韌性斷裂

韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂,即零件斷裂之前,在斷裂部位出現較為明顯的塑性變形。在工程結構中,韌性斷裂一般表現為過載斷裂,即零件危險截面處所承受的實際應力超過了材料的屈服強度或強度極限而發生的斷裂。

在正常情況下,機載零件的設計都將零件危險截面處的實際應力控制在材料的屈服強度以下,一般不會出現韌性斷裂失效。但是,由于機械產品在經歷設計、用材、加工制造、裝配直至使用維修的全過程中,存在著眾多環節和各種復雜因素,因而機械零件的韌性斷裂失效至今仍難完全避免。

韌性斷裂機理

工程材料的顯微結構復雜,特定的顯微結構在特定的外界條件(如載荷類型與大小,環境溫度與介質)下有特定的斷裂機理和微觀形貌特征。金屬零件韌性斷裂的機理主要是滑移分離和韌窩斷裂。

韌窩斷裂

韌窩是金屬韌性斷裂的主要特征。韌窩又稱作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韌窩是材料在微區范圍內塑性變形產生的顯微空洞,經形核、長大、聚集,Z后相互連接導致斷裂后在斷口表面留下的痕跡。

雖然韌窩是韌性斷裂的微觀特征,但不能僅僅據此就作出韌性斷裂的結論,因為韌性斷裂與脆性斷裂的主要區別在于斷裂前是否發生可察覺的塑性變形。即使在脆性斷裂的斷口上,個別區域也可能由于微區塑變而形成韌窩。

(1)韌窩的形成 韌窩形成的機理比較復雜,大致可分為顯微空洞的形核、顯微空洞的長大和空洞的聚集三個階段。D.Broek 根據實驗結果,建立了韌窩形核及生長模型。

這個韌窩模型,可以同時解釋在拉應力作用下形成等軸韌窩或拋物線韌窩和夾雜物或第二相粒子在切應力作用下破碎而形成韌窩的現象。

(2)韌窩的形狀 韌窩的形狀主要取決于所受的應力狀態,基本的韌窩形狀有等軸韌窩、撕裂韌窩和剪切韌窩三種。

等軸韌窩是在正應力作用下形成的。在正應力的作用下,顯微空洞周邊均勻增長,斷裂之后形成近似圓形的等軸韌窩。

剪切韌窩是在切應力作用下形成的,通常出現在拉伸或沖擊斷口的剪切唇上,其形狀呈拋物線形,匹配斷面上拋物線的凸向相反。

撕裂韌窩是在撕裂應力的作用下形成,常見于尖銳裂紋的前端及平面應變條件下低能撕裂斷口上,也呈拋物線形,但在匹配斷口上,撕裂韌窩不但形狀相似,而且拋物線的凸向也相同。

在實際斷口上往往是等軸韌窩與拉長韌窩共存,或在拉長韌窩的周圍有少量的等軸韌窩。

(3)韌窩的大小 韌窩的大小包括平均直徑和深度,深度常以斷面到韌窩底部的距離來衡量。影響韌窩大小的主要因素有第二相質點的大小與密度、基體塑性變形能力、硬化指數、應力的大小與狀態及加載速度等。通常對于同一材料,當斷裂條件相同時,韌窩尺寸愈大,表征材料的塑性愈好。

脆性斷裂失效分析

概述

工程構件在很少或不出現宏觀塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的ψ<5%)情況下發生的斷裂稱作脆性斷裂,因其斷裂應力低于材料的屈服強度,故又稱作低應力斷裂。由于脆性斷裂大都沒有事先預兆,具有突發性,對工程構件與設備以及人身安全常常造成極其嚴重的后果。因此,脆性斷裂是人們力圖予以避免的一種斷裂失效模式。盡管各國工程界對脆性斷裂的分析與預防研究極為重視,從工程構件的設計、用材、制造到使用維護的全過程中,采取了種種措施,然而,由于脆性斷裂的復雜性,至今由脆性斷裂失效導致的災難性事故仍時有發生。

形式

金屬構件脆性斷裂失效的表現形式主要有:

(1)由材料性質改變而引起的脆性斷裂,如蘭脆、回火脆、過熱與過燒致脆、不銹鋼的 475℃脆和σ相脆性等。

(2)由環境溫度與介質引起的脆性斷裂,如冷脆、氫脆、應力腐蝕致脆、液體金屬致脆以及輻照致脆等。

(3)由加載速率與缺口效應引起的脆性斷裂,如高速致脆、應力集中與三應力狀態致脆等。

疲勞斷裂失效

概述

按斷裂前宏觀塑性變形的大小分類,疲勞斷裂屬脆性斷裂范疇。但由于疲勞斷裂出現的比例高,危害性大,且是在交變載荷作用下出現的斷裂,因此國內外工程界均將其單獨作為一種斷裂形式加以重點分析研究。

疲勞斷裂的定義

工程構件在交變應力作用下,經一定循環周次后發生的斷裂稱作疲勞斷裂。

疲勞斷裂的特點

(1)多數工程構件承受的應力呈周期性變化稱為循環交變應力。如活塞式發動機的曲軸、傳動齒輪、渦輪發動機的主軸、渦輪盤與葉片、飛機螺旋槳以及各種軸承等。這些零件的失效,據統計 60%～80%是屬于疲勞斷裂失效。

(2)疲勞破壞表現為突然斷裂,斷裂前無明顯變形。不用特殊探傷設備,無法檢測損傷痕跡。除定期檢查外,很難防范偶發性事故。

(3)造成疲勞破壞的循環交變應力一般低于材料的屈服極限,有的甚至低于彈性極限。

(4)零件的疲勞斷裂失效與材料的性能、質量、零件的形狀、尺寸、表面狀態、使用條件、外界環境等眾多因素有關。

(5)很大一部分工程構件承受彎曲或扭轉載荷,其應力分布是表面Z大,故表面狀況(如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蝕及脫碳等)對疲勞抗力有極大影響。