金属疲劳断口的宏现形状特征
金属疲劳试验

KI KIC (KC )
Y a KIC (KC )
裂纹体受力时,只有满足上述条件就会发生脆性断裂。反之,即使存 在裂纹,也不会断裂。此称为破损安全。
条件: - 小尺度塑性变形 - 平面应变
高强度马氏体时效钢不同试样厚度的KC变化
2
a, B,
W
-a
2.5
实验三、金属疲劳试验
一、实验目的:
1.了解金属轴向疲劳测试方法、断裂韧性Kic 测试方法及裂纹扩展速率DA/DN测试方法 。
2.了解疲劳试验机工作原理
1988年4月28日阿罗哈航空波音737-200型客机243号班机在飞行途中发生 爆裂性失压的事故,约头等舱部位的上半部外壳完全破损,机头与机身随时 有分离解体的危险,但10多分钟后奇迹地安全迫降。事件当时,一名机组人 员不幸被吸出机舱外死亡,而其余65名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。
并形成循环滑移带。随着加载循环次数的增加,循环滑移带不断地加宽,由 于位错的塞积和交割作用,会在滑移带处形成微裂纹。
循环滑移带生成和一个纯铜试样的裂纹 Sm=0,Sa=77.5MPa N=2×106
在裂纹的萌生期,疲劳是一种发生在材料表面的现象。
2.2 相界面开裂产生裂纹 在大量的疲劳失效分析中发现很
式中 KI 值的大小直接影响应力场的大小,KI 可以表示应力场的强弱程度故称为 应力场强度因子
当θ= 0 r→0 时 由上式可得:
KI
lim r 0
2r y 0
裂纹I型应力场强度系数的一般表达式:
KI Y a
Y——裂纹形状系数
-半无限边缘缺口试样 -有限宽度的中心开裂纹试样 -有限宽度的边缘缺口试样
事故原因是由裂缝氧化导致金属疲劳引起
金相检验员考试:金相检验员考试试题预测四

金相检验员考试:金相检验员考试试题预测四1、多选按渗碳体的形态,珠光体分为()。
A.片状珠光体B.球状珠光体C.索氏体D.托氏体正确答案:A, B2、单选疲劳断口的典型宏观特征为()。
A.贝壳状花(江南博哥)样B.结晶状花样C.人字形花样正确答案:A3、问答题磨削裂纹在金相上的主要特征是什么?正确答案:磨削裂纹的主要特征是:裂纹分布在工件磨削加工的表面,裂纹方向一般与磨削方向垂直,且成排分布,有时呈网状龟裂或放射状分布。
磨削裂纹是应力裂纹,所以它的起始部分挺直有力,收尾曲折而迅速,且裂纹较浅。
侵蚀后在裂纹周围出现色泽较深的回火色。
裂纹两侧无脱碳现象。
4、多选液态金属均匀形核的要素是()。
A.液体必须过冷B.液态金属中有结构起伏C.液态金属有能量起伏D.液态金属中有第二相粒子作为核心正确答案:A, B, C5、单选铸铝变质处理的作用是()。
A.细化硅相B.粗化硅相C.产生新相正确答案:A6、多选金属结晶的条件包括()。
A.能量条件B.晶和形成C.相起伏D.晶核长大正确答案:A, C7、判断题粒状珠光体中渗碳体的颗粒愈小,则相界面愈少,它的强度和硬度将愈高。
()正确答案:对8、判断题最常出现的金相组织缺陷是树枝状偏析和魏氏组织两种。
()正确答案:对9、填空题渗碳层中出现针状渗碳体的原因是(),这是渗碳()组织的特征。
正确答案:实际渗碳温度过高,过热10、判断题金相试样细磨使用砂纸更换原则应是粒度逐渐由粗到细。
()正确答案:对11、问答题磨抛渗层组织试样的特别要求是什么?为什么?正确答案:渗层试样磨抛时的特别要求,试样磨面平整,边缘不能倒角。
如试样边缘倒角,在显微镜下观察时,边缘组织必然会模糊不清,从而影响对表层组织的鉴别和渗层深度的正确测定,同时也得不到清晰的金相照片。
12、填空题锻造过热是由于加热温度过高而引起的()现象,碳钢以出现()为特征,工模具钢以()为特征。
正确答案:晶粒粗大,魏氏组织,一次碳化物角状化13、判断题锡基轴承合金的组织是由黑色的锡基α固溶体和白色的Sn、SB.方块及白色星形或针状的Cu、SB,或Cu、Sn相所组成。
疲劳断裂失效分析精品PPT课件
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3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外,还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响,但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明,在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多,甚至就没有 所说的疲劳极限。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式 破坏的所占比例更大;上述力学条件在试件的内部裂 纹处容易得到满足,但当表面加工比较粗糙或具有较 深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时, 正断疲劳裂纹也易在表面产生。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是:切应力/缺口切断 强度≥1;正应力/缺口正断强度<1。
切断疲劳的特点是:疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态;初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角,并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂,因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌,这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域,更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域,因此这一划分更有实际意义。
金属疲劳断口的宏现形状特征
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收藏【技术类】金属疲劳断口的宏现形状特征(2011-1-21 13:38:36)疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹,记录了很多断裂信息。
具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征,而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响,因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。
一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成,具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征,这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。
1、疲劳裂纹源区疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地,是疲劳破坏的起点,多处于机件的表面,源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮,且呈半圆形或半椭圆形。
因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢,裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多,所以其断口较其他两个区更为平坦,比较光亮。
在整个断口上与其他两个区相比,疲劳裂纹源区所占的面积最小。
当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时,裂纹源则向次表面或机件内部移动。
有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源,每个源区所占面积往往比单个源区小,源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。
裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。
通常,应力集中系数越大,名义应力越高,出现疲劳源的数目就越多,如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。
当零件表面存在某类裂纹时,则零件无疲劳裂纹萌生期,疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展,这时断口上不再出现疲劳源区,只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。
2、疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域,该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域,其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样,它是以疲劳源区为中心,与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线,又称疲劳弧线。
疲劳弧线是裂纹扩展过程中,其顶端的应力大小或状态发生变化时,在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。
金属的断裂条件及断口
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金属的断裂条件及断口金属在外加载荷的作用下,当应力达到材料的断裂强度时,发生断裂。
断裂是裂纹发生和发展的过程。
1. 断裂的类型根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小,可分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂:断裂前产生较大的塑性变形,断口呈暗灰色的纤维状。
脆性断裂:断裂前没有明显的塑性变形,断口平齐,呈光亮的结晶状。
韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念,在实际载荷下,不同的材料都有可能发生脆性断裂;同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同,会出现不同的断裂。
2. 断裂的方式根据断裂面的取向可分为正断和切断。
正断:断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直,一般为脆断,也可能韧断。
切断:断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°,为韧断。
3. 断裂的形式裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。
穿晶断裂:裂纹穿过晶粒内部,韧断也可为脆断。
晶间断裂:裂纹穿越晶粒本身,脆断。
机器零件断裂后不仅完全丧失服役能力,而且还可能造成不应有的经济损失及伤亡事故。
断裂是机器零件最危险的失效形式。
按断裂前是否产生塑性变形和裂纹扩展路径做如下分类。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形,用肉眼或低倍显微镜观察时,断口呈暗灰色纤维状,有大量塑性变形的痕迹。
脆性断裂则相反,断裂前从宏观来看无明显塑性变形积累,断口平齐而发亮,常呈人字纹或放射花样。
宏观脆性断裂是一种危险的突然事故。
脆性断裂前无宏观塑性变形,又往往没有其他预兆,一旦开裂后,裂纹迅速扩展,造成严重的破坏及人身事故。
因而对于使用有可能产生脆断的零件,必须从脆断的角度计算其承载能力,并且应充分估计过载的可能性。
. 金属材料产生脆性断裂的条件(1)温度任何一种断裂都具有两个强度指标,屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。
温度高,原子运动热能大,位错源释放出位错,移动吸收能量;温度低反之。
(2)缺陷材料韧性裂纹尖端应力大,韧性好发生屈服,产生塑性变形,限制裂纹进一步扩散。
金属疲劳破坏机理及断口分析
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图24 韧窝形貌 (a)撕裂韧窝(碳素钢760×);(b)铜 (复型2600×)
(2)韧窝形成过程
对韧窝内部进行仔细观察,在钢中多数情况 下能够看到非金属夹杂物存在,因此,便想 到韧窝形成与第二相粒子存在有关。
韧窝形成模型:如图25所示。 图(a)当塑性变形时,在夹杂物周围 塞积着位错环。
图16 疲劳塑性辉纹形成过 程示意图
图16(a)表示交变应力为零时, 裂纹闭合。
图16(b)表示裂纹受拉时裂纹张 开,裂纹尖端尖角处由于应力集中 而沿45°方向产生滑移。
图16(c)表示当拉应力达到最大 时,滑移区扩大,使裂纹尖端变成 了近似半圆形。裂纹尖端由锐变钝, 应力集中减小,最后滑移停止,裂 纹停止扩展。----“塑性钝化”。
在交变应力作用下,当两条细滑移线上螺位错滑移时,便使滑移面上堆积的位错 相消,则在这些面上的位错源S1、S2、S3等将继续产生位错,滑移线便发展增 长,许多滑移线发展,就表现为滑移带的变宽和加深,以致形成“驻留滑移带”。
三、疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹是咋样扩展的呢?裂纹扩展有什么特征呢? 在没有应力集中的情况下,疲劳裂纹扩展可以分为
图12 疲劳第一阶 段形成的细滑移 线
图13 滑移线的发 图14 平行二面上
展
两列异号位错相
消形成空洞
用位错理论解释疲劳裂纹的形成:
第一阶段,在交变载荷作用下,金属表面上发现有均匀分布的细滑移线,如图 12所示。
第二阶段主要表现为滑移带交宽,以致形成“驻留滑移带”。如图13位错模型 来解释。
的方向在很窄的范围内产生切变, 不过塑性变形只在裂纹尖端局部 地区进行。 图21 脆性辉纹形成过程示意图 图d表示在最大拉应力下发生塑 性钝化,这种钝化使裂纹扩展停 止。 图e表示在最大压应力下裂纹闭 合。下一次应力循环,解理断裂 将在和解理面方位最适宜的裂纹 分叉处产生。
疲劳断口的典型宏观特征
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疲劳断口的典型宏观特征《疲劳断口的典型宏观特征》我记得有一次,我帮朋友检查他那辆旧自行车的链条。
那链条看着没什么大问题,但是在某个接口处却突然断掉了。
后来才知道,这可能是长期使用,类似疲劳断口的情况。
这小小的事情让我意识到,了解疲劳断口的特征是多么重要,不管是对于小小的自行车零件,还是大型的机械设备,它能帮助我们提前发现问题,避免一些不必要的危险或者损失呢。
特征分析特征一:贝壳纹(海滩纹)- 名称和来源:这纹路看起来就像贝壳或者海滩上的纹路一样,一圈一圈的。
它的形成呀,就像是物体累了一样,在每次承受力量的循环过程中,微小的损伤不断累积,就像树的年轮一样,慢慢地就形成了这样有规律的纹路。
- 作用和表现:就像我们看树的年轮能知道树的年龄一样,看到贝壳纹,我们大概就能知道这个断口经历了多少次力量的循环加载。
我有一次看到一个金属杆的断口有这种纹路,就感觉像是看到了它的“生命历程”。
它的纹路越密集,可能就表示这个东西承受力量的频率越高呢。
- 优缺点:优点就是它像一个小记录员,能给我们提供很多信息。
可是它的缺点就是,对于外行人来说,可能不太容易一眼就看出来这是贝壳纹,得有点经验或者学习才可以。
- 对事物性质或使用体验的影响:如果在一个机器的零件上发现了贝壳纹,那这个零件可能就已经承受了很多次的压力了,它的强度可能已经大打折扣了。
就像我们穿的鞋子,鞋底要是出现了类似的磨损纹路,那这双鞋可能就离坏掉不远了。
- 安全性和潜在问题:如果忽视了贝壳纹,可能会导致一些严重的后果。
比如在飞机的零部件上,如果有这种特征而没被发现,在飞行过程中可能会发生断裂,那可就是大灾难了。
特征二:疲劳源区- 名称和来源:这个区域就像是疲劳断口的“源头”。
它通常是因为零件在制造的时候可能存在一些小缺陷,或者是在使用过程中受到了一些局部的应力集中。
比如说一个金属块上有个小坑洼,每次受力的时候,这个小坑洼的地方受到的力就会比其他地方大很多,时间长了,这里就成了疲劳源区。
金属材料检测技术知识题库
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金属材料检测技术知识题库一、判断题1)疲劳断裂在宏观上是在平行于最大拉伸方向发生。
(义)2)疲劳断口表面不显示宏观的塑性变形,除了低循环强度范围的断裂以外,都是脆性断口。
3)3)疲劳断裂的裂纹源一般位于零件表面的应力集中处或缺陷处。
(24)在疲劳断口的平滑区中可观察到“年轮”,这是疲劳断裂最突出的宏观形貌特征。
川)5)“年轮”在断口上的位置与应力状态有关。
弯曲疲劳断口的“年轮”仅在零件的一侧产生;拉压疲劳断口的“年轮”可能在零件的两侧产生。
(义)6)理论计算壁厚S l加上钢管的负偏差的附加值即得出直管的最小需要壁厚S min o(x)7)金属材料的抗拉强度表征材料对最大均匀变形的抗力。
(7)8)强度极限是指拉断钢材时所需要的拉力。
(义)9)屈服强度是指某一构件开始塑性变形时所承受的拉力。
(义)10)强度极限又叫抗拉强度,是钢材在拉断时刻所承受的最大应力。
(7)11)钢材在高温下受外力作用时,随着时间的延长,缓慢而连续地产生塑性变形的现象,称为蠕变。
(7)12)沿晶断口的最基本微观特征是有晶界刻面的冰糖块状形貌。
()13)硬度的物理意义是唯一的。
(义)14)电站锅炉承压部件所承受的介质压力为P,由介质内压引起的应力可按厚壁容器处理。
其受力特点是:轴向应力J为沿整个截面均匀分布的拉应力;环向应力。
为非均匀分布的拉应力;径向应力斗为压应力。
(7)15)蠕变三阶段分为:减速阶段、稳定阶段、加速阶段。
(7)16)无损探伤是在不损坏被检查材料或成品的性能完整性的条件下而检测其缺陷的方法。
(7)17)电站常用的无损检验方法有超声波探伤、射线探伤、着色探伤、磁粉探伤。
(7)18)断口检查主要是检查焊缝断面上有无焊接缺陷。
(7)19)钢板许用应力与板厚有关。
(7)20)高温、应力和时间是材料发生蠕变的三要素。
(7)21)金属在一定温度和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象就是蠕变。
(7)22)合金钢管弯制前应进行光谱分析和硬度试验。
金属失效断口分析
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(1)断裂源区和零件几何结构间的关系 断裂源区可能发生在零件的表面、次表面或内部。 对于塑性材料的光滑试件(零件),在单向拉伸
状态下,断裂源在截面的中心部位属于正常情况。为 防止零件出现此种断裂,应提高材料的强度水平或加 大零件的几何尺寸。
表面硬化件发生断裂时,断裂源可能发生在次表 层,为防止此类零件的断裂,应加大硬化层的深度或 提高零件的心部硬度。
(c)断口表面与轴线的夹角远小于45 ,即断口表面既不和最大正应力所在平面相 对应也不和最大切应力所在平面相对应。换句话说,该断裂面是在较小的应力条件下 形成的。由此可以推知,材料的各向异性现象比较严重,横向性能比较差。通常是由 材料中的塑性夹杂物比较多及锻造流线沿轴向分布显著等因素引起的。
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(6)断口上的冶金缺陷 注意观察断口上有无夹杂、分层、粗大晶粒、疏松、 缩孔等缺陷。有时依此可以直接确定断裂原因。
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3.2.4 断口的微观分析
断裂件的断口经宏观分析之后,对断裂的性质、 类型及致断原因等问题已有所了解。但对于许多断裂 问题,特别是在特殊环境条件下发生的断裂,仅限于 宏观分析还是不够的。其原因是,一方面是由于断口 的某些产物需要搞清楚才能确定断裂原因,另一方面 宏观断口形貌尚不能完全揭示出断裂的微观机制及其 它细节。因此,为了进一步搞清楚这些问题、尚需对 断口作微观分析。其内容主要包括断口的产物分析及 形貌分析两个方面。
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(3)按照裂纹的河流花样确定主裂纹
35
3. 断裂(裂纹)源区的宏观判断 主断面(主裂纹)确定后,断裂分析的进一步工
作是寻找裂纹源区。裂纹源区是断裂破坏的宏观开 始部位。寻找裂纹源区不仅是断裂宏观分析中最核 心的任务,而且是光学显微分析和电子显微分析的 基础。
金属断口机理及分析
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名词解释延性断裂:金属材料在过载负荷的作用下,局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。
蠕变:金属长时间在恒应力,恒温作用下,慢慢产生塑性变形的现象。
准解理断裂:断口形态与解理断口相似,但具有较大塑性变形〔变形量大于解理断裂、小于延性断裂〕是一种脆性穿晶断口沿晶断裂:裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。
解理断裂:在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。
应力腐蚀断裂:拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹:显微观察疲劳断口时,断口上细小的,相互平行的具有规则间距的,与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。
正断:断面取向与最大正应力相垂直〔解理断裂、平面应变条件下的断裂〕韧性:材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小,是材料强度和塑性的综合反映。
冲击韧性:冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。
位向腐蚀坑技术:利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向,分析断裂机理或断裂过程。
河流把戏:解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。
其形状类似地图上的河流。
断口萃取复型:利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体构造。
氢脆:金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。
卵形韧窝:大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。
等轴韧窝:拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。
均匀分布于断口外表,显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。
第一章断裂的分类及特点1.根据宏观现象分:脆性断裂和延伸断裂。
脆性断裂裂纹源:材料外表、内部的缺陷、微裂纹;断口:平齐、与正应力相垂直,人字纹或放射花纹。
延性断裂裂纹源:孔穴的形成和合并;断口:三区,无光泽的纤维状,剪切面断裂、与拉伸轴线成45º .2.根据断裂扩展途分:穿晶断裂与沿晶断裂。
穿晶断裂:裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂;沿晶断裂:裂纹沿着晶界扩展,多属脆断。
应力腐蚀断口,氢脆断口。
3根据微观断裂的机制上分:韧窝、解理〔及准解理〕、沿晶和疲劳断裂4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分:正断、切断正断:断面取向与最大正应力相垂直〔解理断裂、平面应变条件下的断裂〕切断:断面取向与最大切应力相一致,与最大应力成45º交角〔平面应力条件下的撕裂〕根据裂纹尖端应力分布的不同,主要可分为三类裂纹变形:裂纹张开型、边缘滑开型〔正向滑开型〕、侧向滑开型〔撒开型〕裂纹尺寸与断裂强度的关系Kic:材料的断裂韧性,反映材料抗脆性断裂的物理常量〔不同于应力强度因子,与K准则相似〕:断裂应力〔剩余强度〕 a :裂纹深度〔长度〕Y:形状系数〔与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关〕脆性材料K准则:KI是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量,是表征裂纹尖端应力场强度的计算量;KIC是材料固有的机械性能参量,是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法:T型法〔脆断判别主裂纹〕,分差法〔脆断判别主裂纹〕,变形法〔韧断判别主裂纹〕,氧化法〔环境断裂判别主裂纹〕,贝纹线法〔适用于疲劳断裂判别主裂纹〕。
金属零件的疲劳断裂失效

(4) 装配与联接效应
装配与联接效应对构件的疲劳寿命有很大的影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上。容 易出现的问题是,认为越大的拧紧力对提高联接的可靠性越有利,使用实践和疲劳试验表明,这种看 法具有很大的片面性。
(5) 使用环境
环境因素(低温、高温及腐蚀介质等)的变化,使材料的疲劳强度显著降低,往往引起零件过早的发 生断裂失效。例如镍铬钢(0.28%C,11.5% Ni,0.73%Cr),淬火并回火状态下在海水中的条件下疲 劳强度大约只是在大气中的疲劳极限的20%。
(5) 接触疲劳
02 疲劳断裂原因分析
(1) 零件的结构形状
零件的结构形状不合理,主要表现在该零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变 而造成过大的应力集中,疲劳微裂纹最易在此处萌生。 (2) 表面状态
不同的切削加工方式(车、铣、刨、磨、抛光)会形成不同的表面粗糙度,即形成不同大小尺寸和尖 锐程度的小缺口。这种小缺口与零件几何形状突变所造成的应力集中效果是相同的。由于表面状态不 良导致疲劳裂纹的形成是金属零件发生疲劳断裂的另一重要原因。
(3) 材料及其组织状态
材料选用不当或在生产过程中,由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发生,金属材料的组 织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。一般的说,回火马氏体较其它混合组织,如珠光体加马氏体 及贝氏体加马氏体具有更高的疲劳抗力;铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织相对含量 的增加而增加;任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。组织的不均匀性,如 非金属夹杂物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲劳抗力降低而成为疲劳断裂的重要原因。
当外部的激振力的频率接近系统的固有频率时,系统将出现激烈的共振现象。共振疲劳断裂是机械设 备振动疲劳断裂的主要形式,除此之外,尚有颤振疲劳及喘振疲劳。
常见金属裂缝的名称、原因及形态特征简明表

应力集中或夹杂处
穿晶扩展
很少氧化
尖细
过热裂缝
淬火加热温度过高,产生了过热或过烧,削弱了晶界,致使在组织应力和热应力下开裂
网状或弧形
应力集中处
沿晶扩展
很少氧化
尖细
其它淬裂
凹槽、缺口处因冷却速度较小,产生有中心未淬透或软点附近的组织过渡或偏析区在拉应力作用下开裂
一般呈弧形裂缝
应力集中处或组织过渡区
裂缝名称
裂缝形成原因
裂缝形态特征
备注
类别
名称
宏观形态
起源位置
走向
周围情况
尾端
其它
特征
铸
造
裂
缝
热
裂
缝
铸造热裂缝是在高温下(约1250~1450℃)形成的。它的形成原因有:金属冷却时,在形成热裂的温度范围内收缩应力过大;铸件在砂型中收缩受阻;铸件设计不合理,厚薄相差悬殊;冷却严重不均匀;铸件中有害杂质较多,在金属凝固后,有害杂质富集于晶界降低了金属的强度和塑性;铸件表面与涂料相互作用等
应力集中处或组织过渡区(在热影响区内)
一般穿晶扩展
很少氧化脱碳
热
裂
缝
钢在1100~1300℃之间,因热应力作用产生。形成热裂缝的可能性与基体金属、焊条金属的成分有很大关系,一般地说,合金钢或含碳量高,强度大的钢、含氧量大的铜合金及使用低熔点焊条的铝合金产生裂缝的可能性较大
有时呈蟹脚状、网状或呈曲线状
多数在表面应力集中处
主要呈穿晶扩展
有时可观察到金属磨屑
尖细
范性撕裂
所受载荷超过金属的强度极限而开裂
断裂与剪应力方向平行
一般在应力集中处
穿晶扩展
呈喇叭状
疲劳断口的宏观形貌特征资料

最后断裂区
脆性断口
塑性断口
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口宏观上没有明显的塑性变形: 将疲劳破坏的断口对合在一起,一般都能吻合的很好。这表明破坏之前并未发生大 的塑性变形,即使是塑性很好的材料也是如此。
疲劳断口
塑性断口
根据宏观形貌特征判断受载情况
扩展区
从右到左依次为裂纹源,扩展区 和瞬断区,判断为单向弯曲载荷
断口的微观结构特征
疲劳断口的观察方法
• 观察工具和能观察到的对象: 肉眼、放大镜
观察工具
金相显微镜
电子显微镜
放大倍数 观察对象
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x
1000x以上
裂纹源、滑移、夹杂、 条纹、微解理、微
缺陷
孔聚合
例图
疲劳断口的宏观形貌特征
• 断口的宏观形貌 材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂,但疲劳断口明显区别于其他类型断口:
疲劳断口
脆性断口 断口的宏观形貌特征
塑性断口
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口的宏观形貌
分为三个区:
o 疲劳源
(源区)
o 裂纹扩展区 (扩展区)
o 最后断裂区 (瞬断区)
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地,该区一般位于构件的表面或内部缺陷处,可能
一个,也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
要依据。
断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口分析的实验基础: 对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和
分析。
断口的微观结构特征
疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌(通常指40x以下) 观察总体形貌特征,定性分析。
o 是否疲劳破坏?(能否看到三个特征区) o 何处为裂纹源?(可以直接从断口处观察到) o 裂纹临界尺寸?(扩展区大小) o 破坏载荷? (结合断裂力学知识计算)
疲劳断口的宏观形貌特征

其他辅助技术手段
X射线衍射(XRD)分析
01
通过XRD可以分析断口表面的晶体结构和相组成,有助于了解
材料的力学性能和断裂机制。
超声波检测
02
利用超声波在材料中的传播特性,可以检测材料内部的缺陷和
裂纹,为疲劳断裂的分析提供辅助信息。
红外热像仪
03
红外热像仪可以检测材料表面的温度分布,从而间接反映材料
2023
疲劳断口的宏观形貌 特征
https://
REPORTING
2023
目录
• 引言 • 疲劳断口类型与形成机制 • 宏观形貌特征描述方法与技术手段 • 不同材料疲劳断口宏观形貌特征比较 • 影响因素及变化规律探讨 • 总结与展望
2023
PART 01
引言
REPORTING
• 多尺度研究:疲劳断裂是一个涉及多个尺度的复杂过程,未来研究将更加注重 从微观到宏观的多尺度研究,以揭示不同尺度下的疲劳损伤机制和断裂行为。
• 智能化研究:随着人工智能和机器学习等技术的不断发展,未来有望实现疲劳 断口的智能化识别和分析。通过构建大规模的疲劳断口数据库和深度学习模型 ,可以实现对疲劳断口的自动识别和分类,提高分析效率和准确性。
疲劳断口类型划分
01
海滩状断口
海滩状断口是疲劳断口中最为常见的一种类型,其形貌特征类似于海滩
上的波纹状痕迹。这种断口通常出现在高周疲劳断裂中,由于裂纹在扩
展过程中受到反复挤压和摩擦作用而形成。
02
鱼鳞状断口
鱼鳞状断口是另一种常见的疲劳断口类型,其形貌特征类似于鱼鳞状的
层状结构。这种断口通常出现在低周疲劳断裂中,与材料的塑性变形和
2023
PART 03
金属疲劳断口的微观形状特征

金属疲劳断口的微观形状特征目前用断口微观分析判断失效形式,通常不是依靠裂纹源区的微观形貌,而主要是依据裂纹扩展区的微观断口形貌来进行判断。
因为零件断口上的疲劳裂纹源区一般都很小,有时根本不存在,另外在疲劳断裂的断口上,其裂纹源区的微观特征出现许多种形貌,如有些材料的裂纹源区出现韧窝状形貌,而低韧或脆性材料的源区甚至出现准解理,沿晶断裂的形貌,有些材料的源区出现疲劳条带。
为了分析引起疲劳失效的原因,需在源区上进行认真检查,就能得出失效是属于何种原因引起的。
在疲劳裂纹扩展区,其微观形貌的基本特征是具有一定间距的、垂直于主裂纹扩展方向的、相互平行的条状花样,即疲劳条带(或疲劳辉纹、疲劳条纹),这是区别于其他性质断裂的最显著的特征花样。
疲劳条带具有如下特点:1、断口上的疲劳条带有时为连续分布,如在铝合金、钛合金、奥氏体钢中所见,有时也可能呈断续分布,如在结构钢和高强钢中所见;2、在使用状态下,疲劳裂纹往往在不同振幅的交变载荷下发生,裂纹扩展时同一平面、同一方向上疲劳条带间距变化是疲劳载荷谱在断口形貌上的反映,每一条疲劳条带代表一次载荷循环,疲劳条带的间距在裂纹扩展初期较小,而后逐渐变大;3、疲劳条带的形状多为向前凸出的弧形条纹,金属中的第二相粒子可以阻止也可加速疲劳裂纹的扩展,使疲劳条带出现凹形弧线或S形弧线;4、面心立方晶体结构的材料比体心立方晶体结构的材料更易形成连续而清晰的疲劳条带;5、平面应变状态比平面应力状态易形成疲劳条带,一般应力太小时观察不到疲劳条带;6、晶粒边界对疲劳裂纹的扩展起抑制作用,疲劳裂纹扩展方向从一个晶粒到另一个晶粒发生变化,产生的疲劳条带的方向也不一样;7、疲劳条带在常温下往往是穿晶的,而在高温下可以出现沿晶疲劳条带;8、材料的抗拉强度越高,越不易形成疲劳条带,高强钢或超高强度钢的疲劳断口上甚至完全不出现疲劳条带,而往往是沿晶、解理或韧窝形貌;9、高温和腐蚀环境会使断口发生氧化和腐浊,结果使疲劳条带形貌遭到破坏;10、断口两侧条纹形态对称,即峰对峰,谷对谷。
焊接结构的失效形式

焊接结构的失效形式焊接结构的失效形式有:脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。
下面就常见的几种失效的特征及断口特点作具体分析。
一脆性失效:1 脆性失效的特征:脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效。
通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生,断裂时无显著的塑性变形,具有突发破坏的性质,往往造成重大损失。
脆性断裂在工程结构中是一种非常危险的破坏形式。
其特点是裂纹扩展迅速,能量消耗远小于韧性断裂,而且很少发现可见的塑性变形,断裂之前没有明显的征兆,而是突然发生。
脆性断裂断口表面发亮,呈颗粒状,属于平直类型,是在平面应变状态下发生的。
同时,脆性断裂是在低应力条件下发生的,因而这种断裂往往带来恶性事故和巨大损失。
2 脆性断裂断口的宏观分析:脆性断裂断口在宏观上有小刻面和放射状或人字花样两种形式。
脆性断口穿晶结晶面为解理面,在宏观上呈无规则取向。
将脆性断口在强光下转动时,可见到闪闪发光的特征。
一般称这些表面发亮呈颗粒状的小平面为“小刻面”.即解理断口是由许多“小刻面”组成的。
因此,根据这个宏观形貌很容易判别解理断口;放射状或人字花样是脆性断口的另一个宏观形貌特征。
人字花样指向裂纹源,其反向即倒人字为裂纹扩展方向。
因此,可以根据人字花样的取向,很容易地判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。
另外,放射状花样的收敛处为裂纹源,其放射方向均为裂纹的扩展方向。
二塑性失效:1 塑性失效的特征:塑性断裂的特点是金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。
由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的,结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变形,在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈等。
塑性变形常使容器直径增加和壁厚减薄。
在大多数材料中,拉伸塑性断口呈灰色纤维状,宏观上分为平直面和剪切面。
2垫性断裂断口的宏观分析:由于显微空洞的形成、长大和聚集,最后形成锯齿形纤维状断口。
这种断裂形式多属穿晶断裂,因此断口没有闪烁的金属光泽而是呈暗灰色。
金属力学性能

疲劳定义:金属机件或构件在变动应力应变长期作用下,由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
疲劳的特点:(1)疲劳是低应力循环延时断裂,即具有寿命的断裂,ζ↓,Nf↑.(2)疲劳是脆性断裂,是一种潜在的突发性断裂。
(3)疲劳对缺陷十分敏感。
疲劳的断口特征:(三个区):疲劳源,疲劳区,瞬断区,疲劳宏观特征:贝纹线(沙滩状花样),微观特征:疲劳韧带疲劳裂纹在表面形成的原因:(1)表面晶粒受周围介质约束小(2)表面晶粒不完全被其他晶粒包围,塑性变形约束小(3)表面晶粒易受损伤(4)弯曲,扭转载荷作用在表面应力最大。
疲劳强度影响因素⑴表面强化:①化学热处理:a渗碳,氮;b 表面淬火②表面塑变:a 喷丸; b 表面滚压表面强度增加(抵抗表面滑移,ζ-1提高),表面产生残余压应力(降低拉应力峰,ζ-1提高)⑵残余压应力的有利影响与外加应力的应力状态有关:机件承受弯曲疲劳时,残余压应力效果比扭转疲劳大;承受拉压疲劳时,影响小,这是不同应力状态下,机件表面应力梯度不同所致。
⑶只要提高材料的滑移抗力,如果用固溶强化,细晶强化等手段,均可以阻止疲劳裂纹的萌生,提高疲劳强度——只适用于高周疲劳。
高周疲劳特点:断裂寿命较长,N f>105周次;断裂应力水平较低,ζ<ζs,低应力疲劳。
应力腐蚀⑴产生条件:应力;化学介质;金属材料⑵应力腐蚀断口特征.宏观:灰黑色—亚稳扩展区,亮色—瞬间断口区微观:显微断裂呈枯树枝状,表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。
⑶防止应力腐蚀方法:a,合理选择金属材料 b,减少或清除机件中的残余拉应力 c,改善化学介质 d,采用电化学保护为什么bcc易于产生低温脆性,而fcc不易产生?加入Ni,Mn合金元素对韧性的影响?答:(1)ζs=ζi+k y d-1/2,bcc对温度变化更为敏感,与温度下降时,ζi 急剧增加,故ζs急剧增加,从而易于产生低温脆性(2)bcc与迟屈服现象有关,迟屈服即对低碳钢施加一高速载荷到高于ζs材料并不立即产生屈服,而需要经过一段孕育期才开始塑性变形。
疲劳强度分析

疲劳强度疲劳的定义:材料在循环应力或循环应变作用下,由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化,从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。
疲劳的分类:(1)按研究对象:材料疲劳和结构疲劳(2)按失效周次:高周疲劳和低周疲劳(3)按应力状态:单轴疲劳和多轴疲劳(4)按载荷变化情况:恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳(5)按载荷工况和工作环境:常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。
第一章疲劳破坏的特征和断口分析§1-1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同,主要有五大特征:(1)在交变裁荷作用下,构件中的交变应力在远小于材料的强度极限(b)的情况下,破坏就可能发生。
(2)不管是脆性材料或塑性材料,疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂,故疲劳断裂常表现为低应力类脆性断裂。
(3)疲劳破坏常具有局部性质,而并不牵涉到整个结构的所有材料,局部改变细节设计或工艺措施,即可较明显地增加疲劳寿命。
(4)疲劳破坏是一个累积损伤的过程,需经历一定的时间历程,甚至是很长的时间历程。
实践已经证明,疲劳断裂由三个过程组成,即(I)裂纹(成核)形成,(II)裂纹扩展,(III)裂纹扩展到临界尺寸时的快速(不稳定)断裂。
(5)疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征,特别是其宏观特征在外场目视捡查即能进行观察,可以帮助我们分析判断是否属于疲劳破坏等。
图1-1及图l-2所示为磨床砂轮轴及一个航空发动机压气机叶片的典型断口。
图中表明了疲劳裂纹起源点(常称疲劳源),疲劳裂纹扩展区(常称光滑区)及快速断裂区(也称瞬时破断区,常呈粗粒状)。
§1-2 疲劳破坏的断口分析宏观分析:用肉眼或低倍(如二十五倍以下的)放大镜分析断口。
微观分析:用光学显微镜或电子显微镜(包括透射型及扫描型)研究断口。
图1-1 磨床砂轮轴的典型断口图1-2 航空发动机压气机叶片的典型断口1、断口宏观分析:(I) 疲劳源:是疲劳破坏的起点,常发生在表面,特别是应力集中严重的地方。
14-02第二章疲劳破坏特征及断口分析

2.1 宏观断口特征 2.2 疲劳破坏机理 2.3 微观断口特征 2.4 由疲劳断口进行初步失效分析
1
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
2.1.1 疲劳破坏宏观断口特征
材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂,但疲劳断口 明显区别于其他类型断口:
疲劳断口
塑性断口
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能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
2.2.1 金属的塑性变形
金属的塑性 变形方式: 滑移和孪生
滑移:滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)和 晶向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动位移的现象。 滑移带:塑性变形的可见标记(金相显微镜)。
铜拉伸试样表面滑移带 500x
16
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
疲劳条带是疲劳断口的宏观基本特征,是判断 结构断裂失效是否为疲劳断裂的重要依据。
但并不是所有疲劳断口上都会有疲劳条带出现。 实验室进行的标准试样的等幅疲劳试验很少有 疲劳条带出现。
一般认为其形成与循环载荷的变化、裂纹扩展 忽快忽慢、裂纹扩展不均匀有关。
9
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
疲劳裂 纹成核
扩展至临 界尺寸
断裂 发生
疲劳裂纹的起始或萌生过程,称为裂纹成核,成 核处——裂纹源。
裂纹起源(裂纹源)仍然是由于滑移引起的,表 面或应力集中处的局部某些晶粒中。
19
能源与动力学院 <<结构疲劳与断裂>> -- 2014
循环加载时的滑移:
材料表面
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收藏【技术类】金属疲劳断口的宏现形状特征(2011-1-21 13:38:36)疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹,记录了很多断裂信息。
具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征,而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响,因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。
一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成,具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征,这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。
1、疲劳裂纹源区疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地,是疲劳破坏的起点,多处于机件的表面,源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮,且呈半圆形或半椭圆形。
因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢,裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多,所以其断口较其他两个区更为平坦,比较光亮。
在整个断口上与其他两个区相比,疲劳裂纹源区所占的面积最小。
当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时,裂纹源则向次表面或机件内部移动。
有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源,每个源区所占面积往往比单个源区小,源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。
裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。
通常,应力集中系数越大,名义应力越高,出现疲劳源的数目就越多,如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。
当零件表面存在某类裂纹时,则零件无疲劳裂纹萌生期,疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展,这时断口上不再出现疲劳源区,只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。
2、疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域,该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域,其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样,它是以疲劳源区为中心,与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线,又称疲劳弧线。
疲劳弧线是裂纹扩展过程中,其顶端的应力大小或状态发生变化时,在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。
贝纹花样是由载荷变动引起的,因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等,均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线(疲劳弧线)。
贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有尖,而且与介质情况、温度条件等有尖,材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时,则弧线清晰。
所以,这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中,而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线,此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦,使该区变得光滑,呈细晶状,有时甚至光洁得像瓷质状结构。
一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中,而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。
贝纹线与裂纹扩展方向垂直,它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线,表示裂纹沿表面扩展较慢,即材料对缺口不敏感,例如低碳钢;相反,若围绕裂纹源成凹向弧线,说明裂纹沿表面扩展较内部快些,表示材料对缺口敏感,如高碳钢。
贝纹线间距也有不同。
近疲劳源区贝纹线较细密,表明裂纹扩展较慢;远离疲劳源区则贝纹线较稀疏,表明裂纹扩展较快。
疲劳裂纹扩展区在断口所占据的面积为最大,而贝纹区的面积大小取决于材料性质及构件的应力状态及应力幅等。
随着应力幅的降低或材料韧性较好时,贝U贝纹区较大,贝纹线细而明显;反之随着应力幅的提高或材料韧性较差,则贝纹区较小,贝纹线粗而不明显。
当轴类机件拉压疲劳时,若表面无应力集中(无缺口),则裂纹因截面上应力均等而沿截面等速扩展,贝纹线呈一簇平行的圆弧线。
若机件表面存在应力集中(环形缺口),则因截面表层的应力比中间的高,裂纹沿表层的扩展快于中间区;高应力时,瞬断区面积相对较大,疲劳裂纹扩展区面积小,裂纹沿两边及中间扩展差别不大,贝纹线的形状为半圆弧形一半椭圆弧个波浪弧一最后凹向半椭圆弧变化。
当机件弯曲疲劳时,其表面应力最大,中心最小,其贝纹线变化与缺口机件的拉压疲劳相似,如表面又存在缺口造成应力集中,则其变化程度会更大。
若机件垂直或平行轴向分布,故疲劳断口有二类,一类为正断型,另一类为切断型。
脆性材料常是正断型扭转疲劳,常见的有锯齿状断口及星形断口,呈纤维状,如花键轴的断口。
切应力引起的切断型疲劳断口,断面垂直或平行于轴线,此时不会出现贝纹线,有时扭转疲劳也会出现混合断裂。
为扭转疲劳时5其最大正应力和轴向呈45 °角分布,最大切应力综上所述,应力集中影响贝纹线的形状,应力集中增大,相应的贝纹线较平坦;名义应力影响最终瞬断区的大小,名义应力增大,最终破断区的面积增加;应力状态主要影响疲劳源的位置和数量,双向弯曲,最小有两个疲劳源以及相应的扩展区,旋转弯曲则最终破断区向旋转的反方向偏转一定角度。
此外,对疲劳断口有时还有另一基本特征即疲劳台阶。
这是由于裂纹扩展过程中,裂纹前沿的阻力不同,而发生扩展方面上的偏离,此后裂纹幵始在各自的平面上继续扩展,不同的断裂面相交而形成台阶。
一次疲劳台阶出现在疲劳源区,二次疲劳台阶出现在疲劳裂纹的扩展区,它指明了裂纹的扩展方向,并与贝纹线相垂直,呈放射状射线。
3、瞬时断裂区由于疲劳裂纹不断扩展,使零件或试样的有效断面逐渐减小,因此,应力不断增加。
对塑性材料,当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时,便发生瞬时断裂,当材料塑性很大时,断口呈纤维状,暗灰色;对脆性材料,当裂纹扩展至材料的临界裂纹尺寸a c时,便发生瞬时断裂,断口呈结晶状。
因此,瞬时断裂是一种静载断裂,它具有静载断裂的断口形貌,是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。
与其他两个区相比,瞬断区的明显特征是具有不平坦的粗糙表面,而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区,有时光亮区仅为疲劳源区。
瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材料性质、几何形状、应力集中程度、加载方式及大小以及环境等因素,若应力较高或材料韧性较差,则瞬断区面积较大;反之,则瞬断区就较小。
以上分别介绍了各种条件下出现的疲劳断口三个区域的一般宏观特征,它们是判断零件疲劳失效的重要证据之一。
但是影响疲劳断口形貌的还有其他许多因素,诸如材料种类、强度级别及环境介质等,这些因素可能使断口三个区域的形貌及其界限模糊不清,所以实际零件的宏观断口形貌有时并不那么典型、分明。
此外,在某些情况下,由于断口的宏观形貌在现场中遭破坏或者由于断口匹配面在断裂过程中受到严重磨损等原因,以至于无法借助于它的宏观形貌来判断其失效性质。
在另一些情况下,虽然由断口的宏观形貌可以判断其失效性质,但尚需进一步查明引起疲劳失效的原因,这时就需要借助于微观断口分析。
金属脆性断裂失效现象近百年来,随着金属材料的广泛应用,曾频繁出现过不少重大的工程断裂事故,包括桥梁、储气和储油罐、管道、转子、轮船、导弹发动机壳体的断裂等,造成严重的后果和重大的经济损失。
通过对大量脆性断裂现象的分析与考查,脆性断裂的主要特征有:1零件断成两部分或碎成多块;2、断裂后的残片能很好地拼凑复原,断口能很好地吻合,在断口附近没有宏观的塑性变形迹象;3、脆断时承受的工作应力很低,一般低于材料的屈服强度,因此,人们把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”;4、脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始;5、温度降低,脆断倾向增加;6、脆断断口宏观上平直,断面与正应力垂直,断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹;7、一旦发生幵裂,裂纹便以极高的速度扩展,其扩展速度可达声速,因此带来的后果常常是灾难性的;8高强度钢可能发生脆性断裂,在比较低的温度下,中、低强度钢也可能发生脆性断裂。
脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现,而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。
金属脆性断裂失效原因分析1、应力分布最大拉应力与最大切应力对形变和断裂起不同作用。
最大切应力促进塑性变形,是位错移动的推动力,而最大拉应力则只促进脆性裂纹的扩展。
当零件存在缺陷(如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等)或零件的截面突然变化,这些部位往往引起应力集中而使应力分布不均匀,即造成三向拉应力状态,极易导致脆性断裂。
因此,应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是造成金属零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。
材料的应力状态越严重,则发生解理断裂的倾向性越大。
2、温度温度降低会引起材质本身的性能变化,如钢的屈服应力随温度降低而增加,韧性下降,解理应力也随着下降。
对某些体心立方金属及合金,由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错,特别在低温下,这种结构的螺位错难以交滑移,使得派-纳力(在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力)随温度的降低迅速升高,这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高即对温度产生强烈依赖矢系,并因此导致材料脆化的主要原因。
金属零件发生低温脆断的基本条件:一是所用材料属于冷脆金属;二是环境温度较低,即零件处在脆性转变温度Tc以下的环境中工作;三是零件的几何尺寸较大,即处在平面应变状态。
此外,当零件上存在显微裂纹、缺口或大块非金属夹杂物等缺陷时,会使Tc提高,从而促使零件在较高温度下发生脆化。
普通铸铁件,硬度不高,其基体为塑性很好的铁素体或珠光体,但由于晶粒粗大,片状石墨造成的应力集中,加之含有大量缺陷使丁,显著升高,所以,室温条件下即可发生宏观脆性的解理断裂。
金属脆性断口微观形貌特征1、解理断口解理断裂常发生于低温、高应变速率、应力集中及粗大晶粒的条件下,裂纹一经形成,便会迅速扩展。
因为解理的存在取决于晶体结构,并且它沿着十分确定的原子面扩展,所以,宏观观察解理断口是十分平滑的,相邻的区域没有塑性变形,而在电镜下观察每一个解理小刻面,发现这些小刻面并不是一个单一的解理面。
金属解理断口的微观形貌最主要特征是河流花样。
河流花样的形成是因为解理并非沿单一的结晶学平面进行,而是沿着相互平行的许多平面以不连续的方式开裂的。
不在一个平面上的解理裂纹在向前扩展时,通过二次解理或与螺型位错相交时产生割阶,即解理台阶。
解理台阶在裂纹扩展过程中逐渐会合,直至最后断裂。
河流花样就是裂纹扩展中的解理台阶在微观断口上的表现。
裂纹源在河流的上游,顺流方向即裂纹扩展方向。
晶界常使解理断口呈现更复杂的形态。
当解理裂纹通过小角度倾斜晶界时,由于小角度晶界由刃型位错组成,其两侧晶体仅相互倾斜一小角度,且有公共交截线,则它们对河流花样的穿过不产生多大影响,裂纹能穿过晶界,“河流”能连续地延伸到相邻晶粒内。
当解理裂纹通过扭转晶界时,因晶界由螺位错组成,其两侧晶体以边界为公共面转动一小角度,使两侧解理面存在位向差,故裂纹不能连续通过晶界而必须重新形核,在晶界处形成新的“河流”,产生河流激增。
当裂纹穿过大角度晶界时也形成大量“河流”。
解理断裂的另一微观特征是舌状花样,因其在电子显微镜下类似人的舌头而得名。
在体心立方金属中,在主解理面{100}上扩展的裂纹与挛晶面{112}相遇时,裂纹在李晶处沿{112}面产生二次解理(即二次裂纹),而李晶以外的裂纹仍沿{100}扩展,二次裂纹沿李晶面扩展,超过李晶再沿{100}面继续扩展。