Het begrijpen van metaalfractuurmechanismen is cruciaal voor professionals in niet-destructief onderzoek (NDO). Deze technische gids behandelt zes primaire fractuurtypen met preventiestrategieën voor industriële toepassingen.
Spanningscorrosiefractuur
Kenmerken
Spanningscorrosiefractuur is een fractuur die optreedt onder de gecombineerde werking van trekspanning en specifieke corrosieve media. Het fractuurproces heeft meestal geen duidelijke waarschuwingssignalen en is plotseling. Het fractuuroppervlak vertoont over het algemeen brosfractuurkenmerken, maar kan soms gepaard gaan met lichte plastische vervorming.
In corrosieve media vormt zich een corrosieproductfilm op het metaaloppervlak. Wanneer metaal wordt blootgesteld aan trekspanning, scheurt de corrosieproductfilm, waardoor een vers metaaloppervlak bloot komt te liggen. Het verse metaaloppervlak wordt snel gecorrodeerd, waardoor een nieuwe corrosieproductfilm ontstaat. Deze cyclus herhaalt zich, waardoor scheuren continu in het metaal voortplanten, wat uiteindelijk een fractuur veroorzaakt.
Invloedsfactoren
Spanningstoestand, corrosieve media en materiaalsensitiviteit zijn de belangrijkste factoren die spanningscorrosiefractuur beïnvloeden. Trekspanning is een noodzakelijke voorwaarde voor het initiëren van spanningscorrosiefractuur; verschillende corrosieve media hebben verschillende corrosie-effecten op verschillende metaalmaterialen; bepaalde metaalmaterialen hebben een hoge gevoeligheid voor specifieke corrosieve media.
Preventieve maatregelen
Selecteer materialen op de juiste manier, kies materialen die ongevoelig zijn voor spanningscorrosie;
verminder spanningsniveaus in componenten, gebruik gloeien en andere processen om restspanning te elimineren;
verbeter de omgevingsomstandigheden, zoals het verminderen van de concentratie van corrosieve media en het beheersen van de temperatuur;
gebruik oppervlaktebeschermingsmaatregelen zoals coatings en galvaniseren.
Aanbevolen NDO-methode
Vloeistofpenetrantonderzoek, ultrasoon scheurdetectie
Kruipfractuur
Kenmerken
Kruipfractuur is de langzame plastische vervorming en fractuur die in de loop van de tijd optreedt onder hoge temperatuur en constante spanning. Het kruipproces bestaat meestal uit drie fasen: initiële kruipfase, steady-state kruipfase en versnelde kruipfase. Het kruipfractuuroppervlak is over het algemeen ruw met een duidelijke oxidatiekleur.
In omgevingen met hoge temperaturen neemt de atomaire activiteit binnen het metaal toe en glijden en glijden dislocaties gemakkelijk. Onder constante spanning bewegen dislocaties continu, waardoor langzame plastische vervorming van het metaal ontstaat. Na verloop van tijd accumuleert de vervorming en wanneer een bepaald niveau wordt bereikt, veroorzaakt dit scheurvorming en -voortplanting, wat uiteindelijk tot fractuur leidt.
Invloedsfactoren
Temperatuur, spanning en tijd zijn de belangrijkste factoren die kruipfractuur beïnvloeden. Hogere temperaturen verhogen de kruipsnelheden van metaal; grotere spanningen resulteren in meer duidelijke kruipvervorming; langere tijden verhogen de kans op kruipfractuur. Bovendien beïnvloeden de chemische samenstelling en microstructuur van het materiaal ook de kruipeigenschappen.
Preventieve maatregelen
Selecteer materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen en kruip;
beheers op rationele wijze de werktemperatuur en spanningsniveaus, waarbij langdurige hoge temperaturen en hoge spanningsomstandigheden worden vermeden;
optimaliseer de microstructuur van het materiaal om de kruipweerstand te verbeteren.
Aanbevolen NDO-methode
Ultrasone diktemeting, metallografische analyse
Vermoeiingsfractuur
Kenmerken
Vermoeiingsfractuur is een fractuur die optreedt na een bepaald aantal cycli onder wisselende spanning. Het fractuurproces bestaat meestal uit drie fasen: scheurvorming, scheurvoortplanting en uiteindelijke fractuur. Het vermoeiingsfractuuroppervlak bestaat over het algemeen uit gladde en ruwe zones, waarbij de gladde zone het gebied is van langzame scheurvoortplanting en de ruwe zone het gebied van uiteindelijke snelle fractuur.
Onder wisselende spanning produceren sommige zwakke plekken op het metaaloppervlak, zoals korrelgrenzen en insluitingsranden, kleine scheuren - scheurvorming. Naarmate het aantal cycli toeneemt, breiden scheuren zich continu uit onder spanning, waardoor macroscopische scheuren ontstaan. Wanneer scheuren zich tot een bepaalde mate voortplanten, kan de resterende doorsnede de externe kracht niet weerstaan, wat resulteert in uiteindelijke fractuur.
Invloedsfactoren
Spanningsamplitude, gemiddelde spanning, aantal cycli en de vermoeiingsgrens van het materiaal zijn de belangrijkste factoren die vermoeiingsfractuur beïnvloeden. Een hogere spanningsamplitude en gemiddelde spanning versnellen de scheurvoortplanting en verkorten de vermoeiingslevensduur; meer cycli verhogen de kans op vermoeiingsfractuur; een hogere vermoeiingsgrens van het materiaal duidt op een sterkere weerstand tegen vermoeiingsfractuur.
Preventieve maatregelen
Ontwerp componentstructuren op rationele wijze om spanningsconcentratie te verminderen; selecteer materialen met hoge vermoeiingsgrenzen;
voer oppervlakteverstevigingsbehandelingen uit, zoals kogelstralen en walsen, om de vermoeiingssterkte van het oppervlak te verbeteren;
beheers de belastinggrootte en het aantal cycli om te voorkomen dat de vermoeiingsgrenzen van het materiaal worden overschreden.
Aanbevolen NDO-methode
Wervelstroomonderzoek, magnetisch deeltjesonderzoek
Brosfractuur
Kenmerken
Brosfractuur is een fractuurmodus waarbij metaal bijna geen duidelijke plastische vervorming ondergaat vóór de fractuur. Het fractuurproces treedt plotseling op, met een vlak en glad fractuuroppervlak, vaak met kristallijne of visgraatpatronen, met metaalglans.
Brosfractuur wordt voornamelijk veroorzaakt door de aanwezigheid van scheuren of defecten in het metaal. Onder externe kracht treedt spanningsconcentratie op bij scheurtoppen. Wanneer de spanningsconcentratie de breuktaaiheid van het materiaal bereikt, planten scheuren zich snel voort, wat leidt tot metaalfractuur. Deze fractuurmodus houdt meestal verband met de kristalstructuur van het materiaal, het onzuiverheidsgehalte en de spanningstoestand.
Invloedsfactoren
De brosheid van het materiaal wordt door verschillende factoren beïnvloed. Een hoger koolstofgehalte en onzuiverheidsgehalte verminderen de taaiheid van het metaal en verhogen de brosheid; omgevingen met lage temperaturen veranderen de kristalstructuur van het metaal, waardoor de taaiheid afneemt; triaxiale trekspanningstoestanden bevorderen ook brosfractuur.
Preventieve maatregelen
Beheers de chemische samenstelling van het materiaal strikt en verminder het onzuiverheidsgehalte;
voer een geschikte warmtebehandeling uit om de microstructuur te verbeteren en de taaiheid te verhogen;
ontwerp componentstructuren op rationele wijze om triaxiale trekspanningstoestanden te voorkomen;
implementeer voorverwarmingsmaatregelen bij gebruik in omgevingen met lage temperaturen.
Aanbevolen NDO-methode
Akoestische emissietesten, phased array ultrasound
Ductiele Fractuur
Kenmerken
Ductiele fractuur is een fractuurmodus waarbij metaal duidelijke plastische vervorming ondergaat vóór de fractuur. Tijdens het fractuurproces ervaart het metaalmateriaal eerst een insnoeringsfenomeen, waarbij de lokale doorsnede aanzienlijk afneemt, gevolgd door fractuur op de insnoeringslocatie. Het fractuuroppervlak verschijnt meestal vezelig of beker-en-kegelvormig, met een doffe kleur en geen duidelijke glans.
Ductiele fractuur wordt voornamelijk veroorzaakt door dislocatiebeweging en -vermenigvuldiging in het metaal. Wanneer metaal wordt blootgesteld aan externe kracht, glijden dislocaties op glijvlakken, waardoor plastische vervorming van kristallen ontstaat. Naarmate de vervorming aanhoudt, raken dislocaties verstrikt en accumuleren ze, waardoor dislocatiewanden en subkorrelgrenzen ontstaan. Wanneer de lokale spanningsconcentratie een bepaald niveau bereikt, veroorzaakt dit de vorming en groei van microholtes. De onderlinge verbinding van microholtes leidt uiteindelijk tot metaalfractuur.
Invloedsfactoren
De chemische samenstelling, microstructuur en temperatuur van materialen hebben significante effecten op ductiele fractuur. Staal dat bijvoorbeeld geschikte legeringselementen bevat, heeft meestal een betere taaiheid;
een fijne korrelstructuur kan de taaiheid van het metaal verbeteren;
terwijl in omgevingen met lage temperaturen de taaiheid van het metaal aanzienlijk afneemt, waardoor ductiele fractuur waarschijnlijker wordt.
Preventieve maatregelen
Selecteer materialen op de juiste manier om een goede taaiheid te garanderen;
optimaliseer de microstructuur van het materiaal en verfijn de korrels door middel van warmtebehandelingsprocessen;
vermijd het gebruik van temperatuurgevoelige metaalmaterialen in omgevingen met lage temperaturen.
Aanbevolen NDO-methode
Thermische desorptieanalyse, ultrasoon onderzoek
Overzichtstabel Metaalfractuurtypen
| Fractuurtype |
Kenmerken |
Vormingsmechanisme |
Preventiemethoden |
NDO-testmethoden |
| Spanningscorrosiescheuren (SCC) |
Bros uiterlijk, omgevingsspecifiek, onvoorspelbaar |
Corrosiefilmruptuur → gelokaliseerde aantasting → scheurvoortplanting |
Materiaalselectie, spanningsvermindering, omgevingscontrole |
Vloeistofpenetrantonderzoek, ultrasoon scheurdetectie |
| Kruipfractuur |
Ruwe geoxideerde oppervlakte, tijdsafhankelijke vervorming |
Dislocatieklim → korrelgrensverschuiving → vorming van holtes |
Hogetemperatuurlegeringen, spanningsvermindering, levensduurbeoordeling |
Ultrasone diktemeting, metallografische analyse |
| Vermoeiingsfractuur |
Gladde + ruwe zones, strandmarkeringen, progressieve uitval |
Scheurvorming → stabiele groei → snelle fractuur |
Oppervlakteverharding, spanningsvermindering, materiaalselectie |
Wervelstroomonderzoek, magnetisch deeltjesonderzoek |
| Brosfractuur |
Vlak, kristallijn oppervlak, minimale plastische vervorming, plotselinge uitval |
Scheurvoortplanting van spanningsconcentratie bij defecten |
Onzuiverheidsreductie, voorverwarming, optimalisatie van de spanningstoestand |
Akoestische emissietesten, phased array ultrasound |
| Ductiele Fractuur |
Vezelig/beker-kegeloppervlak, zichtbare insnoering, donker uiterlijk |
Dislocatiebeweging → nucleatie van holtes → coalescentie → uitval |
Korrelverfijning, legeringsoptimalisatie, temperatuurregeling |
Ultrasoon onderzoek, radiografisch onderzoek |
Referentie:
Zhou, Hongyu & Li, Jian & Liu, Jie & Yu, Peichen & Liu, Xinyang & Fan, Zhiyang & Hu, Anqing & He, Yinsheng. (2024). Significant reduction in creep life of P91 steam pipe elbow caused by an aberrant microstructure after short-term service. Scientific Reports. 14. 10.1038/s41598-024-55557-w.
https://nte.mines-albi.fr/SciMat/en/co/SM6uc1-4.html
https://www.nde-ed.org/Physics/Materials/Mechanical/NotchToughness.xhtml
https://eengineerkey.com/creep-and-creep-fracture
Uw bericht moet tussen de 20-3.000 tekens bevatten!