疲勞斷口宏觀分析

1疲勞斷口的形貌特征疲勞斷口是指金屬材料或零構(gòu)件在疲勞斷裂過程中形成的一種匹配的表面，稱斷裂面或斷口。分析它的目的在于確定零構(gòu)件是否屬于疲勞破壞？其破壞的原因是什么？從而提出防止事故的措施和方法，為今后的設(shè)計(jì)、選材以及加工等問題提出改進(jìn)意見。對(duì)斷口的形貌進(jìn)行分析包括兩個(gè)方面，即宏觀斷口分析和微觀斷口分析。所謂宏觀分析是指用肉眼或20—30倍以下放大鏡觀察斷口的形貌特征。微觀分析是指用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行分析。宏觀分析不要求專門設(shè)備，被觀察斷口尺寸不受限制，可以觀察斷件和斷口全貌，了解各個(gè)方面變化情況，所以說宏觀分析是斷口分析的基礎(chǔ)。微觀分析是用高倍的光學(xué)顯微鏡、c透射電鏡，掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行分析，能觀察斷口的精細(xì)結(jié)構(gòu)及裂紋形態(tài)。1.1疲勞斷口宏觀特征由于零構(gòu)件經(jīng)常承受拉、壓、彎、扭或復(fù)合應(yīng)力的作用，因載荷類型不同，在宏觀斷口上表現(xiàn)出的形貌特征也不相同。（1）彎曲應(yīng)力作用下的疲勞斷口圖1-2是在彎曲疲勞載荷作用下的斷口示意圖。零件在彎曲疲勞載荷作用下，其表面應(yīng)力最大，中心應(yīng)力最小，疲勞源首先在表面形成，然后沿著與最大正應(yīng)力相垂直方向擴(kuò)展，到最后瞬斷。圖中（a）是單向彎曲疲勞斷口，它的疲勞源首先在受拉應(yīng)力一側(cè)表面形成，瞬斷區(qū)在疲勞源相對(duì)側(cè)，其面積大小由材料抗拉強(qiáng)度和外加載荷的大小來決定。圖中（b）是雙向彎曲疲勞斷口，由于雙向彎曲，試件上下兩側(cè)交替承受拉應(yīng)力作用，故疲勞源在相對(duì)兩側(cè)面形成，瞬斷區(qū)在中間。二陶翊曲(b)育曲成力下的痕勞斷口特征圖1-3是軸在旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力作用下的疲勞斷口示意圖，由于旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力也是表面最大，中心最小，疲勞源也開始于表面，且疲勞源兩側(cè)裂紋發(fā)展速度較中心、快，故貝紋線比較扁平。最終旋轉(zhuǎn)亦向丫a1-3旋林宵曲應(yīng)力下妹斷口特征瞬斷區(qū)雖然也在疲勞源對(duì)面，但總是相對(duì)于軸的旋轉(zhuǎn)方向逆偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，此種現(xiàn)象稱為偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，從疲勞源與瞬斷區(qū)的相對(duì)位置便能推知軸的旋轉(zhuǎn)方向。軸上有無應(yīng)力集中及應(yīng)力集小，其最終瞬斷區(qū)的位置是不同的。若應(yīng)力集中較小時(shí)，疲勞源只在一處發(fā)生，最終瞬斷區(qū)在疲勞源相對(duì)應(yīng)的一側(cè)。若應(yīng)力集中較大時(shí)，則沿周向缺口將同時(shí)有幾個(gè)疲勞源產(chǎn)生，瞬斷區(qū)的位置則在軸的部。另外，最終瞬斷區(qū)的位置還受軸上名義應(yīng)力大小的影響。名義應(yīng)力越大，瞬斷區(qū)越移向軸的中央，如圖l—4所示。圖IT球彎曲時(shí)成力塞中對(duì)新口雅志最哺圖1—5綜合給出了上述各種彎曲應(yīng)力條件下的疲勞斷口形態(tài)圖。tt荷母式tt荷母式單藺W曲-一一向Irft??<?一（2）軸向應(yīng)力作用下的疲勞斷口軸向應(yīng)力包括拉一拉或拉一壓疲勞。它的疲勞源一般也在表面形成，只有部有缺陷時(shí)才在缺陷處形成。斷口形貌還與試件有無缺口有關(guān)。高應(yīng)力軸向拉壓疲勞斷口，對(duì)光滑圓試件，裂紋從疲勞源向四周擴(kuò)展速度基本相同。若應(yīng)力高，疲勞擴(kuò)展區(qū)小，瞬斷區(qū)大，如圖1—6（a）所示。若應(yīng)力低，疲勞擴(kuò)展區(qū)大，瞬斷區(qū)小，如圖1—6（d）所示。對(duì)于缺口試件，由于應(yīng)力集中的作用，故疲勞源兩側(cè)裂紋擴(kuò)展較快，如圖1-6（b）、（c）所示。低應(yīng)力軸向拉壓疲勞斷口與高應(yīng)力斷口類似，只是疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)大小不同。ffll-fi袖向應(yīng)力作用下鹿勞看口帶毒扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下的疲勞斷口在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下的疲勞斷口，可以分成二類，一類為正斷型，另一類為切斷型.對(duì)于脆性材料常按正斷型方式斷裂，而對(duì)于塑性材料則常按切斷型方式斷裂。也可以說還有二種方式兼有的復(fù)合斷裂。圖1—7為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力下的各種斷口形態(tài)示意圖。圖中正，斷型中的鋸齒狀和星型斷口，在實(shí)際軸的疲勞破壞中能經(jīng)常見到。

一個(gè)階梯軸在反復(fù)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，首先在軸的過渡圓角處產(chǎn)生很多個(gè)疲勞源，這些微裂紋同時(shí)與最大正應(yīng)力相垂直的方向即與軸線呈45°交角的方向擴(kuò)展,當(dāng)這些相鄰裂紋相交時(shí)，便形成鋸齒狀斷口，其過程可用圖1—8表示。圖中（a）在反復(fù)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下形成疲勞源和產(chǎn)生微裂紋，（b）裂紋沿與軸線呈45°的二個(gè)方向擴(kuò)展，（c）形成鋸齒狀斷面。圖IT啊齒狀瞄曖的JKjfe技粗一個(gè)階梯軸在彎曲應(yīng)力作用下，由于軸徑突然發(fā)生變化，則在過渡圓角處要產(chǎn)生應(yīng)力集中，這時(shí)產(chǎn)生疲勞裂紋擴(kuò)展方向也要與拉伸正應(yīng)力相垂直，所以疲勞斷口常常不是一個(gè)平面，而是一個(gè)象碟子一樣的曲面，常把這種形狀斷口稱為皿型斷口.圖1—9表示皿型斷口的形成過程。圖】T皿型麟口岸成示逝明如果階梯軸承受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力和單向脈動(dòng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的聯(lián)合作用，則在過渡圓角附近可能發(fā)生多個(gè)疲勞源。由于扭矩的作用結(jié)果，裂紋將以螺旋狀的方式向前擴(kuò)展，最后這些裂紋在軸的中央?yún)R合，形成棘輪狀斷口。如圖1—10所示。斑葬裂紋站展方向斷口形狀<a>(b)￡1-10尊輪狀斷口形成承息圖1.2疲勞斷口微觀特征(1)疲勞裂紋的形成疲勞破壞的過程是：零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處最弱的及應(yīng)力最大晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。金屬結(jié)構(gòu)材料多數(shù)為多晶體。晶粒的滑移是由沿著晶面移動(dòng)的位錯(cuò)造成的。這樣就使一個(gè)晶粒出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)滑移面。這些滑移可以用光學(xué)或電子顯微鏡觀測(cè)到。隨著循環(huán)載荷作用次數(shù)的增加，滑移線不斷增多和變粗，形成滑移帶。試驗(yàn)證明，滑移帶的形成并不一定都造成裂紋，只有少數(shù)滑移帶可能變得更加明顯。這種滑移帶稱“駐留滑移帶”。由于滑移結(jié)果，特別是在駐留滑移帶上形成“擠出”或“擠入”現(xiàn)象，繼續(xù)循環(huán)加載，擠入部分向滑移帶縱深發(fā)展，從而形成疲

勞微裂紋，如圖1—11所示。以后裂紋沿滑移帶方向擴(kuò)展，并穿過晶粒，直到形成宏觀裂紋。所以，零構(gòu)件在疲勞載荷作用下，因位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成滑移帶是產(chǎn)生疲勞裂紋最根本原因。表面缺陷或材料部缺陷起著尖缺口的作用，使應(yīng)力集中，促使疲勞裂紋的形成。(2)疲勞裂紋的擴(kuò)展(2)疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展可以分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段：當(dāng)疲勞裂紋核心一旦在零件表面滑移帶或缺陷處形成后，立即沿著滑移帶的主滑移面向金屬部伸展。此滑移面的取向大致與正應(yīng)力呈45°角,所以，第一階段裂紋總是沿著最大切應(yīng)力方向的滑移面擴(kuò)展。第二階段：裂紋在第一階段擴(kuò)展的深度很淺，大約只有零點(diǎn)幾個(gè)毫米，其圍在2—5個(gè)晶粒之。然后將改變方向，沿著與正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。此時(shí)正應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生重大影響，這就是裂紋擴(kuò)展的第二階段。圖1—12是疲勞裂紋擴(kuò)展二個(gè)階段的示意圖。對(duì)于一般材料來說，盡管第一階段裂紋擴(kuò)展深度很淺，但它對(duì)疲勞壽命的貢獻(xiàn)卻隨疲勞應(yīng)力幅的不同而有很大的不同。對(duì)應(yīng)力幅較高的，如低周疲勞，第一階段擴(kuò)展在疲勞總壽命中所占的比例較低，第二階段擴(kuò)展是主要的，疲勞壽命主要決定于第二階段擴(kuò)展。但對(duì)于比較低的應(yīng)力幅，則光滑試樣疲勞總壽命至少有90%以上是由第一階段擴(kuò)展所貢獻(xiàn)。（3）疲勞裂紋形成機(jī)理為了解決疲勞裂紋的擴(kuò)展機(jī)理，曾提出多種理論模型，其中得到多數(shù)人支持的是“塑性鈍化”模型。該模型圖如圖1—13所示。在未加載荷時(shí)裂紋形態(tài)如圖中（a）,在加載段拉應(yīng)力作用下，裂紋開，裂紋前端兩個(gè)小切口使滑移集中于與裂紋平面成45°角的滑移帶上，二個(gè)滑移帶互相垂直如（b）。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，裂紋因變形應(yīng)力集中效應(yīng)消失，裂紋前端滑移帶變寬，裂紋前端鈍化，呈半圓狀，在此過程中產(chǎn)生新的表面并使裂紋向前擴(kuò)展，如圖中（c）。此后轉(zhuǎn)入卸載后半期，沿滑移帶向相反方向滑移，如圖中（d）,裂紋前端相互擠壓，在加載半周期形成的新表面被壓向裂紋平面，其中一部分發(fā)生折迭而形成新的切口，如圖中（c）,結(jié)果造成一個(gè)新的疲勞紋，其間距為c。如此循環(huán)往復(fù)，裂紋不斷向前擴(kuò)展。不斷形成疲勞紋。

（4）疲勞裂紋第二擴(kuò)展階段的微觀特征疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段主要特征是疲勞紋存在。一般疲勞紋具有如下特點(diǎn):（a）疲勞紋是一系列基本上相互平行的條紋，略帶彎曲呈波浪形，并與裂紋局部擴(kuò)展方向相垂直。（b）每一個(gè)條紋代表著一次載荷循環(huán)，每條疲勞紋都表示該循環(huán)下裂紋前端的位置，在數(shù)量上疲勞紋與載荷循環(huán)次數(shù)相等。（c）疲勞紋間距（或?qū)挾龋╇S應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的變化而變化。（d）在疲勞斷口的微觀圍，通常由許多大小不同、高低不同的小斷塊所組成，每個(gè)小斷塊上的疲勞紋連續(xù)而平行，但相鄰小斷塊上的疲勞紋不連續(xù)，不平行，如圖1—14所示。（e）斷口兩側(cè)斷面上的疲勞紋基本對(duì)應(yīng)。在實(shí)際斷口中，疲勞紋的數(shù)量未必與循環(huán)次數(shù)相等，尤其它受應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響很大。

技勞蜥口族慎形能特征示重圖Forsyth觀察疲勞紋時(shí)，發(fā)現(xiàn)有兩種不同類型的疲勞紋，即“韌性疲勞紋”與“脆性疲勞紋”，如圖1—15（a）、（b）。這二種疲勞紋在形成時(shí)所產(chǎn)生的表面浮凸程度和塑性變形量的大小不同。脆性疲勞斷口的特征是：斷裂路徑是放射狀扇形，疲勞紋被放射狀臺(tái)階割成短而且平坦的小段。韌性疲勞紋在塑性變形時(shí)，發(fā)生較大的變形量，且條紋在斷口上連續(xù)規(guī)則的排列，但是必須指出，疲勞條紋還受晶界、夾雜物、環(huán)境介質(zhì)等因素影響，使其微觀形貌發(fā)生很大變化。裂放擴(kuò)腰方向裝甄擴(kuò)限方向圖1T5郭性獲勞與北柱建行斷口的示就圖&性疲帶胞性疲勞2分析疲勞斷口的一般方法2.1事故現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查研究首先對(duì)在工作中破斷的許多碎片，必須仔細(xì)地收集起來，并從中挑選出包含有主要破斷源的可疑碎片，加以精心保護(hù)，避免化學(xué)侵蝕，尤應(yīng)防止用手指去污染斷口。有些情況下，這些碎片已經(jīng)被氧化，腐蝕或污染，但這些斷口的重要特征沒被照相和記錄下來之前，不可以用機(jī)械的或化學(xué)的方法加以清洗。另外，在調(diào)查破斷原因的過程中，也應(yīng)將破斷零構(gòu)件的設(shè)計(jì)、加工。裝配等數(shù)據(jù)資料，實(shí)際工作中的服役條件、運(yùn)行狀況及環(huán)境等都要仔細(xì)調(diào)查，以從中獲得可能對(duì)破斷分析極為有用的資料。2.2疲勞斷口宏觀分析斷裂分析的目的是判定斷口形貌特征，確定裂紋源位置及裂紋擴(kuò)展方向，找出可能破斷的原因。（1）主裂紋確定。每個(gè)裂紋的萌生和擴(kuò)展都是按一定規(guī)律進(jìn)行的。一般來說，機(jī)件上的裂紋是依次陸續(xù)產(chǎn)生的，即在形成斷口的時(shí)間上是有先后之分的。根據(jù)這個(gè)規(guī)律，就可能在諸多碎片中確定最先開裂的斷口。例如圖1-16（a）上產(chǎn)生的兩條裂紋，構(gòu)成‘T’型，或者說三塊斷片合攏起來構(gòu)成“T’字型裂紋。通常情況下，橫貫裂紋A為先開裂的，A稱為主裂紋。B裂紋擴(kuò)展受到A裂紋的阻止。這時(shí)裂紋源可能就在A裂紋的兩個(gè)端點(diǎn)上。圖1-16（b）表示一個(gè)裂紋形成之后，產(chǎn)生很多分支裂紋，通常分叉的方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向，其反方向即為主裂紋，裂紋源就在主裂紋始點(diǎn)上。圖1-16（c）為一圓環(huán)形構(gòu)件，在斷裂中形成三塊，將碎片合攏起來之后，發(fā)現(xiàn)A裂紋變形量最大，應(yīng)為主裂紋，其它B，C為次裂紋，裂紋源當(dāng)然在A裂紋上。圖l一16（d）表示在腐蝕環(huán)境下的斷口，時(shí)間越長，腐蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重，即氧化膜或腐蝕層增厚，所以斷口上氧化或腐蝕最嚴(yán)重的部位，就是主裂紋和疲勞源所在的部位。

在一般情況下，叮”型法和分叉法多用來判別脆性斷裂；變形法多用于判別塑性或韌性斷裂的主裂紋；氧化法用于判別環(huán)境斷裂的主裂紋.T棚耕判刖主裂紋的童圈B應(yīng)該指出，上述介紹的方法屬于一般的情況，不能包括所有的情況。在實(shí)際變形法判腳主裂紋的京推留機(jī)化瞞判別宅裂紋方淺的示原圈4*裂統(tǒng)塑性或韌性斷裂的主裂紋；氧化法用于判別環(huán)境斷裂的主裂紋.T棚耕判刖主裂紋的童圈B應(yīng)該指出，上述介紹的方法屬于一般的情況，不能包括所有的情況。在實(shí)際變形法判腳主裂紋的京推留機(jī)化瞞判別宅裂紋方淺的示原圈4*裂統(tǒng)％C,隊(duì)二吹裂膠.耳巍"K1-16劇懈主裂蚊幾種方法會(huì)星法判辨主裂故的示意困斷口試樣的清洗。在一般情況下，金屬斷口表面均受到程度不同的化學(xué)的、機(jī)械的損傷或污染.為了清晰顯露斷口形貌的真實(shí)情況，需要對(duì)斷口進(jìn)行清洗，除掉斷口表面上的灰塵、污垢物及腐蝕物。斷口清洗要盡量選擇比較和緩的方法，避免使用酸、堿等溶液。譬如，清洗斷口表面積垢和油脂等附著物的方法，有氣球吹洗法，毛刷刷洗法，化學(xué)劑清洗，超聲波清洗等。清洗鐵銹可用10%—20%的草酸或檸檬酸溶液；去油脂用乙醇、丙酮，若用超聲波強(qiáng)化清洗過程，可縮短清洗時(shí)間，加速除垢效果。斷口試樣的保存。清洗過后的斷口，應(yīng)用清水，再用酒精或丙酮漂洗，然后用熱風(fēng)吹干，才能放到干燥器中保存。由于斷口忠實(shí)地記錄了斷裂全過程，因此必須把斷口表面保存完好。在取樣運(yùn)輸、制備試樣等過程中，嚴(yán)防人為的機(jī)械擦傷。兩個(gè)匹配面不能咬合和碰撞，也不能用手去摸斷口表面。如果不能馬上進(jìn)行斷口分析和拍照，為防止表面生銹或腐蝕現(xiàn)象，可往斷口上涂抹保護(hù)材料。如防銹漆，環(huán)氧樹脂，醋酸纖維丙酮溶液等。要注意選擇的保護(hù)材料應(yīng)在去除時(shí)易于溶解而又能夠完全清除的品種。如果時(shí)間短也可浸于無水酒精溶液中，甚至用塑料袋把口扎好也可以。目前常用醋酸纖維素7%?8%(重量百分比)的丙酮溶液，使其均勻分布在斷口上，待干燥后，放到試驗(yàn)室保存。記錄。把斷口形貌完整的真實(shí)的記錄下來的最好方法是拍照，要能把斷口形貌清晰地拍照下來，照明角度非常重要，垂直照明效果不佳，通常采用斜照明，其角度應(yīng)小于45°角。低角度斜照明時(shí)，其陰影能把斷口的纖維區(qū)形貌特征襯托得更加清晰。如果使用自然光拍照時(shí)，則轉(zhuǎn)動(dòng)斷口，使它與最強(qiáng)的光照方向呈低角度交角，這時(shí)效果最好。2.3斷口微觀分析根據(jù)宏觀分析所做的判斷，選擇裂紋源附近區(qū)域以及其它各重要區(qū)域做光學(xué)或電子顯微鏡觀察。光學(xué)顯微鏡主要是用來觀察材料的顯微組織及裂紋的形態(tài)等。在觀察裂紋時(shí)，不僅要觀察和分析裂紋本身的形態(tài)特征、走向、性質(zhì)及裂紋始末端情況，而且還要觀察與分析裂紋周圍和基體的情況，夾雜物的分布、裂紋氧化物或腐蝕產(chǎn)物形態(tài)特征等容。當(dāng)對(duì)斷口進(jìn)行高倍觀察時(shí)，要用透射電鏡或掃描電鏡。2.4金相組織、化學(xué)成分、機(jī)械性能檢查根據(jù)斷口宏觀及微觀分析結(jié)果，進(jìn)一步用金相方法研究材料有否宏觀及微觀缺陷（夾雜、氣孔、微裂紋等），檢查破斷零件的裂紋分布及走向以及金相組織是否正常等?；瘜W(xué)分析主要是復(fù)驗(yàn)金屬的化學(xué)成分