金属疲劳破坏机理及断口分析
34页1、第三章 金属疲劳破坏机理及 断口分析 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 (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, 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。 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 图3、各类疲劳断口形
2、态的示意图 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( 0.2) (b)交变应力( = -1,N=105次) 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。 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(= -1)滑移带的发展 (a)N=104次;(b)N=2106次 图6、低碳钢(= 2-1)形成的滑移带 (a)N=6104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” 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
3、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 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。 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 图10 孪晶处形成的 疲劳裂纹核心 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和加深,以致形成“驻留滑移带”。 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 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
4、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10 数量级,扩展的深度约有几个晶粒。在有应力 集中的情况下,则不出现第阶段,而直接进 入第阶段。 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。 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,
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