金属疲劳破坏机理及断口分析PPT课件

▪ 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。
▪ 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 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”。
▪ 图5低碳钢经过不同循环次数后形成的滑移带。
图5、低碳钢在交变应力下（σ= σ-1）滑移带的发展
（a）N=104次；（b.）N=2×106次
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图6、低碳钢（σ= 2σ-1）形成的滑移带 （a）N=6×104次；（b）电解抛光后留下的“驻留滑移带”
图7、交变应力下金属表面. 形成的“挤出脊”及“挤入沟”
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▪ 第二阶段---裂纹扩展方向和主应力垂直。
▪ 这一阶段裂纹扩展的途径是穿晶的，其扩展 速率较快，每一应力循环大约为微米数量级。 电子显微镜断口分析中能看到一些疲劳辉纹 （疲劳条纹）。这种疲劳辉纹是判断零件是 否疲劳断裂的有力依据。
▪ 疲劳辉纹分为塑性辉纹、脆性辉纹和微坑辉 纹等几种。
▪ （1）塑性辉纹的形成过程，如图16所示。
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2、影响疲劳断口的因素
▪ （1）试样或零件所受载荷类型。 ▪ （2）试样或零件所受应力的大小。 ▪ （3）应力集中因素。
图2、平板试样拉压疲劳断口形态示意图 （a）平板试样；（b）带缺口的平板试样
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图3、各类疲劳断口形态的示意图
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二、金属疲劳破坏机理
▪ 疲劳裂纹的产生
▪ 金属所受交变应力的最大值低于材料的屈服强度， 为什么会产生疲劳断裂呢？为了搞清楚金属疲劳断 裂的本质，通常是在消除外界应力集中的情况下， 研究金属疲劳的微观变化，从而提高疲劳抗力的途 径。
图4、静拉伸和交变载荷下的滑移带
（a）静拉伸（σ＞ σ0.2）
（b）交变应力（ σ=. σ-1，N=105次）
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▪ 从图4可以看出，静拉伸试样表面上到处布满细密 的滑移带。交变载荷下，经过应力循环之后，只有 部分晶粒的局部地方出现细滑移带，表现为滑移的 不均匀性。这种滑移的不均匀性通常集中在金属表 面、金属的晶界及金属夹杂物等处，并在该处形成 疲劳裂纹核心。
▪ 在一定条件下，可以根据疲劳辉纹之间的宽 度近似地估计疲劳裂纹的扩展速率。
图17 疲劳裂纹和疲劳断口上的辉纹
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▪ 许多工业金属材料，由于内部存在晶界及非 金属夹杂物等障碍，疲劳裂纹尖端塑性变形 的对称性常常被破坏，所以就出现裂纹两侧 不对称的现象，如图18所示。
图9 晶界处形成的疲劳裂纹核心（铁—钴—钒合金）
（a）晶界处应力集中；（b）晶界处产生裂纹
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图10 孪晶处形成的 疲劳裂纹核心
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图11 非金属夹杂物处产生的疲劳裂纹
（a）夹杂物处的不均匀滑移；（b）夹杂物处形成的疲劳裂纹核 心
图12 疲劳第一 阶段形成的细滑 移线
图13 滑移线的 发展
图14 平行二面 上两列异号位错 相消形成空洞
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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
两个阶段，如图15所示。
图15 疲劳裂纹 扩展的阶段
疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段，通常是从金属 表面上的驻留滑移带、挤入沟或非金属夹杂物 等处开始，沿最大切应力（和主应力方向近似 成45°）的晶面向内扩展，由于各晶粒的位向 不同以及晶界的阻碍作用，随着裂纹向内扩展， 裂纹的方向逐渐转向和主应力垂直。这一阶段 的扩展速率很慢，每一应力循环大约只有10À 数量级，扩展的深度约有几个晶粒。在有应力 集中的情况下，则不出现第Ⅰ阶段，而直接进 入第Ⅱ阶段。
▪ 图16（d）表示反号应力作用时， 滑移沿相反方向进行，原裂纹表面 和新产生的裂纹表面被压近，在裂 纹顶端处被弯折成一个耳状切口。
▪ 图16（e）表示当反号应力最大时， 裂纹表面被压合，裂纹尖端又由钝 变锐，形成一个尖角，裂纹前沿向 前扩展一个裂纹。下一次应力循环 又重复以上过程。
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▪ 因此，疲劳裂纹的扩展是在裂纹尖端塑性钝 化（钝锐交替变化）过程中不断向前推进的。 在电子显微镜下看到疲劳断口的辉纹就是每 次交变应力下裂纹扩展留下的痕迹。
在零件或试样的局部区域造成应力集中，这些区域 便是疲劳裂纹核心产生的策源地。 ▪ 疲劳裂纹产生后，在交变应力作用下继续扩展长大。 常常留下一条条的同心弧线，叫做前沿线（疲劳 线），这些弧线形成了象“贝壳”一样的花样，也 称为贝纹区。断口表面因反复挤压、摩擦，有时光 亮得象细瓷断口一样。 ▪ （2）最后断裂区 ▪ 疲劳裂纹不断扩展，使得零件或试样有效断面逐渐 减少，应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度 时，则发生断裂，形成最后断裂区。 ▪ 对于塑性材料，断口为纤维状，呈暗灰色。 ▪ 对于脆性材料则是结晶状。
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▪ 驻留滑移带、挤出脊、挤入沟等，都是金属 在交变载荷作用下表面不均匀滑移造成的疲 劳裂纹核心策源地。这些裂纹核心在交变应 力作用下逐渐扩展，相互连接，最后发展成 为宏观疲劳裂纹，图8所示。
图8、疲劳裂纹经过滑移集中区
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▪ 产生疲劳裂纹核心的地方还有晶界，孪晶界 以及非金属夹杂物等处，如图9、10、11所 示。
第三章 金属疲劳破坏机理及 断口分析
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一、疲劳宏观断口
▪ 1、疲劳断口的特征 ▪ 疲劳断口宏观来看由两个区域组成：疲
劳裂纹产生及扩展区和最后断裂区。
图1、疲劳断裂宏观断口
（a）旋转弯曲试样疲劳断口
（b）疲劳断口示.意图
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▪ （1）疲劳裂纹产生及扩展区 ▪ 由于材料的质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，