金属疲劳破坏机理及断口分析.docx
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金属疲劳破坏机理及断口分析
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(σ>σ0.2)
(b)交变应力(σ=σ-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(σ=σ-1)滑移带的发展
(a)N=104次;(b)N=2×106次
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”
•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
•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10孪晶处形成的图9晶界处形成的疲劳裂纹核心(铁—钴—钒合金)
疲劳裂纹核心
(a)晶界处应力集中;(b)晶界处产生裂纹
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
图13滑移线的发图14平行二面上段形成的细滑移
展两列异号位错相
消形成空洞
线
•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”。
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。
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15疲劳裂纹
扩展的阶段
•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。
•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
•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。
•一般铝合金疲劳断口上的疲劳辉纹较明显,
而钢的则不明显甚至看不到疲劳辉纹。
图18疲劳裂纹不对称扩展
箭
头
表
示
裂
纹
扩
展
方
向
图
铝
合
金
疲
劳
辉
纹
,
前部中部后部
图20Q345桥梁钢在最大应力340Mp下,扩展区相貌
•
(2)脆性辉纹(解理辉纹)
•图a表示裂纹不受力时的形状
•图b表示在拉应力下疲劳尖端产
生解理断裂,裂纹向前扩展。
•图c表示在切应力作用下沿点线
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。
图222014铝合金疲劳脆性辉纹
•脆性辉纹的主要特点:
与塑性辉纹相比,它的扩展
不是塑性变形而是解理断裂。
因此,断口上有细小
的晶面,它是裂纹尖端发生解理断裂时形成的解理
平面,这些解理平面常常有解理断口的特点,即有
河流花样。
但同时裂纹尖端又有塑性钝化,因之这
又形成了辉纹的特征。
故在脆性辉纹中常常看到有
弧线的辉纹,还有和裂纹扩展方向一致的河流花样,
河流花样的放射线和辉纹相交,相互近似垂直,如
图23所示。
图23两种疲劳辉纹示意图
(a)塑性辉纹;(b)脆性辉纹
•特别注意:
宏观断口上看到的贝纹线和电子
显微镜看到的疲劳辉纹不是一回事。
•贝纹线是因交变应力幅度变化和载荷停歇等
原因形成的宏观特征。
•疲劳辉纹是一次交变应力循环裂纹尖端塑性
钝化形成的微观特征。
•疲劳辉纹是用来判断疲劳断裂的重要微观依
据之一。
四、最后断裂区形貌分析•1、韧性断裂的微观机制
•
(1)断口的微观形貌
•韧性断裂有两种类型:
纯剪切型断裂和微孔聚集型断裂
•微孔聚集型断裂的断口特征在高倍电子显微镜下观察,可见
大量微坑覆盖断面,这些微坑称为韧窝。
形貌如图24所示。
•韧窝有抛物型的剪切韧窝、撕裂韧窝和等轴韧窝三种。
抛物
型的剪切韧窝只有在高纯金属中才易出现。
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(b)随着变形增大,位错会受到两
方面力的作用。
最终两个力达到平衡,
使位错停止放出位错。
图(c)当外力足够大,或者是由于某
些粒子周围存在应力集中时,有可能将
位错推向基体与第二相粒子的界面,
AB面分开形成空洞。
图(de)导致微孔扩大。
图(f)位错图25裂纹在夹杂物边界上形成与长大的沿不同方向滑移到粒子边界。
示意图
图2615钢裂纹在夹杂物界面形成、扩展至断裂的全过程
2000×透射
受力方向
•综上所述:
韧窝的形成是由于塑性变形使夹
杂物界面上首先形成裂纹,并不断扩大,最
后夹杂物之间的基体金属产生“内缩颈”,
当缩颈达到一定程度被撕裂或剪切断裂,使
空洞连接,从而形成了所看到的韧窝断口形
貌。
如图27所示。
图27断口的相配观察2000×扫描
图28Q345桥梁钢最后断裂区形貌
•(3)影响韧窝形貌的因素
•韧窝的形成位置、形状、大小、深浅是很不
同的,它们受很多因素影响,大致归纳三个
方面:
①成核粒子的大小及分布;②基体材
料的塑性能力,尤其是形变强化能力;③外
界因素,包括应力大小、应力状态‘温度和
形变速度,如图29所示。
图29影响韧窝形貌的各种因素
•韧窝的形状主要取决于应力状态,或决定于
拉应力与断面的相对取向,如图30所示。
图(a)正应力垂直于微孔的平面,
使微孔在垂直于正应力的平面上
各方向长大的倾向相同,就形成
等轴韧窝。
图(b)在切应力作用下的断裂,
韧窝的形态是拉长的抛物线形状,
在对应的断面上抛物线方向相反。
图(c)由拉应力引起的撕裂,也可以造成拉长的抛物线韧窝,其
图31三种应力状态下形成显
微空洞及断口韧窝形态示意图
抛物线的方向都指向裂纹的起源
处。
•2、脆性解理断裂的微观机制
•脆性断裂以前没有明显宏观塑性变形,是一
种极危险的断裂。
如高强度钢存在原始裂纹
产生的低应力脆断,结构钢在低温下的冷脆
断,交变应力的疲劳断裂等。
•
(1)断口的微观形貌
•解理断裂是在拉伸应力作用下引起的一种脆
性穿晶断裂,通常总是沿着一定的结晶面分
离,这种晶面称为解理面。
•解理面----一般都是低指数面,表面能低,理
论断裂强度最低。
•用透射、扫描电子显微镜观察每一个小平面,发现
小平面并不是一个单一的解理面,而是由一组平行的解理面所组成。
两个平行解理面之间相差一定高
度,交接处形成台阶。
从垂直断面方向观察可见,
台阶汇合形成一种类似河流的花样,称为“河流花
样”。
河流花样本身就是台阶存在的标志。
图32河流花样(a)扫描×1500;(b)复型透射
•河流花样的走向可以判断裂纹源的位置和裂纹扩展
的方向,河流上游(即支流发源处)是裂纹发源处,
而河流的下游是裂纹扩展的方向。
•解理断裂的另一断口学特征是存在“舌状花样”,
因为其形状确实象躺在解理面上的“舌头”而得名,
其断口形貌如图33、34所示。
片图
图33铁的舌状花样,箭头表示裂纹
扩展方向,复型4400×
复
型
铁
的
舌
状
花
样
相
配
观
察
照
•2解理台阶及河流花样形成原因
•
(1)解理裂纹与螺型位错交截形成台阶。
图35解理裂纹与螺型位错交截而形
成一个b高低的台阶
图36台阶形成过程的简化图
•
(2)河流花样
•当裂纹扩展时,同号台阶汇合成较大的台阶,
而较大的台阶又汇合成更大的台阶,其结果
就形成河流花样。
图37通过二次解理和
撕裂形成台阶
图38河流花样形成示意图
(a)沿二次解理面而
形成台阶;(b)通过
撕裂而形成台阶
•(3)影响河流花样的因素
•发生解理断裂前,首先都要产生一定量的塑性变形,由于晶
界、亚晶界、夹杂物及第二相粒子的存在,阻碍了位错运动,
从而形成位错塞积,并可能诱发解理裂纹,故河流花样也经
常在这些地方发源。
图39的河流花样均从图中心发出。
这表明河流汇集处为裂纹源位置,箭头为裂纹扩展方向。
图40通过小角度倾斜晶界
图41铁的解理扇形花样
图39河流花样从
裂纹源发出
图42河流通过折转晶界时
产生河流激增