1能源与动力学院 > -- 20101第二章第二章 疲劳破坏特征及断口分析疲劳破坏特征及断口分析2.2 疲劳破坏机理疲劳破坏机理2.1 宏观断口特征宏观断口特征2.3 微观断口特征微观断口特征2.4 由疲劳断口进行初步失效分析由疲劳断口进行初步失效分析能源与动力学院 > -- 20102飞机轮毂疲劳断口裂纹源裂纹扩展区海滩条带最后断裂区2.1.1 疲劳破坏宏观断口的主要特征疲劳破坏宏观断口的主要特征一、有疲劳源、裂纹扩展区和最后断裂区疲劳断口三个特征区2能源与动力学院 > -- 20103a) 构件结构形状不合理:截面突变、拐角、缺口等;b) 构件表面的组织缺陷如晶粒粗大等;c) 表面存在工艺缺陷:切削刀痕或划伤;d) 若在材料的次表面存在严重的冶金缺陷如夹渣、疏松、偏析时疲劳源也可能在此表面产生;疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地,该区一般位于构件的表面或内部缺陷处1、疲劳源:、疲劳源:在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节,但是疲劳断口的整体形貌特征仍可确定疲劳源的大体位置 能源与动力学院 > -- 201042、疲劳扩展区:、疲劳扩展区:a) 扩展区断面光滑、平整:循环 加载时,反复变形,裂开的两个面不断张开、闭合,相互摩擦;b) 断面通常可见 “贝壳状条带 ”或 “海滩条带 ”载荷剧烈变动引起:变幅加载,运行启动时,突然过载;在裂纹前沿出现较大的应力而留下塑性变形的痕迹。
c) 扩展区呈现黑色或白色条纹:黑色:疲劳断口的裂纹与外界环境相通,腐蚀白色:裂纹与外界相隔绝;疲劳源在表面之下3能源与动力学院 > -- 20105发动机叶片疲劳断口照片翼梁下突缘断口照片能源与动力学院 > -- 201063、瞬时断裂区:、瞬时断裂区:疲劳源缓慢扩展断裂发生K1> -- 20107二、疲劳断口宏观上没有明显的塑性变形将疲劳破坏的断口对合在一起,一般都能吻合的很好这表明破坏之前并未发生大的塑性变形;即使是延性很好的材料也是如此三、工程实际中的表面裂纹,一般呈半椭圆形起源于表面的裂纹,循环载荷作用下扩展,沿表面扩展速度较快,沿深度方向扩展较慢,呈半椭圆形宏观裂纹一般在最大拉应力平面内扩展能源与动力学院 > -- 20108① 疲劳破坏 σ< [σ ]② 破坏是局部损伤累积的结果③ 局部性④ 断口光滑,有海滩条带或腐蚀痕迹有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区⑤ 无明显塑性变形⑥ 应力集中对寿命影响大① 静载破坏 σ >[σ ]② 破坏是瞬间发生的③ 整体结构破坏④ 断口粗糙,新鲜,无表面磨蚀及腐蚀痕迹⑤ 韧性材料塑性变形明显⑥ 应力集中对极限承载能力影响不大2.1.2 疲劳破坏与静载破坏特征比较疲劳破坏与静载破坏特征比较5能源与动力学院 > -- 20109第二章第二章 疲劳破坏特征及断口分析疲劳破坏特征及断口分析2.2 疲劳破坏机理疲劳破坏机理2.1 宏观断口特征宏观断口特征2.3 微观断口特征微观断口特征2.4 由疲劳断口进行初步失效分析由疲劳断口进行初步失效分析能源与动力学院 > -- 2010102.2.1 金属的塑性变形金属的塑性变形金属的塑性 变形方式 : 滑移 和孪生滑移:滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动位移的现象。
滑移带:塑性变形的可见标记(金相显微镜)铜拉伸试样表面滑移带 500x6能源与动力学院 > -- 201011滑移系:滑移面:原子排列最密的面滑移方向:原子排列最密的方向滑移系:一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格{110} {111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系能源与动力学院 > -- 201012滑移的临界分切应力:滑移在切应力(剪应力)的作用下开动分切应力越大,滑移系越容易开动cosφ cosλ称为取向因子,又称斯米特( schmid)因子7能源与动力学院 > -- 2010132.2.2 疲劳裂纹萌生机理疲劳裂纹萌生机理疲劳裂纹成核扩展至临界尺寸断裂发生早期错误的认识:循环加载时,材料的内部结构发生了变化,塑性 “纤维 ”结构 ——脆性 “晶体 ”结构疲劳裂纹的起始或萌生过程,称为裂纹成核,成核处 ——裂纹源裂纹起源(裂纹源)仍然是由于滑移引起的,表面或应力集中处的局部某些晶粒中能源与动力学院 > -- 201014循环加载时的滑移:循环加载时的滑移:材料表面 材料表面a) 粗滑移 b) 细滑移约 0.1μmN=104 N=5 104N=2.7 105(多晶体镍恒幅应力循环)扰动载荷 ⇒应力集中 ⇒滑移带 ⇒驻留滑移带⇒微裂纹、扩展 ⇒宏观裂纹、扩展8能源与动力学院 > -- 201015挤出脊和侵入沟:挤出脊和侵入沟:挤出脊和侵入沟是疲劳过程中发生在金属表面的另一种普遍现象。
驻留滑移带、挤出脊和侵入沟均是疲劳裂纹萌生的发源地挤出脊和侵入沟示意图能源与动力学院 > -- 201016疲劳裂纹萌生模型:疲劳裂纹萌生模型:P.Neumann提出的模型: 以晶体中两个滑移面系统的交变滑移和形变强化为基础滑移带中裂纹的萌生及生长模型9能源与动力学院 > -- 201017伍德(伍德( wood)的挤出和侵入模型:)的挤出和侵入模型:滑移带的侵入和挤出示意图单向加载时滑移特征如 (a)循环加载时形成侵入 (b)或挤出 (c) 裂纹成核机理 1: 驻留滑移带中的侵入沟本身高度应力集中;机理 2 : 材料挤出,内部产生大量空穴、空洞等显微缺陷;能源与动力学院 > -- 2010182.2.3 疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹扩展机理第一阶段扩展:属于显微裂纹扩第一阶段扩展:属于显微裂纹扩展,具有晶体学特征,受剪应力展,具有晶体学特征,受剪应力控制;控制;第二阶段扩展:非结晶学特征,第二阶段扩展:非结晶学特征,沿垂直于载荷作用线的最大拉应沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展,力面扩展,阶段 1 阶段 2ΔσDS疲劳裂纹扩展二阶段Δσ材料表面扩展:疲劳裂纹生核 ——失稳扩展前 缓慢扩展过程扩展:不连续的过程,该过程可分为两个阶段。
10能源与动力学院 > -- 201019从第从第 1阶段向第阶段向第 2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力水平,一般只有几个晶粒决于材料和作用应力水平,一般只有几个晶粒 (1~4个个 )的尺的尺寸寸 第第 1阶段裂纹扩展的尺寸虽小,对寿命的贡献却很阶段裂纹扩展的尺寸虽小,对寿命的贡献却很大,对于高强材料,尤其如此大,对于高强材料,尤其如此循环循环载荷载荷作用作用驻留驻留滑移滑移带带几条几条微裂微裂纹纹一条一条主裂主裂纹纹阶段 1 阶段 2ΔσDS疲劳裂纹扩展二阶段Δσ材料表面第一阶段扩展:第一阶段扩展:能源与动力学院 > -- 201020G. Laird 与与 G. C. Smith提出提出了非结晶学模型用以描述疲了非结晶学模型用以描述疲劳裂纹第二阶段的扩展劳裂纹第二阶段的扩展 ——塑性钝化模型塑性钝化模型疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型第二阶段扩展:第二阶段扩展:钝化钝化 ——锐化锐化 ——再钝化再钝化每一个应力循环,将在裂纹每一个应力循环,将在裂纹面上留下一条痕迹(疲劳条面上留下一条痕迹(疲劳条纹)11能源与动力学院 > -- 201021同样,每一个应力循环,将同样,每一个应力循环,将在裂纹面上留下一条痕迹在裂纹面上留下一条痕迹(疲劳条纹)。
疲劳条纹)对于脆性材料疲劳裂纹扩展:对于脆性材料疲劳裂纹扩展:裂纹尖端沿解理面扩展裂纹尖端沿解理面扩展扩展不起因于塑性变形,而扩展不起因于塑性变形,而是解理断裂的结果是解理断裂的结果脆性疲劳裂纹解理扩展模型脆性疲劳裂纹解理扩展模型能源与动力学院 > -- 201022第二章第二章 疲劳破坏特征及断口分析疲劳破坏特征及断口分析2.2 疲劳破坏机理疲劳破坏机理2.1 宏观断口特征宏观断口特征2.3 微观断口特征微观断口特征2.4 由疲劳断口进行初步失效分析由疲劳断口进行初步失效分析12能源与动力学院 > -- 2010232.3 微观断口特征微观断口特征微观微观分析目的:了解疲劳破坏过程的本质,从金属微观组织研究疲劳机理裂纹萌生区域:裂纹萌生区域:滑移带和驻留滑移带滑移带和驻留滑移带能源与动力学院 > -- 201024Cr12Ni2WMoV钢疲劳条纹钢疲劳条纹(透射电镜:(透射电镜:1~3万倍万倍 ))裂纹扩展区域:裂纹扩展区域:第一阶段:断口光滑,具有晶体学特征,此外没有明显特征第二阶段:疲劳条纹(重要特征) —— 循环相对应13能源与动力学院 > -- 201025透射电镜:透射电镜: 1-3万倍万倍疲劳条纹疲劳条纹 (striation) 不同于海滩条带不同于海滩条带 (beach mark)tS谱块 循环条带 条纹肉眼、低倍放大镜肉眼、低倍放大镜能源与动力学院 > -- 201026疲劳裂纹扩展的微观破坏形式(疲劳裂纹扩展的微观破坏形式( 1976 Crooker))微孔聚合型微孔聚合型microvoid coalescence高应力、韧材料高应力、韧材料微解理型微解理型microcleavage低应力、脆性材料低应力、脆性材料条纹型条纹型striationCr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片:钢疲劳断口微观照片:三种破坏形式三种破坏形式 :14能源与动力学院 > -- 201027第二章第二章 疲劳破坏特征及断口分析疲劳破坏特征及断口分析2.2 疲劳破坏机理疲劳破坏机理2.1 宏观断口特征宏观断口特征2.3 微观断口特征微观断口特征2.4 由疲劳断口进行初步失效分析由疲劳断口进行初步失效分析能源与动力学院 > -- 2010281、断口宏观形貌、断口宏观形貌 : 是否疲劳破坏是否疲劳破坏 ? (三个特征区)(三个特征区)何处为裂纹源?何处为裂纹源? (可以直接从断口处观察到)(可以直接从断口处观察到)裂纹临界尺寸裂纹临界尺寸 ? (扩展区大小)(扩展区大小)破坏载荷?破坏载荷? (结合断裂力学知识计算)(结合断裂力学知识计算)是否正常破坏?是否正常破坏? (与设计载荷比较)(与设计载荷比较)疲劳破坏断口提供了大量信息疲劳破坏断口提供了大量信息 ,,由断口可分析 裂纹裂纹起因起因、 扩展信息扩展信息、 临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸、 破坏载荷破坏载荷等,是 失效失效分析分析的重要依据。
2.4 由疲劳断口进行初步失效分析由疲劳断口进行初步失效分析15能源与动力学院 > -- 2010292、金相或低倍观察、金相或低倍观察 ::裂纹源?裂纹源?是否有材料缺陷?(是否有材料缺陷?(夹杂、缩孔缩松、偏析等 ))缺陷的类型和大小?缺陷的类型和大小?3、高倍电镜微观观察、高倍电镜微观观察 ::“海滩条带海滩条带 ”+“疲劳条纹疲劳条纹 ”,使用载荷谱,估计速率使用载荷谱,估计速率能源与动力学院 > -- 201030疲劳断口观察工具与观察内容的关系疲劳断口观察工具与观察内容的关系 :1-10×× 10-1000×× 1000×× 以上以上放大放大倍数倍数观察观察工具工具肉眼,放大镜肉眼,放大镜 金相显微镜金相显微镜 电子显微镜电子显微镜观察观察对象对象宏观断口,宏观断口, 裂纹源,滑移,裂纹源,滑移, 条纹,微解理条纹,微解理海滩条带;海滩条带; 夹杂,缺陷;夹杂,缺陷; 微孔聚合微孔聚合16能源与动力学院 > -- 201031各种分析方法可以获得不同的信息:各种分析方法可以获得不同的信息:宏观宏观 ——总体形貌特征,定性分析;总体形貌特征,定性分析;微观微观 ——局部细节处的信息,了解破坏形成的微观机局部细节处的信息,了解破坏形成的微观机理,本质上把握疲劳现象;可以进行定量计算;理,本质上把握疲劳现象。