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Spring type
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。
弹簧寿命之滑移分离
弹簧延性断裂的另一种类型是滑移。由于材料在切应力作用下沿滑移面和滑移方向滑移,而使弹簧金属断裂称滑移分离。
弹簧金属的晶体结构不同,其滑移面与滑移方向也不同。表3-1给出几种常见弹簧金属的滑移面和滑移方向。滑移面与该而上的一个滑移方向组成一个滑移系,材料的滑移系越多,农明栩料的塑性越好。一般来说,滑移系多的立方晶系弹簧金属比六方晶系弹簧金属塑性好。但是塑性好坏还与滑移山原子密度和滑移方向数日有关、例如a- Fe有48个滑移系,比铜、铝多,但其滑移面上的原子密度和滑移方向数目比铜、铝等面心立方弹簧金属小,因而塑性不如铜、铝。
一、滑移形式
晶体材料虽然有许多滑移系,但是在外力作用下并非所有滑移系均参与滑移,只有外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值的那个滑移系才会被启动,表3-2。
材料在外力作用厂受力状态复杂,在不同的情况下会出现一个或儿个滑移系同时被启动的情况,因此会出现各种不同形式的滑移。例如一次滑移、二三次滑移、交叉滑移、波状滑移、滑移碎化、滑移带扭折等,见图3-19-3-22。
滑移碎化:多品体材料中晶粒滑移受阻产生形变硬化.形变应力场又促进相邻品粒滑移。受阻品粒又开动更多滑移系滑移,由此产生多重滑移引起滑移碎化。
滑移带扭折:滑移部分晶体相对于基体旋转一定角度,使滑移区的骨移线成S形称滑移带扭折。
二、滑移分离断口形貌
滑移断口的宏观形貌特征是断口平面与拉伸轴线大约呈45度角,断门呈锋利的楔型或刀尖型。断口附近有明显的宏观塑性变形的痕迹,断口呈暗灰色,见图3-23。滑移断口微观形貌特征是蛇形滑移与延仲区。
1、蛇形滑移:多品体弹簧金属材料,由于不同位向晶粒之问的相互约束和牵制,不可能仅仅沿着某一个滑移面滑移。相反,必然会同时沿着几个相交的滑移面滑移,形成弯曲的条纹,滑移分离后的断口呈蛇行滑移形态,称蛇形滑移,如图3-24所示。
在纯弹簧金属材料中或韧性较好的合金中发生滑移断裂时,在断口中将产生蛇行滑移、波纹花样及延伸区。韧窝断裂中,在微孔的内表面也可观察到蛇行滑移花样。图3-25是铝合金拉仲断口 ,图中可观察到稍有拉长的韧窝形态。中部一个大韧窝,在大韧窝的底部可观察到有蛇形滑移花样。
图3-26为铝合金拉伸断口剪切唇区的剪切韧窝及涟波花样。
2、延伸区:在断裂韧性试样的断口上,在介于预制疲劳裂纹区和快速低能量撕裂区之间,存在着一个一定宽度的狭长区域,称为延伸区如图3-27所示。延伸区是疲劳裂纹前沿产牛滑移分离的痕迹,延伸区具有一定宽度与深度,宽度与断裂韧性有对应关系。图3-28是铝合金断裂韧性试样的显微断口照片。
弹簧韧窝断口的宏观形貌特征
弹簧材料在外力作用下因强烈滑移位错堆积,在变形大的区域产生许多显微空洞:或因夹杂物破碎,火杂物和基体金属界面的破碎而形成许多微小孔。孔洞在外力作用下不断长大、聚集形成裂纹直至最终分离,把这种弹簧断裂方式称为微孔聚集型弹簧断裂,其断口称韧窝断口。
韧窝断口的宏观形貌特征是具有纤维状和剪切唇等标记。在光滑圆试样的拉伸断口中,纤维区、一般位于断口的中央,粗糙不平,见图3-1纤维区是由无数纤维状“’小峰”组成,“小峰”的小斜面和拉仲轴线大约成45度角。单相金属、普通碳钢、珠光体钢拉伸断门一般都具有这种特征,高强度马氏体钢纤维区还具有圆环状花样特征。纵截面呈现比较规则的锯齿状,是一种环形的剪切脊。
弹簧冲击断口上也存在有纤维区,见图3-2(a)(b)。 塑性较高的弹簧材料的冲击断口往往出现两个纤维区,冲击断口示意图见图3-3。纤维区表面颜色灰暗,无金属光泽。
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