斷裂失效分析

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1、斷裂失效分析鐘培道(北京航空材料研究院,北京100095)1引言機(jī)械產(chǎn)品的失效一般可分為非斷裂失效與斷裂失效兩大類(lèi)。非斷裂失效一般包括磨損失效、腐蝕失效、變形失效及功能退化失效等。斷裂失效是機(jī)械產(chǎn)品最主要和最具危險(xiǎn)性的失效,其分類(lèi)比較復(fù)雜,一般有如下幾種:(1)按斷裂機(jī)理分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準(zhǔn)解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂;(2)按斷裂路徑分為穿晶、沿晶和混晶斷裂;(3)按斷裂性質(zhì)分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂。在失效分析實(shí)踐中大都采用這種分類(lèi)法。斷裂失效分析是從分析斷口的宏觀(guān)與微觀(guān)特征入手,確定斷裂失效模式,分析研究斷口形貌特征與材料組織和性能

2、、零件的受力狀態(tài)以及環(huán)境條件(如溫度、介質(zhì)等)等之間的關(guān)系,揭示斷裂失效機(jī)理、原因與規(guī)律,進(jìn)而采取改進(jìn)措施與預(yù)防對(duì)策。從本期起分期介紹韌性、脆性及疲勞三類(lèi)斷裂失效分析的基礎(chǔ)知識(shí)及典型失效案例分析。2韌性斷裂失效分析2.1概述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

3、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。2.2韌性斷裂機(jī)理與典型形貌工程材料的顯微結(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。2.2.1滑移分離韌性斷裂最顯著的特征是伴有大量的塑性變形,而塑性變形的普遍機(jī)理是滑移,即在韌性斷裂前晶體產(chǎn)生大量的滑移。過(guò)量的滑移變形會(huì)出現(xiàn)滑移分離,其微觀(guān)形貌有滑移臺(tái)階、蛇形花樣和漣波等。因此有必要對(duì)滑移分離加以敘述。(1)滑移帶晶體材料的滑移面與晶體表面的交

4、線(xiàn)稱(chēng)為滑移線(xiàn),滑移部分的晶體與晶體表面形成的臺(tái)階稱(chēng)為滑移臺(tái)階。由這些數(shù)目不等的滑移線(xiàn)或滑移臺(tái)階組成的條帶稱(chēng)為滑移帶。確切地說(shuō),目前人們將在電鏡下分辨出來(lái)的滑移痕跡Http://Dingo.getbbs.comE-mail:dingomancn@Gmail.com-1-稱(chēng)為滑移帶?；茙е懈骰凭€(xiàn)之間的區(qū)域?yàn)榛茖?滑移層寬度在5～50nm之間。隨著外力的增加,一方面滑移帶不斷加寬,另一方面,在原有的滑移之間還會(huì)出現(xiàn)新的滑移帶。金屬材料滑移的一般規(guī)則是:①滑移方向總是原子的最密排方向;②滑移通常在最密排的晶面上發(fā)生;③滑移首先沿具有最大切應(yīng)力的滑移系發(fā)生。(2)滑移的

5、形式晶體材料產(chǎn)生滑移的形式是多種多樣的,主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波狀滑移、滑移碎化和滑移扭折等。(3)滑移分離斷口形貌滑移分離的基本特征是:斷面呈45°角傾斜;斷口附近有明顯的塑性變形;滑移分離是在平面應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的?；品蛛x的主要微觀(guān)特征是滑移線(xiàn)或滑移帶、蛇形花樣、漣波花樣和延伸區(qū)。圖1為在電子顯微鏡下觀(guān)察到的滑線(xiàn)形貌,是多系滑移留下的微觀(guān)痕跡。圖1典型的滑移線(xiàn)形貌圖2蛇形滑移花樣蛇形花樣,多晶體材料受到較大的塑形變形產(chǎn)生交滑移,而導(dǎo)致滑移面分離,形成起伏彎曲的條紋,通常稱(chēng)為蛇形滑移花樣,如圖2所示。若變形程度加劇,則蛇形滑移花樣因變形而平滑

6、化,形成“漣波”花樣,典型的照片見(jiàn)圖3。漣波花樣也將進(jìn)一步平坦化,在斷口上留下了沒(méi)有什么特殊形貌的平坦區(qū),稱(chēng)為延伸區(qū)。實(shí)際材料總是存在缺陷,如缺口、裂紋和顯微空洞等。在應(yīng)力作用下,這些缺陷附近的區(qū)域可能發(fā)生純剪切過(guò)程,在其內(nèi)表面上也會(huì)顯示出蛇形滑移、漣波和延伸區(qū)等特征。靠滑移分離而導(dǎo)致的斷裂,即使在晶界處也能發(fā)生。這種斷裂有兩種可能,一種是在相鄰的兩個(gè)晶粒內(nèi)部發(fā)生了滑移而導(dǎo)致晶界產(chǎn)生分離;另一種是由于晶界本身的滑移而產(chǎn)生分離。沿晶界滑移分離的斷口顯微形貌也具有蛇形滑移、漣波花樣及無(wú)特征等。Http://Dingo.getbbs.comE-mail:dingomanc

7、n@Gmail.com-2-圖4典型的韌窩形貌(SEM)圖3漣波形貌2.2.2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,最后相互連接導(dǎo)致斷裂后在斷口表面留下的痕跡。圖4為典型的韌窩形貌。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