热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征.docx

热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征 断裂失效分析(4) 钟培道 (北京航空材料研究院,北京100095) 5.3 疲劳断裂失效分析 疲劳断裂失效分析的内容包括:分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂与疲劳断裂的类别;引起疲劳断裂的载荷类型与大小以及疲劳断裂的起源等。疲劳断裂失效分析的目的则是找出引起疲劳断裂的确切原因,从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。 5.3.1 疲劳断裂的宏观分析 典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区,即疲劳源区、扩展区和瞬断区,见图12。 图12 疲劳断口的宏观特征 在一般情况下,通过宏观分析即可大致判明该断口是否属于疲劳断裂、断裂源区的位置、裂纹的扩展方向以及载荷的类型。 (1)疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别 宏观上所说的疲劳源区包括裂纹的萌生与第一阶段扩展区。疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处,由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最长,裂纹扩展速率较慢,经过反复张开与闭合的磨损,同时在不同高度起始的裂纹在扩展中相遇,汇合形成辐射状台阶或条纹。因此,疲劳源区一般具有如下宏观特征:氧化或腐蚀较重,颜色较深;断面平坦、光滑、细密,有些断口可见到闪光的小刻面;有向外辐射的放射台阶或放射状条纹;在源区虽看不到疲劳弧线,但有向外发射疲劳弧线的中心。 有时疲劳源区不只一个,在存在多个源区的情况下,需要找出疲劳断裂的主源区。 (2)疲劳断裂扩展区的宏观特征 该区断面较平坦,与主应力相垂直,颜色介于源区与瞬断区之间,疲劳断裂扩展阶段留在断口上最基本的宏观特征是疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样)见图13。 图13 疲劳弧线 (3)瞬时断裂区的宏观特征 疲劳裂纹扩展至临界尺寸(即零件剩余截面不足以承受外载时的尺寸)后发生失稳快速破断,称为瞬时断裂。断口上对应的区域简称瞬断区,其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口相近。 5.3.2 疲劳断口的微观分析 疲劳断裂的微观分析必须建立在宏观分析的基础上,它是宏观分析的继续和深化。对断口进行深入的微观分析,才能较准确地判明断裂失效的模式与机制。疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容: (1)疲劳源区的微观分析 首先要确定疲劳源区的具体位置是表面还是亚表面,对于多源疲劳还需判明主源与次源。其次要分析源区的微观形貌特征,包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹、腐蚀损伤及腐蚀产物、材质缺陷(包括晶界、夹杂物和第二相粒子)等。 疲劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数据,是分析的重点。 (2)疲劳扩展区的微观分析 由于第一阶段的范围较小,尤其要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、二次裂纹以及断裂小刻面的微观形貌。对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带,疲劳条带的性质及条带间距的变化规律等。搞清这些特征,对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载荷的性质与大小等将起重要作用。 (3)瞬断区微观特征分析 主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝。搞清韧窝的形貌特征有利于判断引起疲劳断裂的载荷类型。 与图12所示的源区、扩展区及瞬断区相对应的微观形貌见图14及图9a。图14a为源区微观形貌,由图看出,断裂起源于叶片盆面一侧的表面,有多个源点,源区有类解理断裂小面(类解理断裂小面系面心立方晶系材料疲劳断裂第一阶段内的独有断裂特征)。图9a为扩展区内的典型微观形貌,其上疲劳弧线(粗者)与疲劳条带(细者)清晰,断裂扩展方向明显。图14b为瞬断区内的典型微观形貌,其上可见大小不均的等轴韧窝,表明叶片的断裂是在拉应力作用下造成的。 5.3.3 引起疲劳断裂的载荷类型分析 各种类型的疲劳断裂失效均是在交变载荷作用下造成的,因此,在分析疲劳断裂失效时,首要的是要以断口的特征形貌来分析判断所受载荷的类型。 (1)反复弯曲载荷引起的疲劳断裂 构件承受弯曲载荷时,其应力在表面最大、中心最小。所以疲劳裂纹总是在表面形成,然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展。弯曲疲劳断口一般与其轴线成90°。 单向弯曲疲劳断口。在交变单向弯曲载荷作用下,疲劳在交变张应力最大的一边的表面起源。 双向弯曲疲劳断口。在交变双向弯曲载荷作用下,疲劳破坏源则从相对应的两边开始,几乎是同时向内扩展。 旋转弯曲疲劳断口。旋转弯曲疲劳的应力分布是外层大、中心小,故疲劳源区在两侧,这里的裂纹扩展速度较快,中心部位较慢,且其疲劳线比较扁平。由于在疲劳裂纹扩展的过程中,轴还在不断的旋转,疲劳裂纹的前沿向旋转的相反方向偏转。 因此,最后的破坏区也向旋转的相反方向偏转一个角度。 (2)拉2拉载荷引起的疲劳断裂 当材料承受拉2拉(拉2压)交变载荷时,其应力分布是轴的外表面远高于中心。由于应力分布均匀,使疲劳源区的位置变化较大。源区可以在零件的外表面,也可以在零件的内部,这主要取决于各种缺陷在零件中分布状态及环境因素等。 (3)扭转载荷引起的疲劳断裂 轴在交变扭转应力作用下,可能产生一种特殊的扭转疲劳断口,即锯齿状断口。在双向交变扭转应力作用下,在相应各个起点上发生的裂纹,分别沿着±45°两个侧斜方向扩展(交变张应力最大的方向),相邻裂纹相交后形成锯齿状断口;在单向交变扭转应力的作用下,在相应各个起点上发生的裂纹只沿45°倾斜方向扩展。当裂纹扩展到一定程度,最后连接部分破断而形成棘轮状断口。 对具有光滑和缺口截面的零件,在不同载荷作用下而产生的疲劳断裂,其断口宏观形貌特征见图15。图中的阴影部分为瞬断区,箭头所指为疲劳断裂扩展方向,弧线为疲劳扩断区。 5.3.4 低周疲劳断裂的判据 (1)宏观特征 低周疲劳宏观断口除具有上述疲劳断裂宏观断口的一般特征之外,还有如下特征: 具有多个疲劳源,且往往是线源。源区间的放射状棱线(疲劳一次台阶)多而且台阶的高度差大。 图15光滑和缺口圆截面的零件在不同载荷下的疲劳断口示意图 瞬断区的面积所占比例大,甚至远大于疲劳裂纹稳定扩展区的面积。 疲劳弧线间距加大,稳定扩展区的棱线(疲劳二次台阶)粗且短。 整个断口高低不平,随着断裂循环数(Nf)的降低,断口形貌愈来愈接近静拉伸断口。 (2)微观特征 由于宏观塑性变形较大,低周疲劳断裂微观断口会有静载断裂的某些特征。在一般情况下,当疲劳寿命Nf<90次时,断口上为细小的韧窝,没有疲劳条带出现;当Nf300次时,出现轮胎花样;当Nf>104时,才出现疲劳条带,此时的条带间距较宽,有时可达23m,其典型疲劳条带形貌见图16。 如果使用温度超过等强温度,断口形态除上述特征外,还会出现沿晶断裂特征。 5.3.5 腐蚀疲劳断裂分析 腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交变载荷交互作用下发生的一种失效模式。 (1)影响腐蚀疲劳断裂过程的相关因素有: 环境因素,包括环境介质的成分、浓度、介质的酸度(pH值)、介质中的氧含量、以及环境温度等。 力学因素,包括加载方式、平均应力、应力比、频率以及应力循环周数。 材质冶金因素,包括材料的成分、强度、热处理状态、组织结构和冶金缺陷等。 (2)机械疲劳、腐蚀疲劳和应力腐蚀的区别,这三者的关系见图17。当R=1,且频率(f)很低时易产生应力腐蚀;当R=0,f为中等程度时,易产生腐蚀疲劳;随着f的增高,腐蚀的作用愈来愈小,趋于纯机械疲劳。这种区分只是就疲劳裂纹的扩展阶段而言,并未考虑裂纹的萌生阶段。实际上,在腐蚀疲劳裂纹的萌生阶段,腐蚀起了极其重要的作用。 (3)腐蚀疲劳的断口特征 与一般疲劳断裂一样,腐蚀疲劳的断口上也有源区、扩展区和瞬断区,但在细节上,腐蚀疲劳断口有其独特的特征,主要表现在如下几方面: 断口低倍形貌呈现出较明显的疲劳弧线。 腐蚀疲劳断口的源区与疲劳扩展区一般均有腐蚀产物,通过微区成分分析,可以测定出腐蚀介质的组分及相对含量。 腐蚀疲劳断裂一般均起源于表面腐蚀损伤处(包括点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等),因此,在大多数腐蚀疲劳断裂的源区可见到腐蚀损伤特征。 腐蚀疲劳断裂扩展区具有某些较明显腐蚀特征,如腐蚀坑、泥纹花样等。 腐蚀疲劳断裂的重要微观特征是穿晶解理脆性疲劳条带,如图9b所示。 在腐蚀疲劳断裂过程中,当腐蚀损伤占主导地位时,腐蚀疲劳断口呈现穿晶与沿晶混合型,其典型形貌见图18,其上可见脆性疲劳条带,穿晶与沿晶以及腐蚀源等形貌特征。 当Kmax>KISCC,在频率很低的情况下,腐蚀疲劳断口呈现出穿晶解理与韧窝混合特征。 上述断裂特征并非在每一具体腐蚀疲劳断裂失效件上全部具备,对某一具体失效件究竟具备上述特征的哪几项,是随力学因素、环境因素和材质冶金因素而定的。 5.3.6 热疲劳断裂失效分析 零件在没有外加载荷的情况下,由于工作温度的反复变化而导致的开裂叫热疲劳。在热循环频率较低的情况下,热应力值有限,而且会逐渐消失,难以引起破坏。但当快速加热、冷却交变循环条件下所产生的交变热应力超过材料的热疲劳极限时,就会导致零件疲劳破坏。 (1)热疲劳的特征 在冷热交变循环中所产生的交变应力可能并不大,但在高温下,材料的强度降低,即使在较低的应力作用下,材料仍处于塑变状态,因此热疲劳属于应变疲劳。 影响热疲劳的主要因素是冷热循环的频率和上限温度的高低。频率提高,热应力来不及平衡,使零件的应力梯度增加,材料的热疲劳寿命降低;在同样的频率下,上限温度升高,材料塑变增加,降低了材料的热疲劳寿命;如果温度差的大小一定,上限温度降低,使得下限温度很低(零下),而成为连续地冷骤变,此时对材料所造成的损伤远小于热骤变。 影响热疲劳性能的其它因素有材料的热膨胀系数()、导热率(K)和材料抗交变应变的能力()。当然,材料的热膨胀系数小、导热率高、抗交变应变的能力强时,有利于提高材料的热疲劳性能。显然,热疲劳性能与材料的室温静强度及延性无关,因损伤是在高温下产生的。 (2)热疲劳断口的形貌特征 对于有表面应力集中零件,热疲劳裂纹易产生于应变集中处;而对于光滑表面零件,则易产生于温度高,温差大的部位。在这些部位首先产生多条微裂纹。热疲劳裂纹发展极不规则,呈跳跃式,忽宽忽窄,有时还会产生分枝和二次裂纹,裂纹多为沿晶开裂。 热疲劳断口与机械疲劳断口在宏观上有相似之处,也可以分为三个区域,即裂纹起始区、扩展区和瞬时断裂区。其微观形貌为韧窝和疲劳条带,见图19。 5.4 提高疲劳抗力的措施及疲劳断裂案例分析 5.4.1 提高疲劳抗力的措施 为防止疲劳断裂失效,须从优化设计、合理选材和提高零件表面抗疲劳性能等方面入手。 (1)优化设计 合理的结构设计和工艺设计是提高零件疲劳抗力的关键。机械构件不可避免地存在圆角、孔、键槽及螺纹等应力集中部位,在不影响机械构件使用性能的前提下,应尽量选择最佳结构,使截面圆滑过渡,避免或降低应力集中。结构设计确定之后,所采用的加工工艺是决定零件表面状态,流线分布和残余应力等的关键因素。 (2)合理选材 合理选材是决定零件具有优良疲劳抗力的重要因素,除尽量提高材料的冶金质量外,还应注意材料的强度、塑性和韧性的合理配合。 (3)零件表面强化工艺 为了提高零件的抗疲劳性能,发展了一系列的表面强化工艺,如表面感应热处理、化学处理、喷丸强化和滚压强化工艺等。实践表明,这些工艺对提高零件的抗疲劳性能效果非常明显。 (4)减少变形约束 对承受热疲劳的零件,应减少变形约束,减少零件的温度梯度,尽量选用热膨胀系数相近的材料等,提高零件的热疲劳抗力。 5.4.2 疲劳断裂失效案例分析 (1)某汽车用悬架弹簧在使用中发生断裂失效。该弹簧外径<100mm,内径<60mm,呈圆螺形状,是用<11.5mm的55CrSi钢丝制成。弹簧生产工艺流程为:卷簧回火喷丸立定处理涂塑。 (2)断口特征 图20为钢丝断口宏观形貌,有两个高差很大的断面,呈台阶状。断面A平坦细密,为疲劳断裂区;断口B倾斜粗糙,为瞬断区。疲劳断裂起始钢丝表面的机械损伤处,见图中箭头所示。机械损伤呈线状特状,靠近源区的断面平坦细密,有疲劳断裂特征,见图21。 以上断裂特征表明,该弹簧为剪断型扭转疲劳断裂。 (3)断裂分析 对于承受拉伸或压缩载荷的圆柱螺旋弹簧,在轴向载荷作用下,在弹簧钢丝的任意横截面内,存在两种剪应力剪切剪应力和扭转剪应力。两者相加,在弹簧的外圆为高应力区,而在弹簧内圈的钢丝表面上的剪应力最大,断裂往往从内圈钢丝表面上开始。如果处于内圈的钢丝表面上存在缺陷,则会加速疲劳裂纹的萌生。由此可以得出:该弹簧提前疲劳断裂失效的主要原因是内圈钢丝表面上存在的机械损伤。这种机械损伤有可能产生于钢丝生产过程中,也有可能产生于弹簧生产过程中。 (4)结论 该弹簧的失效模式为剪断型扭转疲劳断裂,其原因是钢丝表面存在横向机械损伤。