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1、金属材料的断裂及其断口分析一{/第17卷1996年国外金属热处理V0l_17Aug④l
2、7№{1996囊囊黑龙江省北安市工业项目办公室(北安164000)郭达人编译从大型构件到小型机器零件,材料断裂的事故造成不少人丧生,给各方面都带来较大损失,产品的信誉显着受损.因而,涉及产品性能的设计与加工,是材料工作者非常重要的问题.材料断裂的原因,由于材料的种类,受力条件和环境等不同而不同,要想完全清楚是非常困难的.但是实际发生的断裂事故是宝贵的实物检验的资料,有必要彻底地调查研究.在这种情况下,零件的断口是真实的记录断裂过程的重要资料.根据断口的观察,能
3、够知道断裂的方式,起点和裂纹扩展过程等.因此断口的分析,对查明断裂的原因,进而改进设计,加工方法及更换材料,制订出防止以后发生断裂事故的恰当措蘸等都是不可缺少的.从这一目的出发,断口的观察很早就开始了,近年来使用电镜观察断口,得到特别精确的结果,不仅可以用于推断断裂原因,而且可以研究断裂机理.本文以上述思路,对各种断裂特别是运输机械,以问题最多的疲劳断裂为中心,试用断口分析阐述断裂过程.1断裂形式的分类给断裂准确定义是很难的,在应力的作用下,物体被分成两个以上部份的现象一般称断裂.金属材料断裂的方式,根据材料种类,受力大小,环境等条件不同而不同,
4、所以分类的方法也有多种,从现象大致可分成以下几类1.1韧性断裂断裂前有塑性变形.属于这类形态的断袭有纤维状断裂,剪切断裂,滑移面断裂三种.1.2脆性断裂和韧性断裂相反,断裂前几乎无塑性变形现象,在理论上,如众所周知.可分为低温脆性断裂,缺口脆性断裂等.1.3延滞断裂在静载应力作用下,经过一段时间以后断裂的现象,它在远远低于强度极眼下发生,包括氢脆,应力腐蚀裂纹,时效裂纹等.1.4疲劳断裂在交变应力作用下引起的断裂,并且加的交变应力低于静载断裂应力或低于弹性极限断裂.按交变次效可分高周疲劳和低周疲劳(一般讲在l0次以下).1.5蠕变断裂在一定的载荷
5、下,变形随时闻延长而增加,直至断裂的现象.特别对高温下使用的材料是更主要的问题.2断口的断裂分析断口的观察方法,宏观上用肉眼或放大镜进行,微观上用电镜等进行观察.宏观观察便于判断断口的整体,但所得结果是有限?25?的.在某些情况下,原因的分析司.能有错误.例如高强度材料,疲劳断裂脆性断裂,延滞断裂等宏观上显示类似的形态,难以识别.与此相比,微观的观察,特别是用电镜观察断口,可以同断裂机理对应起来观察,得到的结果是客观的,分析的精窿也高.由于视场微小,难以在较大范围内系统地观察,由局部的断裂形式来判断整体是有危险的,特别是实际零件破坏的过程是复杂的
6、,断裂的形式也不仅仅是一种,这点必须注意.目前对断口的分析,断裂形式的判断等,以定性分析为主,已有相当程度的系统化.应力条件和断口形态等的定量分析还在研究阶段,问题很多.就各种断裂形式及其有代表性的断口特征分叙如下.2.1韧性断裂所谓过负荷的断裂.宏观上能看到塑性变形,微观上可看到杯状凹坑,称之为韧窝.韧窝是材料经受塑性变形时在夹杂物或析出物四周形成的孔洞,这些韧窝连成一体就导致断裂.如图1所示,不同的应力条件得到不同形状的韧窝.囱囱—上一r.二j兰:Cb)……宙(c)?(t)均匀拉伸断裂——圆形韧窝(b)剪切断裂——长形韧窝(c)秘断裂——长形
7、韧窝圈1栩窝的形戚机理?26?照片l(略)是钢拉伸断口上呈典型的韧性断裂,称为杯突状.杯的底部是纤维状断裂,周围是韧性断裂.照片2是不同形状韧窝的扫描电镜照片.照片2拉伸断裂断口上观察到的韧窝(扫描电镜照片x5000)2.2脆性断裂脆性断裂裂纹扩展的速度非常快(接近于音速).一旦发生了裂纹.裂纹一直扩展到开裂.因此.宏观断口上可看到裂纹扩展过程(照片3略),被称为人字形花纹,它的形态呈鱼骨状.这种放射状花纹汇聚的位置是断裂的起点.这个起点附近有应力集中缺陷——例如腐蚀坑,焊接缺陷等.材料学对这个起点的研究可以说明断裂原因.微观特征可以看见像河流一
8、样的图形,称为河流花样.这种脆性断裂在特定的晶面(解理面)上发生.由于同时横跨几层解理面.出现阶梯状图样.此外,还可看见舌头状凸起,称为舌状花样,照片4是河流花样和舌状花样.另外,淬火回火钢的脆性断裂,不能证明是解理断裂.但微观特征几乎相同,称之为准解理.2.3延滞断裂宏观断口近似脆性断裂,延滞断裂的特蓬蓬薹第二阶段裂纹的发展沿垂直主应力的方向,称为拉伸形裂纹.这个阶段裂纹是按每一个加载周期往前发展,所以,断口呈疲劳特征的图像——宏观上呈贝壳状,微观上呈疲劳条纹,轮胎纹等.第三阶段是裂纹发展的最终阶段,呈静载断裂.裂纹是拉伸墅,十分长且传播不稳定
9、.断口的方向有剪切型,垂直型,根据材料不同还有颈培形断裂,同韧性断裂一样.断口上可以观察到韧窝.2.4.2疲劳断口的宏观特征宏观的疲劳断
