《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》 課件 第2章 失效分析基礎(chǔ)與基本性能

1《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》第2章失效分析基礎(chǔ)與基本性能目錄金屬材料典型力學(xué)性能試驗(yàn)條件下的應(yīng)力分布與斷裂過(guò)程應(yīng)力集中與三向應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理與分析方法斷口宏觀形貌分析方法目錄斷口微觀形貌分析方法斷口宏觀形貌與斷口微觀形貌間的關(guān)系金相組織分析方法實(shí)際案例分析金屬材料典型力學(xué)性能試驗(yàn)條件下的應(yīng)力分布與斷裂過(guò)程2.1.1 拉伸試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征（a）實(shí)測(cè)拉伸曲線為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形低碳鋼典型的拉伸曲線。拉伸過(guò)程中是單向加載，最大正應(yīng)力處在垂直拉力軸的截面上，最大切應(yīng)力位于圓柱軸45的截面上，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力比值為0.5，這種應(yīng)力狀態(tài)就決定了斷裂的基本過(guò)程。2.1.1 拉伸試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征（b）拉伸試棒應(yīng)力分布曲線加載開始時(shí)僅發(fā)生彈性變形，隨著應(yīng)力增加曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，表明開始發(fā)生材料屈服。隨后應(yīng)力增加不多變形很大，說(shuō)明材料發(fā)生塑性變形，材料長(zhǎng)度增加并且截面減少。塑性變形是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的。在塑性變形區(qū)域，材料要發(fā)生加工硬化使材料強(qiáng)化。在整個(gè)截面上加工硬化的程度并不均勻，所以塑性變形也不均勻。為了保持恒定速度拉伸就必須增加載荷。在產(chǎn)生加工硬化較小的區(qū)域發(fā)生不斷變形，也就是說(shuō)僅在截面的某些局部區(qū)域發(fā)生塑性變形。此處顯示橫截面減少，宏觀表現(xiàn)是出現(xiàn)“縮頸”。在縮頸位置截面積局部減少，類似表面產(chǎn)生一個(gè)缺口，形成三向應(yīng)力狀態(tài)中心的徑向與軸向產(chǎn)生應(yīng)力最大值。2.1.1 拉伸試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征顯然在這種應(yīng)力作用下，一定會(huì)在試棒中心產(chǎn)生裂紋，然后向徑向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋接近表面時(shí)，殘留材料就是一個(gè)薄殼，因此變成平面應(yīng)變條件，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展由平面破斷向斜面過(guò)程變化。根據(jù)材料力學(xué)可知，平面應(yīng)力條件下45°方向的剪應(yīng)力最大，所以形成剪切唇。根據(jù)上述拉伸樣品的斷裂過(guò)程，可以推出以下一些結(jié)論：（1）拉伸斷口表面一般分成兩個(gè)區(qū)域，中心區(qū)域是垂直拉力軸的相當(dāng)平坦區(qū)域，傾斜45的邊緣區(qū)域成為剪切唇。斷口形貌成為杯錐形斷口，見圖（c）。（c）斷口形貌2.1.1 拉伸試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征（2）斜面斷裂與平面斷裂的相對(duì)數(shù)量取決于約束的程度。（3）如果在實(shí)際工件中觀察到斷口形貌與之類似，說(shuō)明主要受到單向拉伸載荷，且斜面區(qū)域（即剪切唇區(qū)域）應(yīng)該是最后斷裂區(qū)域。（4）如果單向加載情況下裂紋出現(xiàn)在表面，一般認(rèn)為表面有組織缺陷。（5）如果材料的切斷抗力tk很小，當(dāng)外載荷引起的正應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到材料正斷抗力時(shí)，而切應(yīng)力就已經(jīng)達(dá)到切斷抗力tk，根據(jù)式（2-3）可知，試樣會(huì)發(fā)生切斷斷裂。斷口與軸線成45°角，見圖。破斷面與軸線成45拉伸斷口2.1.2 彎曲試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征受彎曲載荷的樣品與受拉伸載荷的樣品既有類似之處，也存在明顯差別。主要的差別是樣品一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓。受拉一側(cè)情況與拉伸載荷類似，但是由于不會(huì)出現(xiàn)縮頸階段，所以不會(huì)產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，因此樣品產(chǎn)生的裂紋不會(huì)在樣品內(nèi)部。因?yàn)樽畲髴?yīng)力在表面，所以裂紋最有可能出現(xiàn)在表面。圓形截面彎曲情況下，上表面處于軸向拉伸，下表面則受到壓縮。最大正應(yīng)力位于頂部表面，最大切應(yīng)力位于兩個(gè)互相垂直的平面，分別垂直于平行圓柱軸。彎曲載荷下正應(yīng)力和剪應(yīng)力與樣品的形狀有關(guān)。根據(jù)材料力學(xué)，對(duì)于矩形、圓形等截面，最大剪應(yīng)力一般不大，往往是在正應(yīng)力下開裂。對(duì)于工字形截面，在腹板剪應(yīng)力可能很大，有可能在剪應(yīng)力作用下開裂。如果零部件的跨度很短，正應(yīng)力就不會(huì)很大，但剪應(yīng)力會(huì)較大，此時(shí)如果材料的抗剪能力很低（即切斷抗力很低），就很有可能在剪應(yīng)力作用下開裂。2.1.2 彎曲試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征對(duì)于在正應(yīng)力作用下斷裂的樣品，如果上表面受拉、下表面受壓，裂紋啟裂于上表面，則斷裂過(guò)程相當(dāng)從上表面開始，一層一層拉斷，逐漸向下表面進(jìn)行，所以最后斷裂的下表面類似拉伸斷裂的左后斷裂區(qū)域，因此在下表面會(huì)出現(xiàn)剪切唇。為彎曲斷裂樣品的斷口形貌圖。（a）受到彎曲載荷的軸類零件應(yīng)力分布示意圖（b）受到彎曲載荷斷裂螺栓的斷口形貌照片2.1.3 扭轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征圓形截面扭轉(zhuǎn)情況下，受力狀態(tài)如圖所示，最大正應(yīng)力位于與軸成45°的平面，最大切應(yīng)力與軸線成90°，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力比值為0.8。（a）圓柱樣品受扭轉(zhuǎn)載荷示意圖 （b）圓柱樣品上截取小單元體受力示意圖最大切應(yīng)力示意圖2.1.3 扭轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征是鋁合金樣品扭轉(zhuǎn)斷裂后，表面變形線的激光共聚焦形貌照片，從圖中可以更清楚地看到變形線與軸成45角。斷裂可以呈韌性或脆性方式斷裂，導(dǎo)致兩種不同形式的斷口。（1）90°切斷斷口：如果材料以韌性方式斷裂，說(shuō)明材料屈服強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，材料切斷抗力tk較低，因此在切應(yīng)力作用下則發(fā)生明顯塑性變形，外加應(yīng)力達(dá)到tk時(shí)樣品發(fā)生斷裂。因?yàn)?/p>

鋁合金扭轉(zhuǎn)后表面出現(xiàn)與軸線成45的變形條紋照片最大切應(yīng)力與軸線垂直，所以斷口與軸線成90°。因?yàn)樵谇袘?yīng)力下發(fā)生塑性變形，所以如果在圓柱表面做一條平行軸線得到標(biāo)線，變形后該線就要圍繞表面做螺旋運(yùn)動(dòng)。

是鋁合金材料進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后由于塑性變形留下的痕線，有時(shí)可以采用腐蝕方法顯示扭轉(zhuǎn)塑性變形留下的痕跡。鋁合金樣品扭轉(zhuǎn)斷裂后表面激光共聚焦照片2.1.3 扭轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征（2）45°正斷斷口：對(duì)于脆性材料（如鑄鐵），由于材料本身正斷抗力SOT較低，而切斷抗力tk較高，所以在正應(yīng)力作用下斷裂。由于45位向的正應(yīng)力最大，所以破斷面與軸線成45°角。圓柱樣品在拉伸載荷作用下，最大拉應(yīng)力在垂直軸線平面上，最大剪應(yīng)力在與軸線成45°的平面上。而在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，卻是最大剪應(yīng)力在垂直軸線平面上，最大拉應(yīng)力在與軸線成45°的平面上。因此，破斷面的位向也會(huì)發(fā)生變換。韌性材料在拉伸過(guò)載斷裂情況下，其破斷面與軸線成45°，而在扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂情況下，破斷面與軸線成90°。脆性材料在拉伸過(guò)載斷裂情況下，其破斷面與軸線成90°，而在扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂情況下，破斷面與軸線成45°。2.1.4 剪切過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征沿垂直于軸的方向作用于軸上的外力稱為橫向力。在橫向力作用下，軸的相鄰橫截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，這種變形稱為剪切變形。在工程實(shí)際中許多零部件（如銷、鍵及鉚釘）主要受到剪切作用。剪應(yīng)力計(jì)算模型橫截面上剪切應(yīng)力按照式計(jì)算：?＝Q/FQ是作用在橫截面上的內(nèi)力，與外力P數(shù)值相等、方向相反；F是橫截面面積。剪應(yīng)力計(jì)算示意圖2.1.4 剪切過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征從上述受力狀態(tài)可知，如果一個(gè)軸類零件受到純剪切應(yīng)力，其斷裂的斷口應(yīng)該是平行剪應(yīng)力方向，并且與軸線垂直。下圖是螺栓受到剪切作用斷裂的斷口照片。宏觀斷口表面很平整，掃描電鏡下，可以看到方向性韌窩形貌。韌窩拉長(zhǎng)方向就是剪應(yīng)力方向。螺栓受剪應(yīng)力斷裂的形貌照片2.1.5 沖擊試驗(yàn)金屬材料斷裂過(guò)程當(dāng)物體以一定速度作用在工件上時(shí)，物體的速度發(fā)生急劇變化。由于物體的慣性，使工件受到很大的作用力，這種載荷稱為沖擊載荷。在沖擊載荷作用下工件中所引起的應(yīng)力可能很大，稱為沖擊應(yīng)力。而材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)也不能用靜載荷下測(cè)定的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。鍛造、沖壓等實(shí)際加工過(guò)程中均存在沖擊應(yīng)力問(wèn)題。計(jì)算沖擊問(wèn)題時(shí)一般僅關(guān)心變形與應(yīng)力的瞬時(shí)最大值。下面以受到縱向沖擊為例進(jìn)行力學(xué)分析， 。圖中剛體A的重量為Q，桿的長(zhǎng)度為l，面積為F，彈性模量為E。計(jì)算沖擊變形與應(yīng)力2.1.5 沖擊試驗(yàn)金屬材料斷裂過(guò)程根據(jù)機(jī)械能守恒定律可以推導(dǎo)出下列公式：?d＝Kd?s?d＝Kd?skd＝1＋[（1＋2h/?

s）]1/2式中，?d與?d分別為沖擊變形量與沖擊應(yīng)力；?s與?s分別為靜載荷下應(yīng)變與靜載荷下應(yīng)力，其中，?s

＝Q/F，?s＝Ql/EF；Kd稱為沖擊時(shí)動(dòng)荷系數(shù)。如果h＝0則kd＝2，說(shuō)明當(dāng)重量Q不是由高度落下，而是突然加在kd桿端上，桿的變形與沖擊力將是靜載荷的2倍。如果h很大，則動(dòng)載荷系數(shù)為kd≈1＋[2h/?s]1/2≈[2h/?s]1/2可以求出在h很大的情況下的動(dòng)載荷應(yīng)力：?s

≈[2hQE/Fl]1/22.1.5 沖擊試驗(yàn)金屬材料斷裂過(guò)程上面推導(dǎo)出的公式可以用于其他桿件情況，如圖所示。計(jì)算水平桿件沖擊變形與應(yīng)力一個(gè)重為Q的物體A從高度h自由落下，打到一個(gè)簡(jiǎn)支梁的中點(diǎn)。已知在梁中點(diǎn)有靜載荷Q作用時(shí)梁的撓度：?s＝Ql3/48EJ （2-10）將d代s

入式（2-9）可以求出沖擊時(shí)梁的變形與沖擊應(yīng)力。當(dāng)h很大時(shí)：?d≈[96hQEJ]1/2/Fl （2-11）水平桿件受沖擊模型與測(cè)定材料的沖擊韌性試驗(yàn)有些類似，但是計(jì)算靜載荷下所受應(yīng)力s時(shí)s

應(yīng)該考慮缺口效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中（應(yīng)力集中問(wèn)題見2.2節(jié)），式（2-11）修正為?d≈K[96hQEJ]1/2/Fl （2-12）式中，K是靜載下由于缺口引起的應(yīng)力集中系數(shù)（見2.2節(jié)）。由（2-12）式可見，材料的彈性模量增加會(huì)引起動(dòng)應(yīng)力增加。采用表面處理技術(shù)，可以在表面形成化合物層，提高疲勞強(qiáng)度與耐磨性能，由于化合物層一般均有高的彈性模量，所以帶來(lái)的負(fù)面影響是增加動(dòng)荷應(yīng)力。2.1.6 交變載荷應(yīng)力分布特點(diǎn)與斷裂過(guò)程一個(gè)零部件受到隨時(shí)間而變化的載荷作用，稱為交變載荷，如圖所示。交變載荷示意圖交變載荷的特點(diǎn)是：（1）在靜載拉伸情況下，試樣拉伸到屈服強(qiáng)度以上，試樣出現(xiàn)均勻滑移變形。而在交變載荷下即使應(yīng)力幅值低于屈服強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后也會(huì)出現(xiàn)滑移，但是滑移分布不均勻。這是交變載荷與靜載荷最大的差別。而這種滑移的不均勻性一般出現(xiàn)在試樣表面、金屬晶界及非金屬夾雜物等處。2.1.6 交變載荷應(yīng)力分布特點(diǎn)與斷裂過(guò)程（2）根據(jù)特點(diǎn)（1）可以推知：在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等靜載荷情況下，如果應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度s，材料不會(huì)塑性變形，如果應(yīng)力低于斷裂強(qiáng)度b，材料不會(huì)斷裂。但是在交變載荷下，材料可以在低于屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂。還可推知疲勞裂紋往往啟裂于表面或夾雜物等處。（3）一定的應(yīng)力幅值S對(duì)應(yīng)一定的循環(huán)破壞次數(shù)N，應(yīng)力幅值越大對(duì)應(yīng)的循環(huán)破壞次數(shù)越少，應(yīng)力幅值與循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系稱為S-N曲線，見圖。這就說(shuō)明疲勞裂紋擴(kuò)展的過(guò)程是：應(yīng)力循環(huán)一次裂紋擴(kuò)展一定距離，應(yīng)力幅值高，裂紋擴(kuò)展距離長(zhǎng)。所以斷口有著與靜載條件下不同的形貌，并且與應(yīng)力幅值的大小有密切的關(guān)系。（4）由于應(yīng)力分布的特殊性，所以無(wú)論是脆性材料還是韌性材料，在交變載荷下均是疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度突然破壞，即使是韌性非常好的材料也不會(huì)出現(xiàn)明顯的塑性變形。（5）某些材料存在一個(gè)應(yīng)力值，如果低于它，裂紋則不會(huì)擴(kuò)展。此應(yīng)力值稱為疲勞極限。一般情況下疲勞極限對(duì)循環(huán)頻率不敏感。2.1.6 交變載荷應(yīng)力分布特點(diǎn)與斷裂過(guò)程材料變形形式對(duì)稱循環(huán)下疲勞極限脈沖循環(huán)下疲勞極限結(jié)構(gòu)鋼彎曲拉伸扭轉(zhuǎn)s－1＝0.27（ss＋sb）s－1L＝0.23（ss＋sb）t－1m＝0.15（ss＋sb）s0＝1.33s－1s0L＝1.42s－1t－1n＝1.50t－1m鑄鋼彎曲拉伸扭轉(zhuǎn)s－1＝0.45sbs－1l＝0.40sbs－1n＝0.36sbs0＝1.33s－1s0l＝1.42s－1ls0n＝1.35t－1m鋁合金彎曲拉伸s－1＝s－1l＝0.167sb＋75

MPas0＝s0l＝1.50s－1l青銅彎曲s－1＝0.21sb根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果，人們總結(jié)出常用材料的疲勞極限與靜強(qiáng)度之間的關(guān)系，見表。材料疲勞強(qiáng)度與靜強(qiáng)度的關(guān)系2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素材料的疲勞強(qiáng)度均是在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定的，一般采用小尺寸圓形試樣測(cè)定。但是實(shí)際零部件是多種多樣的，與材料的疲勞強(qiáng)度有較大的差別。這是因?yàn)閷?shí)際的零部件由于形狀、表面狀態(tài)、服役環(huán)境均與試驗(yàn)條件有很大差別，所以必須考慮多種因素影響1.尺寸效應(yīng)影響測(cè)定材料疲勞極限的樣品尺寸直徑一般在10

mm左右，實(shí)際零部件尺寸千變?nèi)f化。基本規(guī)律是：隨零部件尺寸增加疲勞強(qiáng)度下降。其原因目前解釋是：試樣表面拉應(yīng)力相等條件下，尺寸大的樣品，從表面到心部的應(yīng)力梯度減少，處于應(yīng)力區(qū)的體積大，在交變載荷下，受損傷的區(qū)域大，碰到的缺陷的概率也大，所以疲勞強(qiáng)度降低。2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素可以用尺寸系數(shù)定量地表示其影響：構(gòu)件的尺寸系數(shù)2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素2.

應(yīng)力集中影響2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素3.

表面腐蝕的影響在水與鹽水環(huán)境下的腐蝕系數(shù)2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素由圖可以推導(dǎo)出以下規(guī)律：（1）眾所周知，一般鋼鐵材料在鹽水環(huán)境下比在流水下更容易發(fā)生腐蝕，在同樣強(qiáng)度情況下，腐蝕條件越惡劣，β2就越低。（2）圖中橫坐標(biāo)是鋼的強(qiáng)度極限。一般情況下，強(qiáng)度極限高，材料的疲勞極限高。圖中數(shù)據(jù)表明，強(qiáng)度越高的材料β2越低，說(shuō)明腐蝕對(duì)高強(qiáng)鋼的影響更嚴(yán)重。（3）根據(jù)圖獲得一個(gè)粗略的定量數(shù)據(jù)，在腐蝕環(huán)境下疲勞強(qiáng)度大約要降低30%～80%?？傻贸鐾普摚涸诟g環(huán)境下受到交變載荷的零部件，不能僅考慮如何提高疲勞性能，而且要同時(shí)考慮如何提高抗腐蝕性能。在零部件實(shí)際服役條件下，可能有多種影響因素存在，一般根據(jù)主要因素選取相應(yīng)的影響系數(shù)。應(yīng)力集中與三向應(yīng)力2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力2.1節(jié)討論了試樣在典型力學(xué)試驗(yàn)中的斷裂過(guò)程，但是零部件在實(shí)際服役條件下，其受力狀況與試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)往往有很大不同，在進(jìn)行分析時(shí)必須考慮到這些不同因素的影響。其中一個(gè)最明顯的不同之處就是，在力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中樣品均采用標(biāo)準(zhǔn)樣品，樣品均是具有一定簡(jiǎn)單形狀不變截面積的幾何圖形且表面一般是光滑的。而實(shí)際工件往往是不同形狀的構(gòu)件，甚至在表面就有機(jī)加工形成的不規(guī)則區(qū)域，如尖角、臺(tái)階等。在這些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題，這是必須要考慮的問(wèn)題。應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因定性分析可以可用圖表示。（a）無(wú)缺口 （b）有缺口用應(yīng)力線描述應(yīng)力集中概念2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力設(shè)一個(gè)圓柱體沿軸向受到拉伸載荷，單位面積受到的載荷可以用應(yīng)力線表示，如上圖（a）所示，應(yīng)力線均勻分布在整個(gè)截面上。應(yīng)力線越密集表明應(yīng)力值越高，現(xiàn)在假設(shè)圓柱體上開有一個(gè)圓周缺口，遠(yuǎn)離缺口表面區(qū)域載荷應(yīng)力線分布仍然是均勻的，但是在缺口附近由于在缺口處無(wú)法承受載荷，應(yīng)力線必將“繞過(guò)缺口區(qū)域”，分布在缺口附近的區(qū)域，造成此處的應(yīng)力線就變得密集，在缺口根部其密度達(dá)到最大值，表明此處的應(yīng)力遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離缺口附近的平均應(yīng)力，這就是應(yīng)力集中。根據(jù)上述模型零部件的形狀將影響應(yīng)力線的分布，在一些特殊的部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，（a）（d）（e）（b） （c）圓柱體的幾何形狀對(duì)應(yīng)力分布的影響2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力為定量分析應(yīng)力集中的影響，對(duì)于一些簡(jiǎn)單應(yīng)力集中現(xiàn)象可以進(jìn)行定量計(jì)算。例如，對(duì)于一個(gè)無(wú)限寬板上有一個(gè)橢圓形圓孔受到如圖所示的載荷后在圓孔的邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中。無(wú)限寬板上橢圓孔應(yīng)力集中計(jì)算模型平均應(yīng)力為?平均＝P/A（A為寬板的截面積），在橢圓的長(zhǎng)軸兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中。根據(jù)彈性力學(xué)理論計(jì)算最大應(yīng)力：?max＝?平均（1＋2a/b） （2-17）將最大應(yīng)力與平均應(yīng)力的比值定義為應(yīng)力集中系數(shù)K：K＝?max/?平均＝（1＋2a/b） （2-18）對(duì)于無(wú)限寬板上橢圓孔出現(xiàn)的K顯然與橢圓的幾何形狀有關(guān)，a越大b越小。其中，a、b是指圖中橢圓裂紋的長(zhǎng)軸與短軸尺寸，應(yīng)力集中系數(shù)就越大，應(yīng)力集中影響也就越大。其他情況下也有類似的結(jié)論，即應(yīng)力集中系數(shù)取決于幾何形狀與載荷。不同幾何形狀零部件在特殊部位產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)見附錄A。2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力分析一個(gè)受拉伸的樣品：2.1節(jié)中已經(jīng)論述，圓柱樣品在單向拉伸時(shí)中部應(yīng)力最大，因此首先在中部形成裂紋，這時(shí)繼續(xù)拉伸就類似于對(duì)有裂紋的樣品進(jìn)行單向拉伸，可以用圖進(jìn)行分析。在裂紋處的上下兩個(gè)表面沒(méi)有軸向應(yīng)力作用，所以在裂紋表面X與Y方向沒(méi)有應(yīng)變。但是在裂紋的根部（虛線處）材料是連續(xù)的，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)在Y方向要伸長(zhǎng)，因此在Z方向必然要收縮。因?yàn)檎麄€(gè)裂紋面材料也是連續(xù)的，所以這種收縮會(huì)受到無(wú)收縮的裂紋表面的阻礙。也就是說(shuō)，在裂紋面處裂紋根部虛線處要收縮，但是其他區(qū)域不收縮，即在Z方向有應(yīng)力作用，同理在X方向也存在應(yīng)力作用。因此雖然是單向拉伸，在心部產(chǎn)生裂紋后樣品就處于三向應(yīng)力狀態(tài)。這種應(yīng)力狀態(tài)使材料更易于脆性斷裂。對(duì)于板狀材料，板越厚，裂紋越長(zhǎng)，三向應(yīng)力就越大。明確三向應(yīng)力產(chǎn)生的原因?qū)Ψ治鰯嗫诤苡袔椭Ａ鸭y樣品單向拉伸產(chǎn)生三向應(yīng)力2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力（a）連桿螺栓斷裂源處明顯的加工刀痕 （b）連桿螺栓疲勞源照片疲勞源處于加工刀痕位置【例2-2】

空壓機(jī)連桿螺栓刀痕對(duì)疲勞斷裂的影響。某空壓機(jī)連桿螺栓發(fā)生斷裂，宏觀斷口分析屬于疲勞斷裂（具體判斷方法見3.1節(jié)），并確定出裂紋源的位置，見圖，疲勞源恰好處于加工刀痕的位置處，說(shuō)明應(yīng)力集中對(duì)裂紋形成有影響。殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理與分析方法2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力1.

熱應(yīng)力的產(chǎn)生產(chǎn)生原因在冷卻過(guò)程中，工件內(nèi)外“熱脹冷縮”不可能同時(shí)發(fā)生，因此會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。下面以圓柱樣品為例進(jìn)行分析（在冷卻過(guò)程中，假設(shè)樣品不發(fā)生相變）。由于冷卻時(shí)樣品表面與心部不可能同時(shí)冷卻，將圓柱樣品分成表層與心部（表層與心部具體尺寸無(wú)法劃分，只是粗略劃分）。在加熱狀態(tài)表面與心部溫度一致時(shí)，見圖（a）。急速冷卻時(shí)，表面溫度大幅度降低，心部基本不降。表面與心部產(chǎn)生溫度差。表面要收縮，但是受到心部的抵制，有一個(gè)作用力作用在表面，將表層看成一個(gè)薄壁圓筒，受到沿直徑方向作用力。作用力的方向如圖（b）所示。因此，冷卻初期表層受到拉應(yīng)力，根據(jù)作用力與反作用力的原理，心部受到壓應(yīng)力。在冷卻后期，表面溫度基本不變，心部要收縮但是受到表面的牽制，有一個(gè)作用力作用在心部，即將心部看成一個(gè)圓柱，受到沿直徑方向作用力。作用力的方向如圖（c）所示。因此，冷卻后期心部受到拉應(yīng)力，根據(jù)作用力與反作用力原理，表面受到壓應(yīng)力。2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力由于表面與心部熱脹冷縮不同，表面由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換，心部從壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換，見圖（d）。由于冷卻初期心部處于高溫，在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生變形，釋放應(yīng)力，所以冷卻后期的應(yīng)力會(huì)形成殘余應(yīng)力，保留在樣品中。因此，熱應(yīng)力造成的殘余應(yīng)力最后的結(jié)果是：表面壓應(yīng)力，心部拉應(yīng)力。試驗(yàn)測(cè)得熱應(yīng)力造成的殘余拉應(yīng)力，軸向最大。（a）加熱狀態(tài)（b）冷卻初期表層收縮受到心部抵制（c）冷卻后期心部收縮受到表層抵制（d）表面與心部冷卻曲線與應(yīng)力變化2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力上述分析過(guò)程及殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)可用下表進(jìn)行概括。（1）工件尺寸增大，熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力上升。（2）在合金鋼和碳鋼尺寸與冷卻速度相同的情況下，由于合金鋼導(dǎo)熱一般比碳鋼小，所以表面與心部溫度差更大，引起熱應(yīng)力會(huì)更大。位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層收縮基本不變心部變形基本不變心部收縮表面應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力心部應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力（軸向最大）淬火過(guò)程中熱應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程與分布特點(diǎn)2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層膨脹基本不變心部變形基本不變心部膨脹表面應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力（切向最大）心部應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力2.

組織應(yīng)力的產(chǎn)生鋼在進(jìn)行淬火處理時(shí)，在產(chǎn)生熱應(yīng)力的同時(shí)要發(fā)生馬氏體相變，因此要產(chǎn)生組織應(yīng)力。組織應(yīng)力產(chǎn)生的基本原因是：冷卻時(shí)奧氏體變?yōu)轳R氏體，由于馬氏體的比容高于奧氏體，所以高溫的奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐鸟R氏體相時(shí)，要發(fā)生體積膨脹。采用與分析熱應(yīng)力的方法對(duì)圓柱樣品進(jìn)行類似分析，可以直接利用上表進(jìn)行分析。需要注意：與產(chǎn)生熱應(yīng)力的“熱脹冷縮”相反，此時(shí)變?yōu)椤袄涿洘峥s”，這樣便得到下表。淬火過(guò)程中組織應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程與分布特點(diǎn)2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力3.

殘余應(yīng)力綜合分析與控制鋼在進(jìn)行淬火處理時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生組織應(yīng)力與熱應(yīng)力，并且這兩種應(yīng)力的方向相反，所以在淬火過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力應(yīng)該是兩種應(yīng)力疊加的結(jié)果，稱為合成應(yīng)力。如何分析合成殘余應(yīng)力是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，目前已經(jīng)總結(jié)出一些定性的規(guī)律，概述如下：（1）變形一般取決于冷卻初期零件心部的應(yīng)力狀態(tài)，開裂一般取決零件冷卻后期表面應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)變形與開裂情況判斷組織應(yīng)力與熱應(yīng)力哪種作用大。（2）組織應(yīng)力造成的殘余應(yīng)力在工件表面，最大殘余應(yīng)力方向是切向，如果形成裂紋為與軸的軸線平行的縱向裂紋，最大切向應(yīng)力值隨尺寸增加而增加。（3）組織應(yīng)力與熱應(yīng)力均可以產(chǎn)生三個(gè)方向的應(yīng)力，即軸向、切向與徑向應(yīng)力。它們存在的位置相同但是作用方向相反，有互相抵消作用。兩種應(yīng)力均有致裂與抑裂的雙重作用。2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力（4）合成應(yīng)力可以分成三類：組織應(yīng)力型、熱應(yīng)力型、過(guò)渡型，最大應(yīng)力的位置見圖2-20[5]。（5）合成應(yīng)力造成的最大殘余應(yīng)力在距工件表面一定深度的區(qū)域。最大殘余應(yīng)力由軸向熱應(yīng)力與切向組織應(yīng)力合成，形成的裂紋與軸的軸線成一定角度。角度越小，表明組織應(yīng)力作用越大，裂紋越接近表面；角度越大，表明熱應(yīng)力作用越大，裂紋越接近心部。（6）低淬透性鋼快冷（22CrMo4鋼，水淬）：工件尺寸?。ㄖ睆綖?0

mm），完全淬透殘余應(yīng)力，為組織應(yīng)力型；尺寸大（直徑為100

mm），中心沒(méi)淬透殘余應(yīng)力，為熱應(yīng)力型；尺寸中（直徑為30

mm），為過(guò)渡型?；蛘哒f(shuō)，對(duì)淬透性不高普通零件快冷條件下，最大拉應(yīng)力部位隨幾何尺寸變化而變化。當(dāng)尺寸由小變到大時(shí)，將由零件表面移到中心（尺寸小指10

mm以下，尺寸大必伴隨淬不透）。組織應(yīng)力型過(guò)渡型熱應(yīng)力型2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力（7）高淬透性鋼慢冷（Cr2-Ni4-Mo0.5鋼，4～75

mm，油冷）：只要被淬透殘余應(yīng)力均為組織應(yīng)力型，最大殘余應(yīng)力處于表面，且直徑越大殘余應(yīng)力也越大。（8）高淬透性鋼快冷水冷（Cr2-Ni4-Mo0.5鋼，4～75

mm）：直徑小，為組織應(yīng)力型；直徑大（20

mm以上），為過(guò)渡型。（9）零件淬透情況下的應(yīng)力狀態(tài)與淬不透情況下的應(yīng)力狀態(tài)完全不同，可以利用上述分析方法進(jìn)行分析（見表2-2和表2-3）。（10）鋼存在“淬火危險(xiǎn)尺寸”，即在這種尺寸范圍的鋼，淬火非常容易淬裂。其尺寸范圍是：碳鋼水淬8～15

mm，低合金鋼油淬火25～40

mm。2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力（11）大型非淬透零件能產(chǎn)生熱應(yīng)力型淬火裂紋，淬裂的主要危險(xiǎn)在中心或附近。對(duì)于長(zhǎng)徑比兩倍以上的零件易產(chǎn)生橫斷裂紋，對(duì)于長(zhǎng)徑比接近的零件易產(chǎn)生縱劈裂紋。（12）在預(yù)測(cè)變形與開裂時(shí)，首先要根據(jù)CCT曲線及淬透性曲線等預(yù)測(cè)零件是否能夠淬透（心部得到50%以上的馬氏體）。零件淬透情況下的應(yīng)力狀態(tài)與淬不透情況下的應(yīng)力狀態(tài)完全不同。（13）縱向裂紋一般是小尺寸零件在淬透情況下組織型殘余應(yīng)力作用的結(jié)果。（14）弧狀裂紋：裂紋形貌是弧狀，局部裂紋，裂紋方向與最大幾何尺寸方向近似垂直。（15）弧狀裂紋一般發(fā)生在不能淬透的碳鋼零件上，并且采用了強(qiáng)冷卻介質(zhì)（水、鹽水、堿水等）。2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力【例2-3】 圖2-21是一件40Cr鋼制軸類零件在淬火過(guò)程中出現(xiàn)的裂紋形貌，裂紋與軸線夾角約為30°。試分析：（1）產(chǎn)生裂紋的應(yīng)力是組織應(yīng)力還是熱應(yīng)力？（2）裂紋的啟裂位置是在表面？還是在心部？還是在其他位置？分析：（1）根據(jù)圓柱樣品產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原理與分布特點(diǎn)可知，在組織應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋應(yīng)該平行軸線，如果是熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋應(yīng)該是垂直軸線。現(xiàn)在裂紋形貌與軸線成30夾角，說(shuō)明是在合成應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋，因?yàn)榕c軸線夾角比較小，所以應(yīng)該是組織應(yīng)力作用較大。（2）裂紋的啟裂位置應(yīng)該是最大應(yīng)力位置。如果裂紋平行于軸線，說(shuō)明完全在組織應(yīng)力作用下開裂，最大應(yīng)力位置在表面，啟裂點(diǎn)也應(yīng)該在圓柱表面?，F(xiàn)在裂紋與軸線成30夾角，說(shuō)明熱應(yīng)力有影響，在表面抵消部分組織應(yīng)力，最大應(yīng)力位置應(yīng)該向心部移動(dòng)，所以啟裂位置既不在表面、也不會(huì)在心部，應(yīng)該是在距離表面一定位置處。40Cr軸淬火裂紋形貌示意圖2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力為了提高材料的壽命（尤其是疲勞壽命、耐磨性能、抗腐蝕性能），往往對(duì)零部件采用表面技術(shù)進(jìn)行處理，強(qiáng)化表面層。因此，了解經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理的零部件殘余應(yīng)力分布，對(duì)進(jìn)行失效分析很有幫助。1.

經(jīng)表面淬火工件殘余應(yīng)力分析表面淬火產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布很復(fù)雜，與材料的成分、工件尺寸、硬化層深度、加熱速度等因素有關(guān)，難以精確地進(jìn)行理論判斷。但是可以根據(jù)2.3.1節(jié)中論述的采用圓柱樣品進(jìn)行整體淬火得出的一些基本規(guī)律進(jìn)行粗略的、但是有意義的分析。2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力【例2-4】

40Cr材料直徑為20

mm的圓柱桿件采用感應(yīng)加熱淬火，硬化層深度為1.5

mm，試判斷表面殘余應(yīng)力狀態(tài)。利用總結(jié)出的規(guī)律進(jìn)行分析：將硬化層認(rèn)為是表面層，其余部分認(rèn)為是心部。利用2.3.1節(jié)總結(jié)出的方法與規(guī)律進(jìn)行分析。位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層收縮基本不變心部變形基本不變心部基本不變表面應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力心部應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力表面淬火過(guò)程中熱應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程與分布特點(diǎn)位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層膨脹基本不變心部變形基本不變心部基本不變表面應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力心部應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力表面淬火過(guò)程中組織應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程與分布特點(diǎn)2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力位置冷卻初期冷卻后期表層變形基本不變表面膨脹心部變形心部膨脹基本不變表面應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力心部應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力2.

滲碳產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分析組織應(yīng)力產(chǎn)生殘余應(yīng)力的特點(diǎn)應(yīng)該與圓柱樣品進(jìn)行整體淬火有很大差別。在圓柱樣品整體淬火時(shí)是表面先發(fā)生馬氏體相變，而心部后發(fā)生相變，從而產(chǎn)生了組織應(yīng)力分布特點(diǎn)。在滲碳淬火情況下就完全不同。這是因?yàn)楸韺雍剂扛叨牟亢剂康?，造成表層的馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)低于心部，所以心部先發(fā)生馬氏體相變而表層后發(fā)生相變，順序與整體淬火完全相反，所以組織應(yīng)力特點(diǎn)也完全反向。利用2.3.1節(jié)中表的方法分析組織應(yīng)力，得到滲碳淬火組織應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程與分布特點(diǎn)（淬透情況下）2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力3.

氮化、氮碳共滲、滲金屬產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在分析表面淬火殘余應(yīng)力時(shí)，可知由于表面變?yōu)轳R氏體比容增加，發(fā)生體積膨脹，所以產(chǎn)生殘余應(yīng)力。而氮化時(shí)也是由于表面比容增加造成殘余應(yīng)力，因此氮化表面殘余應(yīng)力分布規(guī)律應(yīng)與表面淬火有類似之處。同時(shí)知道對(duì)工件進(jìn)行氮化處理，工件在冷卻過(guò)程中不發(fā)生相變。組織變化應(yīng)力是在氮化過(guò)程中產(chǎn)生的，可以用類似模型分析，氮化過(guò)程中殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程與分布特點(diǎn)位置氮化初期（氮化層尚未形成或形成極少）氮化后期（氮化層形成）表層變形基本不變表面膨脹心部變形基本不變基本不變表面應(yīng)力基本為零壓應(yīng)力心部應(yīng)力基本為零拉應(yīng)力2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力因此，氮化后表面一般是壓應(yīng)力。文獻(xiàn)[6]提供了定量的數(shù)據(jù)：34CrAl6鋼直徑為20

mm的圓柱樣品，氮化后殘余壓應(yīng)力可以達(dá)到800

MPa左右。根據(jù)這樣的思路可以分析氮碳共滲、滲金屬產(chǎn)生的殘余應(yīng)力問(wèn)題。氮碳共滲后表面得到是氮碳化合物，如Fe3N等。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)可以計(jì)算出Fe3N比容為0.146

cm3/g；鋼基體的比容約為0.128

cm3/g，可見化合物層的比容高于鋼基體，所以表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。實(shí)際測(cè)試結(jié)果見表。不同材料經(jīng)過(guò)氮碳共滲后彎曲疲勞強(qiáng)度與殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)工藝滲層深度/mm彎曲疲勞/MPa表面壓應(yīng)力/MPa材料鹽浴硫氮碳共滲0.22555－341（45鋼）氣體氮碳共滲0.22540（45鋼）離子滲氮0.20452－244（45鋼）氣體滲氮0.43595－78（45鋼）沒(méi)有處理400（45鋼）2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力續(xù)表工藝滲層深度/mm彎曲疲勞/MPa表面壓應(yīng)力/MPa材料鹽浴硫氮碳共滲0.18186－243（QT600-3）氣體氮碳共滲0.16184－243（QT600-3）離子滲氮0.15176－122（QT600-3）氣體滲氮112（QT600-3）沒(méi)有處理112（QT600-3）離子滲氮0.45725－12225Cr2MoV沒(méi)有處理52625Cr2MoV滲金屬后往往通過(guò)反應(yīng)擴(kuò)散得到化合物層，可以根據(jù)化合物層的晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算其比容，從而判斷表面的應(yīng)力狀態(tài)。2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力【例2-5】

T10鋼滲釩后表面殘余應(yīng)力分析。T10鋼滲釩后表面得到化合物層形貌，（a）化合物層金相組織照片 （b）化合物層TEM明場(chǎng)像（c）化合物層TEM暗場(chǎng)像T10鋼滲釩化合物層金相組織照片2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力4.

電鍍產(chǎn)生的殘余應(yīng)力關(guān)于殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因目前沒(méi)有明確的結(jié)論。一般簡(jiǎn)單地認(rèn)為，由于溶液中急速產(chǎn)生電析出，同時(shí)將基體金屬與電鍍金屬的比容差看成殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因。提出三種假說(shuō)：（1）過(guò)剩能假說(shuō)：電鍍時(shí)金屬原子在電析出過(guò)程中處在高能狀態(tài)，使金屬晶格發(fā)生膨脹，因此在下一個(gè)階段如產(chǎn)生收縮就會(huì)產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。也有另一種說(shuō)法，電鍍剛完成時(shí)金屬表面1

nm范圍的薄層內(nèi)溫度可以達(dá)到數(shù)百攝氏度，與周圍鄰近部分存在極大的溫度梯度。由于受到周圍的急冷，類似表面淬火中的熱應(yīng)力，依據(jù)2.3.1節(jié)中熱應(yīng)力模型與分析方法，依據(jù)過(guò)剩能理論電鍍層殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程與分布特點(diǎn)位置電鍍初期（鍍層尚未形成）電鍍后期（電鍍層已形成）表層變形基本不變表層收縮心部變形基本不變心部基本不變表面應(yīng)力基本為零拉應(yīng)力心部應(yīng)力基本為零壓應(yīng)力2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力金屬電鍍?nèi)芤簯?yīng)力值/MPa鉻鉻酸-硫酸50

°C106鉻酸-硫酸65

°C254鉻酸-硫酸85

°C430由于殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因沒(méi)有明確的結(jié)論，只能針對(duì)各種電鍍具體情況分析殘余應(yīng)力的值。（1）鍍鉻：當(dāng)鍍層薄時(shí)產(chǎn)生很高的拉伸殘余應(yīng)力，厚度增加應(yīng)力值下降，電鍍溫度上升應(yīng)力增加。（2）鍍鎳：一般也產(chǎn)生拉應(yīng)力，低電流密度與低溫情況下應(yīng)力增加。（3）鍍銅：應(yīng)力值是鍍液成分與電流密度的函數(shù)。當(dāng)基體是銅時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)力，是其他金屬時(shí)，產(chǎn)生拉應(yīng)力。在鍍液中增加鉛時(shí)拉應(yīng)力幾乎成倍增加，而添加硫氫酸鉀時(shí)則變成壓應(yīng)力。當(dāng)有鋅等雜質(zhì)存在時(shí)，產(chǎn)生壓應(yīng)力。（4）鍍鋅、鎘、鉛：一般產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，但是酸性鍍鋅液產(chǎn)生拉應(yīng)力，并且隨電流密度增加而增加。但用硫酸鹽鍍液時(shí)，產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。下表是對(duì)不同電鍍時(shí)殘余應(yīng)力具體數(shù)值，可供進(jìn)行失效分析時(shí)參考。電鍍層中具有代表性的殘余應(yīng)力值2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力續(xù)表金屬電鍍?nèi)芤簯?yīng)力值/MPa鎳光亮鍍鎳用液純凈106光亮鍍鎳用液＋雜質(zhì)224光亮鍍鎳用液＋糖精18銅酒石酸鉀鈉-氰化物＋硫氰酸鉀－27酒石酸鉀鈉-氰化物60鈷硫酸鹽310～620銠硫酸鹽310～620鋅酸性鍍液－56～12鎘氰化物－8鉛過(guò)氯酸鹽－302.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力5.

化學(xué)鍍產(chǎn)生的殘余應(yīng)力化學(xué)鍍產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因有兩種。一種是因?yàn)榛瘜W(xué)鍍層與基體材料的熱膨脹系數(shù)不同所引起的。因?yàn)榛瘜W(xué)鍍的溫度一般在90

°C左右，當(dāng)將樣品從化學(xué)鍍槽中冷卻到室溫時(shí)，表面鍍層與心部基體材料由于熱脹冷縮不會(huì)同時(shí)發(fā)生，同時(shí)鍍層與基體的熱膨脹系數(shù)不同，因此產(chǎn)生應(yīng)力。其規(guī)律是熱膨脹系數(shù)大的一方產(chǎn)生壓應(yīng)力，而膨脹系數(shù)小的一方產(chǎn)生拉應(yīng)力。試驗(yàn)得出的規(guī)律是當(dāng)樣品從鍍槽中取出，化學(xué)鍍鎳層要收縮10%左右。另一種原因是，化學(xué)鍍層的形成也是晶粒形核與長(zhǎng)大的過(guò)程。開始形成一些島狀的顆粒，這些粒子在其間填充上新的粒子之前被表面應(yīng)力拉在一起形成拉應(yīng)力。當(dāng)表面被新的鍍層覆蓋或進(jìn)行熱處理時(shí)，會(huì)發(fā)生原子重排而改變?cè)娱g距從而產(chǎn)生應(yīng)力。

數(shù)據(jù)列出了化學(xué)鍍層應(yīng)力定量數(shù)據(jù)。2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力化學(xué)鍍層中殘余應(yīng)力與工藝條件關(guān)系鍍液組成pH溫度/°C含磷量/%熱處理前應(yīng)力/MPa熱處理后應(yīng)力/MPaNiSO2·6H2O 0.8

mol/LH2C3H5O3 0.36

mol/LNaH2PO2·H2O 0.23

mol/L5.05.04.94.54.54.04.04.04.08288949393979493916.97.07.28.18.410.711.612.212.426.558.87.812.743.7－53.9－88.2－72.5－105.678.471.564.767.6139.129.40.0－7.8－26.5NiCl2·7H2O 0.126

mol/LNH4·C2H3O 0.5

mol/LNaH2PO2·H2O 0.095

mol/L4.5958.03.565NiSO2·6H2O 0.057

mol/LHC3H6O2 0.14

mol/LMoO3 0.015

mol/LNaH2PO2·H2O 0.17

mol/L5.4908.56.02.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力6.

熱噴涂產(chǎn)生的殘余應(yīng)力2.3.2 經(jīng)過(guò)表面技術(shù)處理后殘余應(yīng)力2.3.3 鑄造殘余應(yīng)力5.

化學(xué)鍍產(chǎn)生的殘余應(yīng)力鑄件在凝固后的冷卻過(guò)程中，應(yīng)力按其形成原因可分為熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力三種?！纠?-6】 一個(gè)鑄件的形狀如圖所示，分析冷卻后由于熱應(yīng)力的作用，在鑄件A區(qū)域與B區(qū)域產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力？還是壓應(yīng)力？鑄件間尺寸不同產(chǎn)生的殘余應(yīng)力2.3.3 鑄造殘余應(yīng)力分析：從鑄件的結(jié)構(gòu)可見，鑄件的兩個(gè)外側(cè)A區(qū)域，受到冷卻的面積大，冷卻速度一定快。而中間部分B區(qū)域，受到冷卻的面積小，冷卻速度要慢。所以A區(qū)域相當(dāng)2.3.1節(jié)分析淬火熱應(yīng)力圓柱模型的表面區(qū)域，而B區(qū)域相當(dāng)圓柱模型的心部區(qū)域。根據(jù)淬火熱應(yīng)力殘余應(yīng)力形成規(guī)律，可以推測(cè)出：冷卻到室溫后A區(qū)域受到壓應(yīng)力，B區(qū)域受到拉應(yīng)力。相變應(yīng)力：鑄件各部分在冷卻過(guò)程中發(fā)生固態(tài)相變的時(shí)間和程度不同，使體積和長(zhǎng)度的變化也不一樣，而各部分之間又互相制約，由此而引起相變應(yīng)力。對(duì)于灰鑄鐵件來(lái)說(shuō)，當(dāng)鑄件的某一部分冷卻到共析溫度以下時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體及高碳相（石墨或滲碳體）。由于共析石墨化而使鑄件某部分產(chǎn)生一定的膨脹，如鑄件各部分溫度不一致，相變不同時(shí)發(fā)生，就會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力?？梢?，此處的相變應(yīng)力與淬火組織應(yīng)力也有類似之處。所不同之處是：在淬火過(guò)程中產(chǎn)生膨脹的組織是馬氏體，而鑄造過(guò)程中產(chǎn)生膨脹的組織是石墨。灰鑄鐵件粗厚部分的石墨化程度比細(xì)薄部分更充分些，因此薄部分受拉應(yīng)力，而厚部分受壓應(yīng)力。機(jī)械阻礙應(yīng)力：鑄鐵件冷卻到彈性狀態(tài)后，由于收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生機(jī)械阻礙應(yīng)力。它可表現(xiàn)為拉應(yīng)力或切應(yīng)力。當(dāng)機(jī)械阻礙一經(jīng)消除，應(yīng)力也隨之消失，所以它是一種臨時(shí)應(yīng)力。2.3.3 鑄造殘余應(yīng)力鑄件部位熱應(yīng)力相變應(yīng)力機(jī)械阻礙應(yīng)力由于共析轉(zhuǎn)變由于石墨化落砂前落砂后薄部分或外層－s＋s＋s＋s0厚部分或內(nèi)層＋s－s－s＋s0鑄鐵種類彈性模量E/MPa鑄造應(yīng)力s鑄/MPa鑄鐵種類彈性模量E/MPa鑄造應(yīng)力s鑄/MPa合金鑄鐵蠕墨鑄鐵121

870148

740106.30122.0～137.3球墨鑄鐵灰鑄鐵175

50087

510180.052.3鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力三者的代數(shù)和。鑄鐵件不同部位上的三種應(yīng)力見下表。各種鑄鐵的鑄造應(yīng)力見下表?；诣T鐵的鑄造應(yīng)力最小，球墨鑄鐵最大，蠕墨鑄鐵的鑄造應(yīng)力在兩者之間。鑄鐵件不同部位上的三種應(yīng)力 各種鑄鐵的鑄造應(yīng)力2.3.4 焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是在焊接過(guò)程中，焊接部位局部急速加熱到高溫，由于表面與內(nèi)部溫度的不均勻而引起的?？梢姡c淬火過(guò)程中熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因有類似之處。從原理上分析似乎比淬火情況要簡(jiǎn)單，但是焊接是將構(gòu)件彼此之間結(jié)合起來(lái)，并因?yàn)檫@種結(jié)合使整個(gè)構(gòu)件處于束縛狀態(tài)。焊接結(jié)構(gòu)形狀、尺寸等變化及焊接工藝的不同，使焊接應(yīng)力非常復(fù)雜，一般將焊接應(yīng)力分成焊接殘余應(yīng)力與約束應(yīng)力兩類。焊接殘余應(yīng)力約束應(yīng)力是指構(gòu)件焊接部位附近處在自由狀態(tài)的部分，由于焊接本身急速加熱到高溫而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力是靠本身保持平衡而存在的。是指來(lái)自結(jié)合部以外的約束而造成的殘余應(yīng)力。2.3.4 焊接殘余應(yīng)力（1）直接應(yīng)力（2）組織應(yīng)力不均勻加熱的結(jié)果取決于加熱和冷卻時(shí)的溫度梯度而表現(xiàn)出來(lái)的應(yīng)力。它是形成焊接殘余應(yīng)力的主要原因。由于焊接過(guò)程中材料發(fā)生相變，組織發(fā)生變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。也就是相變?cè)斐傻谋热葑兓a(chǎn)生的應(yīng)力，這與淬火組織應(yīng)力產(chǎn)生原因類似。對(duì)于焊接殘余應(yīng)力按其發(fā)生來(lái)源區(qū)分有以下三種情況：（3）間接應(yīng)力焊接前加工狀況造成的殘余應(yīng)力，如構(gòu)件經(jīng)過(guò)軋制或拉拔，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力如果沒(méi)有消除在焊接構(gòu)過(guò)程中就會(huì)疊加到焊接殘余應(yīng)力上去。2.3.4 焊接殘余應(yīng)力下表所列為焊接殘余應(yīng)力的一些具體數(shù)據(jù)。工件形狀材料焊接方法焊縫最高拉應(yīng)力值與位置最高壓應(yīng)力值與位置應(yīng)力為零處距焊縫中心距離/mm厚度12

mm板低碳鋼電焊不預(yù)熱140

MPa焊縫中心－140

MPa距焊縫50

mm處32厚度12

mm板低碳鋼電焊200

°C預(yù)熱70

MPa焊縫中心－120

MPa距焊縫50

mm處15T形結(jié)構(gòu)（高度為200

mm）低碳鋼電焊300

MPa焊縫中心－200

MPa距焊縫100

mm處80平板低碳鋼點(diǎn)焊徑向200

MPa距中心10

mm徑向周向150

MPa距中心10

mm焊接殘余應(yīng)力的一些具體數(shù)據(jù)斷口宏觀形貌分析方法2.4.1 宏觀斷口分析的目的與意義斷裂的宏觀分析一般是指用肉眼或放大鏡對(duì)宏觀斷口形貌、斷裂位置及裂紋形貌等進(jìn)行的分析方法。微觀分析主要指用掃描電鏡分析斷口或者用光學(xué)顯微鏡與透射電鏡分析微觀組織。對(duì)于斷裂后的零部件而言，斷口是材料斷裂后的留下的自然表面，提供重要的斷裂信息。用放大鏡對(duì)宏觀斷口分析進(jìn)行，有觀察面積大、結(jié)論可靠的優(yōu)點(diǎn)，一些情況下甚至根據(jù)宏觀斷口分析就可以初步確定斷裂的原因。宏觀斷口分析在失效分析中占有舉足輕重的地位，其分析的準(zhǔn)確性直接影響到后續(xù)分析工作。本節(jié)主要分析拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)及沖擊等斷裂后的宏觀斷口，至于最重要的疲勞斷口將在第3章中進(jìn)行分析。2.4.1 宏觀斷口分析的目的與意義對(duì)宏觀斷口進(jìn)行分析的主要目的：（1）根據(jù)宏觀斷口的形貌可以判斷裂紋源的位置與斷裂類型。這對(duì)進(jìn)一步分析及防止失效有重要的意義。例如裂紋源出現(xiàn)在表面，則應(yīng)強(qiáng)化零件的表面性能；如果裂紋源出現(xiàn)在材料內(nèi)部，則應(yīng)強(qiáng)化整體性能。找到裂紋源后才可以有的放矢地對(duì)裂紋源處的組織結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步深入分析。根據(jù)斷口宏觀形貌往往可以判斷出疲勞斷裂、脆性斷裂等斷裂類型。（2）通過(guò)宏觀斷口分析，結(jié)合零部件實(shí)際服役條件及各類典型力學(xué)試驗(yàn)條件下的斷裂應(yīng)力與斷裂過(guò)程確定斷裂模式。（3）宏觀斷口的形貌與微觀斷口形貌存在一定的聯(lián)系（見2.6節(jié)），通過(guò)宏觀斷口分析可以大致估計(jì)斷口微觀形貌，并確定對(duì)斷口進(jìn)行微觀分析（如利用掃描電鏡分析）的區(qū)域。（4）很多情況下根據(jù)宏觀斷口形貌可以粗略判斷材料某些性能。（5）某些情況下可以定性分析載荷大?。ɡ臁⑵诘龋?。2.4.2 裂紋源與裂紋擴(kuò)展方向的確定方法1.

利用輻射線（或稱放射狀條紋）判斷裂紋源多數(shù)情況下在宏觀斷口上均可以觀察到幅射線。這些幅射線本質(zhì)是：裂紋裂紋在不同平面上擴(kuò)展產(chǎn)生的微小塑性變形、斷口交割或鏈接而留下的痕跡，見圖。因此，可以根據(jù)幅射線推斷裂紋源的位置，這是最常用的方法。利用宏觀斷口判斷裂紋源（或啟裂點(diǎn)）具體的方法：沿著幅射線返回到它們匯聚成的“聚集區(qū)域”就是裂紋源（或啟裂點(diǎn)）區(qū)域。具體的例子分析如下：【例2-7】

T8鋼材料經(jīng)過(guò)淬火＋低溫回火的樣品，加工成沖擊樣品進(jìn)行沖擊。斷口形貌如圖所示。試確定樣品沖擊斷口啟裂點(diǎn)位置。斷口上放射線示意圖2.4.2 裂紋源與裂紋擴(kuò)展方向的確定方法分析：材料受到?jīng)_擊載荷作用，斷口呈現(xiàn)出明顯的放射線，其匯聚交點(diǎn)區(qū)域在右下角頂角處，如圖所示。可以斷定啟裂點(diǎn)就在該頂角處。根據(jù)啟裂點(diǎn)位置可以推測(cè)，材料經(jīng)沖擊載荷作用時(shí)，在不同部位受到的應(yīng)力是不相同的，應(yīng)該是在尖角處受到更大的應(yīng)力作用，所以在該處首先開裂。因此，對(duì)于承受沖擊載荷的部件，尖角處存在破壞的危險(xiǎn)性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該引起足夠重視。沖擊樣品裂紋源斷口形貌照片2.4.2 裂紋源與裂紋擴(kuò)展方向的確定方法2.1節(jié)中已經(jīng)論述，拉伸過(guò)載樣品會(huì)出現(xiàn)纖維區(qū)域。實(shí)際斷裂的部件很多情況下受到拉伸載荷或以拉伸為主的多種載荷共同作用斷裂，因此也會(huì)出現(xiàn)纖維區(qū)域。根據(jù)拉伸過(guò)載應(yīng)力分析可知，纖維區(qū)域的中部是應(yīng)力最大區(qū)域，所以纖維區(qū)域的中部應(yīng)該為裂紋源。從圖中可見輻射線的匯聚區(qū)在纖維區(qū)域的中心位置。2.

纖維區(qū)域的中心為裂紋源纖維中心區(qū)域裂紋源照片2.4.2 裂紋源與裂紋擴(kuò)展方向的確定方法根據(jù)剪切唇判斷裂紋源拉伸過(guò)載樣品在最后斷裂區(qū)域會(huì)出現(xiàn)剪切唇，而剪切唇是最后斷裂區(qū)域。實(shí)際零部件受到拉伸載荷作用也會(huì)出現(xiàn)剪切唇，該區(qū)域應(yīng)該是最后斷裂區(qū)域，根據(jù)此區(qū)域位置推測(cè)裂紋源，斷裂應(yīng)該是由裂紋源指向剪切唇。裂紋源位于斷口平坦區(qū)域零部件的宏觀斷口往往呈現(xiàn)出平坦區(qū)域與凹凸不平區(qū)域。凹凸不平區(qū)域?qū)嵸|(zhì)是塑性變形大的區(qū)域，應(yīng)該是應(yīng)力過(guò)載區(qū)域。所以凹凸不平區(qū)域是裂紋擴(kuò)展到最后快速失穩(wěn)擴(kuò)展形貌特征，而平坦區(qū)域是應(yīng)力較小的開始擴(kuò)展區(qū)域，所以裂紋源應(yīng)該在斷口平坦區(qū)域。2.4.2 裂紋源與裂紋擴(kuò)展方向的確定方法【例2-8】

40Cr鋼制備的M26螺栓在使用過(guò)程中斷裂，斷口的形貌見圖，試判斷裂紋源的位置。剪切唇判斷裂紋源分析：在斷口上不能找到明顯的輻射線的匯聚區(qū)域。在斷口的右側(cè)存在明顯的剪切唇，所以應(yīng)該屬于最后斷裂區(qū)域。在斷口左側(cè)存在平坦區(qū)域及不明顯的輻射線匯聚區(qū)域，因此判斷出裂紋源的位置如圖所示。2.4.2 裂紋源與裂紋擴(kuò)展方向的確定方法5.

根據(jù)疲勞弧線確定裂紋源很多疲勞斷口可見明顯的疲勞弧線，裂紋源位于疲勞弧線半徑最小處，具體分析見3.1節(jié)。為說(shuō)明宏觀斷口分析的重要性，舉例如下：【例2-9】 根據(jù)宏觀斷口分析并初步判斷鐵路彈條的斷裂原因。鋼軌是依靠彈條、螺旋道釘?shù)榷鄠€(gè)工務(wù)配件固定在軌枕上。彈條是固定鋼軌的重要部件，材料采用60Si2CrVA經(jīng)過(guò)淬火＋中溫回火后使用。某廠生產(chǎn)的彈條在安裝使用一定時(shí)間后，約10%的彈條發(fā)生斷裂。斷裂彈條典型的宏觀斷口形貌如圖所示。斷裂彈條的宏觀斷口照片2.4.2 裂紋源與裂紋擴(kuò)展方向的確定方法通過(guò)仔細(xì)觀察宏觀斷裂現(xiàn)象基本可以斷定：這件彈條早期斷裂的主要原因是彈條在熱加工成型過(guò)程中存在明顯的加工缺陷。依據(jù)如下：（1）上圖中可以清楚地看到輻射線匯聚區(qū)域，從而確定斷裂開始點(diǎn)位置。在彈條啟裂位置處，存在明顯的加工缺陷，肉眼可見。在該缺陷上存在很厚的藍(lán)色氧化皮。這種氧化皮并非是服役過(guò)程中彈條開裂發(fā)生銹蝕的銹斑，而是熱加工留下的氧化痕跡。（2）彈條是在交變應(yīng)力作用下使用，如果是在服役條件下斷裂應(yīng)該是疲勞斷裂，該斷口的宏觀形貌顯然并非疲勞斷口形貌（判斷疲勞斷口見3.1節(jié)），說(shuō)明存在引起斷裂的異常原因。6.

裂紋擴(kuò)展方向的確定裂紋源確定后，一般情況下裂紋擴(kuò)展的宏觀方向即可確定，它是指向裂紋源的反方向。例如斷口上可以見到輻射線（放射線），其輻射線的發(fā)散方向就是裂紋擴(kuò)展方向。如果斷口上可見纖維區(qū)域，纖維區(qū)域至剪切唇方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過(guò)載斷裂斷口分析1.

圓柱樣品拉伸斷口在2.1節(jié)中說(shuō)明了拉伸試驗(yàn)過(guò)程中試樣的應(yīng)力狀態(tài)與斷裂過(guò)程，這種應(yīng)力分布狀態(tài)、斷裂過(guò)程及材料的性能就決定了拉伸斷口形貌。在工程上習(xí)慣以拉伸試驗(yàn)斷裂時(shí)的延伸率小于5%判定是脆性材料，反之是韌性材料。脆性材料還是韌性材料本質(zhì)上取決材料的屈服強(qiáng)度tT，如果其值很低則為塑性材料。根據(jù)破斷面的形貌，宏觀上可以大致將斷裂情況分成三類：第一類試樣的破斷面與拉伸軸成90°，即斷口垂直試樣的軸線，并且斷口上可以看見明顯的剪切唇。這類斷口也稱為“杯錐狀斷口”。第二類試樣的破斷面雖然與拉伸軸成90o，但是斷口上觀察不到剪切唇。第三類試樣的破斷面與拉伸軸成45o，即斷口面的法線與試樣的軸線成45°角，并且斷口上可以看見剪切唇。2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過(guò)載斷裂斷口分析以上三類斷裂形式與斷口形貌見圖。（a）斷口形貌（b）斷口形貌說(shuō)明圓柱形樣品第一類拉伸斷口（a）第二類拉伸斷裂照片（c）第三類拉伸斷裂（b）第二類拉伸斷裂斷口形貌圓柱形樣品第二、三類拉伸斷口2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過(guò)載斷裂斷口分析根據(jù)斷口宏觀分析結(jié)合加載狀態(tài)可以推測(cè)出下面一些重要結(jié)論：（1）推測(cè)出最大拉應(yīng)力與切應(yīng)力在零部件中的大致位置。將零部件大致分為縱向（幾何尺寸最長(zhǎng)方向）、橫向方向（幾何尺寸居中方向）與厚度方向（幾何尺寸最小方向），如果載荷是沿縱向加載，就可以大致判斷出最大拉應(yīng)力垂直縱向、最大切應(yīng)力大約與縱向成45°。根據(jù)零部件幾何形狀與應(yīng)力集中的影響（見2.2節(jié)）大致可以推測(cè)最大應(yīng)力的區(qū)域。這些區(qū)域應(yīng)該是最容易斷裂的位置。（2）確定裂紋源位置。如果零部件形狀是圓柱形，按照設(shè)計(jì)軸向受到拉伸載荷，但是裂紋源卻沒(méi)有出現(xiàn)在中心區(qū)域，有理由懷疑零部件服役過(guò)程中受到其他附加應(yīng)力，或存在殘余應(yīng)力，或材料內(nèi)部有問(wèn)題。（3）斷口呈第一類斷口說(shuō)明材料抗剪切屈服強(qiáng)度較低，在外加切應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)出有較好的塑韌性。但是材料的切斷抗力tk較高，切斷抗力與正斷抗力比值大于1/2，所以在最大拉應(yīng)力方向斷裂。2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過(guò)載斷裂斷口分析（4）當(dāng)觀察到纖維區(qū)的面積與剪切唇的面積減少，纖維區(qū)的粗糙度降低，同時(shí)放射區(qū)的面積增加，粗糙程度也降低，表面顯得光亮，表明材料強(qiáng)度較高但是塑性韌性降低。（5）如果觀察到斷口上幅射線很細(xì)，說(shuō)明材料韌性差，輻射線越細(xì)，韌性越差。（6）如果觀察不到輻射線，初步斷定微觀斷裂機(jī)制為沿晶斷裂或者解理斷裂（見2.5節(jié)）。實(shí)際零部件在拉伸載荷作用下斷裂的斷口與拉伸試驗(yàn)中樣品斷口會(huì)有一定的差別，但是只要加載方式類似，其基本的規(guī)律就不會(huì)發(fā)生變化，在實(shí)際零部件斷口中，往往觀察不到剪切唇，要注意觀察放射區(qū)與纖維區(qū)域的比例、斷口的光澤、斷口的粗糙程度，從而判斷斷裂的性質(zhì)是脆斷還是韌斷。2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過(guò)載斷裂斷口分析同樣地，材料由于熱處理工藝不同、拉伸試驗(yàn)溫度不同，斷口形貌會(huì)發(fā)生變化，見圖。（a）不同熱處理工藝硬度不同樣品拉伸斷口宏觀形貌 （b）不同拉伸溫度斷口宏觀形貌同種材料不同熱處理工藝及不同試驗(yàn)溫度宏觀斷口形貌變化照片2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過(guò)載斷裂斷口分析2.

片狀樣品拉伸斷口片狀拉伸樣品斷口形貌與圓柱形樣品斷口形貌有所不同，主要原因是片狀樣品在拉伸時(shí)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于韌性材料，由于切斷抗力比正斷抗力弱得多，在最大剪應(yīng)力作用下斷裂。因?yàn)樽畲蠹魬?yīng)力與軸線約成45°角，所以斷口面往往與拉伸軸成45°，見圖。（a）（c）（b）片狀樣品45°破斷面照片與示意圖2.4.3 圓柱形與片狀樣品拉伸過(guò)載斷裂斷口分析【例2-10】 Al-5%Cu合金拉伸斷口45加入10%的Al2O3纖維制成Al-5%Cu基的復(fù)合材料，強(qiáng)度大幅度上升。拉伸斷口成90°，試根據(jù)斷口形貌變化分析斷裂機(jī)制差別（見圖2-33）。Al-5%Cu與Al-5%Cu基的復(fù)合材料拉伸斷口破斷面形貌照片根據(jù)2.1節(jié)中分析可知，Al-5%Cu合金拉伸斷口成45°，表明材料切斷抗力tk較低，是在剪切應(yīng)力作用下斷裂的。因?yàn)槔煸囼?yàn)時(shí)45°斜面上的切應(yīng)力最大，且與軸向拉應(yīng)力的比值是1/2，所以推知材料的切斷抗力與正斷抗力之間的比值小于1/2。加入纖維之后拉伸斷口破斷面發(fā)生從45°變換到90°變化，說(shuō)明斷裂機(jī)制發(fā)生變化，斷裂是在正斷應(yīng)力作用下發(fā)生的。推知纖維的加入大幅度提高材料的切斷抗力，所以使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高。2.4.4 圓柱樣品扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂斷口分析2.1節(jié)中論述了圓柱樣品在純扭轉(zhuǎn)情況下的應(yīng)力狀態(tài)。最大正應(yīng)力與軸線成45，最大切應(yīng)力與軸成90°，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力比值為0.8。因?yàn)檫@個(gè)比值高于拉伸載荷下最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力比值0.5，所以更容易在切應(yīng)力作用下斷裂。與拉伸斷口有類似之處，由于材料性能不同可以分成韌性斷裂與脆性斷裂，即斷裂面與試樣軸線可以成45°與90°兩種角度，實(shí)質(zhì)上反映出不同材料有不同的正斷抗力與切斷抗力的大小。韌性扭轉(zhuǎn)斷裂：斷口與軸線成90°。下圖是Al-4%Cu合金樣品扭轉(zhuǎn)斷裂斷口照片。眾所周知，該合金有良好的韌性，實(shí)質(zhì)上材料的屈服強(qiáng)度與切斷抗力均很低，所以在外載荷引起的切應(yīng)力作用下發(fā)生韌性斷裂。因?yàn)樽畲蠹魬?yīng)力與軸線垂直，導(dǎo)致斷口與軸線垂直，斷口常表現(xiàn)出“漩渦”狀。2.4.4 圓柱樣品扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂斷口分析（a）斷裂面垂直軸線切斷斷口（b）斷口宏觀照片（斷口非常平坦）（c）下斷口激光共聚焦照片可見斷口上變形條紋（100×）（d）下斷口激光共聚焦照片可清楚看見斷口上變形條紋（500×）2.4.5 彎曲過(guò)載斷裂斷口由于試樣承受彎曲載荷與拉伸載荷有類似之處，所以斷口形貌也有類似之處。由于試樣一側(cè)受拉、另一側(cè)受壓，所以斷裂從拉伸一側(cè)向相對(duì)的另一側(cè)進(jìn)行。與拉伸斷裂類似斷口也可以分成脆性斷口與韌性斷口兩類，見圖。（a）車軸彎曲沖擊過(guò)載宏觀斷口照片（c）彎曲過(guò)載脆性斷口照片（b）車軸彎曲過(guò)載宏觀斷口照片彎曲過(guò)載脆性斷口與韌性斷口2.4.5 彎曲過(guò)載斷裂斷口脆性斷口由于沒(méi)有發(fā)生顯著塑性變形，斷口上沒(méi)有明顯的輻射線，因此難以確認(rèn)裂紋源的位置，但根據(jù)受力狀態(tài)裂紋源應(yīng)該在受拉一側(cè)表面。斷口形貌與拉伸過(guò)載脆性斷口類似。對(duì)于彎曲過(guò)載的韌性斷裂斷口，裂紋在拉伸一側(cè)形成后橫向擴(kuò)展直到斷裂，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中發(fā)生顯著塑性變形，直到裂紋擴(kuò)展到另一側(cè)很薄區(qū)域，類似變成平面應(yīng)力狀態(tài)拉伸形成剪切唇。根據(jù)上述分析，彎曲過(guò)載韌性斷口形貌與拉伸斷裂韌性斷口最顯著的不同之處是：裂紋源在表面，剪切唇僅在一側(cè)出現(xiàn)，剪切唇相對(duì)位置的外表面常常是裂紋源位置。剪切唇部分區(qū)域越大，說(shuō)明承受的彎曲應(yīng)力也越大。一些韌性斷裂的斷口上可以觀察到輻射線，見圖，根據(jù)輻射線可以確定裂紋源位置，見圖。彎曲斷裂斷口存在明顯輻射線照片2.4.5 彎曲過(guò)載斷裂斷口【例2-11】

某公司為大型設(shè)備設(shè)計(jì)使用的螺栓，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)服役條件分析，認(rèn)為螺栓受到的是拉伸應(yīng)力，所以按照材料強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用42CrMo材料制造，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。但是在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂情況，斷口形貌見圖。試分析斷裂模式。分析：由圖可見，斷口并非拉伸過(guò)載斷口，屬于典型的彎曲斷裂斷口。說(shuō)明在實(shí)際服役條件下螺栓受到的是彎曲載荷（也可能是彎曲交變載荷）。根據(jù)輻射線與剪切唇的位置可以判斷出裂紋源的位置是在螺栓的根部。由圖還可見，剪切唇部分所占據(jù)的面積相當(dāng)大，說(shuō)明在服役過(guò)程中，螺栓受到較大的彎曲應(yīng)力作用。斷裂螺栓宏觀斷口形貌照片2.4.6 剪切過(guò)載斷裂斷口工程中純剪切斷裂情況并不多見。剪切試驗(yàn)斷口用途與實(shí)際零部件對(duì)比，服役條件下是否承受了剪切載荷。圖是34CrNiMo鋼Φ10

mm圓棒調(diào)質(zhì)處理后，剪切過(guò)載后樣品斷裂情況與斷口宏觀形貌照片。材料抗拉強(qiáng)度為450～520MPa，屈服強(qiáng)度為250～300MPa，剪切強(qiáng)度為350～420MPa。（a）剪切過(guò)載斷裂樣品宏觀形貌（b）剪切斷口宏觀形貌（c）剪切斷口宏觀形貌（心部裂紋長(zhǎng)）（d）剪切斷口宏觀形貌（心部小裂紋）（e）剪切斷口宏觀形貌（心部粗糙）

（f）剪切斷口宏觀形貌（嚴(yán)重變形開裂）2.4.7 沖擊過(guò)載斷裂斷口（a）50CrVA淬火＋回火（常溫沖擊，沖擊功34J）（b）50CrVA淬火＋回火（－20

°C沖擊，沖擊功15J）沖擊試樣斷口形貌與說(shuō)明見圖。（c）50CrVA（粗晶粒鋼）淬火＋回火（－40°C沖擊，沖擊功4.5J）2.4.7 沖擊過(guò)載斷裂斷口沖擊試樣斷口也可以分成纖維區(qū)域、放射區(qū)域與剪切唇。裂紋是從切口表面開裂的。如果材料的韌性好，斷口上纖維區(qū)域與剪切唇所占的面積就較大，如果放射區(qū)域增加了，但是還存在剪切唇與纖維區(qū)域，說(shuō)明材料雖然含有一定韌性，但是韌性變差了。如果出現(xiàn)結(jié)晶狀斷口[見圖（c）]，則說(shuō)明材料基本是脆性的。如果工件的斷口出現(xiàn)結(jié)晶狀斷口形貌，提示材料韌性太低，這種材料不適合在此環(huán)境下服役，或者是材料本身的質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題及工作環(huán)境出現(xiàn)變化（如環(huán)境溫度過(guò)低等）。上面各種載荷下宏觀斷口分析結(jié)論可以用于失效分析之中：（1）將零部件斷裂后的斷口與典型力學(xué)試驗(yàn)斷口對(duì)比，對(duì)確定斷裂模式提供直接的依據(jù)。（2）根據(jù)宏觀斷口形貌可以將斷裂分成韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂（斷口形貌分析見3.1節(jié)）三種主要類型及應(yīng)力和環(huán)境綜合作用斷裂類型（綜合作用斷裂包括應(yīng)力腐蝕開裂、液體金屬致脆、間隙元素脆化、腐蝕疲勞和持久斷裂等）。確定斷裂類型對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)和預(yù)防失效的發(fā)生有重要的作用。斷口微觀形貌分析方法2.5.1 分析目的進(jìn)一步分析斷裂機(jī)制常采用SEM分析微觀斷裂機(jī)制，采用SEM方法的目的是：（1）觀察裂紋源附近的形貌是否有特殊之處（如夾雜物等）。（2）觀察斷口上是否有微裂紋。（3）判斷微觀斷裂機(jī)制（觀察疲勞條紋，判斷韌性斷裂與脆性斷裂、解理斷裂、韌窩斷裂等）。（4）疲勞定量分析。（5）在光學(xué)顯微鏡分辨率不夠時(shí)，有時(shí)可用觀察樣品微觀組織形貌。2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途掃描電鏡成圖像仍為不同形狀的黑區(qū)＋白區(qū)，意義又不相同，掃描線圈，兩者同步掃描。掃描電鏡（見圖）是利用聚焦的電子束對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描，

與樣品表面互相作用激發(fā)出各種信號(hào)（主要是背散射電子與二次電子），這些信號(hào)通過(guò)后續(xù)的同步檢測(cè)、放大后作用在熒光屏上。熒光屏表面有熒光體材料，這種材料受電子作用后會(huì)發(fā)光，作用電子越多，強(qiáng)度越高。2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途1.

二次電子成像原理二次電子：在單電子激發(fā)過(guò)程中，被入射電子轟擊出來(lái)的核外電子稱為二次電子。二次電子的信號(hào)主要來(lái)源于樣品表面5～10nm深度范圍。二次電子強(qiáng)度規(guī)律——二次電子產(chǎn)生的數(shù)量（即強(qiáng)度）與原子序數(shù)沒(méi)有明顯關(guān)系，但是對(duì)于微區(qū)小平面相對(duì)于入射電子束的角度卻十分敏感，見圖。（a）

0

（b）

45

（c）

60

（d）襯度與二次電子產(chǎn)額的關(guān)系2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途試驗(yàn)表明：在入射電子束強(qiáng)度一定的條件下，二次電子的強(qiáng)度隨樣品傾斜角度的增加而增加。二次電子的產(chǎn)額正比1/cos，因此樣品表面尖棱處、小粒子處產(chǎn)生的二次電子強(qiáng)度非常高，據(jù)此對(duì)掃描電鏡的二次電子成像中的黑區(qū)與白區(qū)給出解釋：（1）利用二次電子成像的SEM圖像中的白區(qū)對(duì)應(yīng)樣品尖角區(qū)、小粒子區(qū)等。（2）利用二次電子成像的SEM圖像中的黑區(qū)對(duì)應(yīng)樣品凹區(qū)。（3）凹區(qū)與尖角區(qū)越多，黑白越分明，襯度也就越大。斷裂樣品的斷口，微觀上分析就是由許多凹凸不平的區(qū)域組成，所以特別適合掃描電鏡分析。配合能譜可以對(duì)微小區(qū)域進(jìn)行成分測(cè)定，因此它成為失效分析的主要手段。2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途2.

背散射電子成像原理背散射電子——被固體樣品原子反射回來(lái)的一部分入射電子，所以也稱為反射電子。背散射電子的強(qiáng)度規(guī)律——當(dāng)入射電子能量在10～40KeV范圍內(nèi)，背散射電子強(qiáng)度隨材料原子序數(shù)Z的增大而增大，形成一種“成分襯度”。可見背散射電子的強(qiáng)度規(guī)律與二次電子完全不同，所以形成的黑區(qū)與白區(qū)的物理意義也不同。根據(jù)上述原理可有以下結(jié)論：背散射電子像中，黑區(qū)是平均原子序數(shù)小的區(qū)域，白區(qū)是平均原子序數(shù)大的區(qū)域。應(yīng)該說(shuō)明的是：很多情況下是二次電子與背散射電子是同時(shí)存在的。因?yàn)楣忡R極限分辨率為200

nm，掃描電鏡分辨率為10～30

nm。因此，如果樣品是基體中析出細(xì)小的合金化合物，如果合金化合物尺寸非常細(xì)小，在光學(xué)顯微鏡下難以觀察清楚，當(dāng)化合物成分與基體有很大差別時(shí)，在掃描電鏡下觀察可以獲得良好效果。2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途【例2-12】 圓管形軸承圈采用G20CrNi2MoA

材料制造。工藝如下：鍛造→正火→粗加工→滲碳＋淬火＋回火→磨削在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)裂紋，為分析裂紋產(chǎn)生原因，需要對(duì)組織進(jìn)行觀察，但是在金相顯微鏡下觀察不清楚內(nèi)部細(xì)節(jié)，在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)存在沿晶界析出的碳化物，見圖。（a）滲層金相組織照片（500×） （b）滲層組織掃描電鏡照片滲碳組織光學(xué)顯微鏡與掃描電鏡照片2.5.2 掃描電鏡成像原理與典型用途【例2-13】 某企業(yè)生產(chǎn)鐵路車輛軸承內(nèi)圈，采用的材料為G20GrNi2Mo2，處理的工藝如下：下料→鍛造→鍛造后緩冷（相當(dāng)退火）→機(jī)加工→滲碳（930C；30

h降溫到870C；3

h；油冷）→低溫回火→800C45

min淬火→低溫回火（170C

4

h）→磨削→140C

5

h去應(yīng)力→精磨→磷化要求磷化膜厚度為3～5

mm。軸承是通過(guò)擠壓安裝在車軸上進(jìn)行使用的。為防止軸承使用過(guò)程中松動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)擠壓力要達(dá)到88.2～247

kN。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的軸承內(nèi)圈擠壓力不穩(wěn)定，顯然與磷化膜組織有關(guān)，但是在光學(xué)顯微鏡下，無(wú)法觀察出磷化膜的形貌，需采用掃描電鏡進(jìn)行觀察。兩個(gè)廠家生產(chǎn)的軸承內(nèi)圈表面磷化層形貌照片2.5.3 典型斷口微觀形貌（a）解理臺(tái)階（b）河流花樣1.

解理斷裂的斷口形貌典型形貌見圖。（c）－196C沖擊破壞解理斷口形貌

（d）焊縫金屬解理斷口形貌（e）解理斷口（f）解理斷口2.5.3 典型斷口微觀形貌如果在掃描電鏡下觀察到解理斷口，提供關(guān)于材料失效的信息總結(jié)如下：（1）說(shuō)明材料發(fā)生的斷裂是一種脆性斷裂機(jī)制。但是并不能說(shuō)明材料斷裂時(shí)沒(méi)有塑性變形，有些材料雖然微觀斷裂機(jī)制是脆性斷裂，但是還是有一定的塑性變形。但是從預(yù)防失效的角度考慮，一般說(shuō)提高材料韌性是必要的。（2）裂紋應(yīng)該在材料的內(nèi)部一些特殊的晶面首先形成。（3）斷口上可以判斷裂紋擴(kuò)展的局部方向。河流花樣是由解理臺(tái)階匯聚而成。仔細(xì)觀察（4）結(jié)合材料性能測(cè)定，如果材料的韌性較好，出現(xiàn)解理斷口，從材料本身考慮，提示是否零部件在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下工作，也可懷疑是否材料本身的晶粒尺寸過(guò)大。（5）從零部件服役條件考慮，可以懷疑是否零部件處于三向應(yīng)力狀態(tài)服役，或者零部件服役前就存在原始裂紋，即使受到單向拉應(yīng)力也會(huì)在裂紋尖端產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)（見2.2節(jié)）。2.5.3 典型斷口微觀形貌2.

韌性斷裂韌窩狀斷口形貌材料發(fā)生延性斷裂，其主要斷口微觀形貌見圖。（a）韌窩狀斷口形貌 （b）韌窩內(nèi)存在夾雜物延性斷裂韌窩狀斷口形貌照片2.5.3 典型斷口微觀形貌韌窩是韌性斷裂的微觀特征，但是不能據(jù)此就