)象稱為蠕變（Creep）。 第一階段,，即曲線ab段,，為蠕變的減速期。試件開始蠕變時速度較快,，隨后逐步減慢,，這一段也是不穩(wěn)定蠕變期。 第二階段,，即曲線bc段,，為蠕變的恒速期。bc近似為一條直線,，當應(yīng)力不太大或溫度不太高時,，這一段持續(xù)時間很長,，是蠕變壽命的主要構(gòu)成部分，也叫穩(wěn)定蠕變階段,。 第三階段,，即曲線cd段，為蠕變的加速期,。此時蠕變速度越來越快，直至d點試件斷裂,。
斷裂是設(shè)備在應(yīng)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(xiàn)象,。設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生裂紋也屬于材料斷裂范疇。斷裂是金屬構(gòu)件常見的失效形式之一,，特別是脆性斷裂,，它是危害性甚大的失效形式。 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(gòu)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(guān)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(yù)防斷裂的措施,。 斷口分析，是失效分析的重要內(nèi)容之一,。
金屬等材料構(gòu)件的斷口一般由纖維區(qū),、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成，這三個區(qū)域通常被稱作斷口三要素,。光滑圓柱金屬棒在室溫下承受靜載拉伸作用,，所呈現(xiàn)的典型破裂斷口形貌，整個斷口呈杯錐狀,。具體宏觀特征為：
纖維區(qū)無金屬光澤,，色質(zhì)灰暗。越是灰暗說明材料的塑性越好,，斷裂時的拉伸塑性變形量越大,。放射紋區(qū)是繼纖維區(qū)的斷裂發(fā)展到臨界尺寸之后，隨即發(fā)生快速撕裂時斷口上留下的痕跡,。放射紋是快速撕裂的痕跡,。 剪切唇一般是斷裂擴展到接近構(gòu)件的邊緣時在平面應(yīng)力狀態(tài)下由最大剪應(yīng)力引起撕裂的痕跡,，最大主應(yīng)力約成45o夾角。 顯微形貌 (1)纖維區(qū)的顯微形貌 電鏡中顯示的纖維區(qū)形貌特征是呈“韌窩”花樣,，韌窩花樣顯示了金屬的這種斷裂機制的“微孔聚積”,。
在裂縫快速撕裂擴展過程中形成的人字紋，其斷裂的機理比較特殊,，在電子顯微鏡中顯示的形貌既不是嚴格按結(jié)晶面斷開的解理斷裂機制,，也不是像韌性斷裂的微孔聚積，因此被稱為“準解理”,。
一般屬于拉長韌窩型的形貌,。
金屬構(gòu)件超載時會發(fā)生塑性變形，使宏觀尺寸發(fā)生明顯變化,。當其應(yīng)力應(yīng)變增大到材料的抗拉強度時,，結(jié)構(gòu)便出現(xiàn)斷裂失效。一般將發(fā)生過明顯塑性變形之后的斷裂稱為韌性(或稱延性)斷裂失效,。 韌性斷裂的宏觀特征： 1,、有明顯的塑性變形 2、爆破口是長縫或有分叉,，但無碎片
韌性斷裂的微觀特征： 韌性斷裂有正斷和切斷,，其微觀形貌相應(yīng)也有微孔聚集型的韌窩花樣和純剪切的蛇行花樣(及由蛇行滑動形成的漣波或延伸而致的無特征花樣)。 a．韌窩 韌性斷裂斷斷口的微觀形貌呈現(xiàn)出韌窩狀,，在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質(zhì)點,。
剪切韌窩 在切應(yīng)力的作用下,，塑性變形使顯微孔洞沿切應(yīng)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,。 撕裂韌窩 撕裂應(yīng)力作用下出現(xiàn)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,。
在某些金屬材料中,，尤其是雜質(zhì)、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,。若形變程度加劇,，則蛇行花樣因變形而平滑化，形成“漣波”花樣,。
韌性斷裂的容器一般不破碎成塊或者片，而是只裂開一個裂口,。壁厚比較均勻的圓筒形容器,，常常是在中部沿軸向裂開，裂口的大小與容器破裂時釋放的能量有關(guān),。盛裝常溫受壓水的容器，破裂時因釋放膨脹功很小,，所以破口也?。皇⒀b受壓飽和水及液化氣體的容器,，破裂時因閃蒸產(chǎn)生大量氣體,，器壁的裂口也較大。 實際爆破壓力接近計算爆破壓力,，屬于超載破壞,。 承壓設(shè)備的韌性斷裂是載荷引起的當量應(yīng)力達到抗拉強度時產(chǎn)生的斷裂，其實際爆破壓力往往與計算爆破壓力相接近,，遠遠超過了承壓設(shè)備的許用壓力及正常工作壓力,，屬于超壓或超載破壞（設(shè)備壁因腐蝕或磨損減薄時例外）。 常見韌性斷裂事故 ①液化氣體容器充裝過量,。 有些盛裝高臨界溫度液化氣體的氣瓶,、罐車和貯罐，由于操作疏忽,、計量錯誤或其它原因造成充裝過量,，在運輸或使用過程中，容器內(nèi)介質(zhì)溫度因環(huán)境溫度影響或太陽曝曬而升高,，介質(zhì)體積膨脹滿液后使器內(nèi)壓力急劇上升,，最終導致容器韌性斷裂。 ②承壓設(shè)備在使用中超壓,。 由于違反操作規(guī)程,、操作失誤或其它原因，造成設(shè)備內(nèi)壓力升高并超過其許用壓力,，而設(shè)備又沒有裝設(shè)安全泄壓裝置或安全泄壓裝置失靈,，最終造成韌性斷裂,。 ③設(shè)備維護不良引起壁厚減薄。 由于介質(zhì)對器壁的腐蝕或磨損,，或設(shè)備長期閑置不用而又未進行可靠防護,，造成器壁嚴重減薄，又未及時檢驗,，使部件在正常工作壓力下發(fā)生韌性斷裂,。對腐蝕減薄部位來說，這也屬于超載高應(yīng)力斷裂,。 常見韌性斷裂事故預(yù)防 ①化工設(shè)備必須按規(guī)定進行設(shè)計 承壓部件必須經(jīng)過強度驗算,，未經(jīng)正規(guī)設(shè)計的化工設(shè)備禁止使用。 ②禁止將一般生活鍋爐改裝成承壓鍋爐 防止非承壓的容器因結(jié)構(gòu)或操作原因在器內(nèi)產(chǎn)生壓力,。 ③承壓設(shè)備應(yīng)按規(guī)定裝設(shè)性能和規(guī)格都符合要求的安全泄壓裝置,，并始終使其處于靈敏可靠的狀態(tài)。 ④認真執(zhí)行安全操作規(guī)程,，操作人員不得擅自離開工作崗位,，注意監(jiān)督檢查，防止承壓設(shè)備超壓,。 ⑤嚴格定期檢驗制度,，檢驗時若發(fā)現(xiàn)承壓部件器壁被腐蝕而致厚度嚴重減薄，或承壓設(shè)備在使用中曾發(fā)生過顯著的塑性變形時,，即應(yīng)停用,。 事故案例 青島堿業(yè)股份有限公司熱電分公司5號鍋爐在大修后，6月27日進行水壓試驗,，試驗壓力3.92MPa,6月28日23點05分試車點火,，當鍋爐壓力達到3.0MPa時，校驗人員準備進行安全閥校驗工作,，29日凌晨2點20分,，壓力上升到4.25MPa時，校驗人員在安全閥平臺正欲進行校驗之時,，鍋爐頂部右側(cè)水冷壁上集箱與汽包之間的一根連接管發(fā)生爆炸,，致現(xiàn)場操作人員四死一傷。
在爆破口的一端B8和B9位置發(fā)現(xiàn)大量的條狀密集腐蝕凹坑，有些地方近乎于裂紋,，最深約3mm,，范圍為200mm×60mm；在另一端爆破口的B5位置也同樣發(fā)現(xiàn)了大量的條狀密集腐蝕凹坑,，嚴重處形如裂紋,，最深約3~3.5mm，范圍為240mm×40mm,。
σs——管道材料的屈服強度或屈服點，MPa,； R——凹坑所在部位管道的平均半徑,，mm； B——凹坑所在部位管道的壁厚，mm,； Z——凹坑深度,，mm； X——凹坑長度,，mm,。 根據(jù)上式，管道在常溫和工作溫度下極限載荷之比等于材料在相應(yīng)溫度下的屈服強度或屈服點之比,，即：
此值明顯小于水壓試驗壓力5.25MPa,。也就是說,，該鍋爐如果嚴格按照《鍋爐定期檢驗規(guī)則》的要求進行水壓試驗，聯(lián)絡(luò)管極有可能在水壓試驗時爆破,。 失效分析結(jié)論 （1）通過分析爆管的化學成分,、金相組織、力學性能,、宏觀斷口和微觀斷口,表明該管成分和性能符合20鍋爐鋼管的要求,未發(fā)生珠光體球化一類材質(zhì)劣化的現(xiàn)象,。該管存在嚴重的密集型腐蝕凹坑,是造成這次事故的根本原因。腐蝕凹坑處未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象,。 （2）根據(jù)極限載荷與力學性能測試,，認為如果嚴格按照《鍋爐定期檢驗規(guī)則》的規(guī)定進行水壓試驗,嚴重凹坑腐蝕聯(lián)絡(luò)管在水壓試驗中可以發(fā)生爆破,從而避免災(zāi)難事故的發(fā)生。 （3）檢驗者依據(jù)《鍋爐定期檢驗規(guī)則》制定了檢驗方案和進行了檢驗,但未能充分意識到處于不同工作條件下的鍋爐管道所可能產(chǎn)生的后果,認真靈活地執(zhí)行《鍋爐定期檢驗規(guī)則》中有關(guān)鍋爐管道腐蝕狀況檢測規(guī)定,沒有安排爆管的壁厚測定,。 脆性斷裂 脆性斷裂失效主要是指設(shè)備在沒有發(fā)生塑性變形時就發(fā)生斷裂或爆炸,。其基本原因一是由于材料的脆性轉(zhuǎn)變而引起的脆斷；二是由于構(gòu)件出現(xiàn)了嚴重的缺陷（如裂紋）導致發(fā)生低應(yīng)力水平下的脆斷,，又稱為低應(yīng)力脆斷,。 ——盡管承壓設(shè)備材料一般具有較好的塑性和韌性，但鋼材在不同使用條件下有產(chǎn)生脆性及脆化的可能,。特別是高參數(shù),、厚截面的大型容器，通常采用低合金高強鋼制造,，在高壓,、低溫、三向應(yīng)力狀態(tài),、缺口,、殘余應(yīng)力等因素的影響下，脆性斷裂成為其主要的失效形式之一,。 ——脆性斷裂是一個快速斷裂的過程,，材料內(nèi)部的微裂紋很快擴展達到臨界長度,，幾乎不經(jīng)歷裂紋亞穩(wěn)擴展階段就進入裂紋失穩(wěn)擴展階段，裂紋擴展阻力小,，擴展速度很快,，最大可達聲音在該材料中的傳播速度。 脆性斷裂的根本原因 1.材料的脆性（沖擊韌性——沖擊吸收能量和沖擊斷口） ——材料本身是脆性的,，如泰坦尼克號,，限于當時的生產(chǎn)力水平。 ——材料韌脆轉(zhuǎn)變,，低溫脆性,、氫脆、回火脆性（藍脆）,、應(yīng)變時效脆化,。
——焊接缺陷 ——疲勞斷裂（交變載荷） ——應(yīng)力腐蝕開裂（拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境）
（1）無明顯殘余變形 許多在水壓試驗時脆性斷裂的承壓設(shè)備，其試驗壓力與容積增量的關(guān)系在斷裂前基本上還是線性關(guān)系,，即處于彈性變形狀態(tài),。有些脆裂成塊的化工設(shè)備，將碎塊拼組起來基本上還是原承壓設(shè)備的形狀,，其周長與原周長相差無幾,，承壓設(shè)備的壁厚也沒有減薄。 （2）破裂成碎塊 由于化工設(shè)備脆性斷裂時材料韌性較差,，脆性斷裂的過程又是裂紋迅速擴展的過程,，破壞往往在一瞬間發(fā)生，設(shè)備內(nèi)的壓力和能量無法通過一個裂口釋放,，因此脆性斷裂的設(shè)備常裂成碎塊,，且常有碎片飛出。 （3）斷口平齊且有金屬光澤,。 脆性斷裂一般是正應(yīng)力引起的解理斷裂，斷口平齊且與主應(yīng)力方向垂直,。脆斷往往是晶界斷裂,，所以斷口呈閃爍金屬光澤的結(jié)晶狀。在壁很厚的承壓設(shè)備脆性斷口上,，還常有人字形放射花紋,，其尖端指向裂紋源，始裂點往往是缺陷處或形狀突變處,。
斷口的微觀形貌一般是解理特征,，不同組織的解理斷口具有不同的形貌：鐵素體的解理斷口呈河流條紋、舌狀花樣,；珠光體的解理斷口呈不連續(xù)片層狀,；馬氏體的解理斷口由許多細小的解理面組成,，可觀察到針狀刻面。幾乎所有的解理斷口上均有二次裂紋,。
脆性解理斷裂的電子顯微斷口形態(tài)的一個特征是呈現(xiàn)河流花樣,。由于實際晶體內(nèi)部存在著許多缺陷(如位錯、析出物,、夾雜物等),，所以在一個晶粒內(nèi)的解理并不是只沿著一個晶面，而是沿著一族相互平行的(具有相同的晶面指數(shù)),，位于不同高度的晶面解理,。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,。
性解理斷裂的電子微觀斷口形貌的另一個特征是出現(xiàn)舌狀花樣,。它所以稱為“舌”，是因其電子金相形態(tài)如“舌”的緣故,。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,。
脆性解理斷裂的電子顯微斷口形態(tài)的一個特征是呈現(xiàn)河流花樣。由于實際晶體內(nèi)部存在著許多缺陷(如位錯,、析出物,、夾雜物等)，所以在一個晶粒內(nèi)的解理并不是只沿著一個晶面,，而是沿著一族相互平行的(具有相同的晶面指數(shù)),，位于不同高度的晶面解理。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,。
在回火馬氏體組織(有時也在貝氏體組織)的脆性斷口上首先觀察到一種特別的斷口形態(tài)“準解理”。實際遇到的構(gòu)件穿晶型脆性斷口,，大多屬于這種類型,。準解理斷口的顯微形態(tài)特征是具有起源于解理面心部向四周擴展的輻射狀河流條紋,，以及由隱蔽裂紋擴展接近產(chǎn)生韌性變形而形成的撕裂棱和微坑結(jié)構(gòu)。
斷口沿晶粒邊界或者相界裂開,，斷口呈現(xiàn)大的浮凸,，能夠看到晶粒外形和三叉邊界。
傳統(tǒng)設(shè)計不包含脆性強度概念,，沒有考慮缺陷大小,、溫度、加載速度,、構(gòu)件尺寸效應(yīng),、三向應(yīng)力狀態(tài)等引起脆性斷裂的因素。 ⑴正確選擇材料,。 考慮材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,，考慮材料的斷裂韌度。 ⑵減少承壓設(shè)備中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中,，消除殘余應(yīng)力 例如減少尖銳角,，消除未熔合與未熔透的焊縫，承壓設(shè)備設(shè)計時應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)幾何尺寸的連續(xù)性,。盡量減少由焊接產(chǎn)生的缺陷,。細致設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計中應(yīng)盡量減少和避免焊縫集中和重疊交叉,。需采用較好的焊接方法,，保證焊透，盡量避免焊縫表面缺陷,。 ⑶加強對承壓設(shè)備的檢驗,。 對在用承壓設(shè)備定期檢驗，及早發(fā)現(xiàn)缺陷,，及時消除或嚴格監(jiān)控,，也是防止設(shè)備發(fā)生脆性斷裂的有效措施。 疲勞斷裂 疲勞斷裂是化工設(shè)備承壓部件較為常見的一種斷裂方式,。據(jù)英國統(tǒng)計,，在運行期間發(fā)生破壞事故的壓力容器，有89.4%是由裂紋引起的,；而在由裂紋引起的事故中，疲勞裂紋占39.8%,。國外還有資料估計,，壓力容器運行中的破壞事故有75%以上是由疲勞引起的。由此可見,，化工設(shè)備的疲勞斷裂是絕不能忽視的,。 疲勞斷裂的定義 金屬構(gòu)件在交變載荷的作用下,，雖然應(yīng)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(jīng)過一定的循環(huán)周期后,，金屬構(gòu)件會發(fā)生突然的斷裂，這種斷裂稱為疲勞斷裂,。 疲勞斷裂的分類 按載荷類型分,，有拉伸疲勞、拉壓疲勞,、彎曲疲勞,、扭轉(zhuǎn)疲勞及各種混合受力方式的疲勞； 按載荷交變頻率分,，有高周疲勞和低周疲勞,； 按構(gòu)件應(yīng)力大小分，有高應(yīng)力疲勞(一般是低周疲勞)及低應(yīng)力疲勞(一般是高周疲勞),； 按復(fù)雜環(huán)境條件分,，腐蝕疲勞、高溫疲勞,、微振疲勞,、接觸疲勞等。 疲勞斷裂的現(xiàn)象和特征 載荷特征 存在交變載荷是疲勞的根本原因和顯著原因,。
a—結(jié)構(gòu)鋼的機械疲勞曲線， b—腐蝕疲勞曲線,， σr—疲勞極限,， σr’—條件疲勞極限。
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(gòu)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(yīng)力平面上產(chǎn)生無拘束相對滑移,，產(chǎn)生了一種復(fù)雜的表面狀態(tài)，常稱為表面的“擠出”和“擠入”現(xiàn)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(chǎn)生疲勞裂紋的裂紋源,。
疲勞裂紋的擴展是一個包括滑移,、塑性形變與不穩(wěn)定斷裂交替作用的復(fù)雜過程，通常具有切向擴展和正向擴展兩個階段,。
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(yīng)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(yīng)力作用下,，即發(fā)生突然的瞬時斷裂,，其斷裂過程同單調(diào)加載的情形相似。這一階段中,，在通常情況下,，呈現(xiàn)被拉長的韌窩花樣或準解理等顯微特征，還有剪切唇區(qū),。
宏觀形貌 疲勞斷裂過程有三個階段,，其斷口一般也能觀察到三個區(qū)域：疲勞裂紋起源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)(瞬斷區(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(gòu)件表面應(yīng)力集中處或不同類型的缺陷部位,。 疲勞裂紋擴展區(qū) 在此區(qū)中常可看到有如波浪推趕海岸沙灘而形成的“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,。 最終斷裂區(qū) 當疲勞裂紋擴展到臨界尺寸時，構(gòu)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(xiàn)宏觀的脆性斷裂特征，即粗糙“晶?！睜罱Y(jié)構(gòu),。 微觀形貌（疲勞輝紋）
疲勞輝紋具有以下的幾個特征： （1）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(cè)。 （2）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,。 （3）疲勞輝紋可分為韌性輝紋和脆性輝紋兩類,。脆性疲勞輝紋一般不常見，韌性疲勞輝紋較為常見,。
由于疲勞斷口的兩個匹配斷面之間重復(fù)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(zhì)點)在匹配斷裂面上作用留下的微觀變形痕跡。輪胎壓痕花樣不是疲勞本身的形態(tài),，但卻是疲勞斷裂的一個表征,。
1.構(gòu)件表面質(zhì)量 疲勞斷裂多數(shù)起源于構(gòu)件的表面或亞表面，這是由于承受交變載荷的構(gòu)件工作時其表面應(yīng)力往往較高,，典型的是彎屈疲勞構(gòu)件表面拉應(yīng)力最大,，加上各類工藝程序難以確保表面加工質(zhì)量而造成的。因此,，凡是制造工藝過程中產(chǎn)生預(yù)生裂紋(如淬火裂紋),、尖銳缺口(如表面粗糙度不符合要求，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(gòu)件的疲勞壽命,。
許多構(gòu)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(yīng)力提高和形成應(yīng)力集中區(qū),，且往往成為疲勞斷裂的起源。
如果構(gòu)件表面存在著殘余拉應(yīng)力,，對疲勞是極為不利的,。但是，如果使構(gòu)件表面誘發(fā)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,，則對抗疲勞大有好處,，因為殘余壓應(yīng)力起著削減表面拉應(yīng)力數(shù)值的作用。如構(gòu)件經(jīng)表面氮化處理后使表層誘導產(chǎn)生約980MPa的殘余壓應(yīng)力,，從而提高了構(gòu)件的疲勞強度,。 5.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(nèi)可以提高疲勞強度。在6000～60000次/min(100～1000Hz)載荷頻率之間,，鋼的疲勞極限是隨頻率提高而增加的,，而在3000～10000次/min(約50～170Hz)載荷頻率之間，其疲勞極限基本沒有變化,。載荷頻率低于60次／min(1Hz)時,，疲勞極限有所降低。
（3）間歇加載 當加載應(yīng)力低于并接近疲勞極限時,，間歇加載提高疲勞效果比較明顯,，而間歇過載加載對疲勞壽命不但無益，甚至還會降低疲勞強度,。 （4）溫度對疲勞強度的影響一般是溫度降低,，疲勞強度升高；溫度升高,，疲勞強度降低,。對鋼來說，在200～400℃范圍內(nèi)疲勞極限會出現(xiàn)峰值。 （5）腐蝕環(huán)境介質(zhì)使構(gòu)件表面產(chǎn)生蝕坑,、微裂紋等缺陷,，將會加速疲勞源萌生而促進腐蝕疲勞。 疲勞斷裂的預(yù)防 1.在保證結(jié)構(gòu)靜載強度的前提下,，選用塑性好的材料,； 2.在結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量避免或減小應(yīng)力集中； 3.在制造和安裝過程中盡量減少和避免殘余應(yīng)力,、安裝應(yīng)力； 4.在運行中盡量避免反復(fù)頻繁地加載和卸載,，減少壓力和溫度波動,； 5.加強檢驗，及時發(fā)現(xiàn)和消除結(jié)構(gòu)缺陷,。 蠕變斷裂 是在應(yīng)力和一定溫度共同作用下,，隨著時間的增加金屬不斷產(chǎn)生塑性變形的持續(xù)過程，最終導致蠕變斷裂,。 穿晶型蠕變斷裂在斷裂前有大量塑性變形,，斷裂后的伸長率高，往往形成縮頸,，斷口呈韌性形態(tài),，因而也叫蠕變韌性斷裂。 沿晶型蠕變斷裂在斷裂前塑性變形很小,，斷裂后的伸長率甚低,，縮頸很小或者沒有，在晶體內(nèi)常有大量細小裂紋,，這種斷裂也叫蠕變脆性斷裂,。 蠕變斷裂形式的變化與溫度、壓力等因素有關(guān),。在高應(yīng)力及較低溫度下蠕變時,，發(fā)生穿晶型蠕變韌性斷裂；在低應(yīng)力及較高溫度下蠕變時,，發(fā)生沿晶型蠕變脆性斷裂,。 鍋爐的過熱器管及蒸汽管道，由于直徑相對于壁厚較小,，應(yīng)力水平較低而溫度水平較高,，因而其蠕變斷裂常呈沿晶脆斷特征。 另外,，蠕變斷裂的斷口常有明顯的氧化色彩,。 案例一
案例三
⑴合理進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和介質(zhì)流程布置,，盡量避免承受高壓的大型容器直接承受高溫,，避免結(jié)構(gòu)局部高溫及過熱。 ⑵根據(jù)操作溫度及壓力,，合理選材并決定許用應(yīng)力,，使材料在使用條件下及服役期限內(nèi)具有足夠的常溫及高溫強度。 ⑶采用合理的焊接,、熱處理及其它加工工藝,，防止在制造、安裝,、修理中降低材料的抗蠕變性能,。 ⑷嚴格按照規(guī)定的操作規(guī)程運行設(shè)備，防止總體或局部超溫超壓從而降低蠕變壽命,。 |
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