第八章金属的疲劳要点解析.ppt

疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌 疲劳断裂 零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.如图示意。 疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断裂三个阶段组成。 光滑试件的疲劳极限σ-1 切口试件的疲劳极限σ-1n 疲劳强度缩减系数Kf Kf=σ-1/σ-1n 疲劳切口敏感度q q=(Kf -1)/(Kt -1) (8-8) q=0，Kf =1，疲劳极限不因切口存在而 降低，即对切口不敏感。 q =1，Kf = Kt，即表示对切口敏感。 疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。 除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。 这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。 在持久滑移带中出现疲劳裂纹。 已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。 在每一循环开始时，应力为零，裂纹处于闭合状态(见图8-17(a))。 当拉应力增大，裂纹张开，并在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移(见图8-17(b))。 拉应力增长到最大值、裂纹进一步张开，塑性变形也随之增大，使得裂纹尖端钝化(图8-17(c))，因而应力集中减小，裂纹停止扩展。 卸载时，拉应力减小，裂纹逐渐闭合，裂纹尖端滑移方向改变(图8-17(d))。 当应力变为压应力时裂纹闭合，裂纹尖端锐化，又回复到原先的状态(图8-17(e))。 I区为近门槛区，裂纹扩展速率随着△K的降低而迅速降低，以至da／dN→0。与此相对应△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△Kth。当△K≤△Kth 时，da／dN＝0。这是裂纹扩展门槛值的物理定义或理论定义。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为：da／dN＝1-3×10-10 m／cycle时的△K值。I区接近于△Kth ，故又将I区称为近门槛区。 II区为中部区或稳态扩展区，对应于da／dN＝10-8-10-6 m／cycle。在II区；裂纹扩展速率在logda/dN - log△K 双对数坐标上呈一直线。 III区为裂纹快速扩展区，da／dN ＞10-6 - 10-5 m／cycle, 并随着△K的增大而迅速升高。当Kmax＝△K／(1-R)=KIC 时，试件或零件断裂。 失效分析实例——锅炉给水泵轴的断裂分析 某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运行了1400多小时便先后发生断轴事故。泵轴的材质相当于我国的42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小直径为74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图为泵轴的断口照片。 疲劳断裂失效的分类  飞机轮毂疲劳断口 1) 有裂纹源、裂纹扩展 区和最后断裂区三个 部分。 裂纹源 裂纹扩展区 海滩条带 最后 断裂区 疲劳断口特征 2) 裂纹扩展区断面较光 滑，可见 “海滩条带”, 还有腐蚀痕迹。 高倍电镜可见疲劳条纹 (Cr12Ni2WMoV钢) 肉眼 透射电镜，1-3万倍 3) 裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。 飞机轮毂疲劳断口 裂纹源 4)与静载破坏相比，即 使是延性材料，也没有明显的塑性变形。 5) 实际工程中的表面裂纹，多呈半椭圆形。 延性材料静载破坏 疲劳破坏 裂纹源 疲劳微裂纹的形成可能有三种方式： ②在环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带, 称为循环滑移带。 ①表面滑移带开裂、夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂，以及晶界或亚晶界开裂。 ③拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。 8.6.1 疲劳裂纹形成过程和机制 循环滑移带的持久性 微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。 因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。 较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界面开裂而形成微裂纹。 第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。 第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o 的方向，即在切应力最大的滑移面内扩展。第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为2－3个晶粒。 第II阶段，裂纹扩展方向与拉应力垂直。在电子显微镜下可显示出疲劳条带。 疲劳带是每次循环加载形成的。 8.6.2 疲劳裂纹扩展过程和机制 疲劳裂纹扩可分为两个阶段。 疲劳条带的形成的钝化模型 疲劳条带的形成的钝化模型 疲劳条带的形成的钝化模型 由此可见，每加载一次，裂纹向前