材料失效分析—金屬的疲勞破壞

1.1材料失效簡介

材料失效分析在工程上正得到日益廣泛的應用和普遍的重視。失效分析對改進產品設計、選材等提供依據(jù),并可防止或減少斷裂事故的發(fā)生;可以提高機械產品的信譽,并能起到技術反饋作用,明顯提高經濟效益。大力開展失效分析研究,無論對工業(yè)、民生、科技發(fā)展,都具有極其重要的作用。

所謂失效——主要指機械構件由于尺寸、形狀或材料的組織與性能發(fā)生變化而引起的機械構件不能完滿地完成指定的功能。亦可稱為故障或事故。一個機械零部件被認為是失效,應根據(jù)是否具有以下三個條件中的一個為判據(jù):

(1)零件完全破壞,不能工作;

(2)嚴重損傷,繼續(xù)工作不安全;

(3)雖能暫時安全工作,但已不能滿意完成指定任務。

上述情況的任何一種發(fā)生,都認為零件已經失效。

機械零部件最常見的失效形式有以下幾種: 1.斷裂失效:通常包括塑性(韌性)斷裂失效;低應力脆性斷裂失效;疲勞斷裂失效; 蠕變斷裂失效;應力腐蝕斷裂失效。 2.表面損傷失效:通常包括磨損失效;腐蝕失效;表面疲勞失效 3.變形失效:包括塑性變形失效;彈性變形失效,同一種零件可有幾種不同失效形式。一個零件失效,總是由一種形式起主導作用,很少以兩種形式主導失效的。但它們可以組合為更復雜的失效形式,例如腐蝕磨損、腐蝕疲勞等。

2.1疲勞破壞

飛機、船舶、汽車、動力機械、工程機械 、冶金、石油等機械以及鐵路橋梁等的主要零件和構件,大多在循環(huán)變化的載荷下工作,疲勞是其主要的失效形式。

金屬疲勞是指材料、零構件在循環(huán)應力或循環(huán)應變作用下,在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷,經一定循環(huán)次數(shù)后產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。當材料和結構受到多次重復變化的載荷作用后,應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限,甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞,這種在交變載荷重復作用下材料和結構的破壞現(xiàn)象,就叫做金屬的疲勞破壞。

2.2疲勞斷裂的特征

1、疲勞斷裂應力(周期載荷中的最大應力 )遠比靜載荷下材料的抗拉強度低,甚至比屈服強度也低得多。

2、不管是脆性材料或延性材料,其疲勞斷裂在宏觀上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂,故疲勞斷裂一般表現(xiàn)為低應力脆斷。

3、疲勞破斷是損傷的積累,積累到一定程度,即裂紋擴展到一定程度后才突然斷裂。 斷裂前要經過較長時間的應力循環(huán)次數(shù)N(=104;105;106……)才斷裂,所以疲勞斷 裂是與時間有關的斷裂。在恒應力或恒應變下,疲勞將由三個過程組成:裂紋的形成(形核);裂紋擴展到臨界尺寸;余下斷面的不穩(wěn)定斷裂。在宏觀上可清楚看到后二個過程。

4、材料抵抗疲勞載荷的抗力比一般靜載荷要敏感得多。疲勞抗力不僅決定于材料本 身,而且敏感地決定于構件的形狀,尺寸、表面狀態(tài)、服役條件和所處環(huán)境等。

5、疲勞斷裂一般是穿晶斷裂。

疲勞的研究可歸納為宏觀和微觀二方面:宏觀方面從分析疲勞應力或應變著手,研究疲勞載荷下的力學規(guī)律,建立起一系列疲勞抗力指標為正確選材和安全設計提供直接或間接資料;微觀方面從微觀機制著手研究在疲勞載荷下金屬內部的組織結構的改變和斷口形態(tài), 尋找疲勞裂紋產生的原因和裂紋擴展的機制及影響因素, 從而尋找提高疲勞抗力的途徑。目前的趨向是把宏觀和微觀結合起來。綜合研究金屬疲勞斷裂問題。

2.3機械零件疲勞斷裂失效形式

按交變載荷的形式不同,可分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉疲勞、接觸疲勞、振動疲勞等;按疲勞斷裂的總周次的大小(Nf)可分為高周疲勞(Nf>105)和低周疲勞(Nf<104);

按零件服役的溫度及介質條件可分為機械疲勞(常溫、空氣中的疲勞)、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕疲勞等。但其基本形式只有兩種,即由切應力引起的切斷疲勞及由正應力引起的正斷疲勞。其它形式的疲勞斷裂,都是由這兩種基本形式在不同條件下的復合。

1、彎曲疲勞斷裂

金屬零件在交變的彎曲應力作用下發(fā)生的疲勞破壞稱為彎曲疲勞斷裂。彎曲疲勞又可分為單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞及旋轉彎曲疲勞三類。其共同點是初裂紋一般源于表面,然后沿著與最大正應力垂直的方向向內擴展,當剩余截面不能承受外加載荷時,構件發(fā)生突然斷裂。

(1)單向彎曲疲勞斷裂

像吊車懸臂之類的零件,在工作時承受單向彎曲負荷。承受脈動的單向彎曲應力的零件,其疲勞核心一般發(fā)生在受拉側的表面上。疲勞核心一般為一個,斷口上可以看到呈同心圓狀的貝紋花樣,且呈凸向。最后斷裂區(qū)在疲勞源區(qū)的對面,外圍有剪切唇。

構件的次表面存在較大缺陷時,疲勞核心也可能在次表面產生。在受到較大的應力集中的影響時,疲勞孤線可能出現(xiàn)反向(呈凹狀),并可能出現(xiàn)多個疲勞源區(qū)。

(2)雙向彎曲疲勞斷裂

某些齒輪的齒根承受雙向彎曲應力的作用一。零件在雙向彎曲應力作用下產生的疲勞斷裂,其疲勞源區(qū)可能在零件的兩側表面,最后斷裂區(qū)在截面的內部。兩個疲勞核心并非同時產生,擴展速度也不一樣,所以斷口上的疲勞斷裂區(qū)一般不完全對稱。材料的性質、負荷的大小、結構特征及環(huán)境因素等都對斷口的形貌有影響,其趨勢與單向彎曲疲勞斷裂基本相同。

(3)旋轉彎曲疲勞斷裂

許多軸類零件的斷裂多屬于旋轉彎曲疲勞斷裂。旋轉彎曲疲勞斷裂時,疲勞源區(qū)一般出現(xiàn)在表面,但無固定地點,疲勞源的數(shù)量可以是一個也可以是多個。疲勞源區(qū)和最后斷裂區(qū)相對位置一般總是相對于軸的旋轉方向而逆轉一個角度。由此可以根據(jù)疲勞源區(qū)與最后斷裂區(qū)的相對位置推知軸的旋轉方向。

當軸的表面存在較大的應力集中時,可以出現(xiàn)多個疲勞源區(qū)。此時最后斷裂區(qū)將移至軸件的內部。

2、拉壓疲勞斷裂

拉壓疲勞斷裂最典型例子是各種蒸汽錘的活塞桿在使用中發(fā)生的疲勞斷裂。在通常情況下,拉壓疲勞斷裂的疲勞核心多源于表面而不是內部,這一點與靜載拉伸斷裂時不同。但當構件內部存在有明顯的缺陷時,疲勞初裂紋將起源于缺陷處。此時,在斷口上將出現(xiàn)兩個明顯的不同區(qū)域,一是光亮的圓形疲勞區(qū)(疲勞核心在此中心附近),周圍是瞬時斷裂區(qū)。在疲勞區(qū)內一般看不到疲勞弧線,而在瞬時斷裂區(qū)具有明顯的放射花樣。

應力集中和材料缺陷將影響疲勞核心的數(shù)量及其所在位置,瞬時斷裂區(qū)的相對大小與負荷大小及材料性質有關。

3、扭轉疲勞斷裂

各類傳動軸件的斷裂主要是扭轉疲勞斷裂。扭轉疲勞斷裂的斷口形貌,主要有三種類型。

(1)正向斷裂

斷裂表面與軸向成45角,即沿最大正應力作用的平面發(fā)生的斷裂。單向脈動扭轉時為螺旋狀;雙向扭轉時,其斷裂面呈星狀,應力集中較大的呈鋸齒狀。

(2)切向斷裂

斷面與軸向垂直,即沿著最大切應力所在平面斷裂,橫斷面齊平。

(3)混合斷裂

橫斷面呈階梯狀,即沿著最大切應力所在平面起裂并在正應力作用下擴展引起的斷裂。

正向斷裂的宏觀形貌一般為纖維狀,不易出現(xiàn)疲勞弧線。切向斷裂較易出現(xiàn)疲勞弧線。

4、振動疲勞斷裂

許多機械設備及其零部件在工作時往往出現(xiàn)在其平衡位置附近作來回往復的運動現(xiàn)象,即機械振動。機械振動在許多情況下都是有害的。它除了產生噪音和有損于建筑物的動負荷外,還會顯著降低設備的性能及工作壽命。由往復的機械運動引起的斷裂稱為振動疲勞斷裂。

當外部的激振力的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時,系統(tǒng)將出現(xiàn)激烈的共振現(xiàn)象。共振疲勞斷裂是機械設備振動疲勞斷裂的主要形式,除此之外,尚有顫振疲勞及喘振疲勞。

振動疲勞斷裂的斷口形貌與高頻率低應力疲勞斷裂相似,具有高周疲勞斷裂的所有基本特征。振動疲勞斷裂的疲勞核心一般源于最大應力處,但引起斷裂的原因,主要是結構設計不合理。因而應通過改變構件的形狀、尺寸等調整設備的自振頻率等措施予以避免。

單向彎曲載荷下下的疲勞斷口 雙向彎曲載荷下的疲勞斷口

2.4疲勞斷裂失效的一般特征

金屬零件在使用中發(fā)生的疲勞斷裂具有突發(fā)性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點。引起疲勞斷裂的應力一般很低,斷口上經?？捎^察到特殊的、反映斷裂各階段宏觀及微觀過程的特殊花樣。

1、疲勞斷裂的突發(fā)性

疲勞斷裂雖然經過疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴展、失穩(wěn)擴展三個元過程,但是由于斷裂前無明顯的塑性變形和其它明顯征兆,所以斷裂具有很強的突發(fā)性。即使在靜拉伸條件下具有大量塑性變形的塑性材料,在交變應力作用下也會顯示出宏觀脆性的斷裂特征。因而斷裂是突然進行的。

2、疲勞斷裂應力很低

循環(huán)應力中最大應為幅值一般遠低于材料的強度極限和屈服極限。例如,對于旋轉彎曲疲勞來說,經107次應力循環(huán)破斷的應力僅為靜彎曲應為的20~40%;對于對稱拉壓疲勞來說,疲勞破壞的應力水平還要更低一些。對于鋼制構件,在工程設計中采用的近似計算公式為:

或

3、疲勞斷裂是一個損傷積累的過程

疲勞斷裂不是立即發(fā)生的,而往往經過很長的時間才完成的。疲勞初裂紋的萌生與擴展均是多次應力循環(huán)損傷積累的結果。

在工程上通常把試件上產生一條可見的初裂紋的應力循環(huán)周次(N0)或將N0與試件的總壽命Nf的比值(N0/ Nf)作為表征材料疲勞裂紋萌生孕育期的參量。

疲勞裂紋萌生的孕育期與應力幅的大小、試件的形狀及應力集中狀況、材料性質、溫度與介質等因素有關。

4、疲勞斷裂對材料缺陷的敏感性

金屬的疲勞失較具有對材料的各種缺陷均為敏感的特點。因為疲勞斷裂總是起源于微裂紋處。這些微裂紋有的是材料本身的冶金缺陷,有的是加工制造過程中留下的,有的則是使用過程中產生的。

各因素對值影響的趨勢

5、疲勞斷裂對腐蝕介質的敏感性

金屬材料的疲勞斷裂除取決于材料本身的性能外,還與零件運行的環(huán)境條件有著密切的關系。對材料敏感的環(huán)境條件雖然對材料的靜強度也有一定的影響,但其影響程度遠不如對材料疲勞強度的影響來得顯著。大量實驗數(shù)據(jù)表明,在腐蝕環(huán)境下材料的疲勞極限較在大氣條件下低得多,甚至就沒有所說的疲勞極限。

2.5疲勞斷口形貌及其特征

一、疲勞斷口的宏觀形貌及其特征

由于疲勞斷裂的過程不同于其他斷裂,因而形成了疲勞斷 裂特有的斷口形貌,這是疲勞斷裂分析時的根本依據(jù)。

典型的疲勞斷口的宏觀形貌結構可分為疲勞核心、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴展區(qū)及瞬時斷裂區(qū)等五個區(qū)域。一般疲勞斷口在宏觀上也可粗略地分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)三個區(qū)域,更粗略地可將其分為疲勞區(qū)和瞬時斷裂區(qū)兩個部分。大多數(shù)工程構件的疲勞斷裂斷口上一般可觀察到三個區(qū)域,因此這一劃分更有實際意義。

二、疲勞斷口的微觀形貌特征

疲勞斷口微觀形貌的基本特征是在電子顯微鏡下觀察到的條狀花樣,通常稱為疲勞條痕、疲勞條帶、疲勞輝紋等。疲勞輝紋是具有一定間距的、垂直于裂紋擴展方向、明暗相交且互相平行的條狀花樣。

延性疲勞輝紋是指金屬材料疲勞裂紋擴展時,裂紋尖端金屬發(fā)生較大的塑性變形。疲勞條痕通常是連續(xù)的,并向一個方向彎曲成波浪形。通常在疲勞輝紋間存在有滑移帶,在電鏡下可以觀察到微孔花樣。高周疲勞斷裂時,其疲勞輝紋通常是延性的。

脆性疲勞輝紋是指疲勞裂紋沿解理平面擴展,尖端沒有或很少有塑性變形,故又稱解理輝紋。在電鏡下既可觀察到與裂紋擴展方向垂直的疲勞輝紋,又可觀察到與裂紋擴展方向一致的河流花樣及解理臺階。脆性金屬材料及在腐蝕介質環(huán)境下工作的高強度塑性材料發(fā)生的疲勞斷裂,或緩慢加載的疲勞斷裂中,其疲勞輝紋通常是脆性的。

三、疲勞斷裂的具體類型

1、高周疲勞斷裂性質的判別

高周疲勞斷口的微觀基本特征是細小的疲勞輝紋。此外,有時尚可看到疲勞溝線和輪胎花樣。依此即可判斷斷裂的性質是高周疲勞斷裂。但要注意載荷性質、材料結構和環(huán)境條件的影響。

2、低周疲勞斷裂性質的判別

低周疲勞斷口的微觀基本特征是粗大的疲勞輝紋或粗大的疲勞輝紋與微孔花樣。同樣,低周疲勞斷口的微觀特征隨材料性質、組織結構及環(huán)境條件的不同而有很大差別。

對于超高強度鋼,在加載頻率較低和振幅較大的條件下,低周疲勞斷口上可能不出現(xiàn)疲勞輝紋而代之以沿晶斷裂和微孔花樣為特征。

熱穩(wěn)定不銹鋼的低周疲勞斷口上除具有典型的疲勞輝紋外,常出現(xiàn)大量的粗 大滑移帶及密布著細小二次裂紋。

高溫條件下的低周疲勞斷裂,由于塑性變形容易,一般其疲勞輝紋更深、輝紋輪廓更為清晰,并且在輝紋間隔處往往出現(xiàn)二次裂紋。

3、振動疲勞斷裂性質的判別

金屬微振疲勞斷口的基本特征是細密的疲勞輝紋,金屬共振疲勞斷口的特征與低周疲勞斷口相似。但在疲勞裂紋的起始部位通?？梢钥吹侥p的痕跡、壓傷、微裂紋、掉塊及帶色的粉末(鋼鐵材料為褐色;鋁、鎂材料為黑色)。

4、腐蝕疲勞斷裂性質的判別

腐蝕疲勞斷口上的疲勞輝紋比較模糊,二次裂紋較多并具泥紋花樣。

碳鋼、銅合金的腐蝕疲勞斷裂多為沿晶分離;奧氏體不銹鋼和鎂合金等多為穿晶斷裂;Ni-Cr-Mo鋼在空氣中多呈穿晶斷裂,而在氫氣和H2S氣氛中多為沿晶或混晶斷裂。

加載頻率低時,腐蝕疲勞易出現(xiàn)沿晶分離斷裂。

5、金屬熱疲勞斷裂性質的判別

金屬熱疲勞斷裂的微觀特征是多為粗大的疲勞輝紋,或粗大的疲勞輝紋加微孔花樣,并且其上多有一層氧化物。

6、接觸疲勞斷裂性質的判別

接觸疲勞斷口和磨損疲勞斷口特征基本相同。其疲勞輝紋均因摩擦而呈現(xiàn)斷續(xù)狀和不清晰特征。

2.6疲勞斷裂原因分析

1、零件的結構形狀

零件的結構形狀不合理,主要表現(xiàn)在該零件中的最薄弱的部位存在轉角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造成過大的應力集中,疲勞微裂紋最易在此處萌生。

2、表面狀態(tài)

不同的切削加工方式(車、銑、刨、磨、拋光)會形成不同的表面粗糙度,即形成不同大小尺寸和尖銳程度的小缺口。這種小缺口與零件幾何形狀突變所造成的應力集中效果是相同的。由于表面狀態(tài)不良導致疲勞裂紋的形成是金屬零件發(fā)生疲勞斷裂的另一重要原因。

3、材料及其組織狀態(tài)

材料選用不當或在生產過程中由于管理不善而錯用材料造成的疲勞斷裂也時有發(fā)生。金屬材料的組織狀態(tài)不良是造成疲勞斷裂的常見原因。一般的說,回火馬氏體較其它混合組織,如珠光體加馬氏體及貝氏體加馬氏體具有更高的疲勞抗力;鐵素體加珠光體組織鋼材的疲勞抗力隨珠光體組織相對含量的增加而增加;任何增加材料抗拉強度的熱處理通常均能提高材料的疲勞抗力。組織的不均勻性,如非金屬夾雜物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲勞抗力降低而成為疲勞斷裂的重要原因。

4、裝配與聯(lián)接效應

裝配與聯(lián)接效應對構件的疲勞壽命有很大的影響。

正確的擰緊力矩可使其疲勞壽命提高5倍以上。容易出現(xiàn)的問題是,認為越大的擰緊力對提高聯(lián)接的可靠性越有利,使用實踐和疲勞試驗表明,這種看法具有很大的片面性。

5、使用環(huán)境

環(huán)境因素(低溫、高溫及腐蝕介質等)的變化,使材料的疲勞強度顯著降低,往往引起零件過早的發(fā)生斷裂失效。例如鎳鉻鋼(0.28%C,11.5% Ni,0.73%Cr),淬火并回火狀態(tài)下在海水中的條件下疲勞強度大約只是在大氣中的疲勞極限的20%。

3.1防止疲勞損壞

在金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如,在鋼鐵和有色金屬里,加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素,就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領,延長使用壽命。隨著科學技術的發(fā)展,現(xiàn)已出現(xiàn)“金屬免疫療法”新技術,通過事先引入的辦法來增強金屬的疲勞強度,以抵抗疲勞損壞。此外,在金屬構件上,應盡量減少薄弱環(huán)節(jié),還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度,以免發(fā)生銹蝕。對產生震動的機械設備要采取防震措施,以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候,要進行對金屬內部結構的檢測,對防止金屬疲勞也很有好處。

防止短期超載疲勞損壞的主要方法是:防止水擊,作好消除低頻共振的調頻及在正常周波下運行。

防止長期疲勞損壞的辦法是:按規(guī)定避開高頻激振力共振范圍,提高零件加工質量和改善工作條件。如防止低周波、超負荷運行,防止腐蝕和水擊等。

防止高溫疲勞損壞的主要措施是:選用高溫性能好的金屬來制造處于高溫下工作的零件,防止零件共振,防止徑向和軸向相摩擦等。

防止腐蝕疲勞損壞的主要措施是:提高零件材質耐腐蝕性;降低交變應力水平;改善汽水品質。

防止接觸疲勞的主要措施是:改善零件接觸面的緊貼程度,增加接觸面積以防止接觸點接觸的應力集中,消除或減弱調頻零件的振動力。