熱疲勞斷裂的主要因素和裂紋特征

1、熱疲勞斷裂的主要因素和裂紋特征斷裂失效分析(4)鐘培道(北京航空材料研究院，北京100095)5.3疲勞斷裂失效分析疲勞斷裂失效分析的內(nèi)容包括：分析判斷零件的斷裂失效是否屬于疲勞斷裂與疲勞斷裂的類別；引起疲勞斷裂的載荷類型與大小以及疲勞斷裂的起源等。疲勞斷裂 失效分析的目的則是找出引起疲勞斷裂的確切原因，從而為防止同類疲勞斷裂失效再次出現(xiàn)所要采取的措施提供依據(jù)。5.3.1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(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，見圖12。圖說疲勞斷口的宏觀特征圖12疲勞斷口的宏觀特征在一般情況下，通過宏觀分析即可大致判明該斷口是否屬于疲勞斷裂、 斷裂源區(qū)

2、的位置、裂紋的擴(kuò)展方向以及載荷的類型。(1) 疲勞斷裂源區(qū)的宏觀特征及位置的判別宏觀上所說的疲勞源區(qū)包括裂紋的萌生與第一階段擴(kuò)展區(qū)。疲勞源區(qū)一般位于零件的表面或亞表面的應(yīng)力集中處，由于疲勞源區(qū)暴露于空氣與介質(zhì)中的時(shí)間最長，裂紋擴(kuò)展速率較慢，經(jīng)過反復(fù)張開與閉合的磨損，同時(shí)在不同高度起始的裂紋在擴(kuò)展中相遇，匯合形成輻射狀臺階或條紋。因此，疲勞源區(qū)一般具有如下宏觀特征：氧化或腐蝕較重，顏色較 深;斷面平坦、光滑、細(xì)密，有些斷口可見到閃光的小刻面；有向外輻射的放射臺階或放射狀條紋；在源區(qū)雖看不到疲勞弧線，但有向外發(fā)射疲勞弧線的中心。有時(shí)疲勞源區(qū)不只一個，在存在多個源區(qū)的情況下，需要找出疲勞斷裂的 主源

3、區(qū)。(2) 疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)的宏觀特征該區(qū)斷面較平坦，與主應(yīng)力相垂直，顏色介于源區(qū)與瞬斷區(qū)之間，疲勞斷 裂擴(kuò)展階段留在斷口上最基本的宏觀特征是疲勞弧線(又稱海灘花樣或貝殼花樣 )見圖13。E13痕勞弧線圖13疲勞弧線(3) 瞬時(shí)斷裂區(qū)的宏觀特征疲勞裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸（即零件剩余截面不足以承受外載時(shí)的尺寸后發(fā)生失穩(wěn)快速破斷，稱為瞬時(shí)斷裂。斷口上對應(yīng)的區(qū)域簡稱瞬斷區(qū)，其宏觀特征與帶尖缺口一次性斷裂的斷口相近。5.3.2疲勞斷口的微觀分析疲勞斷裂的微觀分析必須建立在宏觀分析的基礎(chǔ)上，它是宏觀分析的繼續(xù)和深化。對斷口進(jìn)行深入的微觀分析，才能較準(zhǔn)確地判明斷裂失效的模式與機(jī)制。疲勞斷裂的微觀分析一般包括以下

4、內(nèi)容 ：（1）疲勞源區(qū)的微觀分析首先要確定疲勞源區(qū)的具體位置是表面還是亞表面，對于多源疲勞還需判明主源與次源。其次要分析源區(qū)的微觀形貌特征，包括裂紋萌生處有無外物損傷痕跡、加工刀痕、磨損痕跡、腐蝕損傷及腐蝕產(chǎn)物、材質(zhì)缺陷（包括晶界、夾雜物和第二相粒子）等。疲勞源區(qū)的微觀分析能為判斷疲勞斷裂的原因提供十分重要信息與數(shù) 據(jù),是分析的重點(diǎn)。（2）疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀分析由于第一階段的范圍較小，尤其要仔細(xì)觀察其上有無疲勞條帶、韌窩、臺階、二次裂紋以及 斷裂小刻面的微觀形貌。對第二階段的微觀分析主要是觀察有無疲勞條帶，疲勞條帶的性質(zhì)及條帶間距的變化規(guī)律等。搞清這些特征，對于分析疲勞斷裂機(jī)制、裂紋擴(kuò)展速度、載

5、荷的性質(zhì)與大小等將起重要作用。（3）瞬斷區(qū)微觀特征分析主要是觀察韌窩的形態(tài)是等軸韌窩、撕裂韌窩還是剪切韌窩。搞清韌窩的形貌特征有利于判斷引起疲勞斷裂的載荷類型。與圖12所示的源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)相對應(yīng)的微觀形貌見圖14及圖9a。圖14a為源區(qū)微觀形貌，由圖看出，斷裂起源于葉片盆面一側(cè)的表面，有多個源點(diǎn)，源區(qū)有類解理斷裂小面（類解理斷裂小面系面心立方晶系材料疲勞斷裂第一階段內(nèi)的獨(dú)有斷裂特征）。圖9a為擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的典型微觀形貌，其上疲勞弧線（粗者）與疲勞條帶（細(xì)者）清晰,斷裂擴(kuò)展方向 明顯。圖14b為瞬斷區(qū)內(nèi)的典型微觀形貌，其上可見大小不均的等軸韌窩，表明葉片的斷裂是 在拉應(yīng)力作用下造成的。論）源區(qū)

6、微觀形貌 Cb）瞬斷區(qū)內(nèi)的麋型嘏觀形貌囹14疲勞斷口上特征區(qū)內(nèi)的典型微觀形貌5.3.3引起疲勞斷裂的載荷類型分析各種類型的疲勞斷裂失效均是在交變載荷作用下造成的，因此，在分析疲勞斷裂失效時(shí)，首要的是要以斷口的特征形貌來分析判斷所受載荷的類型。（1）反復(fù)彎曲載荷引起的疲勞斷裂構(gòu)件承受彎曲載荷時(shí)，其應(yīng)力在表面最大、中心最小。所以疲勞裂紋總是在表面形成，然后沿著與最大正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。彎曲疲勞斷口一般與其軸線成90° 。 單向彎曲疲勞斷口。在交變單向彎曲載荷作用下，疲勞在交變張應(yīng)力最大的一邊的表面起源。 雙向彎曲疲勞斷口。在交變雙向彎曲載荷作用下，疲勞破壞源則從相對應(yīng)的兩邊開始，幾乎

7、是同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)展。 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的應(yīng)力分布是外層大、中心小，故疲勞源區(qū)在兩側(cè)，這里的裂紋擴(kuò)展速度較快，中心部位較慢，且其疲勞線比較扁平。由于在疲勞 裂紋擴(kuò)展的過程中，軸還在不斷的旋轉(zhuǎn)，疲勞裂紋的前沿向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)。因此，最后的破壞區(qū)也向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)一個角度。(2) 拉2拉載荷引起的疲勞斷裂當(dāng)材料承受拉2拉(拉2壓)交變載荷時(shí)，其應(yīng)力分布是軸的外表面遠(yuǎn)高于 中心。由于應(yīng)力分布均勻，使疲勞源區(qū)的位置變化較大。源區(qū)可以在零件的外表面，也可以在零件的內(nèi)部，這主要取決于各種缺陷在零件中分布狀態(tài)及環(huán)境因素等。扭轉(zhuǎn)載荷引起的疲勞斷裂軸在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，可能產(chǎn)生一種特殊的扭轉(zhuǎn)疲

8、勞斷口，即鋸齒狀斷口。在雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，在相應(yīng)各個起點(diǎn)上發(fā)生的裂紋，分別沿著土 45°兩個側(cè)斜方向擴(kuò)展(交變張應(yīng)力最大的方向)，相鄰裂紋相交后形成鋸齒狀斷口；在單向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下，在相應(yīng)各個起點(diǎn)上發(fā)生的裂紋只沿45。傾斜方向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，最后連接部分破斷而形成棘輪狀斷口。對具有光滑和缺口截面的零件，在不同載荷作用下而產(chǎn)生的疲勞斷裂，其 斷口宏觀形貌特征見圖 15。圖中的陰影部分為瞬斷區(qū)，箭頭所指為疲勞斷裂擴(kuò)展方向，弧線為 疲勞擴(kuò)斷區(qū)。5.3.4低周疲勞斷裂的判據(jù)(1) 宏觀特征 低周疲勞宏觀斷口除具有上述疲勞斷裂宏觀斷口的一般 特征之外，還有如下特征： $

9、;：斜:穿力 一一,-，沒4輕微的 嚴(yán)墩的 沮有 會，的夕耶麗謎力K中侮為耀中豚力悔中應(yīng)力N中垣由工中股光堡平-_ '一 一危* ftl 尊 A囹i s光滑和缺口回截面的零件在不同載荷下的疲勞斷口示意圖 具有多個疲勞源，且往往是線源。源區(qū)間的放射狀棱線(疲勞一次臺階) 多而且臺階的局度差大。圖15光滑和 缺口圓截面的零件在不同載荷下 的疲勞斷口示意圖 瞬斷區(qū)的 面積所占比例大，甚至遠(yuǎn)大于疲勞 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的面積。 疲勞弧線 間距加大，穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的棱線(疲勞 二次臺階)粗且短。 整個斷口 高低不平，隨著斷裂循環(huán)數(shù)(Nf)的 降低，斷口形貌愈來愈接近靜拉伸 斷口。(2)微觀特征由于宏觀塑

10、性變形較大，低周疲勞斷裂微觀斷口會有靜載斷裂的某些特征。在一般情況下，當(dāng)疲勞壽命Nf<90次時(shí)，斷口上為細(xì)小的韌窩 ，沒有疲勞條帶出現(xiàn)；當(dāng)Nf > 300次時(shí)，出現(xiàn)輪胎花樣；當(dāng) Nf>104時(shí)，才出現(xiàn)疲勞條帶，此時(shí)的條帶間距較寬，有時(shí)可達(dá)23 m,其典型疲勞條帶形貌見 圖16。如果使用溫度超過等強(qiáng)溫度，斷口形態(tài)除上述特征外，還會出現(xiàn)沿晶斷裂 特征。圈16保周痕若斷口上疲勞條簫的典型形貌”同r仝毒"&圈1T機(jī)械疲勞、腐悅疲勞與應(yīng)方腐悝的關(guān)累5.3.5腐蝕疲勞斷裂分析腐蝕疲勞斷裂是在腐蝕環(huán)境與交變載荷交互作用下發(fā)生的一種失效模 式。(1) 影響腐蝕疲勞斷裂過程的

11、相關(guān)因素有： 環(huán)境因素，包括環(huán)境介質(zhì)的成分、濃度、介質(zhì)的酸度(pH值)、介質(zhì)中的氧含量、以及環(huán)境溫度等。 力學(xué)因素，包括加載方式、平均應(yīng)力、應(yīng)力比、頻率以及應(yīng)力循環(huán)周 數(shù)。 材質(zhì)冶金因素，包括材料的成分、強(qiáng)度、熱處理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)和冶 金缺陷等。(2) 機(jī)械疲勞、腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕的區(qū)別，這三者的關(guān)系見圖17。當(dāng)R=1,且頻率(f)很低時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；當(dāng)R=0，f為中等程度時(shí)，易產(chǎn)生腐蝕疲勞；隨著f的增高， 腐蝕的作用愈來愈小，趨于純機(jī)械疲勞。這種區(qū)分只是就疲勞裂紋的擴(kuò)展階段而言，并未考慮裂紋的萌生階段。實(shí)際上，在腐蝕疲勞裂紋的萌生階段，腐蝕起了極其重要的作用。(3) 腐蝕疲勞的斷口特征與一

12、般疲勞斷裂一樣，腐蝕疲勞的斷口上也有源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，但在細(xì)節(jié)上，腐蝕疲勞斷口有其獨(dú)特的特征，主要表現(xiàn)在如下幾方面： 斷口低倍形貌呈現(xiàn)出較明顯的疲勞弧線。 腐蝕疲勞斷口的源區(qū)與疲勞擴(kuò)展區(qū)一般均有腐蝕產(chǎn)物，通過微區(qū)成分分析,可以測定出腐蝕介質(zhì)的組分及相對含量。 腐蝕疲勞斷裂一般均起源于表面腐蝕損傷處(包括點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等)，因此，在大多數(shù)腐蝕疲勞斷裂的源區(qū)可見到腐蝕損傷特征。 腐蝕疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)具有某些較明顯腐蝕特征，如腐蝕坑、泥紋花樣，如圖9b所 腐蝕疲勞斷裂的重要微觀特征是穿晶解理脆性疲勞條帶示。 在腐蝕疲勞斷裂過程中，當(dāng)腐蝕損傷占主導(dǎo)地位時(shí)，腐蝕疲勞斷口呈現(xiàn) 穿晶與沿晶混合

13、型，其典型形貌見圖18,其上可見脆性疲勞條帶，穿晶與沿晶以及腐蝕源等形貌特征。圖1E腐悅疲勞斷口上的典型微觀形貌圖19熱疲勞斷口上的典型微觀形貌 當(dāng)Kmax>KISCC,在頻率很低的情況下，腐蝕疲勞斷口呈現(xiàn)出穿晶解 理與韌窩混合特征。上述斷裂特征并非在每一具體腐蝕疲勞斷裂失效件上全部具備，對某一具體失效件究竟具備上述特征的哪幾項(xiàng)，是隨力學(xué)因素、環(huán)境因素和材質(zhì)冶金因素而定的。5.3.6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。在熱循環(huán)頻率較低的情況下，熱應(yīng)力值有限，而且會逐漸消失，難以引起破壞。但當(dāng)快速加熱、冷卻交變循環(huán)條件下所產(chǎn)生的交變熱

14、應(yīng)力超過材料的熱疲勞極限時(shí)，就會導(dǎo)致零件疲勞破壞。熱疲勞的特征在冷熱交變循環(huán)中所產(chǎn)生的交變應(yīng)力可能并不大，但在高溫下，材料的強(qiáng)度降低，即使在較低的應(yīng)力作用下，材料仍處于塑變狀態(tài)，因此熱疲勞屬于應(yīng)變疲勞。影響熱疲勞的主要因素是冷熱循環(huán)的頻率和上限溫度的高低。頻率提高，熱應(yīng)力來不及平衡，使零件的應(yīng)力梯度增加，材料的熱疲勞壽命降低；在同樣的頻率下，上限溫 度升高，材料塑變增加，降低了材料的熱疲勞壽命；如果溫度差的大小一定，上限溫度降低，使得 下限溫度很低（零下）,而成為連續(xù)地冷驟變，此時(shí)對材料所造成的損傷遠(yuǎn)小于熱驟變。影響熱疲勞性能的其它因素有材料的熱膨脹系數(shù)（a ）、導(dǎo)熱率（K）和材料抗交變應(yīng)變的

15、能力（£ ）。當(dāng)然，材料的熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率高、抗交變應(yīng)變的能力強(qiáng)時(shí)，有利于提高材料的熱疲勞性能。顯然，熱疲勞性能與材料的室溫靜強(qiáng)度及延性無關(guān)，因損傷是在高溫下產(chǎn)生的。（2）熱疲勞斷口的形貌特征對于有表面應(yīng)力集中零件，熱疲勞裂紋易產(chǎn)生于應(yīng)變集中處；而對于光滑表面零件，則易產(chǎn)生于溫度高，溫差大的部位。在這些部位首先產(chǎn)生多條微裂紋。熱疲勞裂紋 發(fā)展極不規(guī)則，呈跳躍式，忽寬忽窄，有時(shí)還會產(chǎn)生分枝和二次裂紋 ，裂紋多為沿晶開裂。熱疲勞斷口與機(jī)械疲勞斷口在宏觀上有相似之處，也可以分為三個區(qū)域，即裂紋起始區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。其微觀形貌為韌窩和疲勞條帶，見圖19。5.4提高疲勞抗力的措施及疲

16、勞斷裂案例分析 5.4.1提高疲勞抗力的措施為防止疲勞斷裂失效，須從優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理選材和提高零件表面抗疲勞性能等方面入手。(1) 優(yōu)化設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)是提高零件疲勞抗力的關(guān)鍵。機(jī)械構(gòu)件不可避免地存在圓角、孔、鍵槽及螺紋等應(yīng)力集中部位，在不影響機(jī)械構(gòu)件使用性能的前提下，應(yīng)盡量選擇最佳結(jié)構(gòu)，使截面圓滑過渡，避免或降低應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定之后，所采用的加工工藝是決定零件表面狀態(tài)，流線分布和殘余應(yīng)力等的關(guān)鍵因素。(2) 合理選材合理選材是決定零件具有優(yōu)良疲勞抗力的重要因素，除盡量提高材料的冶金質(zhì)量外，還應(yīng)注意材料的強(qiáng)度、塑性和韌性的合理配合。(3) 零件表面強(qiáng)化工藝為了提高零件的抗疲勞性

17、能，發(fā)展了一系列的表面強(qiáng)化工藝，如表面感應(yīng)熱處理、化學(xué)處理、噴丸強(qiáng)化和滾壓強(qiáng)化工藝等。實(shí)踐表明，這些工藝對提高零件的抗疲勞性能效果非常明顯。(4) 減少變形約束對承受熱疲勞的零件，應(yīng)減少變形約束，減少零件的溫度梯度，盡量選用 熱膨脹系數(shù)相近的材料等，提高零件的熱疲勞抗力。5.4.2疲勞斷裂失效案例分析(1)某汽車用懸架彈簧在使用中發(fā)生斷裂失效。 該彈簧外徑<100mm，內(nèi)徑 <60mm，呈圓螺形狀，是用<11.5mm的55CrSi鋼絲制成。彈簧生產(chǎn)工藝流程為 ：卷簧回火r 噴丸r立定處理-> 涂塑。(2)斷口特征圖20為鋼絲斷口宏觀形貌，有兩個高差很大的斷面，呈臺階狀。斷面 A 平坦細(xì)密，為疲勞斷裂區(qū)；斷口 B傾斜粗糙，為瞬斷區(qū)。疲勞斷裂起始鋼絲表面的機(jī)械損傷處，見圖中箭頭所示。機(jī)械損傷呈線狀特狀 ，靠近源區(qū)的斷面平坦細(xì)密，有疲勞斷裂特征，見圖21。囹20銅姓斷口低倍推貌E21鋼住斷口源區(qū)微觀形貌DJ k晰型蛙俗韋日日幫檔蟄如閔隹F刑舞鋰問蕓隹1；犁_以上斷裂特征表明，該彈