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Spring type
弹簧准解理断口形貌特征
准解理断裂属于脆性穿晶断裂,宏观断口形貌比较平整,基本上无宏观塑性变形或有极少的宏观塑性变形。断口大多呈结晶状,小刻面亮但不发光。准解理断口也经常显示有较明显的放射状花样,可以根据放射状花样的走向分析判断断裂起源和准解理主裂纹扩展方向,见图5-1.
由于准解理断裂是界于解理断裂与韧窝断裂之间的一种断裂方式,因此准解理断口微观形貌特征既不同于解理断口也有别于延性韧窝断口。
1、河流花样
准解理断裂河流花样通常起源于晶粒内部的孔洞、非金属夹杂物、硬质点及析出物等。河流由内部向小平面的周边扩展,河流较短不连续,汇合特征不明显。在倾斜晶界、扭转晶界和大角度晶界的界而处没有河流的延续或激增的情况。如果准解理断裂接近解理断裂时,准解理小平面比较平整、河流向一个方向流动并有汇合的表现。小平面之间以撕裂方式相接,可看到明显的撕裂棱,这一特征与解理断口的河流花样有较明显的区别。如果断裂方式接近韧窝断裂时,在断日上也可能看不到河流花样,断口表面全部山撕裂棱组成,见图5-2。
2、撕裂棱
准解理断裂断裂单元为小平面,回火马氏体组织的准解理面为(100)。小平而之问发生塑性变形以撕裂的方式相连接。准解理断裂接近解理断裂机制时撕裂棱较小,如果断裂机制接近韧窝断裂时撕裂棱突起特别明显早花瓣状,见图5-3。
3、准解理小平面比回火马氏体尺寸大得多,它相当于淬火前的原始奥氏体品粒尺度。准解理面的大小取决于材料成份、组织状态和试验条件等。
4.在准解理断口上有时能看到舌状花样,但并不常见。
弹簧准解理断裂机理
对准解理断裂的机理尚不十分清楚,可以认为是在马氏体中由于淬火及相变应力。可能存在一妙高张应力区域,甚至原来就存在微裂纹。此外,定向析出的E碳化物、孪晶马氏体的中脊等,在受外力作用时都容易哭开成为裂纹源。如图5-4所示。随着应力的增加小裂纹在准解理面内以台阶的方式扩展形成河流花样图5-4(b)。由于马氏体中,存在大量位错及孪晶,阵严重扭曲,同一晶粒内部马氏体片之间的空问位向有一定差异;裂纹在晶粒内部扩展比较困难。裂纹在点阵严重扭曲的晶粒内部扩展时一,彼此相邻的边界处发生较大的塑性变形以撕裂的方式连接,形成撕裂棱,或形成微孔聚合的韧窝有时甚至形成韧窝带,见图5-4(c)。
在弹簧的断口中,经常遇到的是准解理断口,但较多的是准解理与其它断裂的混合断口
(a)准解理裂纹的萌生(b)准解理裂纹的扩展(c)通过撕裂的方式连接形成撕裂棱
下面给出一些材料准解理断口。
解理弹簧裂纹的产生
解理弹簧裂纹萌生的理论基础是位错和孪生变形。材料塑性变形受阻时在强烈变形区域产生应力集中,通过萌生微弹簧裂纹释放应力。微弹簧裂纹逐渐长大,弹簧裂纹长度达到格里菲斯临界长度时发生弹簧裂纹扩展导致材料断裂。
有以下几种弹簧裂纹萌生机制。
1、位错塞积机制
滑移面上的位错运动受到晶界、孪晶界、第二相或夹杂物等障碍物阻挡时,位错将在障碍物前塞积乙当若干个塞积位错在障碍物前产生的应力达到材料的理论断裂强度б时,在滑移面下方最大张应力平面上出现微弹簧裂纹,见图4-31 。
2、位错反应机制
为了解释体心立方金属。α-Fe沿( 001)面发生解理断裂的原因,柯垂尔提出了位错反应机制。
体心立方晶体中滑移面是(110),滑移方向是(111)。如果沿两个正交的滑移面(101)和(1O1)上各有布氏矢量为a/2(111)和a/2(111)的平行位错列在交又线上相遇,既可形成一个新位错a(001) 。这个新位错是不动位错。新位错对随后滑来的a/2(111)和a/2(111)两列位错起着障碍作用造成它们塞积。由于塞积不断增加,产生应力集中导致沿晶体(001)面解理开裂,形成弹簧裂纹,见图4-32。
3、滑移解理机制
图4-33表示由位错排列构成的小角度晶界,在外加切应力作用厂这个晶界有穿晶运动的倾向。如果这个晶界的一部分,例如下面的部分被障碍物(如沉淀物、夹杂物、位错网等)所阻碍,它就有被切成两段的可能,于是在分开晶界的未端就会产生较大的拉应力,从而导致开裂。弹簧裂纹所在平面一解理面就是晶体的滑移面。
在滑移面与解理面重合的密排六方晶体中已观察到此种类型的弹簧裂纹。
4、其它作用机制
1)孪生作用机制:体心立方晶体低温形变时后生孪晶与先生孪晶相碰撞,产生应力集中出现微弹簧裂纹。
2)位错交叉滑移:滑移带相交形成不完整的位错墙,产生应力集中引起弹簧裂纹。
3)刃型位错合并:几个同号刃型位错,在外力作用下合并引起弹簧裂纹成核。
弹簧疲劳断口三个区域
从宏观上看,疲劳断口附近无明显的塑性变形,是脆性断裂。典型的疲劳断口可明显的分为三个具有不同形貌特征的区域,即疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区,它们分别代表了疲劳破坏的不同历程。图6-1是典型的疲劳断口。下面分别讨论三个区域的特征。
一、疲劳核心(或称疲劳源)
用肉眼或用低倍放大镜就能大致判断其位置,它是疲劳破坏的起点。在疲劳断口上,它是一个光滑、细洁的扇形小区域。实际上,真正的疲劳源是大致位于“扇”柄处的裂纹萌生和微观裂纹(几十微米长)扩展处,关于它的形成过程将在机理研究中详细分析。
大部分的光亮区是当裂纹长在1mm以下时裂纹缓慢扩展期形成的,这一阶段裂纹张开位移小,扩展缓慢,反复的张开和闭合使断口两面相互挤磨,形成了断口上最细滑的区域。在此区域,一也常看到以疲劳核心为中心的贝纹线向外发射,有的还可见向四周辐射的放射台阶或线痕,并可延伸到很远的地方,这说明疲劳裂纹不是简单的一个宏观平面,而是沿着一系列具有高度差的宏观平面向周围扩展,这时,疲劳核心往往是一条锯齿状的微裂纹,或者在核心区存在若干疲劳源。
疲劳核心一般总是在表面处形成,但如果构件内部存在缺陷,如脆性夹杂物、空洞、化学成份的偏析,或进行了某种表面处理等,也可能在“皮下”或内部产生。疲劳核心的数目有时不止一个,可能有两个甚至两个以上,尤其是低周疲劳,断口常有几个位于不同位置的疲劳核心。
二、疲劳裂纹扩展区
这是疲劳断口上最重要的特征区域,很多情况下,它占据了断口的大部分区域。在此区内,表面比疲劳核心区粗糙、发暗,常可见呈现贝纹状、蛤壳状或海滩波纹状的条纹。这些条纹以裂纹核心为中心,向四周扩散,形成一簇弧形线条,它们垂直于裂纹扩展方向。裂纹形成后,拉应力作用时,裂纹张开,尖端钝化,受压或卸载时闭合,裂纹尖端重新锐化,再一次循环受拉,由于尖端的应力集中,发生亚临界扩展,便留下一条疲劳辉纹,这些辉纹肉眼难于分辨。而可见的贝纹线多是由载荷谱的波动所致,机器的起动与关闭,或运转过程中偶然因素引起的应力波动等都会促使贝纹线产生。而在实验室里作恒应力或恒应变试验时,载荷谱较稳定,断口一般无此特征,此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而磨擦,使该区变得光滑、呈细晶状,有时甚至光洁得像瓷质状结构。对于低周疲劳,也观察不到此种贝纹线。
由疲劳核心区发展过来的台阶,在扩展区越发展台阶越大,成为一条条由裂纹源发出的放射条纹,这些条纹与贝纹线相垂直。
三、瞬断区
这是疲劳裂纹扩展到临界尺寸后失稳扩展所形成的区域,它的特征与静载拉伸断口中快速断裂的放射区及剪切唇相似,放射区和剪切唇的有无、大小与材斜的特性及载荷的历程有关。载荷较大或有突然超载的情况时两个特征形貌明显,且占断口的比例也较大,若载荷较稳定,对某些材料的断口就可能看不到明显的放射区,而只有剪切唇,瞬断区也较小。但有些较脆材料的断口,瞬断区就呈结晶状的脆性断口特征了。
弹簧弯曲疲劳断口特征
根据所受载荷的特点,疲劳断口可分为弯曲疲劳、轴向(拉-拉,拉-压或脉动)疲劳断口、扭转疲劳断口及复合疲劳断口,其中以弹簧弯曲疲劳断口最为常见,纯粹的轴向疲劳断口较少见。弹簧弯曲疲劳断口特征为:
因在疲劳载荷作用下,最大正应力总是出现在表面处,所以弹簧弯曲疲劳断口的共性特点是疲劳核心绝大多数都在表面形成,然后沿与最大应力相垂直的方向扩展,裂纹达到临界尺寸后,构件迅速断裂。但是,弯曲疲劳载荷随时间的变化规律是不同的,相应的变形及疲劳断裂机理也各具特点,可以归纳出单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳和旋转弯曲疲劳。现以圆截面轴类零件为例,分别介绍如下。
(1)单向弯曲疲劳
单向弯曲疲劳的受力及变形特点.见图6-2,其截而上的正应力沿截面高度按线性分布,表面处A点和B点上分别有最大的拉应力和压应力,且它们仅受单向应力作用,A点上拉应力随时问的变化如图6-2c。示。疲劳源都在此处产生,如无应力集中,裂纹由核心向四周扩展的速度基本相同,形成如图6-2(a)示的贝纹线,最终在疲劳核心的对侧失稳断裂。若有应力集中的条件,如轴类零件的台阶部分,因台阶根部应力集中较大,疲劳裂纹在靠近表面的两侧扩展迅速,便形成如图6-2(b)所示的断口形态,瞬时破断区的面积比无应力集中现象的大。
(2)双向弹簧弯曲疲劳断口
双向弯曲疲劳时的疲劳载荷(弯矩)及变形如图6-3所示,在这种双向交互作用的弯矩作用下以中性轴为界,构件的上下两部分将分别受到拉、压两向交变应力的作用,在离中性轴最远的表面处出现最大正应力。若M+=M-,则中性轴两侧最远处的最大正应力相等。通常将在这两处的表面同时产生疲劳源,并同时向内扩展,扩展深度也人致拓等。若有应力集中,则其断口形态如图6-3(b)所示,两个裂纹的前沿均呈外凸状,且瞬断区较大。若M+≠M-,则中性轴两侧最远处的最大应力等值反向,如图6-4所示。例如A点的最大拉应力与B点的最大压应力等值,而B点的最大拉应力则低于A点的最大拉应力。这时就会在A点首先产生疲劳源,而后,可能在召点产生第二个疲劳源(与M+/M-比值有关),且前者的扩展速度较快。
另外,若疲劳载荷较低,形成疲劳源较困难,表面质量和材料缺陷可能对形成疲劳源起更重要的作用,疲劳源将在有表面划痕等工艺缺陷及夹杂等材料缺陷的表面处出现,对侧形成疲劳源较晚,同时,两个疲劳裂纹的扩展深度也有较大的左别。结果,得到的断口是不对称的。
(3)旋转弹簧弯曲疲劳断口
旋转弯曲疲劳的典型受力与变形见图6-5。构件上的各点均受正弦规律连续交桥作用的拉应力和压应力.在表面处各点的应力幅度最大。所以,在等弯矩截面上的各点均有相同的疲劳源萌生机会。但若载荷较小,则常在一处产生裂纹源:并向两侧和内部扩展。由于构件的旋转,疲劳源两侧交替出现比内部应力大的拉应力,疲劳裂纹在两侧的扩展速度比中心部位快,所形成的贝纹线较平直。构件的旋转,相当于弯曲载荷的作用面逆旋转方向而动,致使疲劳裂纹的前沿顺着载荷移动的方向扩展速度快,逆载荷移动方向扩展速度慢。所以,旋转疲劳断口的瞬断区不是在疲劳源的正对面,而是编转一个角度,通常可达15°,甚至更大。此偏移的方向与构件旋转方向相反,从疲劳核心与瞬断区的相对位置即可推知构件的旋转方向。
应力集中会明显影响断口形貌。有周向缺口或台阶的轴类构件,当应力集中不大时,可能只产生一个疲劳源,瞬断区在疲劳源的对应一侧。图6-6为施转弹簧弯曲疲劳断口,键槽底部尖角处应力集中,是裂纹萌生点。当应力集中较大时,就可能沿周围产生几个疲劳源,它们同时向内部扩展,瞬断区将在内部。名义应力越大,疲劳源越有增多的趋势,瞬断区一也越向中心移动.大量的事例证明若瞬断区位于中心则断裂前的交变载荷循环次数一般不会超过万次。这种情况卜的应力水平平均为疲劳极限的1.5-2.0倍。当瞬断区位干轴的外侧时,断裂前一般都经历了几百万次的旋转。所以,很据瞬断区的位置与大小,可以推断轴所受的载荷或名义应力的大小。 图6-7给出了应力集中及载荷大小对旋转弹簧弯曲疲劳断口形貌的影响。
若应力沿轴向分布较均匀,则弹簧弯曲疲劳断口一般为一个与轴线相垂直的平断日,若因截面积的突然变化引起应力集中,则在应力集中截面处形成的弹簧弯曲疲劳断口不是平的,而是一个碟形的所谓皿型断日,图6-8示出了主应力线及裂纹扩展路线。如果在轴颈处有一定的应力集中,且同时承受一定的扭矩,则旋转弯曲疲劳可能同时产生几个疲劳核心。由于扭矩的作用,裂纹将以螺旋状向前扩展,最后这些裂纹在轴的中央会合,形成棘轮状断口。
综上所述,对于圆截面轴类零件的弹簧弯曲疲劳断口形貌可归纳为如图6-9所示的几种情况。
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