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Spring type
弹簧裂纹源位置的判别
进行弹簧断裂分析时首要工作是从断裂碎片中查清最初断裂部分,然后在其上找出裂纹源逐步展开断裂分析,分析产生断裂的原因和断裂性质。可根据下列特征进行弹簧裂纹源位置的判别。
(1)T型法:如果在一个弹簧上有两条相交的裂纹构成“T”型,如图2-1,在通常情况下横穿裂纹A为首先开裂。因为在同一弹簧上后产生的裂纹不可能穿越原有裂纹扩展,裂纹扩展方向平行于A裂纹。裂源位置在a或b,裂源区的裂纹较宽、较深。图中A为主裂纹,B为二次裂纹,a或b为裂纹源。
(2)分叉法:弹簧断裂过程中常常产生许多分叉,通常情况下裂纹分叉的方向为裂纹扩展方向,T型法判别主裂纹示意用展的反方向指向裂源位置。裂源在主裂纹上,一般情况下主裂纹宽而长如图2-2。T型法与分叉法通常用于判别脆性断裂的主裂纹及裂纹源。
(3)变形法:延性断裂的弹簧在断裂过程中发生变形后碎成几块,将碎片拼合后变形盆大的部份为主裂纹,裂纹源在主裂纹所形成的断口上,如图2-3:图中A为主裂纹,B,C为二次裂纹。
(4)由环境因素而引起断裂的弹簧例如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、蠕变等由于断口氧化或腐蚀产生氧化膜或腐蚀层。裂纹源位于腐蚀或氧化最严重部位的表面或次表面。原因是这个部位开裂时间长受环境因素影响大。
(5)按断口拼合后缝隙大小确定裂纹源:将断裂的两部分拼合,缝隙大的部位为裂纹源如图2-4。
(6)如断口上有放射条纹则放射条纹的收敛处为裂纹源如图2-5。如在断口上有人字纹,无应力集中时人字纹尖端指向裂纹源。有应力集中时人字纹尖端逆指向裂纹源。如图2-6和图2-7
(7)如断口上有粗橄的纤维状区城,裂纹源一般位于纤维区中央。
(8)若断口上有应劳弧线,裂源位于疲劳弧线收教处平借区内。若有台阶则为多源疲劳断裂,如图2-8。
(9)高压容器爆炸时,最后断裂区为锯齿状,如图2-9。
弹簧延性断裂
弹簧材料在过载负荷的作用下,局部发生明显的宏观塑性变形后弹簧断裂称为延性弹簧断裂。延性弹簧断裂有两种类型,一种是韧窝一微孔聚集型’弹簧断裂,另一种是滑移分离弹簧断裂:在工程结构材料中延性弹簧断裂反映为过载弹簧断裂,即零件所承受的真实应力超过了危险截面处材料的强度所发生的弹簧断裂。过载的原因可能来自设计失误、工艺失误或使用不当。使用中有时会遇到带裂缝的构件产生延性弹簧断裂事故,特别是一些高强度材料其裂缝扩展阻力都较小,对裂缝十分敏感,较小的裂缝即可使其产生宏观脆性的低应力弹簧断裂,其微观断口为韧窝状,弹簧断裂机制是微孔聚集型,零件成型的冷变形工艺如冷弯、冷锹、冷拨、冷冲、冷挤压等也经常发生延性弹簧断裂。
弹簧断口截取清洗和保存方法
一、断口试样的截取
为了进行零件的断裂分析需要从未完全断开的零件上截取试样。在截取过程中不得损伤断口和裂纹源。在打开裂纹之前,要对零件的断裂部位进行拍照。照片要包括零件全貌及宏观细节放大。要求所拍照片主题明确、轮廓清楚、立体感强、没有多余的阴影。
在分析判断裂源位置及裂纹扩展方向后,一般都是沿着裂纹扩展方向将裂纹打开形成断口。如果已知零件开裂原因可用同类型更大应力打开裂纹。若不清楚引起开裂的应力可采用三点弯曲打开裂纹,如图2-10所示。打开时裂源位置在二个支点一侧,受力支点在另一侧。
A.B:支承点
C:受力作用点
D:裂源
若在宏观外形上无法确定裂纹源或裂纹扩展方向时,通常在破断部位背后刨削或车削,监视进刀深度就能准确的发现裂纹前缘。
从较大尺寸零件上切取断口时,切口与断口应保持一定距离以防加工热量影响断口显微组织与断门形貌:,切口缝隙要小,选择的冷却剂不应污染或腐蚀断口。
如果原始断口损伤或腐蚀影响分析时,最好是在液氮温度下用冲击方法打开次生裂缝,因为次生裂缝没遭腐蚀或浸蚀较轻微。次生裂缝上常保存有形貌的精细结构可供断口分析。
二、断口的清洗
如果断口由于各种原因被污染、损伤、腐蚀会给分析带来困难为此必须清洗断口。不同污染情况的断口应用不同方法清洗.
1)对油污染的断口先用汽油洗去油腻,再把断日枚入盛有丙酮、石油醚或三氯甲烷等有棍溶液的玻璃lilt中,将玻璃皿放人超声波振荡器中进行超声清洗。如果没有超声波清洗机可用软毛刷蘸上有机溶剂清洗。
2)对在潮湿空气中暴露时间比较长锈蚀比较严重的断口,去除氧化膜后才能观察。可先用有机溶液、超声波或复型法清洗。如果效果不好的话就要用化学方法清洗,见表2-1。
如果断口表面锈层很厚用化学溶液不能去除时,可采用电解方法除锈见表2-2。
经化学清洗后的断口应立即放入稀Na2CO3或NaHCO3溶液中清洗,然后再用蒸馏水、酒精清洗、吹干保存。
(3)在腐蚀环境下发生断裂的断口,一般先用X射线、电子探针或能谱仪分析腐蚀产物成份、结构后再观察分析断口。因为这些腐蚀产物对分析断裂原因是有利的。
无沦化学或电化学清洗断川都或多或少损坏断口形貌,一般只能最后使用。
事故断口分析中不急于清除表面覆盖物,必须认真分析复盖物确认对分析无价值后再清洗。
三、断口的保存
拿到断口后最好立即观察,如因为时间、条件的限制来不及观察的话,为保持断日的产鲜要妥善存断口。不同情况可采取不同方法。
1.在大气中的新鲜断口应立即放入干燥器内或置于其它干燥、无尘的场所保存以避免断口受潮氧化。
2,不要用手触摸断口表面或匹配对接断面以免产生少人为的损伤。
3.为防止断口生锈或腐蚀可在其表面涂抹一层保护材料如酷酸纤维素丙酮熔液、环氧树脂或防锈漆,但涂抹材料不能腐蚀断口。
4.清洗后的断口要浸泡在无水酒精溶液中或存放在干燥器中。
5.从大块断口上取试样要采取保护措施。如用醋酸纤维素丙酮溶液涂在断口上待干后切剖。用钢锯割时要避免锯屑或其它赃物落在断口表面。
6.如发现断口上有细小外来物,为防止丢失可以用A4纸将其固定。
解理弹簧断口微观形貌特征
在实际使用的金属弹簧材料中晶体取向是无序的,解理弹簧裂缝沿不同取向解理面扩展过程中弹簧裂缝会相交成具有不同特征的花样,其中最突出最常见的特征是河流花样,另外还有舌状花样、扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳线及二次裂纹。
一、河流花样
解理裂纹沿晶粒内许多个互相平行的解理面扩展时相互平行的裂纹通过二次解理;与螺位错相交;撕裂或通过基体和孪晶的界。
面发生开裂而相互连接,由此产生的条纹花样类似河流称为河流花样;见图4-3解理裂纹扩展过程中为减少能量的消耗,河流花样会趋于小河流合并成大河流。根据河流的流向可以判断裂纹扩展方向及由此找出裂纹源,见图4-4。
1、解理台阶产生机制
①两个不在同一个平面上的解理裂纹通过与主解理面相垂直的二次解理形成解理台阶,如图4-5,4-6,4-7所示。
②解理裂纹与螺位错相交截形成台阶。解理裂纹与螺位错相交产生一个布氏矢量大小的台阶。裂纹扩展过程中如与多个同号螺位错相交,矢量不断迭加,达到一定程度便产生一个能够观察到的台阶:.裂纹与异号螺位错相交,台阶就抵消或减少,见图4-8。
③解理裂纹之间产生较大的塑性变形,通过撕裂方式连接形成台阶,如图4-9,4-10,4-11所示。
实际解理断裂中二次解理与撕裂方式可能同时存在。二次解理台阶的高度也随着裂纹扩展不断降低,也可能逐渐被撕裂代替。
④通过基体和孪晶的界面发生开裂连接形成台阶,见图4-12,4-13所示。
2、河流花样的起源及在扩展中的形态变化
①加河流花样起源于有界面存在的地方:晶界、亚晶界、孪晶界,见图4-14、4-15。
②河流花样起源于夹杂物或析出相,见图4-16,4-17。
③河流花样起源于晶粒内部,这是由于解理面一与螺型位错交截所致,图4-18。
河流花样在扩展过程中遇到倾斜晶界、扭转晶界和普通大角度晶界时河流形态发生变化。
裂纹与小角度倾斜晶界相交时,河流连续地穿过晶界。小角度倾斜晶界是由刃型位错组成。晶界两侧晶体取向差小,两侧品体的解理面也只倾斜一个小角度。因此裂纹穿过时河流花样顺延到下一个晶粒。图4-19为示意图,图4-20为弹簧断口照片。
河流花样穿过扭转晶界时将发生河流的激增。扭转晶界又称孪晶界,两侧晶体以晶界为公共界面旋转了一个角度:因此解理裂纹不能简单的穿过晶界,必须重新形核后才能沿新的解理面扩展。由此造成晶界处河流花样激增。见图4-21示意图,图4-22为弹簧断口照片。
裂纹穿过普通大角度晶界时,山于品界位错密度高、位向差大、会产生大量的河流,晶界两侧河流台阶的高度差大,见图4-23。
二、“舌状花样”
舌状花样是在解理面上出现“舌头”状的断裂特征。并不是在所有材料的解理断裂中都能看到舌状花样‘,体心立方晶体在低温和快速加载时及密排夕‘方金属材料中由于孪生是主要形变方式,弹簧断口上经常可见到舌状花样,见图4-24。舌状花样形成机理示意见图4-25。解理主裂纹在100面上沿110方向由A扩展到B,在B处与孪晶相遇,这时它将改变方向沿孪晶与基体的界面112、111方向扩展到C,当与主裂纹之间的材料发生撕裂时沿CD扩展,然后裂纹又回到100面上继续断裂。如与主裂纹之间的材料发生二次解理则按图示CH方向扩展。
舌状花样成对出现,在弹簧断口中的一个断面上是凸出的,那么在另一断面上是凹的。舌头表面一般很光滑。
在钢铁材料中常见的舌状花样为100与112,它们之间夹角为35度16。另外还有112与100夹角为48度12,112与110之间的夹角为125度26。
弹簧断口分析方法
弹簧断口分析分宏观分析与微观分析两大类。放大倍数在50X以下称为宏观弹簧断口分析,放大倍数在50X以上称为微观弹簧断口分析。
一、宏观分析
宏观分析指用肉眼、放大镜或低倍率光学显微镜观察分析弹簧断口。宏观分析是断裂分析的基础,通过宏观分析可以确定断裂的性质、受力状态、裂纹源位置、裂纹扩展方向及材料性能估价。
根据弹簧断口表面粗糙度及反光情况可以大致判断断裂性质。一般解理断裂弹簧断口表面光滑平整,弹簧断口颜色光亮有金属光泽。韧窝弹簧断口表面呈纤维状粗糙不平,表面颜色灰暗无结晶颗粒无金属光泽。疲劳弹簧断口上通常有海滩状花样,疲劳源处光滑细腻。脆性材料瞬断区为结晶状,韧性材料为纤维状和剪一切唇弹簧断口。脆性沿晶弹簧断口为结晶状和反光的小刻面。应力腐蚀弹簧断口表面无金属光泽。
观察弹簧断口上有无塑性变形、剪切唇、毛刺及台阶能够判断零件受力情况。脆性弹簧断口在弹簧断口附近没有宏观塑性变形迹象,弹簧断口源区边缘无剪切唇,弹簧断口与正应力垂直。剪切弹簧断口附近有明显的塑性变形,弹簧断口倾斜呈45度角,弹簧断口沿最大剪切应力平面扩展。
材料性能估价:根据拉伸弹簧断口上纤维区、放射区和剪切唇三区比例可以粗略估价材料性能。纤维区比例大材料的塑性韧性好,放射区比例大材料的塑性降低,脆性增大。又如冲击弹簧断口上若无放射区说明材料的塑性好。若放射区比例大则材料脆性大。
另外还要观察弹簧断口表面是否有氧化色及有无腐蚀的痕迹,据此判断零件工作温度、工作环境。
二、光学显微镜弹簧断口分析
光学显微镜弹簧断口分析是指用金相显微镜和双镜筒的立体显微镜分析弹簧断口。
在宏观分析后一般用光学显微镜观察材料的显微组织及裂纹形态特征、走向及裂纹始末端情况及裂纹两侧显微硬度变化、夹杂物分布和裂纹内的氧化物或腐蚀产物形态等内容。
为搞清弹簧断口走向与组织的关系经常在光学显微镜下观察与弹簧断口对应的显微组织。将断日保护好后在与其垂直或成一定角度的剖面上制取全相试样。也可用光学显微镜观察弹簧断口复型。
三、电镜弹簧断口分析
透射电镜与扫描电镜近年来在断门分中得到了广泛的应用。
透射电镜在弹簧断口分析中的应用卞要是:
1)塑料一碳二级复型用来观察弹簧断口形态,它能给出扫描电镜所不能分辨的细节并可以在更高的倍率下观察这些细节。例如在扫描电镜下很难观察到钢铁中的疲劳条纹,如做塑料一碳二级复型在透射电镜下观察就可以得到清晰的条纹图像。图2-11为18NC16钢尾输出锥齿轮疲劳弹簧断口塑料一一碳二次复型照片。在2-1118NC16钢锥齿输疲劳辉纹x 28000扫描电镜下看不到疲劳条纹。
2)弹簧断口萃取复型:利用AC纸将弹簧断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构,如结合能谱分析所给出的质点成份就能更准确的定结构。图2- 12为35CrNiMoV钢弹簧断口上的条状a-MnS夹杂及其电子衍射谱。
(3)为搞清断裂的原因有时需要从弹簧断口上切取金属薄膜进行透射电镜分析。研究引起断裂的质点形态、大小及分布以及与母相间位向关系。图2-13为12Cr1MoV钢解理弹簧断口,图2-14为从该弹簧断口上切取金属薄膜的透射电镜照片及衍射谱。经分析产生解理断裂的原因是在(001)面上片状钒的氮化物析出所致。
扫描电镜由于放大倍率连续可调(从20倍~上万倍)、景深大、立体感强,不需另外制备样品,在弹簧断口分析中得到了广泛的应用
1)利用扫描电镜观察弹簧断口形貌:
2)观察与弹簧断口成一定角度的剖面组织,研究弹簧断口形貌与显微组织之间的对应关系、裂纹走向、断裂机理。图2-15(a、b)为双相钢弹簧断口剖面照片。从照片2-15(a)中看到在较高△K时解理断裂主要发生在铁素体相内。在低△K和高△K时(图2-15b),疲劳裂纹绕过马氏体,始终在铁素体相内扩展。
3)配有能谱或波谱的扫描电镜上可进行弹簧断口上夹杂物、第二相或微区成份分析。
4)在配有动态拉伸台的扫描电镜上可以观察拍照拉仲样品裂纹萌生、扩展直至断裂全过程。
5)采用与金相浸蚀剂相同的腐蚀试剂浅腐蚀弹簧断口表面可同时显示弹簧断口形貌与显微组织。
6)利用位向腐蚀坑技术即利用晶体材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向,分析断裂机理或断裂过程。
7)表2-3给出腐蚀坑技术中常用腐蚀剂。腐蚀时间一般为几秒至十几秒。
8)弹簧断口定量分析研究弹簧断口上几种形貌特征的分布、大小及数量之间的关系。
9)利用扫捕电镜立体对技术能够观察到具有立体形貌的特征。图2-16为低碳钢立体对照片。
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