金属疲劳断口的微观形状特征

金属疲劳断口的微观形状特征
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目前用断口微观分析判断失效形式,通常不是依靠裂纹源区的微观形貌,而主要是依据裂纹扩展区的微观断口形貌来进行判断。因为零件断口上的疲劳裂纹源区一般都很小,有时根本不存在,另外在疲劳断裂的断口上,其裂纹源区的微观特征出现许多种形貌,如有些材料的裂纹源区出现韧窝状形貌,而低韧或脆性材料的源区甚至出现准解理,沿晶断裂的形貌,有些材料的源区出现疲劳条带。为了分析引起疲劳失效的原因,需在源区上进行认真检查,就能得出失效是属于何种原因引起的。在疲劳裂纹扩展区,其微观形貌的基本特征是具有一定间距的、垂直于主裂纹扩展方向的、相互平行的条状花样,即疲劳条带(或疲劳辉纹、疲劳条纹),这是区别于其他性质断裂的最显著的特征花样。疲劳条带具有如下特点:
1、断口上的疲劳条带有时为连续分布,如在铝合金、钛合金、奥氏体钢中所见,有时也可能呈断续分布,如在结构钢和高强钢中所见;
张志琴2、在使用状态下,疲劳裂纹往往在不同振幅的交变载荷下发生,裂纹扩展时同一平面、同一方向上疲劳条带间距变化是疲劳载荷谱在断口形貌上的反映,每一条疲劳条带代表一次载荷循环,疲劳条带的间距在裂纹扩展初期较小,而后逐渐变大;
3、疲劳条带的形状多为向前凸出的弧形条纹,金属中的第二相粒子可以阻止也可加速疲劳裂纹的扩展,使疲劳条带出现凹形弧线或S形弧线;
4、面心立方晶体结构的材料比体心立方晶体结构的材料更易形成连续而清晰的疲劳条带;
5、平面应变状态比平面应力状态易形成疲劳条带,一般应力太小时观察不到疲劳条带;
6、晶粒边界对疲劳裂纹的扩展起抑制作用,疲劳裂纹扩展方向从一个晶粒到另一个晶粒发生变化,产生的疲劳条带的方向也不一样;
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7、疲劳条带在常温下往往是穿晶的,而在高温下可以出现沿晶疲劳条带;
8、材料的抗拉强度越高,越不易形成疲劳条带,高强钢或超高强度钢的疲劳断口上甚至完全不出现疲劳条带,而往往是沿晶、解理或韧窝形貌;
9、高温和腐蚀环境会使断口发生氧化和腐浊,结果使疲劳条带形貌遭到破坏;
10、断口两侧条纹形态对称,即峰对峰,谷对谷。疲劳条带有韧性和脆性两种类型。
韧性疲劳条带是指金属材料疲劳裂纹扩展时,裂尖金属发生较大的塑性变形,疲劳条带通常是连续的,并向一个方向弯曲成波浪形:通常在疲劳条带间存在有滑移带,在电镜下可以观察到微孔花样。高周疲劳断裂时.其疲劳条带通常是韧性的。
脆性疲劳条带是指疲劳裂纹沿解理平面扩展,尖端没有或很少有塑性变形,故又称解理条带。在电镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳条带,又可观察到与裂纹扩展方向一致的河流花样及小晶面。脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的疲劳断裂或缓慢加载的疲劳断裂中,其疲劳条带通常是脆性的,面心立方金属一般不发生解理断裂,故不产生脆性的疲劳条带。
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以上所述就是疲劳条带的主要特征,凡是裂纹扩展区断口确认有疲劳条带,一般情况下均可判断为疲劳失效。但是,显示不出疲劳条带的断口,却不能认为它不属于疲劳失效。往往存在这种情况,对一个在交变载荷下发生疲劳失效的零件断口分析时,宏观断口呈现出典型的疲劳特征(贝纹线),而断口的微观形貌中却难以寻到疲劳条带。所以,不是在任何条件下和任何材料的疲劳断口,都会一律出现疲劳条带,实际上有许多因素影响疲劳条带在断口上的出现,如应力状态、应变状态、材料性质及环境因素的影响。材料硬度越高,加工硬化严重的构件,在疲劳断口上难以看到疲劳条带,在真空中的疲劳断口也看不到疲劳条带。
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除疲劳条带这一主要特征之外,在一些包括面心立方结构的奥氏体不锈钢、体心立方结构的合金结构钢、马氏体不锈钢等材料的疲劳断口中,还可看到类似解理断裂状河流花样的疲劳台阶(又称疲劳沟线)和类似汽车轮胎走过泥地时留下的痕迹即轮胎花样。疲劳台阶的方向与疲劳条带的法线方向基本一致。若条带的间距与台阶的高度相当时,疲劳台阶与疲劳条带
汪定国可同时显示出来;若条带间距远小于台阶的高度,在一定的放大倍率下则台阶之间的条带往往难以显示。轮胎花样是由于疲劳断口的两个匹配面之间重复冲击和相互运动所形成的机械损伤,也可能是由于松动的自由粒子(硬质点)在匹配断裂面上作用的结果。轮胎花样不是疲劳本身的形貌,但却是疲劳断裂的一个表征。

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