断裂失效分析.pdf

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1、断裂失效分析钟培道北京航空材料研究院北京中图分类号!文献标识码!文章编号!截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下一引言般不会出现韧性断裂失效但是由于机械产品在机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂经历设计用材加工制造装配直至使用维修的全失效两大类非断裂失效一般包括磨损失效腐蚀过程中存在着众多环节和各种复杂因素因而机械失效变形失效及功能退化失效等零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失韧性断裂机理与典型形貌效其分类比较复杂一般有如下几种工程材料的显微结构复杂特定的显微结构在按断裂机理分为滑移分离韧窝断裂蠕变特定的外界条件如载荷类型与大小环境温度与介断裂解理

2、与准解理断裂沿晶断裂和疲劳断裂质下有特定的断裂机理和微观形貌特征金属零按断裂路径分为穿晶沿晶和混晶断裂件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂按断裂性质分为韧性断裂脆性断裂和疲滑移分离劳断裂在失效分析实践中大都采用这种分类法韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征形而塑性变形的普遍机理是滑移即在韧性断裂前入手确定断裂失效模式分析研究断口形貌特征与晶体产生大量的滑移过量的滑移变形会出现滑移材料组织和性能零件的受力状态以及环境条件如分离其微观形貌有滑移台阶蛇形花样和涟波等温度介质等等之间的关系揭示断裂失效机理原因此有必要对滑移分离加以叙述因与规律进而采取改进

3、措施与预防对策滑移带晶体材料的滑移面与晶体表面的从本期起分期介绍韧性脆性及疲劳三类断裂交线称为滑移线滑移部分的晶体与晶体表面形成失效分析的基础知识及典型失效案例分析的台阶称为滑移台阶由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带确切地说目前韧性断裂失效分析人们将在电镜下分辨出来的滑移痕迹称为滑移带滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层滑移层宽概述韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂即零件断度在～之间随着外力的增加一方面滑移裂之前在断裂部位出现较为明显的塑性变形在带不断加宽另一方面在原有的滑移之间还会出现工程结构中韧性断裂一般表现为过载断裂即零件新的滑移带危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服

4、强金属材料滑移的一般规则是①滑移方向总是度或强度极限而发生的断裂原子的最密排方向②滑移通常在最密排的晶面上在正常情况下机载零件的设计都将零件危险发生③滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生收稿日期!滑移的形式晶体材料产生滑移的形式是作者简介!钟培道男研究员多种多样的主要有一次滑移二次滑移多系滑移钟培道!断裂失效分析交滑移波状滑移滑移碎化和滑移扭折等滑移分离断口形貌滑移分离的基本特征是断面呈角倾斜断口附近有明显的塑性变形滑移分离是在平面应力状态下进行的滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带蛇形花样涟波花样和延伸区图为在电子显微镜下观察到的滑线形貌是多系滑移留下的微观痕迹图涟波形貌晶粒内部发生了滑

5、移而导致晶界产生分离另一种是由于晶界本身的滑移而产生分离沿晶界滑移分离的断口显微形貌也具有蛇形滑移涟波花样及无特征等韧窝断裂韧窝是金属韧性断裂的主要特征韧窝又称作图典型的滑移线形貌迭波孔坑微孔或微坑等韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞经形核长大聚集最蛇形花样多晶体材料受到较大的塑形变形产后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹图生交滑移而导致滑移面分离形成起伏弯曲的条为典型的韧窝形貌纹通常称为蛇形滑移花样如图所示图典型的韧窝形貌图蛇形滑移花样虽然韧窝是韧性断裂的微观特征但不能仅仅若变形程度加剧则蛇形滑移花样因变形而平据此就作出韧性断裂的结论因为韧性断裂与脆性滑化形成涟波花样典型的照

6、片见图断裂的主要区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性涟波花样也将进一步平坦化在断口上留下了变形即使在脆性断裂的断口上个别区域也可能没有什么特殊形貌的平坦区称为延伸区由于微区塑变而形成韧窝实际材料总是存在缺陷如缺口裂纹和显微空韧窝的形成韧窝形成的机理比较复杂洞等在应力作用下这些缺陷附近的区域可能发大致可分为显微空洞的形核显微空洞的长大和空生纯剪切过程在其内表面上也会显示出蛇形滑移洞的聚集三个阶段根据实验结果建立涟波和延伸区等特征了韧窝形核及生长模型如图所示其中图为靠滑移分离而导致的断裂即使在晶界处也能微孔聚集模型其典型形貌见图图为第二相粒发生这种断裂有两种可能一种是在相邻的两个子形核模型钟培道!

7、断裂失效分析剪切韧窝微孔聚集模型撕裂韧窝在第二相粒子处形核模型图韧窝形核及扩展模型拉长韧窝图三种基本韧窝形态示意图这个韧窝模型可以同时解释在拉应力作用下形成等轴韧窝或抛物线韧窝和夹杂物或第二相粒子在切应力作用下破碎而形成韧窝的现象撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成常见于韧窝的形状韧窝的形状主要取决于所受尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口的应力状态最基本的韧窝形状有等轴韧窝撕裂韧上也呈抛物线形但在匹配断口