金属材料断裂失效分析

金属材料断裂失效分析 (北京航空材料研究院,北京100095) 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。 . 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 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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。 . 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:?滑移方向总是原子的最密排方向;?滑移通常在最密排的晶面上发生;?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。 (a) 等轴韧窝 (b) 剪切韧窝 (c) 撕裂韧窝 (d) 拉长韧窝 图6 三种基本韧窝形态示意图 撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成,常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上,也呈抛物线形,但在匹配断口上,撕裂韧窝不但形状相似,而且抛物线的凸向也相同,见图6c。 在实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存,或在拉长韧窝的周围有少量的等轴韧窝,见图4。 (3)韧窝的大小 韧窝的大小包括平均直径和深度,深度常以断面到韧窝底部的距离来衡量。影响韧窝大 小的主要因素有第二相质点的大小与密度、基体塑性变形能力、硬化指数、应力的大小与状态及加载速度 等。通常对于同一材料,当断裂条件相同时,韧窝尺寸愈大,表征材料的塑性愈好。 . 2.3.1 韧性断裂的宏观特征 零件所承受的载荷类型不同断口特征会有所差异,但基本的断裂特征是相似的。以拉伸载荷造成的韧性 断裂为例,其断裂的宏观特征主要有: (1)断口附件有明显宏观塑性变形。 (2)断口外形呈杯锥状。杯底垂直于主应力,锥面平行于最大切应力,与主应力成45?角;或断口平行于最大切应力,与主应力成45?的剪切断口。 (3)断口表面呈纤维状,其颜色呈暗灰色。 2.3.2 韧性断裂的微观特征 韧性断裂的微观特征主要是在断口上存在大量的韧窝。不同加载方式造成的韧性断裂,其断口上的韧窝形状是不同的,如图6所示。然而,只有通过电镜(主要是扫描电镜)观察才能做出准确的判断。需要指出的是: (1)在断口上的个别区域存在韧窝,不能简单地认为是韧性断裂。这是因为,即使在脆性断裂的断口上,个别区域也可能产生塑性变形而存在韧窝。 (2)沿晶韧窝不是韧性断裂的特征,沿晶韧窝主要是显微空穴优先在沿晶析出的第二相处聚集长大而 成。 . 2.4.1 韧性断裂失效分析的判据 根据上述韧性断裂的宏观与微观特征,在实际的失效分析中,判断金属零件是否是韧性断裂的主要判据 是: (1)断口宏观形貌粗糙,色泽灰暗,呈纤维状;边缘有与零件表面呈45?的剪切唇;断口附近有明显的塑性变形,如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。 (2)断口上的微观特征主要是韧窝。 2.4.2 引起零件韧性断裂失效的载荷性质分析 由于不同类型载荷所造成的韧性断裂其断口特征不同,因此反过来可根据零件断口宏、微观特征来分析 判定该零件所受载荷的类别。 (1)拉伸载荷引起的韧性断裂,宏观断口往往呈杯锥状或呈45?切断外形,断裂处一般可见缩颈,断口上具有大面积的韧窝,且大都呈等轴韧窝或呈轻微拉长韧窝。 (2)扭转载荷引起的韧性断裂,宏观断口大都呈切断型,微观上是拉长韧窝,匹配面的韧窝拉长方向相反。 (3)冲击载荷引起的韧性断裂,在宏观上有冲击载荷作用留下的痕迹,断口周边有不完整的45?唇口,微观上呈撕裂拉长韧窝,匹配面上的韧窝拉长方向相同。 2.4.3 韧性断裂原因分析与预防 金属零件韧性断裂的本质是零件危险截面处的实际应力超过材料的屈服强度所致。因此,下列因素之一均有可能引起金属零件韧性断裂失效。 (1)零件所用材料强度不够。 (2)零件所承受的实际载荷超过原设计要求。 (3)零件在使用中出现了非正常载荷。 (4)零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中,使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效。 (5)零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。 为了准确地找出引起零件韧性断裂失效的确切原因,需要对失效件的设计、材质、 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 和实际使用条件 进行分析,针对分析结果采取有针对性的改进与预防措施,防止同类断裂失效再次出现。 2.4.4 零件韧性断裂失效实例分析 某输油管分油活门杆工作时承受拉应力,用25号无缝钢管经焊接、机加工、杆部镀铬、螺纹部镀锌和装 配出厂,仅使用6h,就在活门杆端螺纹部位的销钉孔处产生断裂。 分析得出:螺纹部位沿主应力方向变形明显;断口附近的螺距由原来的0.8mm伸长到1.6mm;断口微观形貌为等轴韧窝;杆的材质合格;机加工质量良好。 上述结果表明,该活门杆属韧性断裂失效。其原因是销钉孔处设计安全系数过小,从而导致过载韧性断裂失效。 (北京航空材料研究院,北京100095) . 工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光滑拉伸试样的ψ<5%)情况下发生的断裂称作脆性断 裂,因其断裂应力低于材料的屈服强度,故又称作低应力断裂。 由于脆性断裂大都没有事先预兆,具有突发性,对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的后 果。因此,脆性断裂是人们力图予以避免的一种断裂失效模式。尽管各国工程界对脆性断裂的分析与预防研 究极为重视,从工程构件的设计、用材、制造到使用维护的全过程中,采取了种种措施,然而,由于脆性断裂的复杂性,至今由脆性断裂失效导致的灾难性事故仍时有发生。 金属构件脆性断裂失效的表现形式主要有: (1)由材料性质改变而引起的脆性断裂,如兰脆、回火脆、过热与过烧致脆、不锈钢的475?脆和σ相脆性等。 (2)由环境温度与介质引起的脆性断裂,如冷脆、氢脆、应力腐蚀致脆、液体金属致脆以及辐照致脆等。 (3)由加载速率与缺口效应引起的脆性断裂,如高速致脆、应力集中与三应力状态致脆等。 . 金属构件脆性断裂,其宏观特征虽随原因不同会有差异,但基本特征是共同的。 (1)断裂处很少或没有宏观塑性变形,碎块断口可以拼合复原。 (2)断口平坦,无剪切唇,断口与应力方向垂直。 (3)断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。 (4)断面颜色有的较光亮,有的较灰暗。光亮断口是细瓷状,对着光线转动,可见到闪光的小刻面;灰暗断口有时呈粗糙状,有时呈现出粗大晶粒外形。 (5)板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向,如图1所示。 图1 板材构件脆性断口宏观特征 (6)脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。 . 金属构件脆性断裂主要有穿晶脆断(解理与准解理)和沿晶脆断两大类。 3.3.1 解理断裂 解理断裂是金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面(即解理面)快速分离。解理面一般是表面能量最小的晶面。常见的解理面见表1。面心立方晶系的金属及合金,在一般情况下,不发生解理断裂。 3.3.1.1 解理裂纹的萌生与扩展 (1)解理裂纹形核的位置 解理裂纹大都在有界面存在的地方及位错易于塞积的地方(例如晶界、亚晶界、孪晶界、杂质及第二界面)形核。 (2)解理裂纹的萌生 解理裂纹萌生的模型有位错单向塞积、位错双向塞积、位错交叉滑移和刃型位错 合并等。它们都是建立在解理生核之前存在变形这一前提之下。如果位错塞积处不产生塑性变形,则由于应力集中加大而会导致裂纹的萌生。 除位错塞积机制外,还有位错反应机制。该机制认为,在适当的条件下,柏氏矢量较小的位错相互反应生 成柏氏矢量较大的位错,大位错像楔子一样塞入解理面,将其劈开。 (3)解理裂纹的扩展 解理裂纹形成后能否扩展至临界长度,不仅取决于应力大小和应力状态,而且还取决于材料的性质和环境介质与温度等因素。 3.3.1.2 解理裂纹的微观形貌特征 解理裂纹区通常呈典型的脆性状态,不产生宏观塑性变形。 解理小刻面是解理断裂的典型特征。解理断口上的小刻面即为结晶面,呈无规则取向。当断口在强光下 转动时,可见到闪闪发光的特征。图2为解理断口上见到的小刻面特征。在多晶体中,由于每个晶粒的取向不同,尽管宏观断口表面与最大拉伸应力方向垂直,但在微观上每个解理小刻面并不都是与拉力方向垂直。 典型的解理小刻面上有以下微观特征:解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及瓦纳 线等。图3中A区域以及B区域所指的河流花样中的每条支流都是解理台阶。弄清解理台阶的特征及其形成过 程,对于理解与解释解理断裂的主要微观特征———河流花样,是非常重要的。 图2 解理断口上的小刻面 图3 解理小刻面的微观形貌 A———台阶 B———河流花样 (1)解理台阶 解理裂纹与螺位错相交割而形成台阶。设晶体存在一个螺位错,当解理裂纹沿解理面扩展时,与螺位错交截,产生一个高度为柏氏矢量的解理台阶,如图4所示。 (a) 裂纹AB向螺位错CD扩展 (b) 裂纹与螺位错CD交割,形成台阶 图4 解理台阶的形成过程示意图 解理台阶形成的途径主要有两种:一种是解理台阶在裂纹扩展过程中,要发生合并与消失或台阶高度减 小等变化,如图5所示。其中图5a表示具有相反方向的解理台阶,合并后解理台阶消失;图5b表示具有相同方 向的解理台阶,合并后解理台阶增加;另一种是通过次生解理撕裂的方式形成台阶。两个相互平行但处于不 同高度上的解理裂纹可通过次生解理或撕裂的方式互相连接而形成台阶,如图6所示。 (2)河流花样 解理裂纹扩展过程中,台阶不断地相互汇合,便形成了河流花样,如图3所示。河流花样是解理断裂的重要微观形貌特征。 在断裂过程中,台阶合并是一个逐步的过程。许多较小的台阶(即较小的支流)到下游又汇合成较大的台阶(即较大的支流),见图7所示。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以根据河流花样的流向,判断解理裂纹在微区内的扩展方向。 (a) 异号台阶汇合 (b) 同号台阶汇合 图5 解理台阶相互汇合示意图 (a) 通过次解理而形成台阶 (b) 通过撕裂而形成台阶 图6 通过次生解理或撕裂而形成台阶 图7 河流花样形成示意图 图8 舌状花样 (3)舌状花样 解理舌是解理面上的典型特征之一,它的显微形貌为舌状,见图8。 解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高 的速度向前扩展时,在裂纹前端形成的。 (4)其它花样 ?扇形花样,在很多材料中,解理面并不是等轴的,而是沿着裂纹扩展方向伸长,形成椭圆形或狭长形的特征,其外观类似扇形或羽毛形状;?鱼骨状花样,在解理面上,有时可以见到类似于鱼骨状花样。 3.3.2 准解理断裂 准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。准解理的形成过程如图9所示。首先在不同部位(如回火钢的第二相粒子处),同时产生许多解理裂纹核,然后按解理方式扩展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,与相邻的解理小刻面相连,形成撕裂棱。 图9 准解理裂纹形成机理示意图 图10 准解理断面典型形貌 准解理断口与解理断口的不同之处在于: (1)准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物和第二相粒子,而不像解理断裂那样,断裂起源于晶粒边界或相界面上,如图10所示。 (2)裂纹传播的途径不同,准解理是由裂源向四周扩展,不连续,而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界 向晶内扩展,表现河流走向。 (3)准解理小平面的位向并不与基体(体心立方)的解理面{100}严格对应,相互并不存在确定的对应关系。 (4)在调质钢中准解理小刻面的尺寸要大得多,它相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。准解理断口宏 观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小,呈脆性特征。其形貌有河流花样、舌状花样及韧 窝与撕裂棱等。 3.3.3 沿晶断裂 沿晶断裂又称晶间断裂,它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离,即沿晶界发生断裂。 在通常情况下,晶界的键合力高于晶内,断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶,如前述的韧窝型断裂和解理断裂等。但如果热加工工艺不当,造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因温度过高(加工温度与使用温度)使晶界弱化、或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时,晶界的键合力被严重削弱,往往在低于正常断裂应力的情况下,被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。沿晶断裂 的路线一般沿着与局部拉应力垂直的晶界进行。按断面的微观形貌,通常可将沿晶断裂分为沿晶韧窝断裂和 沿晶脆性断裂。 (1)沿晶韧窝断裂是由晶界沉淀的分散颗粒作为裂纹核,然后以剪切方式形成空洞,最后空洞连接形成的细小韧窝而分离,见图11。这种沿晶断裂又称微孔聚合型沿晶断裂或沿晶韧断。 图11 沿晶韧性断裂 图12 沿晶脆性断裂 (2)沿晶脆性断裂是指在断后的沿晶分离面平滑、干净及无微观塑性变形特征,往往呈现冰糖块形貌,见图12。这种沿晶断裂又叫沿晶光面断裂或非微孔聚合型沿晶断裂。 回火脆、氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆以及因过热、过烧引起的脆断断口大都为沿晶光面断裂特征;而蠕变断裂、某些高温合金的室温冲击或拉伸断口往往为沿晶韧窝形貌。 另外还有两种情况也属沿晶断裂范畴。一是沿结合面发生的断裂,如沿焊接结合面发生的断裂;二是沿相界面发生的断裂,如在两相金属中沿两相的交界面发生的断裂。 . 在了解和掌握上述脆性断裂宏观与微观特征的基础上,只要对实际断裂失效件进行深入细微的观察,并加以综合分析,就可以得出失效件是否属于脆性断裂。但在失效分析中,准确地说明失效性质(模式)只是第一步,重要的是要分析引起失效的原因。 为此,首先要对零件断裂的起源,裂纹扩展走向及载荷类型与速度等进行分析判断。 (1)断裂起源和走向 脆性断裂的宏观断口大都呈放射状撕裂棱或呈人字纹花样。放射状撕裂棱的放射 源即为断裂的起源,放射状撕裂棱的方向即为断裂走向。同样,人字纹的交点为断裂起源处,反向即为断裂走向(见图1)。当构件有缺口时,则相反,人字纹尖顶方向为裂纹的扩展方向。 (2)载荷性质的判断 由拉伸载荷导致的脆断,其断口平齐,并与拉应力垂直,一般呈无定型粗糙表面,或呈现出晶粒外形;由扭转载荷导致的脆断,其断口呈麻花状,也呈无定型粗糙表面,或呈现晶粒外形;由冲击 载荷导致的脆断,断面有放射条纹或人字纹花样;由压缩载荷造成的脆断,断口一般呈粉碎性条状,有时呈 45?切断形状,且无塑性变形。 . 4.2.1 引起解理断裂的原因 引起解理断裂的主要因素有环境温度、介质、加载速度、材料的晶体结构、显微组织和应力大小与状 态等。 (1)环境温度 环境温度影响解理裂纹扩展时所吸收能量的大小,随着温度的降低,解理裂纹扩展时所吸收的能量较小,更容易导致解理断裂。 (2)加载速度 加载速率不同,不仅影响解理裂纹扩展应力的大小,而且还影响材料应变硬化指数。在高 应变速率下,有利于解理断裂发生,如图13所示。由图可以看出,在同一试验温度Ta下,加载高的V所对应的2冲击能A小于加载速率低的V所对应的Ak1。A为韧性断裂,A则进入脆断区。 k21k1k2 图13 钢的延性-脆性转变曲线 (3)材料的种类、晶体结构及冶金质量对断裂起着重要的作用 在通常情况下所遇到的解理断裂,大多数都是属于体心立方和密排六方晶体材料,而面心立方晶体材料只有在特定的条件下才发生解理断裂。即使体 心立方晶体材料,由于显微组织不同,其解理断裂的形貌特征也不相同。材料的显微缺陷或第二相粒子等分 布在解理面上,则有利于解理断裂的发生。如氢集聚在{100}面,将产生氢解理断裂。 4.2.2 引起沿晶脆断的原因 (1)晶界沉淀相引起的沿晶断裂 由晶界沉淀相导致的沿晶断裂,大多属于沿晶韧窝断裂,包括?微量元素形成的第二相质点沿晶界析出;?缓冷引起第二相质点沿晶界析出;?过热引起第二相质点沿晶界析出;?无析出区沿晶界分布。 (2)杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断裂 某些杂质元素在晶界上偏聚而导致沿晶脆断的主要因素有:?第一类回火脆,某些高强度合金钢在200～350?回火时,氮、磷、硫和砷等元素易在晶界上偏聚而引起沿 晶脆断;?第二类回火脆(可逆回火脆)。 某些高强钢淬火后,如在450～550?长时间停留,或冷却时以较慢的速度通过此温度范围,杂质元素(如锑、锡、磷和硫等)在晶界偏聚,会导致沿晶脆断。 . (1)设计上的措施 ?应保证工程构件的工作温度高于所用材料的脆性转变温度,避免出现低温脆断;?结构设计应尽量避免三向应力的工作条件,减少应力集中。 (2)制造工艺的措施 ?应正确制订和严格执行工艺 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 ,避免过热、过烧、回火脆、焊接裂纹及淬火裂 纹;?热加工后应及时回火,消除内应力,对电镀件应及时而严格地进行除氢处理。 (3)使用上的措施 ?应严格遵守设计 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的使用条件,如使用环境温度不得低于规定温度;?使用操作应平稳,尽量避免冲击载荷。 . 某铁路油罐车在-34?运行过程中,在底梁和罩件连接处断裂。 4.4.1 分析 断裂起源于前盖板(厚6.3mm)和侧支撑板(厚16.0mm)之间的焊缝处。裂纹沿侧支撑板与外罩板(厚25.0mm)之间的焊缝扩展,裂纹长约200mm,断口上有人字纹花样,人字纹逆指向裂纹源。断口呈典型的脆性断 裂特征,源区有未熔合和表面裂纹等焊接缺陷。 外罩板和侧支撑板均为20J钢,化学分析表明,钢板的化学成分符合ASTM2A212要求。经实测,该钢的脆性转变温度仅为5～10?,而按油罐车使用技术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求,所用钢材的脆转变温度应为-46?以下。由此可见实际所用钢材的脆性转变温度不符合设计要求。 4.4.2 结论 (1) 该火车油罐车为脆性断裂失效。 (2) 引起脆性断裂失效的原因为:?所用钢板的脆性转变温度不符合使用要求;?断裂源区存在焊接缺陷。 4.4.3 改进措施建议 (1) 更换材料。 (2) 改善焊接工艺,提高焊接质量 (北京航空材料研究院,北京100095) . 按断裂前宏观塑性变形的大小分类,疲劳断裂属脆性断裂范畴。但由于疲劳断裂出现的比例高,危害性大,且是在交变载荷作用下出现的断裂,因此国内外工程界均将其单独作为一种断裂形式加以重点分析研 究。 5.1.1 疲劳断裂的定义 工程构件在交变应力作用下,经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂。 5.1.2 疲劳断裂的特点 (1)多数工程构件承受的应力呈周期性变化称为循环交变应力。如活塞式发动机的曲轴、传动齿轮、涡 轮发动机的主轴、涡轮盘与叶片、飞机螺旋桨以及各种轴承等。这些零件的失效,据统计60%～80%是属于疲劳断裂失效。 (2)疲劳破坏表现为突然断裂,断裂前无明显变形。不用特殊探伤设备,无法检测损伤痕迹。除定期检查 外,很难防范偶发性事故。 (3)造成疲劳破坏的循环交变应力一般低于材料的屈服极限,有的甚至低于弹性极限。 (4)零件的疲劳断裂失效与材料的性能、质量、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等 众多因素有关。 (5)很大一部分工程构件承受弯曲或扭转载荷,其应力分布是表面最大,故表面状况(如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蚀及脱碳等)对疲劳抗力有极大影响。 5.1.3 交变应力与交变应变 为了清楚地看出应力的变化规律,人们将应力σ随时间t的变化规律绘成图形,见图1。图中σmax为最大应力;σmin为最小应力;σm为平均应力;σa为应力幅;Δσ为应力范围;r为应力比(r=σmin/σmax)。 图1 应力循环 图2 应变循环 同样,交变应变也是在上下两个极值之间随时间作周期性变化,如图2所示。图中εmax为应变幅的最大值,εmin为应变幅的最小值。根据最大应变与最小应变之间的关系确定出应变幅εa、应变范围Δε(Δε=2εa)、平均应变εm和应变比R。 5.1.4 疲劳曲线、疲劳极限和疲劳寿命 在交变载荷下,金属承受的最大交变应力σmax愈大,则至断裂的应力交变次数N愈低;反之,σmax愈小,则N愈高。如果将所加的应力σmax和对应的断裂周次N绘成图,便得到如图3所示的曲线,称为疲劳曲线(即S-N曲线)。该图示出,当应力低到某值时,材料或构件承受无限多次应力循环或应变循环而不发生断裂,这一应力值称为材料或构件的疲劳极限,通常以σr表示。从开始承受应力直至断裂所经历的循环次数称为疲劳 寿命,以Nf表示。 图3 S-N疲劳曲线 图4 应变2寿命曲线 5.1.5 应变-寿命曲线 前面的应力-寿命曲线是在控制应力条件下得到的,但工程构件大多存在缺口、圆孔及拐角等,在交变应力作用下,虽然整体上尚处于弹性变形范围,但在缺口等应力集中部位已进入材料的塑性变形范围。这时控 制材料疲劳行为已不再是名义应力,而是局部循环塑性应变。 图4是用双对数坐标表示的循环应变-寿命曲线,图中的弹性应变幅和塑性应变幅与疲劳寿命的关系相 交于一点,该点对应的寿命为2N,称为过渡疲劳寿命。以2N为界,左侧2N<2N为低周疲劳,其特点是塑性应变TTT幅对疲劳损伤的贡献大于弹性应变幅。 过渡疲劳寿命2N是评定材料疲劳寿命的重要指标。研究表明, 2N与材料强度密切相关,是科学区分高TT 周疲劳与低周疲劳的依据。 5.1.6 疲劳断裂失效的分类 根据零件在服役过程中所受载荷类型与大小,加载频率的高低及环境介质与温度等,可将疲劳断裂分为如下类别,见图5。 图5 疲劳断裂分类 由于各类疲劳断裂寿命均是以循环周次计算,一般分为高周(高循环)与低周(低循环)疲劳。 (1)高周疲劳(高循环疲劳),又称应力疲劳,是指零件在较低的交变应力作用下至断裂的循环周次较高 (一般Nf>104),它是最常见的疲劳断裂,统称高周疲劳。 (2)低周疲劳(低循环疲劳)又称大应力或应变疲劳,是指零件在较高的交变应力作用下至断裂的循环周 次较低,一般Nf?104,称为低周疲劳。 有时将Nf>104而<106称为中周疲劳。按其它形式分类的疲劳断裂(包括热疲劳、高频疲劳、低频疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳等)均可按至断裂循环周次的高低而纳入此两类疲劳范畴之内。 . 疲劳断裂过程可分为疲劳裂纹的萌生、稳定扩展以及失稳扩展断裂三个阶段,而疲劳裂纹的稳定扩展又可分为两个阶段,见图6。了解疲劳裂纹萌生、扩展机理及断裂形貌特征,对于分析疲劳断裂失效的原因有着极其重要的意义。 5.2.1 疲劳裂纹的萌生(形核) 在交变载荷作用下,材料发生局部滑移。随着循环次数的增加,滑移线在某些局部区域内变粗形成滑移带,其中一部分滑移带为驻留带。进一步增加循环次数,驻留滑移带上可以形成挤出峰、挤入槽现象,见图7, 这就是疲劳裂纹的萌生。表面缺陷或材料内部缺陷使应力集中,加速疲劳裂纹的萌生。 实际工程构件的疲劳裂纹大都在零件表面缺陷、晶界或第二相粒子处萌生。 图6 疲劳断裂过程示意图 (a) 在晶界附近起源 (b) 在滑移带的缺口处起源 图7 滑移带中的挤出、挤入现象 5.2.2 疲劳裂纹稳定扩展的两个阶段 疲劳裂纹的稳定扩展按其形成机理与特征的不同又可分为两个阶段: (1)疲劳裂纹稳定扩展第一阶段 疲劳裂纹稳定扩展的第一阶段是在裂纹萌生后,在交变载荷作用下立即沿着滑移带的主滑移面向金属内部伸展。此滑移面的取向大致与正应力成45?角,这时裂纹的扩展主要是由于切应力的作用(见图6)。对于大多数合金来说,第一阶段裂纹扩展的深度很浅,大约在2～5个晶粒之内。这些晶粒断面都是沿着不同的结晶学平面延伸,与解理面不同。疲劳裂纹的第一阶段的显微形貌取决于材料 类型、应力水平与状态以及环境介质等因素。 (2)疲劳裂纹稳定扩展第二阶段 疲劳裂纹按第一阶段方式扩展一定距离后,将改变方向,沿着与正应力相垂直的方向扩展,此时正应力对裂纹的扩展产生重大影响,这就是疲劳裂纹稳定扩展的第二阶段(见图6)。疲劳裂纹扩展第二阶段断面上最重要的显微形貌是疲劳条带,又称疲劳辉纹。疲劳条带的主要特征是: ?疲劳条带是一系列基本上相互平行的、略带弯曲的波浪形条纹,并与裂纹局部扩展方向相垂直。 ?每一条条带代表一次应力循环,在理论上疲劳条带的数量应与应力循环次数相等。 ?疲劳条带间距(或宽度)随应力强度因子幅的变化而变化。 ?疲劳断面通常由许多大小不等、高低不同的小断块所组成,各个小断块上的疲劳条带并不连续,且不平行,见图8所示。 图8 疲劳条带与小断块示意图 ?断口两匹配断面上的疲劳条带基本对应。在实际断口上,疲劳条带的数量与循环次数并不完全相等,因为它受应力状态、环境条件、材质等因素的影响很大。 (3)疲劳条带的类型及其形态 通常将疲劳条带分成延性疲劳条带与脆性疲劳条带。图9为两种疲劳条带的典型照片。 (a) 延性疲劳条带 (b) 脆性疲劳条带 图9 延性疲劳条带与脆性疲劳条带 (4)疲劳条带的形成机理 疲劳条带的形成机理是在研究疲劳裂纹扩展机理的基础上提出的。疲劳裂纹 的扩展机理有很多论述,目前主要有裂纹的连续扩展模型和裂纹的不连续扩展模型两种。疲劳条带的形成机 理也有很多种,现将主要的3种加以简略的介绍。 ?疲劳裂纹尖端在一次循环中的压缩阶段,裂纹的两个面紧靠在一起,裂纹尖端表面产生塑性变形,接着在下半个拉伸循环中,裂纹角度张开,并使裂纹扩展向前产生一个增量Δa,这时便形成了一个条带。 ?疲劳裂纹尖端存在显微空穴,当空穴长大到一定尺寸时便与主裂纹连接,使裂纹向前扩展了Δa距离。这便形成了一条间距为Δa的条带。 这两个疲劳条带形成模型实质上就是疲劳裂纹的连续扩展和不连续扩展模型,所形成的疲劳条带均属延性疲劳条带,见图10。 图10 延性疲劳条带形成机理示意图 图11 脆性疲劳条带形成机理示意图 ?脆性疲劳条带是在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端首先沿解理面断裂成一小段距离,然后因裂纹前端塑性变形而停止扩展。当下一周期开始时,又作解理断裂,如此往复即形成解理疲劳条带,见图11。 形成疲劳条带的必要条件是:在疲劳裂纹的前端必须处于张开型平面应变状态。但这仅仅是必要条件,不是充分条件,也就是说,即使处于张开型平面应变状态下,能否形成疲劳条带,还要取决于材料的性质与环境条 件。一般地讲,在张开型平面应变状况下,延性材料比脆性材料易于形成疲劳条带,面心立方晶系金属比体心立方晶系金属容易形成疲劳条带。 (北京航空材料研究院,北京100095) . 疲劳断裂失效分析的内容包括:分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂与疲劳断裂的类别;引起疲劳断裂的载荷类型与大小以及疲劳断裂的起源等。疲劳断裂失效分析的目的则是找出引起疲劳断裂的确切 原因,从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。 5.3.1 疲劳断裂的宏观分析 典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区,即疲劳源区、扩展区和瞬断区,见图12。 图12 疲劳断口的宏观特征 在一般情况下,通过宏观分析即可大致判明该断口是否属于疲劳断裂、断裂源区的位置、裂纹的扩展方 向以及载荷的类型。 (1)疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别 宏观上所说的疲劳源区包括裂纹的萌生与第一阶段扩展 区。疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处,由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最长,裂纹扩展速率较慢,经过反复张开与闭合的磨损,同时在不同高度起始的裂纹在扩展中相遇,汇合形成辐射状台阶或条纹。因此,疲劳源区一般具有如下宏观特征:?氧化或腐蚀较重,颜色较深;?断面平坦、光滑、细密,有些断口可见到闪光的小刻面;?有向外辐射的放射台阶或放射状条纹;?在源区虽看不到疲劳弧线,但有向外发射疲劳弧线的中心。 有时疲劳源区不只一个,在存在多个源区的情况下,需要找出疲劳断裂的主源区。 (2)疲劳断裂扩展区的宏观特征 该区断面较平坦,与主应力相垂直,颜色介于源区与瞬断区之间,疲劳断裂扩展阶段留在断口上最基本的宏观特征是疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样)见图13。 图13 疲劳弧线 (3)瞬时断裂区的宏观特征 疲劳裂纹扩展至临界尺寸(即零件剩余截面不足以承受外载时的尺寸)后发生失稳快速破断,称为瞬时断裂。断口上对应的区域简称瞬断区,其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口 相近。 5.3.2 疲劳断口的微观分析 疲劳断裂的微观分析必须建立在宏观分析的基础上,它是宏观分析的继续和深化。对断口进行深入的微 观分析,才能较准确地判明断裂失效的模式与机制。疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容: (1)疲劳源区的微观分析 首先要确定疲劳源区的具体位置是表面还是亚表面,对于多源疲劳还需判明主源与次源。其次要分析源区的微观形貌特征,包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹、 腐蚀损伤及腐蚀产物、材质缺陷(包括晶界、夹杂物和第二相粒子)等。 疲劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数据,是分析的重点。 (2)疲劳扩展区的微观分析 由于第一阶段的范围较小,尤其要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、 二次裂纹以及断裂小刻面的微观形貌。对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带,疲劳条带的性质及条带间距的变化规律等。搞清这些特征,对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载荷的性质与大小等将起 重要作用。 (3)瞬断区微观特征分析 主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝。搞清韧窝的形 貌特征有利于判断引起疲劳断裂的载荷类型。 与图12所示的源区、扩展区及瞬断区相对应的微观形貌见图14及图9a。图14a为源区微观形貌,由图看出,断裂起源于叶片盆面一侧的表面,有多个源点,源区有类解理断裂小面(类解理断裂小面系面心立方晶系 材料疲劳断裂第一阶段内的独有断裂特征)。图9a为扩展区内的典型微观形貌,其上疲劳弧线(粗者)与疲劳条带(细者)清晰,断裂扩展方向明显。图14b为瞬断区内的典型微观形貌,其上可见大小不均的等轴韧窝,表明叶片的断裂是在拉应力作用下造成的。 (a) 源区微观形貌 (b) 瞬断区内的典型微观形貌 图14 疲劳断口上特征区内的典型微观形貌 5.3.3 引起疲劳断裂的载荷类型分析 各种类型的疲劳断裂失效均是在交变载荷作用下造成的,因此,在分析疲劳断裂失效时,首要的是要以断口的特征形貌来分析判断所受载荷的类型。 (1)反复弯曲载荷引起的疲劳断裂 构件承受弯曲载荷时,其应力在表面最大、中心最小。所以疲劳裂纹 总是在表面形成,然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展。弯曲疲劳断口一般与其轴线成90?。 ?单向弯曲疲劳断口。在交变单向弯曲载荷作用下,疲劳在交变张应力最大的一边的表面起源。 ?双向弯曲疲劳断口。在交变双向弯曲载荷作用下,疲劳破坏源则从相对应的两边开始,几乎是同时向内扩展。 ?旋转弯曲疲劳断口。旋转弯曲疲劳的应力分布是外层大、中心小,故疲劳源区在两侧,这里的裂纹扩展速度较快,中心部位较慢,且其疲劳线比较扁平。由于在疲劳裂纹扩展的过程中,轴还在不断的旋转,疲劳裂纹的前沿向旋转的相反方向偏转。 因此,最后的破坏区也向旋转的相反方向偏转一个角度。 (2)拉2拉载荷引起的疲劳断裂 当材料承受拉2拉(拉2压)交变载荷时,其应力分布是轴的外表面远高于 中心。由于应力分布均匀,使疲劳源区的位置变化较大。源区可以在零件的外表面,也可以在零件的内部,这主要取决于各种缺陷在零件中分布状态及环境因素等。 (3)扭转载荷引起的疲劳断裂 轴在交变扭转应力作用下,可能产生一种特殊的扭转疲劳断口,即锯齿状断口。在双向交变扭转应力作用下,在相应各个起点上发生的裂纹,分别沿着?45?两个侧斜方向扩展(交变张应力最大的方向),相邻裂纹相交后形成锯齿状断口;在单向交变扭转应力的作用下,在相应各个起点上发生的裂纹只沿45?倾斜方向扩展。当裂纹扩展到一定程度,最后连接部分破断而形成棘轮状断口。 对具有光滑和缺口截面的零件,在不同载荷作用下而产生的疲劳断裂,其断口宏观形貌特征见图15。图中的阴影部分为瞬断区,箭头所指为疲劳断裂扩展方向,弧线为疲劳扩断区。 5.3.4 低周疲劳断裂的判据 (1)宏观特征 低周疲劳宏观断口除具有上述疲劳断裂宏观断口的一般特征之外,还有如下特征: ?具有多个疲劳源,且往往是线源。源区间的放射状棱线(疲劳一次台阶)多而且台阶的高度差大。 图15光滑和缺口圆截面的零件在不同载荷下的疲劳断口示意图 ?瞬断区的面积所占比例大,甚至远大于疲劳裂纹稳定扩展区的面积。 ?疲劳弧线间距加大,稳定扩展区的棱线(疲劳二次台阶)粗且短。 ?整个断口高低不平,随着断裂循环数(Nf)的降低,断口形貌愈来愈接近静拉伸断口。 (2)微观特征 由于宏观塑性变形较大,低周疲劳断裂微观断口会有静载断裂的某些特征。在一般情况下,当疲劳寿命Nf<90次时,断口上为细小的韧窝,没有疲劳条带出现;当Nf?300次时,出现轮胎花样;当Nf>104时,才出现疲劳条带,此时的条带间距较宽,有时可达2～3μm,其典型疲劳条带形貌见图16。 如果使用温度超过等强温度,断口形态除上述特征外,还会出现沿晶断裂特征。 图16 低周疲劳断口上疲劳条带的典型形貌 图17 机械疲劳、腐蚀疲劳与应力腐蚀的关系 5.3.5 腐蚀疲劳断裂分析 腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交变载荷交互作用下发生的一种失效模式。 (1)影响腐蚀疲劳断裂过程的相关因素有: ?环境因素,包括环境介质的成分、浓度、介质的酸度(pH值)、介质中的氧含量、以及环境温度等。 ?力学因素,包括加载方式、平均应力、应力比、频率以及应力循环周数。 ?材质冶金因素,包括材料的成分、强度、热处理状态、组织结构和冶金缺陷等。 (2)机械疲劳、腐蚀疲劳和应力腐蚀的区别,这三者的关系见图17。当R=1,且频率(f)很低时易产生应力腐蚀;当R=0,f为中等程度时,易产生腐蚀疲劳;随着f的增高,腐蚀的作用愈来愈小,趋于纯机械疲劳。这种区分只是就疲劳裂纹的扩展阶段而言,并未考虑裂纹的萌生阶段。实际上,在腐蚀疲劳裂纹的萌生阶段,腐蚀起了极其重要的作用。 (3)腐蚀疲劳的断口特征 与一般疲劳断裂一样,腐蚀疲劳的断口上也有源区、扩展区和瞬断区,但在细节上,腐蚀疲劳断口有其独特的特征,主要表现在如下几方面: ?断口低倍形貌呈现出较明显的疲劳弧线。 ?腐蚀疲劳断口的源区与疲劳扩展区一般均有腐蚀产物,通过微区成分分析,可以测定出腐蚀介质的组分及相对含量。 ?腐蚀疲劳断裂一般均起源于表面腐蚀损伤处(包括点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等),因此,在大多数腐蚀疲劳断裂的源区可见到腐蚀损伤特征。 ?腐蚀疲劳断裂扩展区具有某些较明显腐蚀特征,如腐蚀坑、泥纹花样等。 ?腐蚀疲劳断裂的重要微观特征是穿晶解理脆性疲劳条带,如图9b所示。 ?在腐蚀疲劳断裂过程中,当腐蚀损伤占主导地位时,腐蚀疲劳断口呈现穿晶与沿晶混合型,其典型形貌见图18,其上可见脆性疲劳条带,穿晶与沿晶以及腐蚀源等形貌特征。 图18 腐蚀疲劳断口上的典型微观形貌 图19 热疲劳断口上的典型微观形貌 ?当Kmax>KISCC,在频率很低的情况下,腐蚀疲劳断口呈现出穿晶解理与韧窝混合特征。 上述断裂特征并非在每一具体腐蚀疲劳断裂失效件上全部具备,对某一具体失效件究竟具备上述特征 的哪几项,是随力学因素、环境因素和材质冶金因素而定的。 5.3.6 热疲劳断裂失效分析 零件在没有外加载荷的情况下,由于工作温度的反复变化而导致的开裂叫热疲劳。在热循环频率较低的 情况下,热应力值有限,而且会逐渐消失,难以引起破坏。但当快速加热、冷却交变循环条件下所产生的交变 热应力超过材料的热疲劳极限时,就会导致零件疲劳破坏。 (1)热疲劳的特征 在冷热交变循环中所产生的交变应力可能并不大,但在高温下,材料的强度降低,即使在较低的应力作用下,材料仍处于塑变状态,因此热疲劳属于应变疲劳。 影响热疲劳的主要因素是冷热循环的频率和上限温度的高低。频率提高,热应力来不及平衡,使零件的应力梯度增加,材料的热疲劳寿命降低;在同样的频率下,上限温度升高,材料塑变增加,降低了材料的热疲 劳寿命;如果温度差的大小一定,上限温度降低,使得下限温度很低(零下),而成为连续地冷骤变,此时对材 料所造成的损伤远小于热骤变。 影响热疲劳性能的其它因素有材料的热膨胀系数(α)、导热率(K)和材料抗交变应变的能力(ε)。当然,材料的热膨胀系数小、导热率高、抗交变应变的能力强时,有利于提高材料的热疲劳性能。显然,热疲劳性能与材料的室温静强度及延性无关,因损伤是在高温下产生的。 (2)热疲劳断口的形貌特征 对于有表面应力集中零件,热疲劳裂纹易产生于应变集中处;而对于光滑表面零件,则易产生于温度高,温差大的部位。在这些部位首先产生多条微裂纹。热疲劳裂纹发展极不规则,呈跳跃式,忽宽忽窄,有时还会产生分枝和二次裂纹,裂纹多为沿晶开裂。 热疲劳断口与机械疲劳断口在宏观上有相似之处,也可以分为三个区域,即裂纹起始区、扩展区和瞬时 断裂区。其微观形貌为韧窝和疲劳条带,见图19。 . 5.4.1 提高疲劳抗力的措施 为防止疲劳断裂失效,须从优化设计、合理选材和提高零件表面抗疲劳性能等方面入手。 (1)优化设计 合理的结构设计和工艺设计是提高零件疲劳抗力的关键。机械构件不可避免地存在圆角、 孔、键槽及螺纹等应力集中部位,在不影响机械构件使用性能的前提下,应尽量选择最佳结构,使截面圆滑过渡,避免或降低应力集中。结构设计确定之后,所采用的加工工艺是决定零件表面状态,流线分布和残余应力等的关键因素。 (2)合理选材 合理选材是决定零件具有优良疲劳抗力的重要因素,除尽量提高材料的冶金质量外,还应注意材料的强度、塑性和韧性的合理配合。 (3)零件表面强化工艺 为了提高零件的抗疲劳性能,发展了一系列的表面强化工艺,如表面感应热处理、化学处理、喷丸强化和滚压强化工艺等。实践表明,这些工艺对提高零件的抗疲劳性能效果非常明显。 (4)减少变形约束 对承受热疲劳的零件,应减少变形约束,减少零件的温度梯度,尽量选用热膨胀系数相近的材料等,提高零件的热疲劳抗力。 5.4.2 疲劳断裂失效案例分析 (1)某汽车用悬架弹簧在使用中发生断裂失效。该弹簧外径<100mm,内径<60mm,呈圆螺形状,是用<11.5mm的55CrSi钢丝制成。弹簧生产工艺流程为:卷簧?回火?喷丸?立定处理?涂塑。 (2)断口特征 图20为钢丝断口宏观形貌,有两个高差很大的断面,呈台阶状。断面A平坦细密,为疲劳断裂区;断口B倾斜粗糙,为瞬断区。疲劳断裂起始钢丝表面的机械损伤处,见图中箭头所示。机械损伤呈线状 特状,靠近源区的断面平坦细密,有疲劳断裂特征,见图21。 图20 钢丝断口低倍形貌 图21 钢丝断口源区微观形貌 以上断裂特征表明,该弹簧为剪断型扭转疲劳断裂。 (3)断裂分析 对于承受拉伸或压缩载荷的圆柱螺旋弹簧,在轴向载荷作用下,在弹簧钢丝的任意横截面内,存在两种剪应力———剪切剪应力和扭转剪应力。两者相加,在弹簧的外圆为高应力区,而在弹簧内圈的钢丝表面上的剪应力最大,断裂往往从内圈钢丝表面上开始。如果处于内圈的钢丝表面上存在缺陷,则会加速疲劳裂纹的萌生。由此可以得出:该弹簧提前疲劳断裂失效的主要原因是内圈钢丝表面上存在的机械损 伤。这种机械损伤有可能产生于钢丝生产过程中,也有可能产生于弹簧生产过程中。 (4)结论 该弹簧的失效模式为剪断型扭转疲劳断裂,其原因是钢丝表面存在横向机械损伤。