热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征
热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征
断裂失效分析(4)
钟培道
(北京航空材料研究院,北京100095)
5.3 疲劳断裂失效分析
疲劳断裂失效分析的内容包括:分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂与疲劳断裂的类别;引起疲劳断裂的载荷类型与大小以及疲劳断裂的起源等。疲劳断裂失效分析的目的则是找出引起疲劳断裂的确切原因,从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。
5.3.1 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,见图12。
图12 疲劳断口的宏观特征
在一般情况下,通过宏观分析即可大致判明该断口是否属于疲劳断裂、断裂源区的位置、裂纹的扩展方向以及载荷的类型。
(1)疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别
宏观上所说的疲劳源区包括裂纹的萌生与第一阶段扩展区。疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处,由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最长,裂纹扩展速率较慢,经过反复张开与闭合的磨损,同时在不同高度起始的裂纹在扩展中相遇,汇合形成辐射状台阶或条纹。因此,疲劳源区一般具有如下宏观特征:①氧化或腐蚀较重,颜色较深;②断面平坦、光滑、细密,有些断口可见到闪光的小刻面;③有向外辐射的放射台阶或放射状条纹;④在源区虽看不到疲劳弧线,但有向外发射疲劳弧线的中心。
有时疲劳源区不只一个,在存在多个源区的情况下,需要找出疲劳断裂的主源区。
(2)疲劳断裂扩展区的宏观特征
该区断面较平坦,与主应力相垂直,颜色介于源区与瞬断区之间,疲劳断裂扩展阶段留在断口上最基本的宏观特征是疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样)见图13。
图13 疲劳弧线
(3)瞬时断裂区的宏观特征
疲劳裂纹扩展至临界尺寸(即零件剩余截面不足以承受外载时的尺寸)后发生失稳快速破断,称为瞬时断裂。断口上对应的区域简称瞬断区,其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口相近。
5.3.2 疲劳断口的微观分析
疲劳断裂的微观分析必须建立在宏观分析的基础上,它是宏观分析的继续和深化。对断口进行深入的微观分析,才能较准确地判明断裂失效的模式与机制。疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容:
(1)疲劳源区的微观分析
首先要确定疲劳源区的具体位置是表面还是亚表面,对于多源疲劳还需判明主源与次源。其次要分析源区的微观形貌特征,包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹、腐蚀损伤及腐蚀产物、材质缺陷(包括晶界、夹杂物和第二相粒子)等。
疲劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数据,是分析的重点。
(2)疲劳扩展区的微观分析
由于第一阶段的范围较小,尤其要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、二次裂纹以及断裂小刻面的微观形貌。对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带,疲劳条带的性质及条带间距的变化规律等。搞清这些特征,对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载荷的性质与大小等将起重要作用。
(3)瞬断区微观特征分析
主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝。搞清韧窝的形貌特征有利于判断引起疲劳断裂的载荷类型。
与图12所示的源区、扩展区及瞬断区相对应的微观形貌见图14及图9a。图14a为源区微观形貌,由图看出,断裂起源于叶片盆面一侧的表面,有多个源点,源区有类解理断裂小面(类解理断裂小面系面心立方晶系材料疲劳断裂第一阶段内的独有断裂特征)。图9a为扩展区内的典型微观形貌,其上疲劳弧线(粗者)与疲劳条带(细者)清晰,断裂扩展方向明显。图14b为瞬断区内的典型微观形貌,其上可见大小不均的等轴韧窝,表明叶片的断裂是在拉应力作用下造成的。
5.3.3 引起疲劳断裂的载荷类型分析
各种类型的疲劳断裂失效均是在交变载荷作用下造成的,因此,在分析疲劳断裂失效时,首要的是要以断口的特征形貌来分析判断所受载荷的类型。
(1)反复弯曲载荷引起的疲劳断裂
构件承受弯曲载荷时,其应力在表面最大、中心最小。所以疲劳裂纹总
是在表面形成,然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展。弯曲疲劳断口一般与其轴线成90°。
①单向弯曲疲劳断口。在交变单向弯曲载荷作用下,疲劳在交变张应力最大的一边的表面起源。
②双向弯曲疲劳断口。在交变双向弯曲载荷作用下,疲劳破坏源则从相对应的两边开始,几乎是同时向内扩展。
③旋转弯曲疲劳断口。旋转弯曲疲劳的应力分布是外层大、中心小,故疲劳源区在两侧,这里的裂纹扩展速度较快,中心部位较慢,且其疲劳线比较扁平。由于在疲劳裂纹扩展的过程中,轴还在不断的旋转,疲劳裂纹的前沿向旋转的相反方向偏转。
因此,最后的破坏区也向旋转的相反方向偏转一个角度。
(2)拉2拉载荷引起的疲劳断裂
当材料承受拉2拉(拉2压)交变载荷时,其应力分布是轴的外表面远高于中心。由于应力分布均匀,使疲劳源区的位置变化较大。源区可以在零件的外表面,也可以在零件的内部,这主要取决于各种缺陷在零件中分布状态及环境因素等。
(3)扭转载荷引起的疲劳断裂
轴在交变扭转应力作用下,可能产生一种特殊的扭转疲劳断口,即锯齿状断口。在双向交变扭转应力作用下,在相应各个起点上发生的裂纹,分别沿着±45°两个侧斜方向扩展(交变张应力最大的方向),相邻裂纹相交后形成锯齿状断口;在单向交变扭转应力的作用下,在相应各个起点上发生的裂纹只沿45°倾斜方向扩展。当裂纹扩展到一定程度,最后连接部分破断而形成棘轮状断口。
对具有光滑和缺口截面的零件,在不同载荷作用下而产生的疲劳断裂,其断口宏观形貌特征见图15。图中的阴影部分为瞬断区,箭头所指为疲劳断裂扩展方向,弧线为疲劳扩断区。
5.3.4 低周疲劳断裂的判据
(1)宏观特征低周疲劳宏观断口除具有上述疲劳断裂宏观断口的一般特征之外,还有如下特征:
①具有多个疲劳源,且往往是线源。源区间的放射状棱线(疲劳一次台阶)多而且台阶的高度差大。
图15光滑和
缺口圆截面的零件在不同载荷下
的疲劳断口示意图
②瞬断区的
面积所占比例大,甚至远大于疲劳
裂纹稳定扩展区的面积。
③疲劳弧线
间距加大,稳定扩展区的棱线(疲劳
二次台阶)粗且短。
④整个断口
高低不平,随着断裂循环数(Nf)的
降低,断口形貌愈来愈接近静拉伸
断口。
(2)微观特征
由于宏观塑
性变形较大,低周疲劳断裂微观断口会有静载断裂的某些特征。在一般情况下,当疲劳寿命Nf<90次时,断口上为细小的韧窝,没有疲劳条带出现;当Nf≥300次时,出现轮胎花样;当Nf>104时,才出现疲劳条带,此时的条带间距较宽,有时可达2～3μm,其典型疲劳条带形貌见图16。
如果使用温度超过等强温度,断口形态除上述特征外,还会出现沿晶断裂特征。
5.3.5 腐蚀疲劳断裂分析
腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交变载荷交互作用下发生的一种失效模式。
(1)影响腐蚀疲劳断裂过程的相关因素有:
①环境因素,包括环境介质的成分、浓度、介质的酸度(pH值)、介质中的氧含量、以及环境温度等。
②力学因素,包括加载方式、平均应力、应力比、频率以及应力循环周数。
③材质冶金因素,包括材料的成分、强度、热处理状态、组织结构和冶金缺陷等。
(2)机械疲劳、腐蚀疲劳和应力腐蚀的区别,这三者的关系见图17。当R=1,且频率(f)很低时易产生应力腐蚀;当R=0,f为中等程度时,易产生腐蚀疲劳;随着f的增高,腐蚀的作用愈来愈小,趋于纯机械疲劳。这种区分只是就疲劳裂纹的扩展阶段而言,并未考虑裂纹的萌生阶段。实际上,在腐蚀疲劳裂纹的萌生阶段,腐蚀起了极其重要的作用。
(3)腐蚀疲劳的断口特征
与一般疲劳断裂一样,腐蚀疲劳的断口上也有源区、扩展区和瞬断区,但在细节上,腐蚀疲劳断口有其独特的特征,主要表现在如下几方面:
①断口低倍形貌呈现出较明显的疲劳弧线。
②腐蚀疲劳断口的源区与疲劳扩展区一般均有腐蚀产物,通过微区成分分析,可以测定出腐蚀介质的组分及相对含量。
③腐蚀疲劳断裂一般均起源于表面腐蚀损伤处(包括点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等),因此,在大多数腐蚀疲劳断裂的源区可见到腐蚀损伤特征。
④腐蚀疲劳断裂扩展区具有某些较明显腐蚀特征,如腐蚀坑、泥纹花样等。
⑤腐蚀疲劳断裂的重要微观特征是穿晶解理脆性疲劳条带,如图9b所
示。
⑥在腐蚀疲劳断裂过程中,当腐蚀损伤占主导地位时,腐蚀疲劳断口呈现穿晶与沿晶混合型,其典型形貌见图18,其上可见脆性疲劳条带,穿晶与沿晶以及腐蚀源等形貌特征。
⑦当Kmax>KISCC,在频率很低的情况下,腐蚀疲劳断口呈现出穿晶解理与韧窝混合特征。
上述断裂特征并非在每一具体腐蚀疲劳断裂失效件上全部具备,对某一具体失效件究竟具备上述特征的哪几项,是随力学因素、环境因素和材质冶金因素而定的。
5.3.6 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。在热循环频率较低的情况下,热应力值有限,而且会逐渐消失,难以引起破坏。但当快速加热、冷却交变循环条件下所产生的交变热应力超过材料的热疲劳极限时,就会导致零件疲劳破坏。
(1)热疲劳的特征
在冷热交变循环中所产生的交变应力可能并不大,但在高温下,材料的强度降低,即使在较低的应力作用下,材料仍处于塑变状态,因此热疲劳属于应变疲劳。
影响热疲劳的主要因素是冷热循环的频率和上限温度的高低。频率提高,热应力来不及平衡,使零件的应力梯度增加,材料的热疲劳寿命降低;在同样的频率下,上限温度升高,材料塑变增加,降低了材料的热疲劳寿命;如果温度差的大小一定,上限温度降低,使得下限温度很低(零下),而成为连续地冷骤变,此时对材料所造成的损伤远小于热骤变。
影响热疲劳性能的其它因素有材料的热膨胀系数(α)、导热率(K)和材料抗交变应变的能力(ε)。当然,材料的热膨胀系数小、导热率高、抗交变应变的能力强时,有利于提高材料的热疲劳性能。显然,热疲劳性能与材料的室温静强度及延性无关,因损伤是在高温下产生的。
(2)热疲劳断口的形貌特征
对于有表面应力集中零件,热疲劳裂纹易产生于应变集中处;而对于光滑表面零件,则易产生于温度高,温差大的部位。在这些部位首先产生多条微裂纹。热疲劳裂纹发展极不规则,呈跳跃式,忽宽忽窄,有时还会产生分枝和二次裂纹,裂纹多为沿晶开裂。
热疲劳断口与机械疲劳断口在宏观上有相似之处,也可以分为三个区域,即裂纹起始区、扩展区和瞬时断裂区。其微观形貌为韧窝和疲劳条带,见图19。
5.4 提高疲劳抗力的措施及疲劳断裂案例分析
5.4.1 提高疲劳抗力的措施
为防止疲劳断裂失效,须从优化设计、合理选材和提高零件表面抗疲劳
性能等方面入手。
(1)优化设计
合理的结构设计和工艺设计是提高零件疲劳抗力的关键。机械构件不可避免地存在圆角、孔、键槽及螺纹等应力集中部位,在不影响机械构件使用性能的前提下,应尽量选择最佳结构,使截面圆滑过渡,避免或降低应力集中。结构设计确定之后,所采用的加工工艺是决定零件表面状态,流线分布和残余应力等的关键因素。
(2)合理选材
合理选材是决定零件具有优良疲劳抗力的重要因素,除尽量提高材料的冶金质量外,还应注意材料的强度、塑性和韧性的合理配合。
(3)零件表面强化工艺
为了提高零件的抗疲劳性能,发展了一系列的表面强化工艺,如表面感应热处理、化学处理、喷丸强化和滚压强化工艺等。实践表明,这些工艺对提高零件的抗疲劳性能效果非常明显。
(4)减少变形约束
对承受热疲劳的零件,应减少变形约束,减少零件的温度梯度,尽量选用热膨胀系数相近的材料等,提高零件的热疲劳抗力。
5.4.2 疲劳断裂失效案例分析
(1)某汽车用悬架弹簧在使用中发生断裂失效。该弹簧外径<100mm,内径<60mm,呈圆螺形状,是用<11.5mm的55CrSi钢丝制成。弹簧生产工艺流程为:卷簧→回火→喷丸→立定处理→涂塑。
(2)断口特征
图20为钢丝断口宏观形貌,有两个高差很大的断面,呈台阶状。断面A 平坦细密,为疲劳断裂区;断口B倾斜粗糙,为瞬断区。疲劳断裂起始钢丝表面的机械损伤处,见图中箭头所示。机械损伤呈线状特状,靠近源区的断面平坦细密,有疲劳断裂特征,见图21。
以上断裂特征表明,该弹簧为剪断型扭转疲劳断裂。
(3)断裂分析
对于承受拉伸或压缩载荷的圆柱螺旋弹簧,在轴向载荷作用下,在弹簧钢丝的任意横截面内,存在两种剪应力———剪切剪应力和扭转剪应力。两者相加,在弹簧的外圆为高应力区,而在弹簧内圈的钢丝表面上的剪应力最大,断裂往往从内圈钢丝表面上开始。如果处于内圈的钢丝表面上存在缺陷,则会加速疲劳裂纹的萌生。由此可以得出:该弹簧提前疲劳断裂失效的主要原因是内圈钢丝表面上存在的机械损伤。这种机械损伤有可能产生于钢丝生产过程中,也有可能产生于弹簧生产过程中。
(4)结论该弹簧的失效模式为剪断型扭转疲劳断裂,其原因是钢丝表面存在横向机械损伤。
热处理裂纹的修补方法【汇总】
热处理裂纹的修补方法 内容来源网络，由深圳机械展收集整理！ 一渗碳 （1）浓度过高：可将工件在中性介质中加热到正火温度，是碳在中性介质气氛中向内部扩散，减低表面浓度。 （2）浓度不够：可重新升温再渗。 （3）渗层脱碳：可重新进行一次短时渗碳 （4）淬火后硬度过低出现大量残余奥氏体：将工件进行高温回火，保温可延长，使残余奥氏体及马氏体转变为珠光体，随后在750——780低温淬火，此时合金元素和碳均不能完全溶解于奥氏体，淬火就可减少残余奥氏体含量。 二氮化 1.硬度不够的主要原因： （1）氮化温度过高或者一度过高 （2）第一阶段氮的分解率过高 （3）氮化时间过短，氮化层太薄 （4）炉罐新换，氮气没适度增加, 对于出现硬度低的不合格工件，可先给予退氮，然后重新氮化 2.深度浅，氮化层不足原因分析
（1）第二阶段氮化温度低，时间短 （2）工件氮化前未经调质处理 （3）氮分解率控制不当防止出现这一缺陷的主要措施是将工件的组织基体处理为索氏体，稳定分解率，足够保温时间。对于氮化出现以上问题的补救方法是在正常温度下重新氮化。 3.表面氧化 （1）出炉时温度过高 （2）冷却过程中有空气进入 4.氮化层脆性大甚至有裂纹 （1）氮分解率过低 （2）氮化温度低 （3）退氮气处理不当 （4）冷却速度过慢 （5）预先热处理造成脱碳或组织粗大 措施：适当提高氮的分解率和氮化温度，退氮要充分，降温过程中加大氮的流量，以加快冷却速度可避免以上缺陷。对于出现脆性的工件可将工件在500——520（保温3——5小时）进行退氮处理，或将在570——580（在氮的气氛中回火4——5小时），在630——650回火2小时左右均可。 5.工件变形大
热处理变形与裂纹
热处理变形与裂纹 工件热处理后常产生变形和开裂，其结果不是报废，也要花大量工时进行修整。 工件变形和开裂是由于在冷、热加工中产生的应力所引起的。当应力超过弹性极限时，工件产生变形；应力大于强度极限时，工件产生裂纹。 热处理中热应力和组织应力是怎样产生的只有不断认识这个问题，才能采用各种工艺方法来减小和近控制这两种应力。 在加热和冷却时，由于工件热胀冷缩而产生的热应力和组织转变产生的组织应力是造成变形和开裂的主要原因，而原材料缺陷、工件结构形状等因素也促使裂纹的产生和发展。 后面主要叙述热处理操作中的变形和开裂产生原因及一般防止方法，也讨论原材料质量、结构形状等对变形和开裂的影响。 一、钢的缺陷类型 1、缩孔：钢锭和铸件在最后凝固过程中，由于体积的收缩，得不到钢液填充，心部形 成管状、喇叭状或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔将显著降低钢的机械性能。 2、气泡：钢锭在凝固过程中会析出大量的气体，有一部分残留在处于塑性状态的金属 中，形成了气孔，称为气泡。这种内壁光滑的孔洞，在轧制过程中沿轧制方向延伸，在钢材横截面的酸浸试样上则是圆形的，也叫针孔和小孔眼。气泡将影响钢的机械 性能，减小金属的截面，在热处理中有扩大纹的倾向。 3、疏松：钢锭和铸件在凝固过程中，因部分的液体最后凝固和放出气体，形成许多细 小孔隙而造成钢的一种不致密现象，称为疏松。疏松将降低钢的机械性能，影响机 械加工的光洁度。 4、偏析：钢中由于某些因素的影响，而形成的化学成份不均匀现象，称为偏析。如碳 化物偏析是钢在凝固过程中，合金元素分别与碳元素结合，形成了碳化物。碳化物 （共晶碳化物）是一种非常坚硬的脆性物质，它的颗粒大小和形状不同，以网状、 带状或堆集不均匀地分布于钢的基体中。根据碳化物颗粒大小、分布情况、几何形 状、数量多少将它分为八级。一级的颗粒最小，分布最均匀且无方向性。二级其次，八级最差。碳化物偏析严重将显著降低钢的机械性能。这种又常常出现于铸造状态 的合金具钢和高速钢中。对热处理工艺影响很大，如果有大块碳化物堆集或严重带 状分布，聚集处含碳量较高，当较高温度淬火时，工件容易因过热而产生裂纹。但 为了避免产生裂纹，而降低淬火温度，结果又会使硬度和红硬性降低。碳化物偏析 严重将直接影响产品质量，降低使用寿命或过早报废。 5、非金属夹杂物：钢在冶炼、浇铸和冷凝等过程中，渗杂有不溶解的非金属元素的化 合物，如氧化物、氮化物、硫化物和硅酸盐等、总称为非金属夹杂物。钢中非金属 夹杂物存在将破坏基体金属的连续性，影响钢的机械性能、物理性能、化学性能及 工艺性能。在热处理操作中降低塑性和强度而且夹杂物处易形成裂纹。在使用过程 中也容易造成局部应力集中，降低工件使用寿命。夹杂物的存在还降低钢的耐腐蚀 性能。 6、白点：钢经热加工后，在纵向断口上，发现有细小的裂纹，其形状为圆形或椭圆形 的，呈银亮晶状斑点。在横向热酸宏观试样上呈细长的发裂，显微观察裂缝穿过晶 粒，裂缝附近不发现塑性变形，裂缝处无氧化与脱碳现象。这种缺陷称为白点。白 点将显著降低横向塑性与韧性，在热处理中易形成开裂。 7、氧化与脱碳：钢铁在空气或氧化物气氛中加热时，表面形成一层松脆的氧化皮，称
焊接热应力和热疲劳的产生
焊接热应力和热疲劳的产生、特点及其对构件使用性能的影响传统的焊接技术是指金属间的焊接，其工艺方法一般是通过局部加热或加压、添加或不添加填充材料将金属构件不可拆除地连接在一起或在母材表面堆焊覆盖层。随着焊接技术的发展和各种新材料的不断出现及应用，现今焊接的概念早已不再局限于金属间的焊接，而是通过适当的方法，使两个分离的固体产生原子、分子晶间结合，形成焊接接头的一种连接方法。它可以是同种金属或是异种金属间的结合，也可以是非金属、金属与非金属间的各种连接。 焊接结构件虽具有诸多优点，但是还存在焊接件易变形，焊接接头易失效、焊缝处易存在焊接缺陷以及焊缝及其附近区域存在残余应力等问题，其中，焊接热应力和热疲劳是影响焊接质量的重要因素，对焊接件的尺寸精度、安全使用以及使用寿命等有着极大的影响。 一、焊接热应力的产生过程 焊接热应力是指焊接过程中,焊件内部由于温度差异所引起的应力，焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接热应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中存在瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后还有残余焊接应力和变形。例如：钢材焊接时，由于高度集中的瞬时热输入，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处可达1500℃以上，高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到邻近钢材的约束，从而在焊件内引起较高的热应力，在焊接过程中随时间和温度而不断变化，最终形成焊接热应力。 二、焊接热应力特点及对构件使用性能影响 焊接热应力也和其他原因引起的内应力一样，有一个基本特点，即在整个焊件内构成一个平衡力系，其内力与内力矩的总和都为零，在温度高处发生压缩，温度低处发生拉伸形变。焊接热应力随约束程度的增大而增大。由于材料的线膨胀系数、弹性模量与泊桑比随温度变化而变化，不仅与温度变化量有关，而且受初始温度的影响。焊接热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低。对于塑性材料，热应力不会导致构件断裂，但交变热应力有可能导致构件发生疲劳失效或塑性变形累积。 在构件的实际使用中，焊接热应力会影响构件承受静载能力、影响结构脆性断裂、影响结构的疲劳强度、影响结构的刚度和稳定性、易产生应力腐蚀开裂、影响构件精
材料疲劳裂纹扩展设计研究综述
材料疲劳裂纹扩展研究综述 摘要:疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型，并讨论了“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾温度、载荷频率和应力比是影响材料疲劳裂纹扩展行为的主要因素。发展相关理论和方法，正确认识影响机理，科学预测疲劳裂纹扩展行为一直是人们追求的目标。指出了常用理论的不足，对新的研究方法进行了论述。 关键词: 温度; 载荷频率; 应力比; 理论; 方法; 疲劳裂纹扩展 1 前言 19世纪40年代随着断裂力学的兴起，人们对于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不考虑裂纹的传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而，材料的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设计与加工工艺等诸多学科，材料、载荷条件、使用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响，这给研究工作带来了极大困难。正因为此，虽然对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，但仍有很多问题存在着争议，很多学者还在不断的研究和探讨，力求得到更加准确的解决疲劳裂纹扩展问题的方法和理论。 经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析(1967年) ，Elber的裂纹闭合理论(1971年) ，Wheeler 等的超载迟滞模
型(1970年) ，Hudak等关于裂纹扩展速率标准的测试方法，Sadananda和Vasudevan ( 1998年)的两参数理论等都取得了一定成果。本文将对其研究中存在问题、常用方法和理论模型、以及温度、载荷频率和应力比对疲劳裂纹扩展影响的研究成果和新近发展起来的相关理论进行介绍。 2 疲劳裂纹扩展研究现存问题 如今，人们在分析材料裂纹扩展问题时最常用到的是“塑性钝化模型”和裂纹尖端因“反向塑性区”等原因导致的“裂纹闭合效应”理论。而它们是否正确，却一直在人们的验证和争论之中。 根据现有的研究结果，有学者提出，若按照“塑性钝化模型”理论，强度高的材料应具有较低的裂纹扩展速率，但实验结果却不能证实这一预测。另外，该“模型”认为的“裂纹尖端的钝化是在拉应力达到最大值时完成的”这一观点在理论上不妥，也与实测结果不符。观察结果表明，裂纹尖端钝化是一个渐进的过程，钝化半径与外载荷大小成正比。 而疲劳裂纹在扩展过程中的“裂纹闭合效应”在什么情况下存在，能否对材料的裂纹扩展速率产生重要影响，考虑“裂纹闭合”的实验室数据能否用于工程中等问题也一直在人们的争论之中。由于“裂纹闭合效应”理论推出的结论是:“对载荷比的依赖性不是材料的内在行为，而是源于裂纹表面提前闭合后应力强度因子幅(△K) 的变化”，所以早在1984年S.Suresh等人就指出[1]，“裂纹闭合”不是一个力学参数，它受构件形状、载荷、环境和裂纹长度等因素的影响。因此，除非在实际使用过程中测量构件的裂纹闭合情况，否则在实验室里做出来的试验结果不能用来预测构件中的裂纹扩展速率。1970年，Ritchie研究钢中裂纹扩展的近门槛值时发现:在真空环境下，应力比R对门槛值几乎没有影响，首度质疑了裂纹闭合的存在性和所起的作用。在前人研究的基础上，美国海军实验室的
热处理淬火十种裂纹分析与措施
热处理淬火十种裂纹分析与措施 2007-4-16 1、纵向裂纹 裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体,产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。以下因素又加剧了纵向裂纹的产生： (1)钢中含有较多S、P、***、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹； (2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸为25-40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。 预防措施： (1)严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产； (2)尽量选用真空冶炼，炉外精炼或电渣重熔模具钢材； (3)改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火； (4)变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。 2、横向裂纹 裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、P．***，Bi，Pb，Sn，As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。 预防措施： (1)模块应合理锻造，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2—3之间，锻造采用双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使钢中碳化物和杂质呈细、小，匀分布于钢基体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源； (2)选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的Ms点以上快冷，大于该钢临界淬火冷却速度，钢中过冷奥氏体产生的应力为热应力，
裂纹分类
裂纹分类 凡是使金属的连续性被破坏的缺陷，而此种缺陷又具有一定的深度、长度和宽度，或直线或曲线状分布于钢材或工件表面或内部，即称裂纹。 裂纹的分类： 1. 按裂纹存在的形状和大小可分为：龟纹、“V型”纹、“y型”纹、“之状”裂纹、环状裂纹、鸡爪状裂纹、丝纹、发纹、裂纹、裂缝等宏观裂纹及微观裂纹。 2. 按裂纹存在于钢材或工件上的不同方向分为：纵裂纹、横裂纹即为定向裂纹等。 3. 按裂纹存在的不同部位分为：表皮裂纹、皮下裂纹、心部裂纹与钢锭的头部裂纹、中部裂纹、尾部裂纹及角部裂纹等。 4. 按裂纹产生的不同根源分为：铸造裂纹、锻造裂纹、轧制裂纹、拔制裂纹、研磨裂纹、淬火裂纹、焊接裂纹及疲劳裂纹等。 低倍组织结构内容 1. 偏析、疏松、气孔、树枝状结晶、缩孔、缩管、晶粒粗大、气泡翻皮、金属夹杂物、非金属夹杂物、裂纹等。 2. 在加热过程中产生的缺陷：过烧、氧化铁皮、脱碳层、晶粒粗大、斑疤、夹层、重皮、皱纹、裂纹、飞边、折叠、白点等。
3. 使用过程中产生的：疲劳断口、脆性断裂、裂口、分层等缺陷。 钢中低倍组织结构的检验方法 一、表面质量检验法： 1.目的： i. 避免因表面质量不良而造成在生产工艺上发生废品的损失、降低使用寿命； ii. 确定钢锭、钢坯、钢材及零件等是否必须经过中间清理或维修工序； iii. 查明表面缺陷的类别、特征、对质量危害的程度，从而分析其产生的原因，提供今后的改进质量的有效技术措施。 二、敲击检验法 视小铁锤回跳情况与工件发出声音的情况来判断是否有裂纹。 三、断口质量检验法 1.目的 i. 检验常存的一些缺陷：缩孔、非金属夹杂物、夹砂、斑点、晶粒粗大、晶粒不均、脱碳、气孔、带状组织、层状组织、白点等； ii. Cr-Ni，Cr-Ni-Mo，Cr和高碳钢中的白点； iii. 分析产生断裂的原因与断裂的性质。 四、冷热酸蚀检验法 1.热酸蚀法：将酸的水溶液（1:1盐酸）加热到70~80℃时把试样
锻造裂纹与热处理裂纹原理形态
一：锻造裂纹与热处理裂纹形态 一：锻造裂纹一般在高温时形成，锻造变形时由于裂纹扩大并接触空气，故在100X或500X 的显微镜下观察，可见到裂纹内充有氧化皮，且两侧是脱碳的，组织为铁素体，其形态特征是裂纹比较粗壮且一般经多条形式存在，无明细尖端，比较圆纯，无明细的方向性，除以上典型形态外，有时会出现有些锻造裂纹比较细。裂纹周围不是全脱碳而是半脱碳。 淬火加热过程中产生的裂纹与锻造加热过程形成的裂纹在性质和形态上有明显的差别。对结构钢而言，热处理温度一般较锻造温度要低得多，即使是高速钢、高合金钢其加热保温时间则远远小于锻造温度。由于热处理加热温度偏高，保温时间过长或快速加热，均会在加热过程中产生早期开裂。产生沿着较粗大晶粒边界分布的裂纹；裂纹两侧略有脱碳组织，零件加热速度过快，也会产生早期开裂，这种裂纹两侧无明显脱碳，但裂纹内及其尾部充有氧化皮。有时因高温仪器失灵，温度非常高，致使零件的组织极粗大，其裂纹沿粗大晶粒边界分布。 结构钢常见的缺陷： 1 锻造缺陷 （1）过热、过烧：主要特征是晶粒粗大，有明显的魏氏组织。出现过烧说明加热温度高、断口晶粒粗大，凹凸不平，无金属光泽，晶界周围有氧化脱碳现象。 （2）锻造裂纹：常产生于组织粗大，应力集中处或合金元素偏析处，裂纹内部常充满氧化皮。锻造温度高，或者终端温度低，都容易产生裂纹。还有一种裂纹是锻造后喷水冷却后形成的。 （3）折叠：冲孔、切料、刀板磨损、锻造粗糙等原因造成了表面缺陷，在后续锻造时，将表面氧化皮等缺陷卷入锻件本体内而形成折缝。在显微镜上观察时，可发现折叠周围有明显脱碳。 2 热处理缺陷 （1）淬裂：其特点是刚健挺直，呈穿晶分布，起始点较宽，尾部细长曲折。此种裂纹多产生于马氏体转变之后，故裂纹周围的显微组织与其它区域无明显区别，也无脱碳现象。（2）过热：显微组织粗大，如果是轻度过热，可采用二次淬火来挽救。 （3）过烧：除晶粒粗大外，部分晶粒已趋于熔化，晶界极粗。 （4）软点：显微组织有块状或网状屈氏体和未溶铁素体等。加热不足，保温时间不够，冷却不均匀都会产生软点。 二：锻造裂纹与热处理裂纹产生原因 锻造裂纹：钢在锻造过程中，由于钢材存在表面及内部缺陷，如发纹、砂眼、裂纹、夹杂物、皮下气泡、缩孔、白点和夹层等，都可能成为锻打开裂的原因。另外，由于锻打工艺不良或操作不当，如过热、过烧或终锻温度太低，锻后冷却速度过快等，也会造成锻件开裂。 热处理裂纹：淬火裂纹是宏观裂纹，主要由宏观应力引起。在实际生产过程中，钢制工件常由于结构设计不合理，钢材选择不当、淬火温度控制不正确、淬火冷速不合适等因素，一方面增大淬火内应力，会使已形成的淬火显微裂纹扩展，形成宏观的淬火裂纹，另一方面，由于增大了显微裂纹的敏感度，增加了显微裂纹的数量，降低了钢材的脆断抗力Sk,从而增大淬火裂纹的形成可能性。 影响淬裂的因素很多，这里仅将生产中常碰到的几种情况作一介绍： 1.原材料已有缺陷而导致的淬裂：
(完整word版)疲劳断裂总结
第三部分疲劳断裂 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。 疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。 §3-1疲劳的基本概念 在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。 一、应力疲劳和应变疲劳 1、应力疲劳 在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。七特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。 2、应变疲劳 在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。 二、疲劳强度和疲劳极限 1、乌勒（W?hler）疲劳曲线 （1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb 时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（W?hler）疲劳曲线。 （2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系 （3）图示（略） 2、疲劳强度（条件疲劳极限） （1）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳 强度（σ r ） （2）σ r =f（N）σ r 对应σmax，一般N<107 3、疲劳极限 （1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限（2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线
金属疲劳断口的宏现形状特征
收藏【技术类】 金属疲劳断口的宏现形状特征 (2011-1-21 13:38:36) 疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。 一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。 1、疲劳裂纹源区 疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。 当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。 当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。 2、疲劳裂纹扩展区 疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。 贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关，而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。 贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感，例如低碳钢；相反，若围绕裂纹
材料的疲劳性能
材料的疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随 1 /2； min） 2 应力； ②不对称循环：σm≠0，-1
④波动循环：σm>σa，0 ②疲劳破坏属于低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要； ③疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）将降低材料的局部强度。二者综合更加速疲劳破坏 出现两个疲劳源。 （2）疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）? 疲劳裂纹扩展区特征为断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远 ASTM 金属疲劳与断裂标准一览 ASTM 金属疲劳与断裂标准一览 E468-90（2004）显示金属材料定幅疲劳试验结果的方法 Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials E561-05 R-曲线测定 Standard Practice for R-Curve Determination E602-03 圆柱形试样的锐切口张力的试验方法 Standard Test Method for Sharp-Notch Tension Testing with Cylindrical Specimens E606-92(2004)e1 应变控制环疲劳试验 Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing E647-05 疲劳裂缝增大率测量用测试方法 Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates E1457-00 测量金属蠕变开裂增长速度的试验方法 Standard Test Method for Measurement of Creep Crack Growth Rates in Metals E1290-02 测量裂缝尖端开口位移(CTOD)裂缝韧性的试验方法 Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement E1823-96(2002) 疲劳和裂纹试验相关的标准术语 Standard Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing E1921-05 测定铁素体钢在转变范围内基准温度的标准试验方法 Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, To', for Ferritic Steels in the Transition Range E740-03 用表面破裂张力试样做断裂试验 Standard Practice for Fracture Testing with Surface-Crack Tension Specimens Steels Using Equivalent Energy Methodology E1049-85(1997) 疲劳分析的周期计数 Standard Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis E1152 Test Method for Determining J-R Curves3 E1169-02 耐久性试验的实施 Standard Guide for Conducting Ruggedness Tests E1221-96(2002) 测定Kla铁素体钢的平面应变,断裂抑制,破裂韧性的试验方法 Standard Test Method for Determining Plane-Strain Crack-Arrest Fracture Toughness, KIa, of Ferritic Steels 锻压技术 1997年 第5期 模具 高速热模锻模具热疲劳 裂纹萌生期预测* 上海交通大学(200030) 柳建韬 阮雪榆 上海大学 汪 黎 刘以宽 上海汽车锻造总厂 谭振华 陆文渊 摘要 在考虑高速热模锻凹模的材料性能和工况条件基础上,由Coffin M ansion公式导出了热疲劳裂纹萌生期预测公式,并采用这一公式对高速热模锻凹模进行了热疲劳裂纹萌生期的预测。通过试验发现预测结果与试验结果基本吻合。 关键词 高速热模锻 模具 热疲劳裂纹 萌生期 Prediction of thermal fatigue crack initiation cycles of die for high speed hot die forging Shang hai Jiaotong U niv ersity Liu Jiantao Ruan Xueyu Shanghai U niv ersity Wang Li Liu Yikuan Shanghai Automobile Forging Works Tan Zhenhua Lu Wenyuan Abstract Based on taking material properties and wor king co ndition into account of die for high speed hot die forg ing,this paper deriv ed an equation used for thermal fatig ue crack initiation cycles from well known Coffin M ansion equation and predicted thermal fat igul crack initiation cycles of die for high speed hot die forg ing.T he prediction r esults tallied wit h exper imental results. Keywords High speed hot die forging Die T hermal fatigue crack Initiation cycles 一、前 言 热疲劳是AM P50XL高速热模锻设备凹模的主要失效形式之一[1],预测热疲劳裂纹萌生期是最终预报模具热疲劳寿命的关键。 本文研究了AMP50XL高速热模锻设备凹模的工况条件,由Coffin M ansion公式导 * 本文为国家自然科学基金资助项目(59675049) 收稿日期:1996 11 22出了预测凹模热疲劳裂纹萌生期的公式,进而采用这一公式对凹模热疲劳裂纹萌生期进行了预测。预测结果与试验结果基本吻合。 二、高速热模锻凹模工况分析 AM P50XL高速热模锻设备有4个水平排列的工位(图1),成形工位凹模剖面示意图见图2。 设备生产率为60~100件/min;棒料加热 50 对铆接疲劳裂纹产生机理的探讨 【摘要】自冲铆接的微裂纹会在铆接孔中产生，这主要是由于材料内部组织的不均匀性及铆接模具的结构、形状造成的。本文对接疲劳裂纹产生机理进行了探讨研究。 【关键词】自冲铆接；微裂纹；裂纹扩展；疲劳强度 0.引言 自冲铆接技术是采用一个铆钉连接两个或更多部件的方法，它实行冲铆一次完成。半空心铆钉自冲铆接工艺的铆接过程铆钉在冲头的作用下，穿透上层板料，在凹模和铆钉外形共同作用下空心铆钉尾部在下层金属中张开形成喇叭口形状。自冲铆接除了可连接上述点焊所难于连接的材料外，自冲铆接和点焊相比还具有许多点焊所不具备的优点：能连接不同材料，能和粘接复合连接，无发光，发热少，疲劳强度较高，快捷等。 1.自冲铆接疲劳破坏方式 自冲铆接的疲劳扩展最易在铆接孔处扩展，且在宏观上裂纹扩展方向垂直于载荷方向，且裂纹宏观方向通过铆接孔中心，在裂纹扩展末期的瞬断时形成剪切唇，剪切唇与载荷成大约45o，这其实是由于强度不足所致。 有的时候自冲铆接疲劳裂纹不在铆接孔发生，而有可能在铆接孔附近靠近铆钉头部的地方萌生和扩展，这主要由于铆钉在受载时会对板料有一个弯曲作用。在有的时候，比如自冲铆接和粘接复合连接时，或材料缺陷情况下，疲劳萌生和扩展还可能发生在板料的其他部位。 2.自冲铆接微裂纹的产生 铆钉可用钢材或硬铝等制作，一般经热处理来适当提高其韧、硬度，这主要取决于被铆接材料特性如强度、硬度、厚度等。被铆接的材料常有钢板、铝板或铝合金、塑料、铜或铜合金、高分子材料及复合材料等，一般其硬度不能太高，否则铆钉将难刺穿上板料，若采用更高硬度的铆钉，但这样铆钉在刺入板料和张开时易开裂，且增大了刺入力。 由于铆钉刺进板料时，板料内部强度、硬度、结构、相分布、原子结合力不均，晶粒、晶界性状不一等原因导致板料的铆钉孔孔壁有毛刺、微裂纹，这些将是导致自冲铆接失效的重要扩展源。 下面阐述裂纹不在铆接孔中产生的情况。金属中常见的有面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格等多种结构，它们具有多种滑移系和滑移方向，晶体是各向异性的。在其受力时可沿着受载最大或最弱的、抗力最小的晶面和晶向滑 青岛黄海学院机电工程学院2013—2014学年第二学期期中考试 科目：工程材料及机械制造基础 姓名：杜希元 学号： 1101111084 班级： 2011级本科三班 专业：机械制造及其自动化 浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害 摘要：从人类开始制造结构以来，断裂就是社会面对的一个问题。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因，直到显微镜和电子显微镜等高科技器具的相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果。本文浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害，使人们初步了解金属疲劳断裂的相关知识。 关键词：疲劳断裂原因危害 一、金属材料的疲劳现象 工程中有许多金属零件，如齿轮、弹簧、滚动轴承、叶片、发动机曲轴等都是在变动载荷下工作的。根据变动载荷的作用方式不同，金属零件承受的应力可分为交变应力和循环应力。在交变应力下，虽然零件所承受的应力低于材料的抗拉强度甚至低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属材料也是一样。金属的机械性能会随着时间而慢慢变弱，这就是金属的疲劳。在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，从而使金属原子间的化学键断裂，导致金属裂开。 二、金属材料疲劳的种类 金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种： （1）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。 （2）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在10000～100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。 常见淬火裂纹有以下10种类型 模具钢热处理中，淬火是常见工序。然而，因种种原因，有时难免会产生淬火裂纹，致使前功尽弃。分析裂纹产生原因，进而采取相应预防措施，具有显著的技术经济效益。常见淬火裂纹有以下10种类型。 1纵向裂纹裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体，产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。以下因素又加剧了纵向裂纹的产生：(1)钢中含有较多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹；(2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸25-40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。预防措施：(1)严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产；(2)尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔模具钢材；(3)改进热处理工艺，采用真空加工热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分析淬火、等温淬火；(4)变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。 2横向裂纹 裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。 预防措施：(1)模块应合理锻造，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2-3之间，锻造之间双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使钢中碳化物和杂质呈细、小、匀分布于钢基体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源；(2)选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的Ms点以上快冷，大于该钢临界淬火冷却速度，钢中过冷奥氏体产生的应力为热应力，表层为压应力，内层为张应力，相互抵消，有效防止热应力裂纹形成，在钢的Ms-Mf之间缓冷，大幅度降低形成淬火马氏体时的组织应力。当钢中热应力与相应应力总和为正(张应力)时，则易淬裂，为负时，则不易淬裂。充分利用热应力，降低相变应力，控制应力总和为负，能有效避免横向淬火裂纹发生。CL-1有机淬火介质是较理想淬火剂，同时可减少和避免淬火模具畸变，还可控制硬化层合理分布。调正CL-1淬火剂不同浓度配比，可得到不同冷却速度，获得所需硬化层分布，满足不同模具钢需求。 3弧状裂纹 常发生在模具棱角、凸台、刀纹、尖角、直角、缺口、孔穴、凹模接线飞边等形状突变处。这是因为，淬火时棱角处产生的应力是平滑表面平均应力的10倍。另外，(1)钢中含碳(C) 材料的疲劳性能 一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。 1、表征应力循环特征的参量有： ①最大循环应力：σmax； ②最小循环应力：σmin； ③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2； ④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin，σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax。 2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为： ①对称循环：σm=（σmax+σmin）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力； ②不对称循环：σm≠0，-1 ③脉动循环：σm=σa>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。σm=σa<0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力； ④波动循环：σm>σa，0 热处理淬火裂纹产生的原因 及防止措施分析 摘要：在热处理生产实践时，常常会遇到一些零件和工具，特别是形状复杂时，淬火过程因处理不当以及一些其他因素，造成工件内部存在有强大的淬火应力，以致引起淬火裂纹。淬火裂纹直接导致零件的报废，产生的原因和条件及防止方法具有很摘要的现实意义。 关键词：淬火裂纹的实质产生原因和条件防止方法 一、淬火裂纹的实质 钢件在进行淬火是，在冷却的过程中同时产生了热应力和组织应力。由于温度的降低使零件内部产生了热应力，由于奥氏体向马氏体的转变使内部产生了组织应力，组织应力是钢件表面淬火时拉应力，钢件表面在拉应力的作用下，有开裂的危险。根据淬火裂纹断口形式和外观状态分析，淬火裂纹是在内应力作用下的脆性断裂。 二、淬火裂纹产生的原因和条件 1、钢的化学成分对淬火裂纹敏感性的影响 在一定的淬火介质中冷却时，钢的化学成分对热处理裂纹形成的影响，是由于它使钢件的内应力分布于应力集中的敏感性和钢的机械性能发生了改变的缘故。合金元素对内应力的影响，则主要是由于合金元素对钢的组织结构影响的结果。 在钢中含有的所有元素中，碳对钢机械性能的影响最大，随着含碳量的增加，钢件淬火后组织应力也有所增大，由于组织应力作 用的结果，使钢的表面具有危险的拉应力。因此，淬裂倾向将随着含碳量的增多而增大。 钢中其他常存因素，如硫、磷等夹杂物较多，呈条状、网状分布时，往往在正常淬火条件下形成裂纹。 合金元素能够在不同程度上使奥氏体的等温曲线的位置右移，即增大其淬透性，这样可以用缓慢的冷却介质进行淬火。从而残余应力较小，是钢的马氏体转变温度降低，则残余奥氏体数量增多，组织应力减小，有利于降低钢件的淬裂倾向。 2、原材料缺陷对淬火时形成裂纹的影响 钢件内部的发纹、皮下气泡、较严重的碳化物偏析以及非金属夹杂等在淬火过程中，有可能在这些缺陷处产生裂纹。 各种锻件加工时，不论是温度过高或过低都容易在锻轧过程出现细小裂纹。由于毛坯在锻轧后，表面上存在一些氧化皮，因此这些细小裂纹便不容易被发现。但钢件机械加工后一些淬火处理，将会使原来存留的的裂纹扩展开来，从而使其暴露于钢件的表面。 3、钢件的结构特点对形成裂纹的影响 钢件的淬火裂纹的形成倾向与钢件的尺寸和形状等设计结构特点有关。生产实践表明，具有截面急剧变化的工件或者有尖锐槽口的工件，在淬火冷却时这些部位会淬火时大的应力集中，都易于产生淬火裂纹。 4、淬火前的原始组织和应力状态对形成裂纹的影响 根据加热时的相变理论可以知道，钢的原始组织对加热时奥氏 第26卷第10期 2007年10月 实验室研究与探索 RESE ARCH AND EXP LORATI O N I N LABORAT ORY Vol .26No .10 Oct .2007 特征构件疲劳裂纹扩展试验研究 崔洪斌1 , 曲先强1 , 吕春雷1 , 马永亮1 , 张 杰1 , 王长利 2 (1.哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学材料学院,哈尔滨150001) 摘 要:由于高强度钢在疲劳断裂过程中很难产生辉纹,给裂纹扩展的研究带来一定的困难。本文在对 接焊平板的疲劳断裂试验中,采用降载勾线法制造出“海滩状花纹”,借此对裂纹扩展过程中裂纹前缘形状和裂纹扩展速率进行分析,并与Ne wman 2Raju 公式的计算结果进行比较。关键词:疲劳断裂试验;降载勾线;裂纹扩展 中图分类号:T B302文献标识码:A 文章编号:1006-7167(2007)10-0275-03 Fa ti gue C rack Gr ow th Te sts of Typ i ca l Components CU I Hong 2bin 1 , QU X ian 2qiang 1 , LV Chun 2lei 1 , MA Yong 2liang 1 , ZHAN G J ie 1 , WAN G Chang 2li 2 (1.College of shi pbuilding engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China; 2.College of material science,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China ) Abstract:It is difficult for high strength steel t o p r oduce fatigue striati ons in the fracture p r ocess of fatigue,which brings difficulty f or the analysis of the appearance of the crack gr owth and fracture mouth analysis .A marking technique,in which the slightly s maller l oad was exerted on the s peci m ens t o p r oduce the beachmark,was adop ted in the p r ocess of fa 2tigue test .The mark was used t o define the appearance and the vel ocity of crack gr owth .The result of measure ment was compared with the calculating result using Ne wman 2Raju equati on .Key words:fatigue fracture test;marking technique;crack gr owth CLC nu m ber:T B302 D ocu m en t code:A Arti cle I D :1006-7167(2007)10-0275-03 收稿日期:2007-05-11 1 引 言 随着高强度钢在工程结构中的广泛应用,高强度钢的疲劳性能越来越受到重视。由于疲劳断裂的复杂性和随机性,疲劳断裂试验仍然是研究疲劳断裂现象的重要手段,而常见的高强度钢疲劳试验中很难产生辉纹,这给裂纹扩展前缘形状和不同阶段裂纹扩展速率的研究带来一定的困难。 针对某结构中的表面裂纹扩展问题,设计了对接焊角度平板上表面裂纹扩展试验,试验中采用降载勾 线方法[123] 制造出“海滩状花纹(beach mark )”,从而对裂纹的扩展前缘形状和扩展速率进行研究,并给出一定的结论。 2 表面裂纹扩展试验 本试验在MTS810试验机上进行。采用两块160 ×80×20的板材,经过对接焊焊接成夹角10°的带角度平板试样,经过探伤检测合格后,打磨光,在试件上的焊趾部位垂直于试件轴线用铣刀加工预制窄缺口。在试件的两端施加一定的轴向压力,使得预制缺口区 域产生压弯组合应力。由于试件不是标准试件[4] ,设计了特殊的夹具。夹具采用线切割的方式加工凹槽,并把凹槽的底部和试件的两端加工成同样曲率的圆弧,这样使得试件受力更均匀且不附加约束弯矩,同时试验过程比较安全。试验采用正弦波加载,加载频率1Hz 。用读数显微镜监测试件表面的裂纹扩展。在试件表面预制缺口与焊缝对称位置上粘贴应变片,通过应变仪来测量试件内外表面上的应力。试验装置如图1图2: 3 降载勾线法 由于看不到深度方向裂纹的扩展,对于平板上的 表面裂纹,只能对裂纹沿表面方向的扩展进行监测。而用读数显微镜观察表面裂纹时,不方便确定裂纹尖ASTM 金属疲劳与断裂标准一览
高速热模锻模具热疲劳裂纹萌生期预测
对铆接疲劳裂纹产生机理的探讨
浅论金属材料疲劳断裂的原因及危害
常见淬火裂纹有以下10种类型
材料的疲劳性能
热处理淬火裂纹产生的原因及防止措施分析
特征构件疲劳裂纹扩展试验研究