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1、热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征 断裂失效分析(4)钟培道(北京航空材料研究院,北京)5.3疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析的内容包括:分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂与疲劳断裂的类别;引起疲劳断裂的载荷类型与大小以及疲劳断裂的起源等。疲劳断裂失效分析的目的则是找出引起疲劳断裂的确切原因,从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。5.3.1疲劳断裂的宏观分析典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区,即疲劳源区、扩展区和瞬断区,见图12。图12疲劳断口的宏观特征在一般情况下,通过宏观分析
2、即可大致判明该断口是否属于疲劳断裂、断裂源区的位置、裂纹的扩展方向以及载荷的类型。(1)疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别宏观上所说的疲劳源区包括裂纹的萌生与第一阶段扩展区。疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处,由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最长,裂纹扩展速率较慢,经过反复张开与闭合的磨损,同时在不同高度起始的裂纹在扩展中相遇,汇合形成辐射状台阶或条纹。因此,疲劳源区一般具有如下宏观特征:①氧化或腐蚀较重,颜色较深;②断面平坦、光滑、细密,有些断口可见到闪光的小刻面;③有向外辐射的放射台阶或放射状条纹
3、;④在源区虽看不到疲劳弧线,但有向外发射疲劳弧线的中心。有时疲劳源区不只一个,在存在多个源区的情况下,需要找出疲劳断裂的主源区。(2)疲劳断裂扩展区的宏观特征该区断面较平坦,与主应力相垂直,颜色介于源区与瞬断区之间,疲劳断裂扩展阶段留在断口上最基本的宏观特征是疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样)见图13。图13疲劳弧线(3)瞬时断裂区的宏观特征疲劳裂纹扩展至临界尺寸(即零件剩余截面不足以承受外载时的尺寸)后发生失稳快速破断,称为瞬时断裂。断口上对应的区域简称瞬断区,其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口相近。5.3.2疲
4、劳断口的微观分析疲劳断裂的微观分析必须建立在宏观分析的基础上,它是宏观分析的继续和深化。对断口进行深入的微观分析,才能较准确地判明断裂失效的模式与机制。疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容:(1)疲劳源区的微观分析首先要确定疲劳源区的具体位置是表面还是亚表面,对于多源疲劳还需判明主源与次源。其次要分析源区的微观形貌特征,包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹、腐蚀损伤及腐蚀产物、材质缺陷(包括晶界、夹杂物和第二相粒子)等。疲劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数据,是分析的重点。(2)疲
5、劳扩展区的微观分析由于第一阶段的范围较小,尤其要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、二次裂纹以及断裂小刻面的微观形貌。对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带,疲劳条带的性质及条带间距的变化规律等。搞清这些特征,对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载荷的性质与大小等将起重要作用。(3)瞬断区微观特征分析主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝。搞清韧窝的形貌特征有利于判断引起疲劳断裂的载荷类型。与图12所示的源区、扩展区及瞬断区相对应的微观形貌见图14及图9a。图14a为源区微观形貌,由图看出,断裂起
6、源于叶片盆面一侧的表面,有多个源点,源区有类解理断裂小面(类解理断裂小面系面心立方晶系材料疲劳断裂第一阶段内的独有断裂特征)。图9a为扩展区内的典型微观形貌,其上疲劳弧线(粗者)与疲劳条带(细者)清晰,断裂扩展方向明显。图14b为瞬断区内的典型微观形貌,其上可见大小不均的等轴韧窝,表明叶片的断裂是在拉应力作用下造成的。5.3.3引起疲劳断裂的载荷类型分析各种类型的疲劳断裂失效均是在交变载荷作用下造成的,因此,在分析疲劳断裂失效时,首要的是要以断口的特征形貌来分析判断所受载荷的类型。(1)反复弯曲载荷引起的疲劳断裂构件
7、承受弯曲载荷时,其应力在表面最大、中心最小。所以疲劳裂纹总是在表面形成,然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展。弯曲疲劳断口一般与其轴线成90°。①单向弯曲疲劳断口。在交变单向弯曲载荷作用下,疲劳在交变张应力最大的一边的表面起源。②双向弯曲疲劳断口。在交变双向弯曲载荷作用下,疲劳破坏源则从相对应的两边开始,几乎是同时向内扩展。③旋转弯曲疲劳断口。旋转弯曲疲劳的应力分布是外层大、中心小,故疲劳源区在两侧,这里的裂纹扩展速度较快,中心部位较慢,且其疲劳线比较扁平。由于在疲劳裂纹扩展的过程中,轴还在不断的旋转,疲劳裂纹的前沿
8、向旋转的相反方向偏转。因此,最后的破坏区也向旋转的相反方向偏转一个角度。(2)拉2拉载荷引起的疲劳断裂当材料承受拉2拉(拉2压)交变载荷时,其应力分布是轴的外表面远高于中心。由于应力分布均匀,使疲劳源区的位置变化较大。源区可以在零件的外表面,也可以在零件的内部,这主要取决于各种缺陷在零件中分布状态及环境因素等。(3)扭转载荷引起的疲劳断裂轴在交
