




版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶(hù)提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡(jiǎn)介
1、金屬斷裂機(jī)理1金屬的斷裂綜述斷裂類(lèi)型根據(jù)斷裂的分類(lèi)方法不同而有很多種,它們是依據(jù)一些各不相同的特征來(lái)分類(lèi)的。根據(jù)金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的宏觀塑性變形的大小可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂。韌性斷裂的特征是斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑性變形,脆性斷裂在斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形,是一種突然發(fā)生的斷裂,沒(méi)有明顯征兆,因而危害性很大。通常,脆斷前也產(chǎn)生微M塑性變形,一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5旭脆性斷裂;大于5%為韌性斷裂。可見(jiàn),金屬材料的韌性與脆性是依據(jù)一定條件下的塑性變形M來(lái)規(guī)定的,隨著條件的改變,材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。多晶體金屬斷裂時(shí),裂紋擴(kuò)展的路徑可能是不同的。沿品斷裂一般為脆性
2、斷裂,而穿品斷裂既可為脆性斷裂(低溫下的穿品斷裂),也可以是韌性斷裂(如室溫下的穿品斷裂)。沿品斷裂是品界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物,破壞了品界的連續(xù)性所造成的,也可能是雜質(zhì)元素向品界偏聚引起的。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋都是沿品斷裂。有時(shí)沿品斷裂和穿品斷裂可以混合發(fā)生。按斷裂機(jī)制又可分為解理斷裂與剪切斷裂兩類(lèi)。解理斷裂是金屬材料在一定條件下(如體心立方金屬、密排六方金屬、合金處于低溫或沖擊載荷作用),當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后,以極快速率沿一定晶體學(xué)平面的穿品斷裂。解理面一般是低指數(shù)或表面能最低的品面。對(duì)于面心立方金屬來(lái)說(shuō)(比如鋁),在一般情況下不發(fā)生解理斷裂
3、,但面心立方金屬在非常苛刻的環(huán)境條件下也可能產(chǎn)生解理破壞。通常,解理斷裂總是脆性斷裂,但脆性斷裂不一定是解理斷裂,兩者不是同義詞,它們不是一回事。剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下,沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂,它又分為滑斷(又稱(chēng)切離或純剪切斷裂)和微孔聚集型斷裂。純金屬尤其是單品體金屬常發(fā)生滑斷斷裂;鋼鐵等工程材料多發(fā)生微孔聚集型斷裂,如低碳鋼拉伸所致的斷裂即為這種斷裂,是一種典型的韌性斷裂。根據(jù)斷裂面取向又可將斷裂分為正斷型或切斷型兩類(lèi)。若斷裂面取向垂宜于最大正應(yīng)力,即為正斷型斷裂;斷裂面取向與最大切應(yīng)力方向相一致而與最大正應(yīng)力方向約成45。角,為切斷型斷裂。前者如解理斷裂或塑性變形受
4、較大約束下的斷裂,后者如塑性變形不受約束或約束較小情況下的斷裂。按受力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)不同,又可將斷裂分為靜載斷裂(如拉伸斷裂、扭轉(zhuǎn)斷裂、剪切斷裂等)、沖擊斷裂、疲勞斷裂;根據(jù)環(huán)境不同又分為低溫冷脆斷裂、高溫蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂;而磨損和接觸疲勞則為一種不完全斷裂。常用的斷裂分類(lèi)方法及其特征見(jiàn)下表分類(lèi)方法名稱(chēng)特征根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類(lèi)脆性斷裂斷裂前沒(méi)有明顯的塑性變形,斷口形貌是光亮的結(jié)晶狀韌性斷裂斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形,斷口形貌是暗灰色纖維狀根據(jù)斷裂面的取向分類(lèi)正斷斷裂的宏觀表面垂直于(Tmax方向切斷斷裂的宏觀表面平行于tmax方向根據(jù)裂紋擴(kuò)展途徑分類(lèi)穿晶斷裂裂紋穿過(guò)晶粒內(nèi)部沿晶
5、斷裂裂紋沿晶界擴(kuò)展根據(jù)斷裂機(jī)理分類(lèi)解理斷裂無(wú)明顯塑性變形沿解埋面分離,穿晶斷裂微孔聚集型斷裂沿晶界微孔聚合,沿晶斷裂在晶內(nèi)微孔聚合,穿晶斷裂純剪切斷裂沿滑移面分離剪切斷裂(單晶體)通過(guò)縮頸導(dǎo)致最終斷裂(多晶體、高純金屬)2微孔聚合斷裂機(jī)制2.1 相關(guān)概念定義:微孔聚合型斷裂過(guò)程是在外力作用下,在夾雜物、第二相粒子與基體的界面處,或在品界、攣品帶、相界、大M位錯(cuò)塞積處形成微裂紋,因相鄰微裂紋的聚合產(chǎn)生可見(jiàn)微孔洞,以后孔洞長(zhǎng)大、增殖,最后連接形成斷裂。微孔萌生的時(shí)間:若材料中第二相與基體結(jié)合強(qiáng)度低,在頸縮之前;反之,在頸縮之后。微孔萌生成為控制馬氏體時(shí)效鋼斷裂過(guò)程的主要環(huán)節(jié)。微孔聚合型斷裂形成的韌
6、窩有三種:1 )拉伸型等軸狀韌窩;2 )剪切型伸長(zhǎng)韌窩;3 )拉伸撕裂型伸長(zhǎng)韌窩。韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)M、分布以及基體的塑性變形能力,如第二相較少、分布均勻且基體塑性變形能力又強(qiáng),那么韌窩大而深;若基體的加工硬化能力很強(qiáng),韌窩大而淺。152.2 斷口形貌特征616 lOPn 折裂面的形 兼有微孔聚合斷裂和解理斷裂A 種(15 mA cmyB(30mAcm-2)種變體鋼斷裂面形貌一兼有韌窩和二次裂紋以上圖片是對(duì)“800C-Mn-Si超強(qiáng)度鋼(TRIP800steels)”的A、B兩種變體鋼試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的斷口形貌,括號(hào)中標(biāo)注的是實(shí)驗(yàn)具體使用的電流密度值。本實(shí)驗(yàn)研究氫含M對(duì)TRIP8
7、00steels性質(zhì)和斷口形貌的影響,上面圖2-1說(shuō)明氫含M高使得斷口表現(xiàn)出了較多較淺的韌窩,韌窩淺因?yàn)闅浯嘈?yīng)降低了材料的塑性變形能力。另外,圖2-2是在加入了氫吸收促進(jìn)劑之后的斷裂形貌,除了有韌窩出現(xiàn),還有了二次斷裂,并且產(chǎn)生于夾雜物(即氫吸收促進(jìn)劑)旁邊。2.3 微孔聚合斷裂機(jī)制微孔聚集斷裂為剪切斷裂的一種形式,微孔聚集斷裂是材料韌性斷裂的普遍形式,具斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀,微斷口特征花樣則是端口上分布大i“韌窩”,微孔聚集斷裂過(guò)程包括微孔形宜至斷裂。微孔聚合斷裂過(guò)程由于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式的不同,微孔聚合型斷裂所形成的韌窩有三種類(lèi)型:(1)拉伸型的等軸狀韌窩。裂紋擴(kuò)展方向垂宜于
8、最大主應(yīng)力(7max,Cmax是均勻分布于斷裂平面上,拉伸時(shí)呈頸縮的試樣中心部分就顯示這種韌窩狀。(2)剪切型的伸長(zhǎng)韌窩。在拉伸試樣的邊緣,兩側(cè)均由剪應(yīng)力切斷,顯示這種韌窩形狀,韌窩很大如卵形,其上下斷面所顯示的韌窩,其方向是相反的。(3)拉伸撕裂的伸長(zhǎng)韌窩。產(chǎn)生這種韌窩的加載方式有些和等軸狀韌窩類(lèi)似,但是等軸狀韌窩可以認(rèn)為是在試樣中心加拉伸載荷的,而拉伸型韌窩是在試樣邊緣加載的,因而7max不是沿截面均勻分布的,在邊緣部分應(yīng)力很大,裂紋是由表面逐漸向內(nèi)部延伸的,好像我們把粘著的兩張紙,從一端把它們逐漸撕開(kāi)一樣故稱(chēng)拉伸撕裂型。表面有缺口的試樣或者裂紋試樣,其斷口常顯示這種類(lèi)型。這種類(lèi)型的韌窩,
9、韌窩小而淺,裂紋擴(kuò)展快,故在宏觀上常為脆斷,所以不要把微孔聚合型的微觀機(jī)制都?xì)w之為韌斷,這也是宏觀和微觀不能完全統(tǒng)一之處。SPA-H集裝箱板斷口形貌700x上圖為拉伸斷口形貌,斷裂全部為韌性斷裂,斷口呈韌窩狀,夾雜物少2.4 斷口形貌分析圖4與圖5分別給出了復(fù)合材料室溫和高溫拉伸后試樣的斷口形貌??梢钥闯?,室溫條件下,TMC1為韌性斷裂,其斷口有許多較淺的韌窩,而TMC媯典型脆性斷裂,其斷口存在河流花樣以及脆性解離面。與等軸組織較淺的韌窩相比,織對(duì)源自TMC1的層片狀組織的增強(qiáng)體附件韌窩相對(duì)較深且較細(xì)小,這主要是因?yàn)閷悠M增強(qiáng)體斷裂的裂紋具有很好的阻礙作用。同樣,從斷口來(lái)看,層片組織的TMC章
10、等軸組織的延性要略好,這些結(jié)果與力學(xué)性能是一致的。高溫條件下,兩種熱處理下的TMCSFB表現(xiàn)出明顯的延性斷裂特征,并且溫度越高韌窩越深。而由于層片組織不利于協(xié)調(diào)變形,因而塑性韌窩不易聚集長(zhǎng)大,故表現(xiàn)出的相對(duì)細(xì)小的韌窩。E H%不同組織的復(fù)合材料室溫拉伸的掃描電鏡斷口形貌不同組織的復(fù)合材料高溫拉伸的掃描電鏡斷口形貌3解理斷裂3.1 形貌特征解理斷裂的端口形貌是河流狀花樣。解理臺(tái)階、河流花樣以及舌狀花樣都是解理斷裂的基本微觀特征。3.2 形成原理解理斷裂是在正應(yīng)力作用產(chǎn)生的一種穿品斷裂,一斷裂面沿一定的品面發(fā)生的,這個(gè)平面叫做解理面。解理臺(tái)階是沿兩個(gè)高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的
11、。形成過(guò)程有兩種方式:通過(guò)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相交形成;通過(guò)二次解理或撕裂形成。第一種,當(dāng)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相遇時(shí),便形成一個(gè)臺(tái)階,裂紋繼續(xù)向前擴(kuò)展,與許多螺型位錯(cuò)相交便形成眾多臺(tái)階,他們沿裂紋前端滑動(dòng)而相互交匯,同號(hào)臺(tái)階相互匯合長(zhǎng)大,異號(hào)臺(tái)階相互抵消,當(dāng)匯合臺(tái)階足夠大的時(shí)候便在電鏡下觀察為河流狀花樣。第二種,二次解理是指在解理裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)互相平行解理面間距較小時(shí)產(chǎn)生的,但若解理裂紋的上下兩個(gè)面間距遠(yuǎn)大于一個(gè)原子間距時(shí),兩解理裂紋之間的金屬會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形,結(jié)果由于塑性撕裂而形成臺(tái)階,稱(chēng)為撕裂棱品界。舌狀花樣是由于解理裂紋沿?cái)伷方鐢U(kuò)散留下的舌頭狀凹坑或凸臺(tái),故在匹配斷口上“舌頭”為黑白對(duì)應(yīng)
12、的。3.3 解理斷口形貌特征331河流花樣(riverpattern)解理斷口電子圖像的主要特征是“河流花樣”,河流花樣中的每條支流都對(duì)應(yīng)著個(gè)不同高度的相互平行的解理面之間的臺(tái)階。解理裂紋擴(kuò)展過(guò)程中,眾多的臺(tái)階相互匯合,便形成了河流花樣。在河流的“上游”,許多較小的臺(tái)階匯合成較大的臺(tái)階,到“下游”,較大的臺(tái)階又匯合成更大的臺(tái)階。河流的流向恰好與裂紋擴(kuò)展方向一致。所以人們可以根據(jù)河流花樣的流向,判斷解理裂紋在微觀區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)展方向。3.3.2 舌狀裂面解理裂紋與攣品(見(jiàn)攣生)相遇時(shí)可沿?cái)伷访嫘纬删植苛鸭y,它發(fā)展到一定程度后與解理面上的裂紋相連通,形成像躺在解理面上的舌狀裂面。這種裂面在低溫高速加載
13、的條件下最易發(fā)生。3.3.3 解理扇臺(tái)階狀解理裂紋不能宜接通過(guò)品界擴(kuò)展到相鄰晶粒中去,只能在品界附近相鄰晶粒內(nèi)莫些區(qū)域形成一些新裂縫,它們?cè)趥鞑ミ^(guò)程中匯集成河流狀花樣并形成扇面形向四周擴(kuò)展。“河流”上游即解理扇,扇柄處是裂紋源,扇面下游即裂紋擴(kuò)展方向3.4 準(zhǔn)解理準(zhǔn)解理斷裂介于解理斷裂和韌窩斷裂之間,它是兩種機(jī)制的混合。準(zhǔn)解理與解理的共同點(diǎn):都是穿品斷裂;有小解理面;有臺(tái)階或撕裂棱及河流狀花樣。不同點(diǎn):準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面;真正解理裂紋常源于品界,而準(zhǔn)解理裂紋則常源于品內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn),形成從品內(nèi)莫點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。它是另一種型式的準(zhǔn)解理斷裂,其斷裂面上顯現(xiàn)有較大的塑性變形,特征是斷口上
14、存在由于幾個(gè)地方的小裂紋分別擴(kuò)展相遇發(fā)生塑性撕裂而形成的撕裂嶺。準(zhǔn)解理斷裂面不是一個(gè)嚴(yán)格準(zhǔn)確的解理面,有人認(rèn)為準(zhǔn)解理斷裂是解理和微孔聚合的混合機(jī)制,它常見(jiàn)于淬火回火鋼中。4沿晶斷裂4.1概念沿品斷裂是指裂紋在品界上形成并沿品界擴(kuò)展的斷裂形式。金屬材料中的裂紋沿品界擴(kuò)展而產(chǎn)生斷裂。當(dāng)沿品斷裂斷口形貌呈粒狀時(shí)又稱(chēng)品間顆粒斷裂Q多數(shù)情況下沿品斷裂屬于脆性斷裂,但也可能出現(xiàn)韌性斷裂,如高溫蠕變斷裂。在多品體變形中,品界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形的作用。但當(dāng)品界受到損傷,具變形能力被削弱,不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時(shí),便形成品界開(kāi)裂裂紋擴(kuò)展總是沿阻力最小的路徑發(fā)展,遂表現(xiàn)為沿品斷裂。鋁的沿晶斷裂4.2形成原因產(chǎn)生
15、沿品斷裂一般有如下原因: 質(zhì)和合金元素在品界偏析,致使品界弱化; 的沿品腐蝕;(5)品界有彌散相析出。(1)品界上存在有脆性沉淀相;(2)雜(3)熱應(yīng)力作用;(4)環(huán)境引起4.2.1 晶界上有脆性沉淀相如果脆性相在品界面上覆蓋得不連續(xù),例如AIN粒子在鋼的品界面上的分布,將產(chǎn)生微孔聚合型沿品斷裂;如果品界上的脆性沉淀相是連續(xù)分布的,例如奧氏體NiCr鋼中形成的連續(xù)碳化物網(wǎng)狀,則將產(chǎn)生脆性薄層分裂型斷裂。4.2.2 晶界有使其弱化的夾雜物如鋼中品界上存在P、S、As、Sb、Sn等元素。有害元素沿品界富集,降低了品界處表面能,使脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫推移,明顯提高了材料對(duì)溫度和加載速率的敏感性,在低溫
16、或動(dòng)載條件下發(fā)生沿品脆斷。Ni原本是穿晶斷裂,加入 S元素后就變?yōu)檠鼐嗔?23熱應(yīng)力作用材料在熱加工過(guò)程中,因加熱溫度過(guò)高,造成品界熔化,嚴(yán)重減弱了品界結(jié)合力和品界處的強(qiáng)度,在受載時(shí),產(chǎn)生早期的低應(yīng)力沿品斷裂。環(huán)境因素與品界相互作用造成的品界弱化或脆化,例如高溫蠕變條 件下的品界由于淬火工藝不當(dāng),產(chǎn)生淬火裂紋,使彈簧在使用時(shí)發(fā)生斷裂。斷口經(jīng) 掃描電鏡觀察,裂源區(qū)為具有沿品斷裂特征的淬火裂紋。彈簧在工作時(shí),淬 火裂紋的尖端成為應(yīng)力集中區(qū),疲勞裂紋起始于淬火裂紋的尖端。圖中具有冰糖狀特征區(qū)為淬火裂紋區(qū),其余區(qū)域?yàn)槠趨^(qū)。424環(huán)境作用WithS Iii弱化,應(yīng)力腐蝕條件下品界易于優(yōu)先腐蝕等,均促
17、使沿品斷 裂產(chǎn)生。A7075-(a)和A7050-(b)的穿晶斷裂4.2.5晶界上有彌散相析出如奧氏體高鎰鋼固溶處理后,再加熱時(shí)沿品界析出非常細(xì)小的碳化物,從而改變了品界層材料的性質(zhì),這也屬于品界受損傷的情況,雖尚有一定的塑性變形能力,但一經(jīng)變形后,沿品界形成微孔型開(kāi)裂。4.3 斷裂過(guò)程沿品斷裂的過(guò)程包括裂紋的形成與擴(kuò)展。品界受損的材料受力變形時(shí),品內(nèi)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)受阻于品界,在品界處造成應(yīng)力集中,當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到品界強(qiáng)度時(shí),便將品界擠裂。這個(gè)集中應(yīng)力與位錯(cuò)塞積群中的位錯(cuò)數(shù)目和滑移帶長(zhǎng)度有關(guān),因此沿品斷裂強(qiáng)度與晶粒尺寸符合Hall-Petch關(guān)系。4.4 斷口宏觀形貌沿品脆性斷裂斷口宏觀形貌一般有兩
18、類(lèi):(1)晶粒特別粗大時(shí)形成石塊或冰糖狀斷口;(2)晶粒較細(xì)時(shí)形成結(jié)晶狀斷口。沿品斷裂的結(jié)晶狀斷口比解理斷裂的結(jié)晶狀斷口反光能力稍差,顏色黯淡。4.5 預(yù)防方法預(yù)防沿品斷裂的方法:將金屬進(jìn)行提純、凈化品界、防止雜質(zhì)原子在品界偏聚或脫溶(見(jiàn)固溶處理)、防止第二相在品界上析出、改善環(huán)境因素等,均可減少金屬發(fā)生沿品脆性斷裂的傾向。5金屬疲勞性斷裂5.1 疲勞原理金屬疲勞過(guò)程的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)決定了金屬材料的組織和性能的變化規(guī)律。在靜載單向拉升的變形條件下,金屬在宏觀上呈現(xiàn)均勻變形,滑移線(xiàn)沿金屬試樣表面均勻分布,只有在較大變形M時(shí),變形才集中于試樣莫一局部區(qū)域。在交變荷載作用下,當(dāng)應(yīng)力超過(guò)該材料的疲
19、勞極限(小于屈服點(diǎn))時(shí),應(yīng)力循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后,通過(guò)金相顯微鏡和X-射線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)觀察,可以發(fā)現(xiàn)在試樣表面上應(yīng)力水平較高的區(qū)域或較軟的部位,產(chǎn)生了集中滑移,形成了式樣的不均勻塑性形變。這種不均勻的塑性變形形成了通常所說(shuō)的表面擠出峰和擠入槽。擠出峰和擠入槽是金屬弱化部位滑移層見(jiàn)無(wú)規(guī)則滑移構(gòu)成的滑移帶。擠入槽構(gòu)成了試樣的表面裂紋。所以擠出峰和擠入槽是金屬疲勞過(guò)程導(dǎo)致?lián)p傷的滑移條紋,而且也是疲勞過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)變化的典型特征。5.1 金屬的疲勞斷裂金屬的疲勞斷裂過(guò)程可以分為疲勞裂紋的形成、疲勞裂紋的擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。金屬疲勞破壞的起源常在于它的自由表面或它內(nèi)部的缺陷處,例如表面刀痕或夾雜物等,這種區(qū)
20、域的應(yīng)力較高,常引起不均勻的塑性變形,進(jìn)而形成微裂紋,這就是疲勞破壞的第一個(gè)階段。接著,在循環(huán)應(yīng)力的作用下,微裂紋緩慢斷續(xù)地?cái)U(kuò)展,這是疲勞破壞的第二個(gè)階段。最后,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí),留下的連續(xù)截面已不勝所加的載荷,就出現(xiàn)突發(fā)性斷裂。起源于金屬自由表面的疲勞破壞比源于金屬內(nèi)部缺陷的可能性大。因此,除了合理的設(shè)計(jì)能減少表面應(yīng)力集中點(diǎn),也能有效防止或延遲裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。5.2 疲勞裂紋的形成疲勞裂紋最容易在應(yīng)力最高、強(qiáng)度最弱的部位,以及存在應(yīng)力集中的地方形成。例如鍵槽、刀痕、變斷面處和油孔等。形成疲勞裂紋的方式有:滑移帶開(kāi)裂、夾雜物和基體界面開(kāi)裂和孿晶、晶界開(kāi)裂。5.2.1 滑移帶開(kāi)裂在交變載
21、荷作用下,金屬表面將產(chǎn)生滑移線(xiàn),隨著循環(huán)次數(shù)增加,滑移線(xiàn)逐漸變粗而形成滑移帶的獨(dú)特結(jié)構(gòu)與靜載荷條件下的不同,它的分布極不均勻,隨著塑性應(yīng)變的增大,滑移帶數(shù)目不是在所有的晶面上平均增加,只是其中個(gè)別滑移帶逐漸變寬而成為粗大的滑移帶,在金相顯微鏡下,可以明顯看到這些滑移帶。由滑移引起的疲勞裂紋,可以認(rèn)為是駐留滑移帶上的擠入和擠出現(xiàn)象的結(jié)果。在交變荷載的繼續(xù)作用下,擠入部分向滑移帶縱深擴(kuò)展,從而形成最初的疲勞裂紋,然后裂紋沿滑移帶方向擴(kuò)展,并穿過(guò)晶粒,直至轉(zhuǎn)化成宏觀裂紋。31由滑移引起的疲勞斷裂一一擠入、擠出示意圖522夾雜物和基體晶面開(kāi)裂機(jī)械工程使用的金屬材料中,都存在非金屬雜物。另一方面,為了提
22、高材料強(qiáng)度的目的,又常引入第二相。這樣的非金屬夾雜物或第二相,將與基體形成界面。在交變應(yīng)力作用下,夾雜物和第二相微粒在界面處與基體分離。止匕外,夾雜物和第二相質(zhì)點(diǎn)本身在交錯(cuò)應(yīng)力下也可能發(fā)生斷裂。這兩種情況都能導(dǎo)致疲勞斷裂。右邊脫開(kāi)成鎮(zhèn)b成根微裂紋夾雜物與基體界面開(kāi)裂過(guò)程示意圖夾雜物造成斷裂實(shí)物圖523晶界開(kāi)裂多品金屬的品界常數(shù)是疲勞裂紋成核的區(qū)域。在低應(yīng)力循環(huán)荷載下,裂紋很容易在品界上形成。當(dāng)滑移帶到達(dá)品界時(shí)受阻,在交變荷載繼續(xù)作用下,滑移帶在品界上引起的應(yīng)變將不斷增加,從而在品界前造成位錯(cuò)塞積。當(dāng)這種位錯(cuò)塞積形成的應(yīng)力增大到斷裂強(qiáng)度時(shí),品界即開(kāi)裂而形成微裂紋。金屬的晶粒越粗,品界上的應(yīng)變M越
23、大,位錯(cuò)塞積也大,應(yīng)力集中增高,易于形成裂紋。晶界開(kāi)裂機(jī)理示意圖5.3疲勞裂紋的擴(kuò)展紋萌生時(shí)開(kāi)始,經(jīng)過(guò)一定條件下的不斷擴(kuò)展,宜到發(fā)生瞬時(shí)斷裂為止的整個(gè) 一共可以分成微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。過(guò)程,第I階段:微觀裂紋擴(kuò)展。疲勞裂紋形成后,能沿著與拉應(yīng)力成45°角的最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展。不過(guò)這一階段的擴(kuò)展速度很低,深度很淺,只有當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后,才轉(zhuǎn)入第II階段。第II階段:宏觀裂紋擴(kuò)展。在這一階段中,裂紋將向垂宜于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展,它的擴(kuò)展速度和深度都大于第I階段。第III階段:瞬時(shí)斷裂。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展,殘留的截面積不斷縮小,應(yīng)力則不斷增大。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的
24、靜強(qiáng)度指標(biāo),即強(qiáng)度極限時(shí),最終發(fā)生瞬時(shí)斷裂。疲勞斷裂的宏觀斷口具有脆性特性,無(wú)明顯的塑性變形。疲勞擴(kuò)展過(guò)程示意圖5.4金屬疲勞斷裂宏觀斷口疲勞斷裂宏觀疲勞斷口可以分為三個(gè)區(qū),即源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)。源區(qū)一般位于試樣表面,尤其是存在應(yīng)力集中的部位,一般比較光亮。疲勞擴(kuò)展區(qū)緊靠源區(qū),也很光亮、平滑,而且可看到呈貝紋線(xiàn)或海灘花樣,即存在一些類(lèi)似同心圓的弧線(xiàn)包圍源區(qū),它是應(yīng)力發(fā)生突變和材料組織變化使裂紋改變方向時(shí)留下的裂紋前沿線(xiàn)痕跡。最后是瞬時(shí)斷裂區(qū),它是由于疲勞裂紋擴(kuò)展至臨界長(zhǎng)度后,剩余截面上的真實(shí)應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度而發(fā)生的靜載斷裂,它的斷口特征和存在嚴(yán)重應(yīng)力集中的低應(yīng)力脆性斷口相似,多出現(xiàn)放
25、射花樣。躡后斷裂區(qū)前沿線(xiàn)【戒勞裂紋疲勞破壞過(guò)程和斷口形狀,與零件的工作載荷類(lèi)型、應(yīng)力大小和應(yīng)力集中條件等有很大關(guān)系5678不同工作載荷對(duì)斷口的影響6?低應(yīng)力和低應(yīng)力集中系數(shù)下的旋8.抵應(yīng)力下的位一壓1.高應(yīng)力下的反復(fù)彎曲;2.低應(yīng)力下的反復(fù)彎曲;3.高應(yīng)力下的旋轉(zhuǎn)彎曲;4?低應(yīng)力下的旋轉(zhuǎn)彎曲;5.高應(yīng)力和低應(yīng)力集中系數(shù)下的旋轉(zhuǎn)彎曲;轉(zhuǎn)彎曲;7.高應(yīng)力和高應(yīng)力集中系數(shù)下的旋轉(zhuǎn)彎曲;6防止金屬脆性斷裂失效的途徑6.1 材料的設(shè)計(jì)與制造防止脆性斷裂應(yīng)控制下列因素來(lái)進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即材料的斷裂韌性水平、構(gòu)件的工作溫度和應(yīng)力狀態(tài)、載荷類(lèi)型及環(huán)境因素等。溫度是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之一,設(shè)計(jì)者必須考慮使
26、構(gòu)件的工作溫度高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度(Tc)。若所設(shè)計(jì)的構(gòu)彳工作溫度低于Tc時(shí),則必須降低設(shè)計(jì)應(yīng)力水平,使應(yīng)力低于不會(huì)發(fā)生裂紋的擴(kuò)展。若其設(shè)計(jì)應(yīng)力不能降低,則應(yīng)更換材料,選擇韌性更高,Tc更低的材料。在選擇材料時(shí),應(yīng)保證材料具有良好的強(qiáng)韌性,良好的工藝性能。從減少構(gòu)件脆性斷裂上,在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)使缺陷所產(chǎn)生的應(yīng)力集中減少到最低限度,如減少尖角及結(jié)構(gòu)尺寸的不連續(xù)性,合理布置焊縫的位置。冶金生產(chǎn)方面要減少鋼中的夾雜物、氣孔及鋼材的表面缺陷。結(jié)構(gòu)加工后不應(yīng)存在缺口、凹槽、過(guò)深的刀痕等缺陷。焊接時(shí)要防止裂紋、焊瘤、未焊透等缺陷,減小和消除鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力,尤其在條件允許的情況下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡M消除
27、焊接殘余應(yīng)力,這對(duì)于防止低溫脆斷具有非常重要的意義。而 C、 N、 H、 O6.2 調(diào)整化學(xué)成分鋼的化學(xué)成分中的有益元素含量在合金設(shè)計(jì)中應(yīng)給以重視,P等有害夾雜含量增加均會(huì)提高脆性轉(zhuǎn)變溫度,降低沖擊韌性,所以應(yīng)減少其含量。要對(duì)因?yàn)槌煞致湓谂铺?hào)規(guī)范內(nèi),但配比不合適(如 工藝性能或使用性能上達(dá)不到要求并引起失效的事例是很多的, 分時(shí)應(yīng)盡可能地控制一些對(duì)鋼的回火脆性影響較大元素的配比, 不致過(guò)大,以及向回火脆性敏感性較大的鋼中添加鉬和鎢,對(duì)回火脆性敏感性較脆斷事故進(jìn)行分析,首先應(yīng)該要看是否含量超標(biāo),不超標(biāo)時(shí)也要考慮合金配比是否合適,Mn/C比),其如在設(shè)計(jì)鋼的成使鋼的回火脆性大的鉻鎳鋼,鉻錳鋼、硅錳
28、鋼、鉻釩鋼等加鉬便是如此。鎳被認(rèn)為是降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度作用最大的元素。低碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度因鎳量增加而降低,淬火后低溫回火的鎳鋼含4.5%鎳,高溫回火的鋼含2.5%鎳時(shí),脆性轉(zhuǎn)變溫度可降到最低。在合金結(jié)構(gòu)鋼中,銅的作用與鎳相似。錳對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響因含量不同而異。低碳鋼含錳在1.5%以下時(shí)可使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低,所以,降碳增錳可以減少鋼中的碳化物、細(xì)化晶粒,有利于低碳鋼獲得較高的低溫沖擊韌性,但含錳高時(shí)又使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度提高。此外,鋼中偏析、夾雜物。白點(diǎn)、微裂紋等缺陷越多,韌性越低。綜上所述,碳、氮、磷。硅等元素增大鋼的冷脆性?xún)A向,鎳、少量錳、銅等元素有利于鋼獲得較高的低溫沖擊韌性。由
29、于合金元素對(duì)鋼的冷脆性的影響很復(fù)雜,加之還要受其他方面因素的影響,還需具體分折??傊{(diào)整合金元素,降低雜質(zhì)含量,提高鋼的純凈度是降低材料脆斷的有效途徑。6.3 細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒是控制材料韌性.避免脆斷的重要手段。粗晶粒的鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度較細(xì)晶粒的為高,如粗晶粒的中碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,可較細(xì)晶粒的鋼高40C。細(xì)晶粒強(qiáng)化符合Hall-Petch關(guān)系,當(dāng)晶粒越細(xì),晶界面積就越大,晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙也越大,從而使強(qiáng)度升高。此外,晶粒越細(xì),在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多,在同樣變形量下,變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行,晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小,變形較均勻,相對(duì)來(lái)說(shuō)引起應(yīng)力集中減小,使材料在斷裂之前能
30、承受較大的變形量,因而有較好的塑性;又因?yàn)榫ЯT郊?xì),晶界的曲折越多,越不利于裂紋的傳播。從而在斷裂過(guò)程中可吸收更多的能量,表現(xiàn)出較高的韌性;當(dāng)晶粒細(xì)小時(shí),晶界面積增加。又使晶界雜質(zhì)濃度減少,避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。在鑄造生產(chǎn)中可通過(guò)加大過(guò)冷度,在鑄鐵中加入硅鐵或硅鈣合金,在鋁合金中加入鈦、鋯、釩等或在合金鋼中加入碳化物形成元素(Ti、V等),阻止加熱時(shí)對(duì)晶粒長(zhǎng)大,從而細(xì)化晶粒提高韌性。7斷裂實(shí)例分析左圖為一種用于制備高分子材料的拉模板,它是由一種新型合金制成,但其在實(shí)驗(yàn)使用過(guò)程中,僅加熱了30分鐘,便發(fā)生了斷裂;用其他樣品測(cè)試也發(fā)生了類(lèi)似情況。這是其中的一個(gè)樣品,對(duì)其進(jìn)行分析,以確定開(kāi)裂的原因。
31、化學(xué)分析鑒定為模切板材料是金屬粉末冶金制得的馬氏體不銹鋼工具鋼,具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)良好的耐磨性。分析過(guò)程如下圖1圖2圖1是拉模板的俯視圖,從圖中可以看出,這個(gè)裂口起始在外邊緣,之后向內(nèi)延伸,接觸到了擠孔的,并沿著其圓周面發(fā)生了一定的偏折。圖2是拉模板的側(cè)面度,顯示了斷裂的寬度,這一寬度說(shuō)明了這部分有著很大的殘余應(yīng)始的。圖3是拉模板入口處(圖1的背面)的照片,可以發(fā)現(xiàn)斷裂是由螺絲孔和加熱孔之間的窄帶出開(kāi)圖5圖6圖4是局部放大圖,可看到,螺絲孔與加熱孔圖5,6使用立體顯微鏡(65倍)對(duì)其他加熱孔和螺絲孔的觀察,得到其低倍的放大圖像,發(fā)現(xiàn)全部的窄帶部分都出現(xiàn)了不同程度的裂縫。因?yàn)閿嗫诘谋砻嬉呀?jīng)被嚴(yán)
32、重氧化,為了方便下一步的分析,特地將其從橫斷面拋開(kāi)。圖7標(biāo)注出了窄帶的位32Si M 卜每 Him% 器-|j圖8岡寸剖開(kāi)的斷口處尚未被氧化,可以很好地展現(xiàn)出斷裂的表面情況。清潔試樣后,用SEM寸其進(jìn)行觀察和分析圖8是低倍SEM,原始的裂紋輪廓被標(biāo)記了出來(lái)。斷裂面是由于實(shí)驗(yàn)室中為剖開(kāi)試樣,而應(yīng)力過(guò)載造成的通過(guò)使用背散射電子(BSE來(lái)增加SEM勺放大倍數(shù),從而得到了圖9,顯示了原始裂紋表面已被氧化圖9U圖10是繼續(xù)增大SEMa放大倍數(shù)所得到的 圖方的V型像,可以看到原始斷裂面的邊界處有滲氮層。進(jìn)行形貌分析,得出結(jié)論,裂紋是由右上圖11圖12圖11是高放大倍數(shù)的滲氮層的剖面圖。表面應(yīng)經(jīng)氮?dú)獗谎趸?,這正是斷口的
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶(hù)所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶(hù)上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶(hù)上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶(hù)因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 節(jié)能減排:環(huán)保型廠房股權(quán)轉(zhuǎn)讓與能源優(yōu)化協(xié)議
- 物流倉(cāng)儲(chǔ)租賃及管理服務(wù)協(xié)議
- 住宅小區(qū)場(chǎng)地安全維護(hù)合同
- 餐飲行業(yè)總經(jīng)理全面授權(quán)與管理合同
- 汽車(chē)展場(chǎng)地推廣與汽車(chē)廠商合作協(xié)議
- 人工智能背景下的智慧規(guī)劃建設(shè)實(shí)踐與思考
- 城市CIM平臺(tái)建設(shè)賦能數(shù)字發(fā)展
- 美術(shù)素描說(shuō)課課件
- 美術(shù)電影課件
- 美術(shù)班主題班會(huì)課件
- 2025年云南省高職單招計(jì)算機(jī)類(lèi)職業(yè)技能測(cè)試題及答案(備考刷題)
- 2025年上海青浦新城發(fā)展(集團(tuán))限公司自主招聘9名高頻重點(diǎn)模擬試卷提升(共500題附帶答案詳解)
- 2025年1月國(guó)家開(kāi)放大學(xué)專(zhuān)科《辦公室管理》期末紙質(zhì)考試試題及答案
- 組織行為準(zhǔn)則
- 2024版消防設(shè)計(jì)質(zhì)量問(wèn)題案例分析手冊(cè)建筑機(jī)電專(zhuān)業(yè)
- 《性病防治知識(shí)講座》課件
- 第10講-動(dòng)能與動(dòng)能定理-高一物理同步講義-原卷版
- 基本公共衛(wèi)生服務(wù)項(xiàng)目培訓(xùn)
- 2020-2024年五年高考地理真題分類(lèi)匯編專(zhuān)題02 宇宙中的地球-(解析版)
- 安全、質(zhì)量、環(huán)境管理制度
- 2024版《中醫(yī)基礎(chǔ)理論經(jīng)絡(luò)》課件完整版
評(píng)論
0/150
提交評(píng)論