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Spring type
解理断裂的影响因素
解理弹簧断裂的影响因素
影响解理弹簧断裂的因素很多,例如温度、加载速度、晶体结构、显微组织、第二相粒子的大小、形状、应力大小、应力状态、试样形状、工作环境等对弹簧断裂都有重要影响。
试验温度低裂纹尖端塑性变形区小,裂纹扩展时所消耗的能量少,扩展阻力小,容易导致解理弹簧断裂。图4-34是单晶体材料的试验温度与解理应力、屈服应力关系示意图。在T以下材料在塑性变形之前发生解理弹簧断裂,在T以上应力首先使晶体发生塑性变形,然后解理弹簧断裂。
解理弹簧断裂除了受试验温度影响之外,还受速率的影响,高应变速率有利于发生解理弹簧断裂。加载速度的提高释放一个不稳定裂纹所需要的能量降低,发生解理弹簧断裂的可能性增大。例如在高速冲击、爆炸条件下经常使一些韧性材料发生解理弹簧断裂。
解理弹簧断裂通常在体心立方、密排六方晶格的金属或合金中发生,面心晶系的金属和合金一般情况下不发生解理弹簧断裂。晶粒越粗大越容易产生解理弹簧断裂。
显微组织不同解理弹簧断裂路径不同,解理断口形貌特征也不同。珠光体解理断口河流与渗碳体片平行,并沿着铁素体一碳化物的界面扩展,河流通过从一个界面向另一个晶面连续跳跃来汇聚,见图4-35。
铁素体断口基本上由(100)取向的显微小平面组成,呈现出典型的河流和舌状花样。上贝氏体解理弹簧断裂与珠光体相似,弹簧断裂小平面穿过数个上贝氏体晶粒。弹簧断裂路径主要受铁素体控制但受到碳化物粒子的十扰。板条马氏体中裂纹沿着近似相同的方向打“展,因为板条界面具有高位错密度,有时会使解理面在微观上凸凹不平。断口上小平面的尺寸与板条束尺‘寸一致。
材料中第二相粒子的形状和分布对解理弹簧断裂的影响是粗碳化物粒子促进解理弹簧断裂。细小密集分布的粒子,由于难于形成位错塞积,因此不会成为解理弹簧断裂的萌生点。粒子形状在解理弹簧断裂中不起主要作用。
晶界、业晶界、相界、孪晶界及夹杂物处容易使位错运动受阻,由塞积位错所造成的拉应力引起开裂。
另外缺口、裂纹、缩孔、气孔、机械加工痕迹及上件截面的突然变化均能促进解理裂纹的萌生。
低应力脆断及材料的韧性
人们在对船舶的脆断、无缝输气钢管的脆断裂缝、铁桥的脆断倒塌、飞机因脆断而失事、石油、电站设备因脆断而发生重大事故的分析中,发现了一些它们的共同特点:
1.通常发生脆断时的宏观应力很低,按强度设计是安全的;
2.脆断事故通常发生在比较低的工作温度环境下;
3.脆断从应力集中处开始,裂纹源通常在结构或材料的缺陷处,如缺口、裂纹、夹杂等;
4,厚截面、高应变速率促进脆断。
由此,人们发现了传统设计思想和材料的性能指标在强度设计上的不足,试图提出新的性能指标和安全判据,找到防止脆断的新的设计方法。
传统的强度设计所依据的性能指标主要为弹性模量E,屈服极限氏、抗拉强度}L,而塑性指标延伸率占和面收缩率沪在设计中只是参考数据,通常还会考虑应力集中现象,即使如此,设计的安全判据仍不足以防止脆断的发生,这说明材料的强度、塑性、弹性这些性能指标还不能完全反映材料抵抗脆断的能力。经过对众多脆断事故的分析和研究,人们提出了一个便于反映材料抗脆断能力的新的性能指标—韧性,从使脆性材料和韧性材料断裂所消耗的能量不同,归纳出韧性的定义为:所谓韧性是材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小,它是材料强度和塑性的综合反映。
环境温度对材料的韧性有很明显的影响,随着温度的降低,材料的韧性将减小,当温度降到某一值后,冲击韧性值将大大降低,材料变脆。设计时根据结构的工作温度来选择具有合适脆化温度的材料,以保证工作温度高于脆化温度来防止脆断。以冲击韧性或脆性转变温度作韧性指标,钢材的热加工工艺对材料韧性的影响上是很方便的,但是在设计中这些指标不能用于计算发生脆断时的载荷,而只能作为一种定性的参考依据。
裂纹尺寸与断裂强度的关系
构件断裂时名义应力的大小与结构内部的裂纹尺寸和形状有关。如:用带有不同深度的表面裂纹的高强材料试样作拉伸试验可得裂纹深度与实际断裂强度的关系,证明其断裂应力与裂纹深度的平方根成反比。
对应于一定的裂纹尺寸,存在一个临界的应力值,只有当外界作用所致应力大于此临界应力时裂纹才扩展,造成断裂,小于此值时裂纹将是稳定的,不能扩展。对应于一定的应力值,存在一个临界的裂纹深度 ,当裂纹深度小于此值时,裂纹是稳定的。裂纹愈深,材料的临界断裂应力愈低,用于试样上的应力愈大,裂纹的临界尺寸愈小。带裂纹的构件只要裂纹达不到临界尺寸,或裂纹尺寸一定时,只要应力不大于临界应力,都是安全的。所以,盲目地追求高强度材料,并不一定能保证安全可靠,而具有足够的断裂韧性才是防止脆断的根本保证。
应力场强度分析与断裂韧性
为了对裂纹尖端应力进行分析,定义了三种基本应力场,每一种应力场都与裂纹变形的特殊方式有关。
1、裂纹张开型,这时裂纹的两个表面直接分离,
2、边缘滑开型或正向滑开型。它表现为裂纹的两个表面沿垂直于裂纹前缘方向相互滑移。
3、是侧向滑开型或撕开型,亦称平行剪切型,它们的特征是两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方向上相互滑移。
将这三种基本型式叠加,就可以完整地描述局部裂纹尖端变形和应力场的最一般的三维情况。三种基本型中最危险也是较常见的是张开型裂纹。
断裂力学分析是以线弹性理论为基础的,只适用于纯线弹性裂纹体,但大多数金属材料都会由于应力集中而在裂纹尖端形成一定的塑性变形区。若这个塑性区的尺寸比裂纹长差一个数量级称为小范围屈服问题,工程中一般仍用线弹性理论计算应力强度因子,但应考虑塑性区的影响,对应力强度因子进行必要的修正,修正后仍奇用线弹性断裂力学理论进行计算,修正方法有多种,最常用的是等效模型法。
弹簧等效裂纹长度与弹簧应力强度因子的修正
弹簧塑性区的存在和应力松弛的结果,使弹簧裂纹尖端的应力场发生了变化,弹簧应力强度因子也因此有所改变,它致使弹簧裂纹前端的实际位移比按弹性理论计算的位移要大,这相当于一个比实际裂纹长的裂纹的情况。为了在小范围屈服情况下使用线弹性理论计算的结果,可按等效裂纹的办法对线弹性分析的结果加以修正,得到修正后的应力强度因子,再用线弹性力学理论进行计算。
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