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低周、腐蚀、热疲劳断裂的分析、判断及案例

2021-07-13 05:53:12 hualin

疲劳断裂的宏观分析


典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区,即疲劳源区、扩展区和瞬断区。

01  源区的宏观特征

氧化或腐蚀严重,颜色较深;

断面平坦、光滑、细密,有些可见闪光小刻面;

有放射台阶或放射棱线;

向外发射疲劳弧线的中心。

02  扩展区的宏观特征

断面平坦、与主应力垂直,颜色介于源区和瞬断区,最基本的特征是疲劳弧线,也称海滩花样或贝壳花样。

03  瞬断区的宏观特征

与静载拉伸断口相近,瞬断区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质环境介质等因素。

案例:某电气控制盒固定脚焊缝附近断裂,断口可见疲劳弧线和源区的磨损特征,扩展较充分,瞬断区面积较小,断口具有典型的疲劳断裂特征。


图1  断口疲劳弧线与源处的磨损


图2  断口宏观形貌

疲劳断口的微观分析

疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容:

01  源区的微观分析

具体位置:多源疲劳:主源、次源;微观形貌特征:加工及材质缺陷

02  扩展区的微观分析

第一扩展区:有无疲劳条带、韧窝、台阶二次裂纹等;

第二扩展区:有无疲劳条带及疲劳条带的性质。

03  瞬断区的微观分析(韧窝形态)

低周疲劳断裂的判断依据

01  宏观特征

多源,且多为线状;

瞬断区面积大;

疲劳弧线间距大,稳定扩展区棱线粗、短;

断口高差较大。

02  微观特征

对低周疲劳,由于宏观塑性变形较大,静载断裂机理就会出现在疲劳断裂过程中,在断口上出现各种静载断裂所产生的断口形态。

案例:

某发动机的涡轮叶片和轮盘上多个榫齿出现了超过修理标准的裂纹,且裂纹部位基本上在第三齿,多数为单裂,少数为对裂,亦有邻裂的情况。

断口源区为穿晶滑移类解理断裂形貌,呈多源特征,扩展区主要为扇形解理扩展形貌和疲劳条带特征,为起始应力较大的以低周疲劳为主的疲劳开裂。


图3  叶片槽位处裂纹断口低倍


图4  扩展区载荷变化较大的条带特征


图5  据源区较远处条带特征

腐蚀疲劳断裂失效分析

腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交应载荷协同、交互作用下发生的一种失效模式。

01  腐蚀疲劳的断裂特征

断口低倍呈现明显的疲劳弧线;

源区和扩展区一般有腐蚀产物;

一般起源于表面腐蚀损伤处;

扩展区具有某些明显的腐蚀特征,如腐蚀坑、泥纹花样等;

穿晶解理脆性疲劳条带是其重要的微观特征;

若腐蚀损伤占主导地位,则断口呈现穿晶与沿晶混合型;

当Kmax> KIscc,在频率很低的情况下,其断口呈现出穿晶解理与韧窝的混合特征。

02  影响腐蚀疲劳断裂的因素

环境、受力状态、材质

03  腐蚀疲劳断裂失效分析的判断依据

交变应力和腐蚀环境;

断面灰暗、无金属光泽,有明显疲劳弧线;

有腐蚀产物和腐蚀损伤的痕迹;

疲劳条带多有脆性解理特征。

热疲劳断裂失效分析

零件在没有外加载荷的情况下,由于工作温度的反复变化而导致的开裂叫热疲劳。

热疲劳断口的形貌特征

01  热疲劳裂纹易产生于应变集中处;

02  光滑表面零件,则易产生于温度高,温差大的部位,可发现热疲劳裂纹发展极不规则,裂纹多为沿晶开裂;

03  微观形貌为韧窝和疲劳条带;

04  热疲劳裂纹附近,显微硬度降低。

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