專家講座3：斷裂失效分析之疲勞斷裂
2021-01-22 12:53:42
作者：小南點 來源：工業(yè)小南點
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斷裂失效分析
疲勞斷裂
分類
疲勞斷裂的宏觀分析
典型的疲勞斷口按照斷裂過程的先后有三個明顯的特征區(qū)，即疲勞源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。
01
源區(qū)的宏觀特征
氧化或腐蝕嚴(yán)重，顏色較深；
斷面平坦、光滑、細(xì)密，有些可見閃光小刻面；
有放射臺階或放射棱線；
向外發(fā)射疲勞弧線的中心。
02
擴展區(qū)的宏觀特征
斷面平坦、與主應(yīng)力垂直，顏色介于源區(qū)和瞬斷區(qū)，最基本的特征是疲勞弧線，也稱海灘花樣或貝殼花樣。
03
瞬斷區(qū)的宏觀特征
與靜載拉伸斷口相近，瞬斷區(qū)面積的大小取決于載荷的大小、材料的性質(zhì)環(huán)境介質(zhì)等因素。
案例：某電氣控制盒固定腳焊縫附近斷裂，斷口可見疲勞弧線和源區(qū)的磨損特征，擴展較充分，瞬斷區(qū)面積較小，斷口具有典型的疲勞斷裂特征。
圖1 斷口疲勞弧線與源處的磨損
圖2 斷口宏觀形貌
疲勞斷口的微觀分析
疲勞斷裂的微觀分析一般包括以下內(nèi)容：
01
源區(qū)的微觀分析
具體位置：多源疲勞：主源、次源；微觀形貌特征：加工及材質(zhì)缺陷
02
擴展區(qū)的微觀分析
第一擴展區(qū)：有無疲勞條帶、韌窩、臺階二次裂紋等；
第二擴展區(qū)：有無疲勞條帶及疲勞條帶的性質(zhì)。
03
瞬斷區(qū)的微觀分析（韌窩形態(tài)）
低周疲勞斷裂的判斷依據(jù)
01
宏觀特征
多源，且多為線狀；
瞬斷區(qū)面積大；
疲勞弧線間距大，穩(wěn)定擴展區(qū)棱線粗、短；
斷口高差較大。
02
微觀特征
對低周疲勞，由于宏觀塑性變形較大，靜載斷裂機理就會出現(xiàn)在疲勞斷裂過程中，在斷口上出現(xiàn)各種靜載斷裂所產(chǎn)生的斷口形態(tài)。
案例：
某發(fā)動機的渦輪葉片和輪盤上多個榫齒出現(xiàn)了超過修理標(biāo)準(zhǔn)的裂紋，且裂紋部位基本上在第三齒，多數(shù)為單裂，少數(shù)為對裂，亦有鄰裂的情況。
斷口源區(qū)為穿晶滑移類解理斷裂形貌，呈多源特征，擴展區(qū)主要為扇形解理擴展形貌和疲勞條帶特征，為起始應(yīng)力較大的以低周疲勞為主的疲勞開裂。
圖3 葉片槽位處裂紋斷口低倍
圖4 擴展區(qū)載荷變化較大的條帶特征
圖5 據(jù)源區(qū)較遠處條帶特征
腐蝕疲勞斷裂失效分析
腐蝕疲勞斷裂是在腐蝕環(huán)境與交應(yīng)載荷協(xié)同、交互作用下發(fā)生的一種失效模式。
01
腐蝕疲勞的斷裂特征
斷口低倍呈現(xiàn)明顯的疲勞弧線；
源區(qū)和擴展區(qū)一般有腐蝕產(chǎn)物；
一般起源于表面腐蝕損傷處；
擴展區(qū)具有某些明顯的腐蝕特征，如腐蝕坑、泥紋花樣等；
穿晶解理脆性疲勞條帶是其重要的微觀特征；
若腐蝕損傷占主導(dǎo)地位，則斷口呈現(xiàn)穿晶與沿晶混合型；
當(dāng)Kmax> KIscc，在頻率很低的情況下，其斷口呈現(xiàn)出穿晶解理與韌窩的混合特征。
02
影響腐蝕疲勞斷裂的因素
環(huán)境、受力狀態(tài)、材質(zhì)
03
腐蝕疲勞斷裂失效分析的判斷依據(jù)
交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境；
斷面灰暗、無金屬光澤，有明顯疲勞弧線；
有腐蝕產(chǎn)物和腐蝕損傷的痕跡；
疲勞條帶多有脆性解理特征。
熱疲勞斷裂失效分析
零件在沒有外加載荷的情況下，由于工作溫度的反復(fù)變化而導(dǎo)致的開裂叫熱疲勞。
熱疲勞斷口的形貌特征
01
熱疲勞裂紋易產(chǎn)生于應(yīng)變集中處；
02
光滑表面零件，則易產(chǎn)生于溫度高，溫差大的部位，可發(fā)現(xiàn)熱疲勞裂紋發(fā)展極不規(guī)則，裂紋多為沿晶開裂；
03
微觀形貌為韌窩和疲勞條帶；
04
熱疲勞裂紋附近，顯微硬度降低。
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