低周、腐蝕、熱疲勞斷裂的分析、判斷及案例
2021-07-13 05:53:12
hualin
疲勞斷裂的宏觀分析
典型的疲勞斷口按照斷裂過程的先后有三個明顯的特征區，即疲勞源區、擴展區和瞬斷區。
01 源區的宏觀特征
氧化或腐蝕嚴重，顏色較深；
斷面平坦、光滑、細密，有些可見閃光小刻面；
有放射臺階或放射棱線；
向外發射疲勞弧線的中心。
02 擴展區的宏觀特征
斷面平坦、與主應力垂直，顏色介于源區和瞬斷區，最基本的特征是疲勞弧線，也稱海灘花樣或貝殼花樣。
03 瞬斷區的宏觀特征
與靜載拉伸斷口相近，瞬斷區面積的大小取決于載荷的大小、材料的性質環境介質等因素。
案例：某電氣控制盒固定腳焊縫附近斷裂，斷口可見疲勞弧線和源區的磨損特征，擴展較充分，瞬斷區面積較小，斷口具有典型的疲勞斷裂特征。
圖1 斷口疲勞弧線與源處的磨損
圖2 斷口宏觀形貌
疲勞斷口的微觀分析
疲勞斷裂的微觀分析一般包括以下內容：
01 源區的微觀分析
具體位置：多源疲勞：主源、次源；微觀形貌特征：加工及材質缺陷
02 擴展區的微觀分析
第一擴展區：有無疲勞條帶、韌窩、臺階二次裂紋等；
第二擴展區：有無疲勞條帶及疲勞條帶的性質。
03 瞬斷區的微觀分析（韌窩形態）
低周疲勞斷裂的判斷依據
01 宏觀特征
多源，且多為線狀；
瞬斷區面積大；
疲勞弧線間距大，穩定擴展區棱線粗、短；
斷口高差較大。
02 微觀特征
對低周疲勞，由于宏觀塑性變形較大，靜載斷裂機理就會出現在疲勞斷裂過程中，在斷口上出現各種靜載斷裂所產生的斷口形態。
案例：
某發動機的渦輪葉片和輪盤上多個榫齒出現了超過修理標準的裂紋，且裂紋部位基本上在第三齒，多數為單裂，少數為對裂，亦有鄰裂的情況。
斷口源區為穿晶滑移類解理斷裂形貌，呈多源特征，擴展區主要為扇形解理擴展形貌和疲勞條帶特征，為起始應力較大的以低周疲勞為主的疲勞開裂。
圖3 葉片槽位處裂紋斷口低倍
圖4 擴展區載荷變化較大的條帶特征
圖5 據源區較遠處條帶特征
腐蝕疲勞斷裂失效分析
腐蝕疲勞斷裂是在腐蝕環境與交應載荷協同、交互作用下發生的一種失效模式。
01 腐蝕疲勞的斷裂特征
斷口低倍呈現明顯的疲勞弧線；
源區和擴展區一般有腐蝕產物；
一般起源于表面腐蝕損傷處；
擴展區具有某些明顯的腐蝕特征，如腐蝕坑、泥紋花樣等；
穿晶解理脆性疲勞條帶是其重要的微觀特征；
若腐蝕損傷占主導地位，則斷口呈現穿晶與沿晶混合型；
當Kmax> KIscc，在頻率很低的情況下，其斷口呈現出穿晶解理與韌窩的混合特征。
02 影響腐蝕疲勞斷裂的因素
環境、受力狀態、材質
03 腐蝕疲勞斷裂失效分析的判斷依據
交變應力和腐蝕環境；
斷面灰暗、無金屬光澤，有明顯疲勞弧線；
有腐蝕產物和腐蝕損傷的痕跡；
疲勞條帶多有脆性解理特征。
熱疲勞斷裂失效分析
零件在沒有外加載荷的情況下，由于工作溫度的反復變化而導致的開裂叫熱疲勞。
熱疲勞斷口的形貌特征
01 熱疲勞裂紋易產生于應變集中處；
02 光滑表面零件，則易產生于溫度高，溫差大的部位，可發現熱疲勞裂紋發展極不規則，裂紋多為沿晶開裂；
03 微觀形貌為韌窩和疲勞條帶；
04 熱疲勞裂紋附近，顯微硬度降低。