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疲劳断裂失效分析
上节课内容回顾 第五章 静载荷作用下的断裂失效分析 5.1过载断裂失效 5.2 材料致脆断裂失效 5.2.1 回火脆性断裂失效 5.2.2 冷脆金属的低温脆断 5.2.3 第二相质点致脆断裂失效 5.3环境致脆断裂失效 5.3.1 应力腐蚀开裂 5.3.2 氢致脆断失效 5.3.3 低熔点金属的接触致脆断裂失效 5.3.4 高温长时致脆断裂(热脆)失效 5.3.5 蠕变断裂失效(高温高应力) 上节课内容回顾 上节课内容回顾 2 3、腐蚀疲劳断裂的断口特征 6.3 疲劳断裂失效类型与鉴别 2 3、腐蚀疲劳断裂的断口特征 6.3 疲劳断裂失效类型与鉴别 2 2、拉压疲劳断裂 6.2 疲劳断口形貌及其特征 高应力 低应力 光滑试件 中等缺口 尖锐缺口 光滑试件 中等缺口 尖锐缺口 2 3 扭转疲劳断裂 各类传动轴件的断裂主要是扭转疲劳断裂。扭转疲劳断裂的断口形貌,主要有三种类型。 6.2 疲劳断口形貌及其特征 (1)正向断裂 断裂表面与轴向成45?角,即沿最大正应力作用的平面发生的断裂。单向脉动扭转时为螺旋状;双向扭转时,其断裂面呈星状,应力集中较大的呈锯齿状。 2 6.2 疲劳断口形貌及其特征 锯齿状断口形成过程 2 6.2 疲劳断口形貌及其特征 锯齿状断口 2 3 扭转疲劳断裂 (2)切向断裂 断面与轴向垂直,即沿着最大切应力所在平面断裂,横断面齐平。 6.2 疲劳断口形貌及其特征 (3)混合断裂 横断面呈阶梯状,即沿着最大切应力所在平面起裂并在正应力作用下扩展引起的断裂。 正向断裂的宏观形貌一般为纤维状,不易出现疲劳弧线。切向断裂较易出现疲劳弧线。 2 4、振动疲劳断裂 许多机械设备及其零部件在工作时往往出现在其平衡位置附近作来回往复的运动现象,即机械振动。机械振动在许多情况下都是有害的。它除了产生噪音和有损于建筑物的动负荷外,还会显著降低设备的性能及工作寿命。由往复的机械运动引起的断裂称为振动疲劳断裂。 当外部的激振力的频率接近系统的固有频率时,系统将出现激烈的共振现象。共振疲劳断裂是机械设备振动疲劳断裂的主要形式,除此之外,尚有颤振疲劳及喘振疲劳。 振动疲劳断裂的断口形貌与高频率低应力疲劳断裂相似,具有高周疲劳断裂的所有基本特征。振动疲劳断裂的疲劳核心一般源于最大应力处,但引起断裂的原因,主要是结构设计不合理。因而应通过改变构件的形状、尺寸等调整设备的自振频率等措施予以避免。 6.2 疲劳断口形貌及其特征 2 6.2.3 疲劳断口的微观形貌特征 1、疲劳断裂的微观形貌特征 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显微镜下观察到的条状花样,通常称为疲劳条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。塑性疲劳辉纹是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相交且互相平行的条状花样 。脆性疲劳纹形态较复杂,大多呈羽毛状。 6.2 疲劳断口形貌及其特征 2 6.2 疲劳断口形貌及其特征 塑性疲劳纹(条纹状) 脆性疲劳纹(羽毛状) 2 6.2 疲劳断口形貌及其特征 (1)疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小,而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的推进量; 疲劳辉纹的形貌随金属材料的组织结构、晶粒位向及载荷性质的不同而发生多种变化,通常具有以下特征: (2)疲劳辉纹的形状多为向前凸出的弧形条痕。随着裂纹扩展速度的增加,线的曲率加大。裂纹扩展过程中,如果遇到大块第二相质点的阻碍,也可能出现反弧形或S形弧线疲劳辉纹; (3)疲劳辉纹的排列方向取决于各段疲劳裂纹的扩展方向。不同晶粒或同一晶粒双晶界的两侧,或同一晶粒不同区域的扩展方向不同,产生的疲劳辉纹的方向也不一样; 2 6.2 疲劳断口形貌及其特征 (4)面心立方结构材料比体心立方结构材料易于形成疲劳辉纹,平面应变状态比平面应力状态易形成疲劳辉纹,一般应力太小时观察不到疲劳辉纹; (5)并非在所有的疲劳断口上都能观察到疲劳辉纹,疲劳辉纹的产生与否取决于材料性质、载荷条件及环境因素等多方面的影响; (6)疲劳辉纹在常温下往往是穿晶的,而在高温下也可以出现沿晶的辉纹; (7)疲劳辉纹有延性和脆性两种类型。 2 延性疲劳辉纹是指金属材料疲劳裂纹扩展时,裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。疲劳条痕通常是连续的,并向一个方向弯曲成波浪形。 6.2 疲劳断口形貌及其特征 通常在疲劳辉纹间存在有滑移带,在电镜下可以观察到微孔花样。 高周疲劳断
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