断裂机制的四种基本类型:第二部分

在实际零件的失效机制中观察到沿晶断裂和疲劳断口。

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在前一篇文章中,我们讨论了韧性或超载型断裂的明显断口,以及脆性解理断裂的断裂。在这篇文章中,我们将讨论沿晶断裂,以及疲劳断口。

晶间断裂或脱粘断裂

在晶间断裂(图1)中,晶界处存在脱粘现象。断口常呈“冰糖”状,体塑性变形小。这种类型的断裂通常与环境或特定微观结构有关。

图1 300M合金钢的沿晶断口,呈现典型的“冰糖”特征。

大多数工程材料的晶界比材料的单个晶粒更强(假设处理得当)。晶界打断了单个晶粒的晶格,并通过钉住位错运动提供了增强的强度。细晶粒材料比大晶粒材料有更多的表面积,所以更多的位错被钉住,增加了延展性和强度。

晶界也是空隙和晶体断层聚集的地方。它们也是一种容易传播的途径。杂质常偏析到晶界。沿着晶界的破坏可能是由环境或由发生沉淀的特定微观组织引起的。

晶间断裂可以分为两种不同的类型-那些有韧窝晶间断裂和那些有脆晶间断裂。在韧窝沿晶断裂中,晶界上出现微孔洞聚结。在脆性沿晶断裂中,晶界没有微孔合并的迹象,而呈现更“冰糖”型断口[1]。

在韧窝晶间断裂中,晶界的延展性较低。这通常是由于在装饰晶界的沉淀处形成微孔。它也可能出现在铝合金中,其中出现了明显的无沉淀区(PFZ)。在这种情况下,晶界几乎是纯铝,比晶粒内部更弱(且更具延展性)。这在7XXX(Al-Mg-Zn)合金中最为常见[2]。

脆性沿晶开裂通常与晶界强化有关。它很容易被识别,因为它高度多面外观。原因包括晶界上第二相颗粒的脆性、杂质向晶界的偏析或环境诱发的脆化[3]。

在脆性或韧性晶间断裂中,断裂模式很明显。然而,断裂的机理或原因并不容易推断。

晶间断裂的原因通常与加工不当或特定的环境削弱晶界有关。一般而言,晶间断裂的原因有:

  • 晶界沉淀。
  • 热处理对晶界的杂质的分离。
  • 温度和应力升高(蠕变)。
  • 晶界的环境破坏或削弱(通常是特定系统)。
  • 表1中列出了晶间骨折的原因的实例。
表1:典型的沿晶断裂原因及实例。

疲劳断裂

零件在使用过程中承受不同的应力。这些应力通常以重复或循环荷载的形式存在。在施加足够的载荷或应力后,部件在明显小于其屈服强度的应力下失效。疲劳是抵抗重复应力能力下降的一种度量。

疲劳失效为脆性失效,无明显变形。断裂面通常垂直于主拉应力。疲劳失效可通过光滑摩擦表面的外观识别,通常为半圆形。海滩标志通常表明断裂(和裂纹扩展)的进展。疲劳失效的起始点通常位于某种应力集中点或应力提升管。

疲劳发生需要三个因素。首先,应力必须足够高,以便产生裂纹。其次,施加的应力变化必须足够大,以使裂纹能够扩展。第三,施加应力的次数必须足够大,以使裂纹能够扩展相当长的距离。部件的疲劳寿命受多个变量的影响,包括应力集中、腐蚀、温度、微观结构、残余应力和组合应力。

疲劳断口分为四个明显的区域:

1.开采,早期发展疲劳损伤。

2.滑移带裂纹扩展,裂纹扩展的早期阶段,通常称为第一阶段裂纹扩展。

3.稳定的裂纹扩展,通常与施加的拉伸应力垂直。这称为第二阶段裂纹扩展。

4.不稳定裂纹扩展,最终失效由超载。这被称为第三阶段裂纹扩展。

疲劳通常发生在自由表面,初始特征为第一阶段扩展、疲劳裂纹,在滑移带挤压和侵入处开始[4]。Cottrel和Hull[5]提出了一种形成这些挤压和侵入体的机制(如图2所示),该机制取决于滑动的存在,滑动系统彼此成45度角,在加载和卸载时顺序运行。Wood[6]认为侵入和挤压的形成是细滑移的结果。在微观尺度上产生的缺口将是稳定疲劳裂纹扩展的起始点。

图2:[5]后的疲劳侵入和挤压机理示意图。

在阶段II(稳定疲劳裂纹扩展)中,条纹(图3)通常显示每个应力循环中裂纹前缘的连续位置。疲劳条纹通常使用电子显微镜检测,是疲劳发生的视觉证据。然而,没有疲劳条纹并不排除疲劳的发生。

图3:7xxx铝中明显的疲劳条纹。每个条件代表一个应力循环。

条痕是通过塑性钝化工艺[7]形成的。在第I阶段裂纹尖端的末端,由于滑移的存在,出现了尖锐的缺口。这些锋利的缺口使应力集中在裂纹尖端。拉伸载荷的作用使裂纹沿滑移面发生塑性剪切,最终使裂纹尖端钝化。当载荷释放后,滑移方向发生逆转,裂纹尖端被压缩和磨尖。这在新的裂纹尖端提供了一个尖锐的缺口,在那里可以发生扩展。

疲劳受许多因素的影响,包括应力循环,残余应力的数量,表面光洁度,应力集中因素,以及许多其他变量。

结论

在本文中,讨论了骨间骨折和疲劳的简要描述。本文并非旨在彻底检查这些失败模式,而是将读者介绍到实际部件中观察到的不同机制。

如果您对这篇文章有任何问题,或对进一步的文章有建议,请联系编辑或我自己。

参考

  1. P. G. Shewmon,《晶界裂纹》,金属。板牙。反式。第29卷第2期6月,第509-518页,1998。
  2. S. Kuramoto, G. Itoh和M. Kanno,“一些沉淀硬化铝合金在低温下的晶间断裂”,金属。板牙。反式。(1)中华人民大学学报(自然科学版);10月,第3081-3088页,1996。
  3. 林奇,“晶间断裂机制”,材料。Sci。论坛,第46卷,第1-241989页。
  4. p. J. Forsyth和C. A. Stubbington,“在一些铝合金中观察到的滑移带挤压效应”,《金属学报》,第83卷,第395页,1954。
  5. “铜的循环滑移对挤压和侵入的影响”,中华人民大学学报(自然科学版)。Soc。(伦敦),第242卷,第211页,1957年。
  6. W. A. Wood,“金属疲劳的一些基本研究”,载于《断裂》,B. L. Auerback主编,剑桥,麻省理工学院出版社,1959年,第412页。
  7. C.莱尔德,“疲劳裂纹繁殖”,在ASTM STP 415疲劳裂纹繁殖,Conshohocken,PA,ASTM,1967,p。136。