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机械装备失效分析小课堂——韧性断口小档案

发布日期:2017-08-23浏览次数:
    断口是断裂过程信息的承载体,断口特征是构件所经受的应力、环境、材料三要素综合作用的结果。构件的材料不同、经受的环境条件不同、承受的载荷不同,断口表现出来的特征也不同。
 
    今天的小课堂,就让我们一起来了解一下韧性断口吧!
 
    韧性断口的三要素
    韧性断裂的一种典型断口是拉伸试样的杯锥状断口,杯部较粗糙,呈纤维状,锥部区域呈浅灰色,比较光滑区,并与杯部成45°角。
    金属光滑拉伸试样断口上通常有三个宏观特征区域,即图1(a)所示的纤维区、放射区和剪切唇区,图1(b)为拉伸试样的实际断口形貌,断口中间区域为纤维区,最外一圈为剪切唇,两者之间为放射区,存在向外呈放射状的微裂纹。
    通常情况下,金属材料的断口上均会出现这三种形貌特征,但三个区域的位置、形状、大小及分布各有不同。有时在断口上只出现一种或两种,即断口三要素有时不同时出现,这和材料的种类、强度或硬度高低、环境温度、受力状态等因素有关。
    断口上纤维区较大表明材料的韧性较好,放射区增大表明材料的韧性降低,脆性增大。对于极脆的材料,几乎不存在纤维区。
 
    图1(a)断口三要素示意图,(b)实际光滑拉伸试样断口形貌
    断口三要素在断口分析中的应用
    1)判断断裂源位置
    在通常情况下,正应力作用下的韧性断裂源区位于纤维区的中心部位,因此找到了纤维区的位置就可以确定断裂源的位置;另一种方法是利用放射区的形貌特征进行判断,在一般情况,放射条纹收敛处为裂纹源位置。
    2)判断裂纹的扩展方向
    通常裂纹的扩展方向是由纤维区指向剪切唇区方向,在放射区的放射条纹指向裂纹扩展方向。如果是板材零件,断口上放射区的宏观特征为人字条纹,其反方向为裂纹的扩展方向。
    断口上有两种或三种要素区时,剪切唇区是最后断裂区,一般和剪切唇相对的位置就是断裂源区。图2是一个铸铝构件失效断口,根据断口上放射纹的指向可判断断口上存在两个源区,分别位于两个凸出的筋表面。
 
    图2 裂纹扩展方向和裂纹源判断
    韧性断口的微观特征
    韧性断口微观形态主要为韧窝。构件受到的应力类型不同,断口上的韧窝形貌也不同。
    图3为裂纹三种张开类型和受力情况,Ⅰ型裂纹的微观特征为正韧窝,见图3(d),Ⅱ、Ⅲ型裂纹的微观特征为剪切韧窝,见图3(f)。
    韧窝也称微坑,其大小与形核数量、材料韧性、环境温度,以及应变速率有关;材料韧性好、夹杂或第二相粒子少、环境温度高、应变速率慢则韧窝尺寸较大;反之则韧窝尺寸较小。
    夹杂物或第二相粒子是韧窝(微坑)的形核位置,它们的大小及密度决定了韧窝的大小,但并不是所有的夹杂物都是形成微坑的核心,在图4(d)中几个较大的韧窝才观察到夹杂物,而在图4(e)中大多数微坑中都存在夹杂物颗粒。
 
    图3(a)、(b)、(c)裂纹的三种张开形式,
    (d)正韧窝,(e)韧窝中的第二相颗粒,(f)剪切型韧窝
    今天的小课堂,我们为大家详细的介绍了韧性断口的相关资料,下周,我们将继续为大家介绍断口方面的知识,咱们下周再见啦~大家周末愉快!