断裂失效分析(1)

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断裂失效分析(1)

钟培道

(北京航空材料研究院,北京100095)

1引言

机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂失效两大类。非断裂失效一般包括

磨损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化失效等。

断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效,其分类比较复杂,一般有如下

几种:

(1)按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶

断裂和疲劳断裂;

(2)按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂;

(3)按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。

在失效分析实践中大都采用这种分类法。

断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手,确定断裂失效模式,分析研

究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件(如温度、介质等)

等之间的关系,揭示断裂失效机理、原因与规律,进而采取改进措施与预防对策。

从本期起分期介绍韧性、脆性及疲劳三类断裂失效分析的基础知识及典型失效案

例分析。

2韧性断裂失效分析

2.1概述

韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂之前,在断裂部位出现较为明显

的塑性变形。在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受

的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。

在正常情况下,机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下,一般不会出现韧性断裂失效。但是,由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中,存在着众多环节和各种复杂因素,因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。

2.2韧性断裂机理与典型形貌

工程材料的显微结构复杂,特定的显微结构在特定的外界条件(如载荷类型与大小,环境温度与介质)下有特定的断裂机理和微观形貌特征。金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。

2.2.1滑移分离

韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形,而塑性变形的普遍机理是滑移,即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离,其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。因此有必要对滑移分离加以叙述。

(1)滑移带晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线,滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶称为滑移台阶。由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。确切地说,目前人们将在电镜下分辨出来的滑移痕迹称为滑移带。滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层,滑移层宽度在5～50nm之间。随着外力的增加,一方面滑移带不断加宽,另一方面,在原有的滑移之间还会出现新的滑移带。

金属材料滑移的一般规则是:①滑移方向总是原子的最密排方向;②滑移通常在最密排的晶面上发生;③滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生。

(2)滑移的形式晶体材料产生滑移的形式是多种多样的,主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波状滑移、滑移碎化和滑移扭折等。

(3)滑移分离断口形貌滑移分离的基本特征是:断面呈45°角倾斜;断口附近有明显的塑性变形;滑移分离是在平面应力状态下进行的。

滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样和延伸区。

图1为在电子显微镜下观察到的滑线形貌,是多系滑移留下的微观痕迹。

图1典型的滑移线形貌

图2蛇形滑移花样

蛇形花样,多晶体材料受到较大的塑形变形产生交滑移,而导致滑移面分离,形成起伏弯曲的条纹,通常称为蛇形滑移花样,如图2所示。

若变形程度加剧,则蛇形滑移花样因变形而平滑化,形成“涟波”花样,典型的照片见图3。

涟波花样也将进一步平坦化,在断口上留下了没有什么特殊形貌的平坦区,称为延伸区。

实际材料总是存在缺陷,如缺口、裂纹和显微空洞等。在应力作用下,这些缺陷附近的区域可能发生纯剪切过程,在其内表面上也会显示出蛇形滑移、涟波和延伸区等特征。

靠滑移分离而导致的断裂,即使在晶界处也能发生。这种断裂有两种可能,一种是在相邻的两个晶粒内部发生了滑移而导致晶界产生分离;另一种是由于晶界本身的滑移而产生分离。沿晶界滑移分离的断口显微形貌也具有蛇形滑移、涟波花样及无特征等。

图3涟波形貌

图4典型的韧窝形貌(SEM)

2.2.2韧窝断裂

韧窝是金属韧性断裂的主要特征。韧窝又称作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞,经形核、长大、聚集,最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹。图4为典型的韧窝形貌。

虽然韧窝是韧性断裂的微观特征,但不能仅仅据此就作出韧性断裂的结论,因为韧性断裂与脆性断裂的主要区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性变形。即使在脆性断裂的断口上,个别区域也可能由于微区塑变而形成韧窝。

(1)韧窝的形成韧窝形成的机理比较复杂,大致可分为显微空洞的形核、显微空洞的长大和空洞的聚集三个阶段。D.Broek根据实验结果,建立了韧窝形核及生长模型,如图5所示。其中a图为微孔聚集模型(其典型形貌见图4),b图为第二相粒子形核模型。

(a)微孔聚集模型(b)在第二相粒子处形核模型

图5韧窝形核及扩展模型

这个韧窝模型,可以同时解释在拉应力作用下形成等轴韧窝或抛物线韧窝和夹杂物或第二相粒子在切应力作用下破碎而形成韧窝的现象。

(2)韧窝的形状韧窝的形状主要取决于所受的应力状态,最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种,如图6所示。

等轴韧窝是在正应力作用下形成的。在正应力的作用下,显微空洞周边均匀增长,断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。

剪切韧窝是在切应力作用下形成的,通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配断面上抛物线的凸向相反,见图6b。