什么是延迟断裂？

铁匠

延迟断裂是指金属材料受静载荷作用下，并经过一定时间后，在低于其屈服强度的情况下突然发生的断裂类型，也称为迟滞断裂或滞后断裂。

一般认为，延迟断裂是材料-应力-环境三者相互共同作用的结果。某些材料对环境和应力的敏感性较低，当其处于特定的环境和应力条件下时，材料并不会立即产生裂纹并断裂，而是随着时间的延长，材料内部缓慢达到裂纹形核临界条件后，裂纹萌生并快速发展，才最终导致了低应力脆性断裂。
总结起来，延迟断裂有几个明显的特征：
1、滞后性：在环境和应力作用下，材料并不会立即产生断裂，而是经过一段时间后才出现裂纹并扩展直至断裂。这个滞后的时间就是需要满足迟滞裂纹形核的条件。另外，虽然疲劳断裂也属于滞后式断裂类型，但是疲劳是属于交变动载荷作用，因此不属于延迟断裂的范畴。
2、突发性：在最终破断之前没有明显的宏观塑性变形，因此属于脆性断裂。裂纹一旦形成，扩展速度极快，会造成严重的后果。
3、敏感性：对环境因素、应力状态非常敏感，比如奥氏体不锈钢在含氯离子的介质中比较敏感，比如高强度螺栓对含氢介质比较敏感。

常见的延迟断裂有哪些？
1、氢脆（Hydrogen embrittlement，又称氢致延迟断裂）
金属材料在生产、加工或使用过程中吸收氢，在应力作用下，氢向应力集中区域（晶界）扩散聚集，在晶界处优先形成微小裂纹，随着应力的持续作用和氢的不断扩散，裂纹快速沿着晶界面扩展，直至发生断裂，氢会明显降低材料的韧性和强度。下图为高强度螺栓氢脆断口，宏观断口无明显塑性变形，有放射线特征，高倍下SEM能看到沿晶断裂特征，在晶面上能看到鸡爪纹和气孔，晶粒与晶粒之间有较多二次裂纹。


2、应力腐蚀开裂（SCC）
金属在拉应力和特定腐蚀介质的协同作用下，经过一定的潜伏期后发生的脆性断裂。应力腐蚀开裂可以分为三个阶段：第一阶段为腐蚀引起裂纹或蚀坑，也是导致应力集中裂纹源形成的阶段；第二阶段为裂纹缓慢扩展阶段，即由裂纹源发展到能够承受最大载荷的极限应力的阶段；第三阶段为裂纹失稳、快速扩展直至破断阶段。在对还未完全破断的应力腐蚀开裂零件做金相分析时，我们能清晰地看到应力腐蚀裂纹扩展的路径，裂纹一般起源于表面或次表面，呈穿晶或沿晶路径扩展。

对于完全破断的应力腐蚀断口，如下图，断面上能明显看到腐蚀介质，呈网状龟裂的泥状花样，通过腐蚀介质的成分分析，可以判断出周围环境介质参与了应力腐蚀过程。高倍下SEM能看到沿晶+二次裂纹特征。


3、蠕变断裂
金属材料在长时间的高温和应力作用下，发生缓慢而连续的塑性变形，即蠕变。随着时间推移，蠕变变形不断积累，当材料内部的损伤达到一定程度时，会形成裂纹并逐渐扩展，最终导致断裂。这种断裂在高温下工作的金属构件，如航空发动机涡轮叶片、蒸汽管道等中较为常见。如下图为镍基高温合金持久蠕变断口，无明显宏观塑性变形特征，高倍下虽然有较多韧窝，但是存在沿晶二次裂纹，说明材料的蠕变塑性较差。

延迟断裂虽然危害较大，但也是可控可防的，需要注意以下几点：
选用合适材料：根据使用环境和工况，选择抗延迟断裂性能优良的材料。
优化结构设计：合理的设计零件尺寸和结构，避免尖角、缺口等，同时优化热处理工艺，减少材料内应力和残余应力，减少应力集中的可能。
改进加工工艺：优化热处理和表面处理工艺，提高材料韧性和抵抗延迟断裂的能力。
控制服役环境：尽量避免让零部件处于高温、潮湿或腐蚀性等恶劣环境。
加强质检和监控：在生产过程中对使用的零部件材料进行必要的质量检验，找出缺陷。定期对服役中的零部件进行应力、应变和环境参数监测，如发现异常，可以及时采取措施。

flam2024

白点经常引起此种缺陷