一文讀懂金屬的各種斷裂失效分析類(lèi)型

金屬材料在各種工程應(yīng)用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等。斷裂失效分析是從裂紋和斷口的宏觀(guān)、微觀(guān)特征入手，研究斷裂過(guò)程和形貌特征與材料性能、顯微組織、零件受力狀態(tài)及環(huán)境條件之間的關(guān)系，從而揭示斷裂失效的原因和規(guī)律。下面主要對(duì)金屬的各種斷裂失效分析類(lèi)型簡(jiǎn)要分析，供大家參考。 

韌性斷裂

韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂,即零件斷裂之前,在斷裂部位出現(xiàn)較為明顯的塑性變形。在工程結(jié)構(gòu)中,韌性斷裂一般表現(xiàn)為過(guò)載斷裂,即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。

在正常情況下,機(jī)載零件的設(shè)計(jì)都將零件危險(xiǎn)截面處的實(shí)際應(yīng)力控制在材料的屈服強(qiáng)度以下,一般不會(huì)出現(xiàn)韌性斷裂失效。但是,由于機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)歷設(shè)計(jì)、用材、加工制造、裝配直至使用維修的全過(guò)程中,存在著眾多環(huán)節(jié)和各種復(fù)雜因素,因而機(jī)械零件的韌性斷裂失效至今仍難完全避免。

韌性斷裂機(jī)理：

工程材料的顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜,特定的顯微結(jié)構(gòu)在特定的外界條件(如載荷類(lèi)型與大小,環(huán)境溫度與介質(zhì))下有特定的斷裂機(jī)理和微觀(guān)形貌特征。金屬零件韌性斷裂的機(jī)理主要是滑移分離和韌窩斷裂。

韌窩斷裂韌窩是金屬韌性斷裂的主要特征。韌窩又稱(chēng)作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韌窩是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞,經(jīng)形核、長(zhǎng)大、聚集,后相互連接導(dǎo)致斷裂后在斷口表面留下的痕跡。

雖然韌窩是韌性斷裂的微觀(guān)特征,但不能僅僅據(jù)此就作出韌性斷裂的結(jié)論,因?yàn)轫g性斷裂與脆性斷裂的主要區(qū)別在于斷裂前是否發(fā)生可察覺(jué)的塑性變形。即使在脆性斷裂的斷口上,個(gè)別區(qū)域也可能由于微區(qū)塑變而形成韌窩。

(1)韌窩的形成韌窩形成的機(jī)理比較復(fù)雜,大致可分為顯微空洞的形核、顯微空洞的長(zhǎng)大和空洞的聚集三個(gè)階段。D.Broek根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,建立了韌窩形核及生長(zhǎng)模型。

這個(gè)韌窩模型,可以同時(shí)解釋在拉應(yīng)力作用下形成等軸韌窩或拋物線(xiàn)韌窩和夾雜物或第2相粒子在切應(yīng)力作用下破碎而形成韌窩的現(xiàn)象。

(2)韌窩的形狀韌窩的形狀主要取決于所受的應(yīng)力狀態(tài),基本的韌窩形狀有等軸韌窩、撕裂韌窩和剪切韌窩三種。

等軸韌窩是在正應(yīng)力作用下形成的。在正應(yīng)力的作用下,顯微空洞周邊均勻增長(zhǎng),斷裂之后形成近似圓形的等軸韌窩。

剪切韌窩是在切應(yīng)力作用下形成的,通常出現(xiàn)在拉伸或沖擊斷口的剪切唇上,其形狀呈拋物線(xiàn)形,匹配斷面上拋物線(xiàn)的凸向相反。

撕裂韌窩是在撕裂應(yīng)力的作用下形成,常見(jiàn)于尖銳裂紋的前端及平面應(yīng)變條件下低能撕裂斷口上,也呈拋物線(xiàn)形,但在匹配斷口上,撕裂韌窩不但形狀相似,而且拋物線(xiàn)的凸向也相同。

在實(shí)際斷口上往往是等軸韌窩與拉長(zhǎng)韌窩共存,或在拉長(zhǎng)韌窩的周?chē)猩倭康牡容S韌窩。

(3)韌窩的大小韌窩的大小包括平均直徑和深度,深度常以斷面到韌窩底部的距離來(lái)衡量。影響韌窩大小的主要因素有第2相質(zhì)點(diǎn)的大小與密度、基體塑性變形能力、硬化指數(shù)、應(yīng)力的大小與狀態(tài)及加載速度等。通常對(duì)于同一材料,當(dāng)斷裂條件相同時(shí),韌窩尺寸愈大,表征材料的塑性愈好。

脆性斷裂

概述

工程構(gòu)件在很少或不出現(xiàn)宏觀(guān)塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的ψ<5%)情況下發(fā)生的斷裂稱(chēng)作脆性斷裂,因其斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度,故又稱(chēng)作低應(yīng)力斷裂。由于脆性斷裂大都沒(méi)有事先預(yù)兆,具有突發(fā)性,對(duì)工程構(gòu)件與設(shè)備以及人身安全常常造成極其嚴(yán)重的后果。因此,脆性斷裂是人們力圖予以避免的一種斷裂失效模式。盡管各國(guó)工程界對(duì)脆性斷裂的分析與預(yù)防研究極為重視,從工程構(gòu)件的設(shè)計(jì)、用材、制造到使用維護(hù)的全過(guò)程中,采取了種種措施,然而,由于脆性斷裂的復(fù)雜性,至今由脆性斷裂失效導(dǎo)致的災(zāi)難性事故仍時(shí)有發(fā)生。

形式

金屬構(gòu)件脆性斷裂失效的表現(xiàn)形式主要有:

(1)由材料性質(zhì)改變而引起的脆性斷裂,如蘭脆、回火脆、過(guò)熱與過(guò)燒致脆、不銹鋼的475℃脆和σ相脆性等。

(2)由環(huán)境溫度與介質(zhì)引起的脆性斷裂,如冷脆、氫脆、應(yīng)力腐蝕致脆、液體金屬致脆以及輻照致脆等。

(3)由加載速率與缺口效應(yīng)引起的脆性斷裂,如高速致脆、應(yīng)力集中與三應(yīng)力狀態(tài)致脆等。

疲勞斷裂

概述

按斷裂前宏觀(guān)塑性變形的大小分類(lèi),疲勞斷裂屬脆性斷裂范疇。但由于疲勞斷裂出現(xiàn)的比例高,危害性大,且是在交變載荷作用下出現(xiàn)的斷裂,因此國(guó)內(nèi)外工程界均將其單獨(dú)作為一種斷裂形式加以重點(diǎn)分析研究。

疲勞斷裂的定義

工程構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下,經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷裂稱(chēng)作疲勞斷裂。

疲勞斷裂的特點(diǎn)

(1)多數(shù)工程構(gòu)件承受的應(yīng)力呈周期性變化稱(chēng)為循環(huán)交變應(yīng)力。如活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、傳動(dòng)齒輪、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸、渦輪盤(pán)與葉片、飛機(jī)螺旋槳以及各種軸承等。這些零件的失效,據(jù)統(tǒng)計(jì)60%～80%是屬于疲勞斷裂失效。

(2)疲勞破壞表現(xiàn)為突然斷裂,斷裂前無(wú)明顯變形。不用特殊探傷設(shè)備,無(wú)法檢測(cè)損傷痕跡。除定期檢查外,很難防范偶發(fā)性事故。

(3)造成疲勞破壞的循環(huán)交變應(yīng)力一般低于材料的屈服極限,有的甚至低于彈性極限。

(4)零件的疲勞斷裂失效與材料的性能、質(zhì)量、零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、外界環(huán)境等眾多因素有關(guān)。

(5)很大一部分工程構(gòu)件承受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷,其應(yīng)力分布是表面大,故表面狀況(如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蝕及脫碳等)對(duì)疲勞抗力有極大影響。

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