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Spring type
弹簧裂纹形成的微观机理
根据实验结果和位错理论建立了韧窝萌生和扩展模型,见图3-17
材料中在夹杂物或第二相粒子周围堆积着位错环,见图3-17(a)位错环一方面受第二相粒子或夹杂物的排斥作用,另一方面又受到位错堆积从力的作用而被推向第二相粒子或夹杂物。无外力作用时它们处丁平衡状态,见图 3-17(b) 。当受外力作用时,平衡遭到破坏,位错环坡推向第二相粒子。当一个或一对位错环被推到粒子与基体界面上以后,界面将沿图3-17(c)中的AB面分开形成微孔。由于微孔的形成,使后面的位错受到的排斥力大人减少。另一方面原位错环后面的位错源又重新激活,产生新的位错环,并被不断地推向微孔,导致微孔迅速扩展,见图3-17(d)(e)。由于位错可以沿不同滑移面开往粒子边界,因此微孔可以由几个滑移面上开来的位错共同形成,图3-17(f)。或其它滑移面上的位错向该微孔运动而使其长大,图3-17(g)。
图3-18是根据D. Bmek理论建立起来的微孔长大模型。此模型可以同时解释在切应力作用下,等轴韧窝或抛物线形韧窝形成过程。另外,它还可以说明夹杂物或第二相粒子在切应力作用下破碎而形成韧窝的情况。
弹簧韧窝断口的微观形貌特征
弹簧韧窝断口的微观形貌特征是一些大小不等的圆形或椭圆形的凹坑一韧窝。在韧窝内经常可以看到夹杂物或第二相粒子。然而并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子,因为夹杂物或粒子分布在两个匹配断口上。此外夹杂物在断裂、运输或超声波清洗时也可能脱落。
凹坑的形状有等轴韧窝、剪切韧窝和撕裂韧窝三种,其形状取决于应力状态。图3-4为最大应力方向对韧窝形状影响的示意图。
等轴韧窝是圆形微坑见图3-4(a)。是在拉仲正应力作用下形成的。应力在整个断口表面上分布均匀,显微空洞沿空间三个方向上均匀长大,形成等轴韧窝。图3-5是拉伸断裂的等轴弹簧韧窝断口。
剪切韧窝呈抛物线形。在剪切应力作用下显微孔洞沿剪切方向上被拉长。剪切韧窝在两个相匹配的断口表面上的方向相反。剪切韧窝通常出现在拉伸或冲击断口中的剪切唇部位,见图3-6。
(a)拉伸断裂:在两断口面上形成等轴韧窝;(b)剪切断裂:在两断口面上指向相反的拉长韧窝。拉伸撕裂:在两个断面上形成指向断口源的拉长韧窝
撕裂韧窝也是被拉长了的韧窝,呈抛物线形状,是在撕裂应力作用下形成的。撕裂时材料受到力矩作用,显微空洞各部分所受应力不同,沿着受力较大的方向韧窝被拉长。常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下作低能撕裂的断口,见图3-7.
剪切韧窝与撕裂韧窝形状没什么区别,只从照片上很难区分,必须对断口两侧面作对应研究,看凸向是否相同才能确定。
卵形韧窝是大韧窝在长大过程中与小韧窝交截的结果,它是附着在大韧窝之上_的小韧窝形状类似卵形,见图3-8。
沿晶韧窝是在断裂过程中沿晶界发生了一定的塑性变形,在晶界上形成的韧窝,见图3-9。常出现在过热断裂的沿品断口上。
另外韧窝形状与大小还受夹杂物形状的影响,例如长条、棒状或带状夹杂物生成长条状韧窝,见图3-10。
实际断裂零件中,零件局部区域受力状态复杂,在断口上可能出现各种不同形状的韧窝,例如在钢中经常可以看到大韧窝之间布满小韧窝见图3-11,或者等轴韧窝与抛物线韧窝交替分布。
韧窝大小、深浅及数量取决于材料断裂时夹杂物或第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温度。如果夹杂物或第二相粒子多,材料的塑性较差则断口上形成的韧窝尺寸较小也较浅。反之则韧窝较大较深。成核的密度大、间距小,则韧窝的尺寸小。在材料的塑性及其它试验条件相同的情况下,第二相粒子大,韧窝也大;粒子小,韧窝也小。韧窝的深度主要受材料塑性变形能力的影响。材料的塑性变形能力大,韧窝深度大,反之韧窝深度小。
温度与应变速率也影响韧窝的大小及深浅。温度低材料的塑性差,韧窝尺寸小,深度浅。应变速率大,韧窝大小及深浅均变小。
韧窝的形状主要取决于应力状态。
在断口分析中,不能在微观上看到有韧窝就断定为延性断裂。囚为实际零件受力状态复杂,宏观_}二是脆性断裂的断口,局部区域也可能有塑性变形,显示出韧窝形态。在具体分析时要把宏观与微观结合起来,再下结论。
弹簧韧窝裂纹的萌生的扩展
弹簧韧窝断裂包括三个阶段,裂纹的萌生一形成显微孔洞,裂纹的扩展聚集和最终断裂,见图3-12
弹簧材料承受拉伸载荷时,当应力超过弹簧材料的屈服强度时发生塑性变形,产生颈缩形成三向应力状态。中心轴向应力随着颈缩的进展不断增大。在三向应力作用下,在沉淀相、夹杂物与金属界面处分离产生微孔,或夹杂物本身破碎形成裂纹,也可能由于强裂滑移位错塞积产生孔洞,见图3-12(a)(b)。图3-14是AI-Li-Cu-Mg-Zr合金经53度30分+190度10小时处理后,夹杂物本身破碎形成裂纹。图3-15(a)为AI-Li-Cu-Mg-Zr530度30分淬火态,裂纹在强烈滑移处萌生,(b)扩展。
夹杂物或第二相粒子在弹簧韧窝断裂中起着重要作用。质点越大,裂纹萌生的儿率越高。韧窝的尺寸通常人十质点间的距离,说明断裂时并不是所有的质点都起作用,存在着一个临界质点尺寸问题,临界质点尺寸随温度降低而减小。在较低温度下发生断裂时,韧窝尺寸减少表明有较大比例的质点萌生了裂纹。一定大小的质点只在一定温度下起作用。例如18%Ni马氏体时效钢淬火后475度回火4小时,在-196度下拉伸,得到具有粗大韧窝断口。分析表明,时效初期沉淀相太小,没有形成韧窝。只有那些未溶解的粗大质点形成厂微坑,见图33-16(a)。如果经475度回火600小时后,在同样的拉伸温度下得到了具有极小韧窝的断口,图3-16(b)。
研究表明能否在质点处萌生裂纹,和质点与基体结合致密程度有关。结合紧固不易萌生裂纹,反之,容易萌生裂纹。
微孔形成后,扩展方式有两种,一种为内颈缩扩展、另一种为剪切扩展。
内颈缩扩’展是质点大小、分布均匀,韧窝在多处形核起裂,以后随变形的增加,微孔壁变薄,通过撕裂方式相连接。
剪切扩展是弹簧材料中有较多夹杂物,又有细小析出相时,微孔之间可能以剪切方式相连接。内颈缩与剪切扩展在同一韧窝断口上可能同时发生。
弹簧疲劳断裂机理
在现代工程实践中,绝大多数的工程项目都存在由交变应力而引起的疲劳问题。特别是随着机械速度的提高,以及航空航天等现代工业的发展,许多构件或机械工作在更加恶劣的力学环境下,疲劳破坏导致的失效事故占总事故的比例是相当高的,约占70%。因此,人们已将更多的注意力放在解决疲劳问题上。
通常所说的疲劳间题实际上包含了循环应力和循环应变两个性质上不同的领域,它们的失效可能有着不同的机理。对于某些循环载荷作用下的疲劳问题,在每一个循环期间内都出现很大的塑性变形,这种情况一般在载荷较大或有严重应力集中时出现,其相应的疲劳寿命较短,一般在1000一100000左右,通常称之为低周疲劳或应变疲劳。另一类是应变循环幅度主要限制在弹性范围内,应力不大于屈服极限,这种情况通常是在轻载或应力分布较均匀的情况下出现,其相应的疲劳寿命较长,疲劳失效循环数达100000以上,一般称为高周疲劳。
弹簧疲劳断裂的分析和研究主要在两个方面进行,一方面是从微观的角度,物理学家、冶金学家和材料学家力图用微观分析的手段了解疲劳问题,解释疲劳的基本现象,在这方面,高分辨率和放大倍数的现代电子显微分析技术为弹簧疲劳断裂机理的研究起了巨大的推动作用。另一方面是从宏观角度,力学家和工程技术人员力图通过对疲劳问题的宏观力学特征的分析和用简单的实验结果以及半经验的设计理论去指导设计零件和系统,以求能对疲劳寿命和疲劳强度作出较好的估计。在近几十年发展起来的断裂力学已取得了许多有实用价值的成果,为工程设计人员提供了一些新的实用的断裂分析理论和安全设计方法。事实上,随着对弹簧疲劳断裂研究的深人与扩展,宏观分析与微观研究已逐渐不可分割地结合起来,综合起来分析弹簧疲劳断裂问题。
工程中的弹簧疲劳断裂有着不同的原因、过程和结果,但下述几点是弹簧疲劳断裂的一般特征;
1、弹簧疲劳断裂应力远比静载下材料的抗拉强度低,甚至比屈服强度低很多,且无论脆性材料还是塑性材料,都是在没有出现明显的塑性变形情况下突然断裂的,是一种低应力脆断破坏现象;
2、弹簧疲劳断裂是损伤积累过程的结果,是与时间相关的破坏方式,它包括了裂纹萌生、裂纹扩展和失稳断裂三个部分,不同阶段损伤方式和损伤量不同;
3、工程构件对疲劳载荷的抗力比对静载荷要敏感得多,其疲劳抗力不仅取决于材料本身特性,而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件和环境等密切相关;
4.微观上,弹簧疲劳断裂一般为穿晶断裂。
高强度铜系合金弹簧线ELEMETAL
ELEMETAL是一种具有与铍铜相同性能却无铍的高强度、高导电性的弹簧专用铜系合金线。
1、优异的环境友好性
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2、高强度、高导电性
属沉淀硬化型材料,经热处理后,可提升强度及导电率。
3、优异的焊接性
即使不做表面处理,也具有优异的焊接润湿性。 此外,还具有良好耐焊蚀性。
1、光学拾波器悬挂线
2、 移动电话零件专用弹簧
3、 电气接触弹簧
4、半导体检查专用接触式探头弹簧
5、其他还可替代铍铜弹簧使用
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