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疲劳断裂断口特征及断口组成分析

[ 发布日期:2018-01-19 点击:454 来源:中国船舶重工集团公司第725研究所检测服务平台 【打印此文】 【关闭窗口】]
      观察所有的金属材料疲劳断裂的断口,几乎都可以看到其由3个部分组成,即疲劳源、裂纹扩展的前沿区(辉纹区)、断裂区。
      疲劳断裂断口组成
      (1)疲劳源:由于材料质量缺陷、加工缺陷等原因,使得零件局部地区应力集中,这些区域即为疲劳裂纹产生之处,成为疲劳源。零件表面的裂纹源多是表面上有油孔、过渡圆角、台阶、粗大刀痕等应力集中处在交变应力作用下形成的微裂纹;零件近表面材料内部由于冶炼和冷、热加工的缺陷、晶体滑移和晶界缺陷等在交变应力作用下产生的微型纹。 
      (2)裂纹扩展区:裂纹产生之后,随着应力循环周期增加,裂纹逐渐扩展成贝壳状或光滑状条纹,即为疲劳辉纹。由于载荷的间断和改变,裂纹时而扩展,时而停滞。零件裂开处的两个面时而闭合,时而分开,以致在两个断面上形成"贝纹状"弧线。这种弧线就叫疲劳裂纹前沿线,其大小与工作应力有关,工作应力小,裂纹寿命长,断口大。
      (3)断裂区域:或称脆断区,由于疲劳裂纹的扩展,使得零件的有效断面越来越小,应力逐步增加,当最终超过材料强度极限时,零件瞬间突然断裂,断口晶粒较粗大,与发暗的裂纹扩展区明显不同。脆性材料呈结晶状断口;塑性材料呈纤维状,断口呈灰色。
      疲劳断裂断口分析
      疲劳断口上的三个区域的状况与零件工作时的载荷、应力状态、零件材料性能及加工情况等有关。根据断口形貌可以定性分析零件所受载荷、材料性能和寿命等,有助于分析零件疲劳断裂产生的原因:
      (1)疲劳源大多分布于零件表面,一般有1-2个。
      (2)疲劳裂纹扩展呈贝纹状时,贝纹细密、间距小,表示材料抗疲劳性能好,疲劳强度高。贝纹稀疏、间距大。表示材料疲劳强度低。
      (3)断裂区所占面积很大,甚至超过断面的一半以上,说明零件严重过载;若所占面积较小或小于断面一半时,说明零件无过载或过载很小。
      在相同条件下,高应力状态零件的断裂区的面积大于低应力状态零件的断裂区的面积;承受单向弯曲的零件仅有l个疲劳源,承受双向弯曲的零件有2个疲劳源;承受单向弯曲的零件与承受扭转弯曲的零件的断裂区的形状不同,后者的疲劳源与断裂区的相对位置发生偏转,并由于零件上缺口应力集中的影响较大,使断裂面积很小且与零件断面呈同心状。