斷裂失效分析.pdf

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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中圖分類號(hào)!文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼!文章編號(hào)!截面處的實(shí)際應(yīng)力控制在材料的屈服強(qiáng)度以下一引言般不會(huì)出現(xiàn)韌性斷裂失效但是由于機(jī)械產(chǎn)品在機(jī)械產(chǎn)品的失效一般可分為非斷裂失效與斷裂經(jīng)歷設(shè)計(jì)用材加工制造裝配直至使用維修的全失效兩大類非斷裂失效一般包括磨損失效腐蝕過程中存在著眾多環(huán)節(jié)和各種復(fù)雜因素因而機(jī)械失效變形失效及功能退化失效等零件的韌性斷裂失效至今仍難完全避免斷裂失效是機(jī)械產(chǎn)品最主要和最具危險(xiǎn)性的失韌性斷裂機(jī)理與典型形貌效其分類比較復(fù)雜一般有如下幾種工程材料的顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜特定的顯微結(jié)構(gòu)在按斷裂機(jī)理分為滑移分離韌窩斷裂蠕變特定的外界條件如載荷類型與大小環(huán)境溫度與介斷裂解理

2、與準(zhǔn)解理斷裂沿晶斷裂和疲勞斷裂質(zhì)下有特定的斷裂機(jī)理和微觀形貌特征金屬零按斷裂路徑分為穿晶沿晶和混晶斷裂件韌性斷裂的機(jī)理主要是滑移分離和韌窩斷裂按斷裂性質(zhì)分為韌性斷裂脆性斷裂和?；品蛛x勞斷裂在失效分析實(shí)踐中大都采用這種分類法韌性斷裂最顯著的特征是伴有大量的塑性變斷裂失效分析是從分析斷口的宏觀與微觀特征形而塑性變形的普遍機(jī)理是滑移即在韌性斷裂前入手確定斷裂失效模式分析研究斷口形貌特征與晶體產(chǎn)生大量的滑移過量的滑移變形會(huì)出現(xiàn)滑移材料組織和性能零件的受力狀態(tài)以及環(huán)境條件如分離其微觀形貌有滑移臺(tái)階蛇形花樣和漣波等溫度介質(zhì)等等之間的關(guān)系揭示斷裂失效機(jī)理原因此有必要對(duì)滑移分離加以敘述因與規(guī)律進(jìn)而采取改進(jìn)

3、措施與預(yù)防對(duì)策滑移帶晶體材料的滑移面與晶體表面的從本期起分期介紹韌性脆性及疲勞三類斷裂交線稱為滑移線滑移部分的晶體與晶體表面形成失效分析的基礎(chǔ)知識(shí)及典型失效案例分析的臺(tái)階稱為滑移臺(tái)階由這些數(shù)目不等的滑移線或滑移臺(tái)階組成的條帶稱為滑移帶確切地說目前韌性斷裂失效分析人們將在電鏡下分辨出來的滑移痕跡稱為滑移帶滑移帶中各滑移線之間的區(qū)域?yàn)榛茖踊茖訉捀攀鲰g性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂即零件斷度在～之間隨著外力的增加一方面滑移裂之前在斷裂部位出現(xiàn)較為明顯的塑性變形在帶不斷加寬另一方面在原有的滑移之間還會(huì)出現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)中韌性斷裂一般表現(xiàn)為過載斷裂即零件新的滑移帶危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過了材料的屈服

4、強(qiáng)金屬材料滑移的一般規(guī)則是①滑移方向總是度或強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂原子的最密排方向②滑移通常在最密排的晶面上在正常情況下機(jī)載零件的設(shè)計(jì)都將零件危險(xiǎn)發(fā)生③滑移首先沿具有最大切應(yīng)力的滑移系發(fā)生收稿日期!滑移的形式晶體材料產(chǎn)生滑移的形式是作者簡(jiǎn)介!鐘培道男研究員多種多樣的主要有一次滑移二次滑移多系滑移鐘培道!斷裂失效分析交滑移波狀滑移滑移碎化和滑移扭折等滑移分離斷口形貌滑移分離的基本特征是斷面呈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)行的滑移分離的主要微觀特征是滑移線或滑移帶蛇形花樣漣波花樣和延伸區(qū)圖為在電子顯微鏡下觀察到的滑線形貌是多系滑移留下的微觀痕跡圖漣波形貌晶粒內(nèi)部發(fā)生了滑

5、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特征等韌窩斷裂韌窩是金屬韌性斷裂的主要特征韌窩又稱作圖典型的滑移線形貌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)大聚集最蛇形花樣多晶體材料受到較大的塑形變形產(chǎn)后相互連接導(dǎo)致斷裂后在斷口表面留下的痕跡圖生交滑移而導(dǎo)致滑移面分離形成起伏彎曲的條為典型的韌窩形貌紋通常稱為蛇形滑移花樣如圖所示圖典型的韌窩形貌圖蛇形滑移花樣雖然韌窩是韌性斷裂的微觀特征但不能僅僅若變形程度加劇則蛇形滑移花樣因變形而平據(jù)此就作出韌性斷裂的結(jié)論因?yàn)轫g性斷裂與脆性滑化形成漣波花樣典型的照

6、片見圖斷裂的主要區(qū)別在于斷裂前是否發(fā)生可察覺的塑性漣波花樣也將進(jìn)一步平坦化在斷口上留下了變形即使在脆性斷裂的斷口上個(gè)別區(qū)域也可能沒有什么特殊形貌的平坦區(qū)稱為延伸區(qū)由于微區(qū)塑變而形成韌窩實(shí)際材料總是存在缺陷如缺口裂紋和顯微空韌窩的形成韌窩形成的機(jī)理比較復(fù)雜洞等在應(yīng)力作用下這些缺陷附近的區(qū)域可能發(fā)大致可分為顯微空洞的形核顯微空洞的長(zhǎng)大和空生純剪切過程在其內(nèi)表面上也會(huì)顯示出蛇形滑移洞的聚集三個(gè)階段根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立漣波和延伸區(qū)等特征了韌窩形核及生長(zhǎng)模型如圖所示其中圖為靠滑移分離而導(dǎo)致的斷裂即使在晶界處也能微孔聚集模型其典型形貌見圖圖為第二相粒發(fā)生這種斷裂有兩種可能一種是在相鄰的兩個(gè)子形核模型鐘培道!

7、斷裂失效分析剪切韌窩微孔聚集模型撕裂韌窩在第二相粒子處形核模型圖韌窩形核及擴(kuò)展模型拉長(zhǎng)韌窩圖三種基本韌窩形態(tài)示意圖這個(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韌窩和夾雜物或第二相粒子在切應(yīng)力作用下破碎而形成韌窩的現(xiàn)象撕裂韌窩是在撕裂應(yīng)力的作用下形成常見于韌窩的形狀韌窩的形狀主要取決于所受尖銳裂紋的前端及平面應(yīng)變條件下低能撕裂斷口的應(yīng)力狀態(tài)最基本的韌窩形狀有等軸韌窩撕裂韌上也呈拋物線形但在匹配斷口