1402第二章疲劳破坏特征及断口分析

1、 211疲劳破坏宏观断口特征 #第二章疲劳破坏特征及断口分析21宏观断口特征珏疲劳破杼机理而顾断口特征2.4由疲劳断口进行初步失效分析材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂，但疲劳断口明显区别于其他类型断口：yit塑性断口I脆性断口 # #?一、有疲劳源、裂纹扩展区和最后断裂区披劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能一个，也可能多个.(DM)能源与动力学施2014 # #萌生主要原因:a）构件结构形状不合理截面突变.拐角、缺口等Ib）构件表面的组织缺陷如晶粒粗大等；c）表面存在工艺缺陷：切削刀痕或划伤；d）若在材料的次表面或内部存在严重的冶金缺陷如夹渣、疏松.偏析时疲劳源也可

2、能在此处产生；2疲劳扩展区:a）扩展区断面光滑.平整：循环加載时，反复变形，裂开的两个面不断张开.闭合.相互摩撩b）断面通常可见“贝壳状条带”或“海滩条带”载荷剧烈变动引起：变幅加我，运行启动时,突然过载；在裂纹前沿出现较大的应力而留下塑性变形的痕迹f 在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节，但是疲劳断口的整体形貌特征仍可确定疲劳源的大体位置.c）扩展区呈现黑色或白色条纹：黑色：疲劳斷口的裂纹与外界环境相通，腐蚀白色：裂纹与外界相隔绝；疲劳源在表面之下 # #5結构察劳与断婴”-2014I能源与动力烧離-2014 发动机叶片疲劳断口照片翼梁下突缘断口照片rniurnTni能站动力学茯結梅纳吋

3、断製一勿”: # #戏源与动力学院2014rKIC|T断臥1gb愛巫1疲勞源J=缓慢扩展二館源与动力学険2014匚三 # #二疲芦断口舉观上翅盟显的塑隹趣 #将疲劳破坏的断口对合在一起，一般都能吻合的很好.这表明破坏之前并未发生大的塑性变形；即使是塑性很好的材料也是如此三、工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形 # 瞬斷区与静載破坏斷口对比起源于表面的裂纹.循环载荷作用下扩展，沿表面扩展速度较快.沿深度方向扩展较慢，呈半椭圆形。宏观裂纹一般在最大拉应力平面内扩展能源与动力烧離結构接劳与斷Sl一2014 Fatiguesource(surface)2.1.2疲劳破坏与静载破坏特征比较疲劳破坏aa破

4、坏是瞬间发生的.整体结构破坏断口粗糙，新鮮，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。延性材料塑性变形明显。应力集中对极限承载能力彩响不大。 # #TC笛焊接接头疲劳断口微观形貌 #第二章疲劳破坏特征及断口分析褪潭坊幼力学院结构微剪片斷製-2014能禅坊动力学決結构拔勞坏断製一2X4：2.2.1金属的塑性变形金属的塑性变形方式:滑移和李生 # #ma館源与动力学院2.1宏观断口特征2.2疲劳破坏机理石微观断口特征24由疲劳断口进存初步失效分析1$2014rz滑移，滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）利晶向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动位移的现象.滑移带*塑性变形的可见标记（金相显微镜）。 # #18苗构

5、蝮劳与斷裂一2014滑移系滑移面：原子排列最密的面滑移方向：原子排列最密的方向滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。三种典型金属品格的滑移隼滑移的临界分切应力：滑移在切应力（剪应力）的作用下开动.AFFQ=a=cos$QATCTCOS入-COS妙COS入A分切应力越大，滑移系越容易开动。cos淋为取向因子.又称斯米特（schmid）因子. # 2.2.2疲劳裂纹萌生机理疲劳裂纹的起始或萌生过程，称为裂纹成核，成核处裂纹源。裂纹起源(裂纹源)仍然是由于滑移引起的，表面或应力集中处的局部某些晶粒中。循环加载时的滑移:N=1(H*=5小N=2.7XL0*(多晶体擦恒幅应力循环)循环

6、加裁时的滑移:挤出脊和侵入沟:挤出脊和侵入沟是疲劳过程中发生在金属表面的另一种普遍现象 #扰动载荷=应力集中=滑移带=驻留滑移带=微裂纹.扩展n宏观裂纹.扩展驻留滑移带、挤出脊和侵入沟均是疲劳裂纹萌生的发源地。 # #戏稼与动力学規2014rz(DM)能源与动力学炭-2014r7 # 滑移带中裂纹的晒生及生长模型I滑移带的侵入和挤出示意图疲劳裂纹萌生模型:p.Neumann提出的模型：以晶体中两个滑移系的交变滑移和形变强化为基础結构授劳与断婴-2014伍桶(wood)的挤出和侵入模型，单向加载时滑移特征如GO循环加裁时形成侵入(b)或挤出(c)o裂纹成核机理b驻留滑移带中的侵入沟本身高度应力集

7、中;机理2,材料挤出，内部产生大fit空穴.空涓等显微缺陷；页師卜星观丄山- # 2.23疲劳裂纹扩展机理扩展：疲劳裂纹生核失稳扩展前缓慢扩展过程扩展：不连续的过程，该过程可分为两个阶段第一阶段扩展：属于显微裂纹扩具有晶体学特征.受剪应力控制；第二阶段扩展：非结晶学特征.沿垂宜于裁荷作用统的最大拉应力面扩展，便劳製纹扩展二阶段材料表面一20i4DC微观裂铁（第I阶段裂纹）扩展形成住导：裂紋_般认为徽观裂纹沿裂纹尖端主滑移系方向以纯剪切的方式，同时受微结构尺寸.应力水平、滑移待征、裂纹尖端塑性等因素的形响.对于脆性材料痕劳製纹扩展,袈竄尖瑞沿解理面扩展.扩展不起因于塑性变形，而是解理斷裂的结果.

8、同样，每一个应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹（疲劳条纹O第一阶段扩展*TT器带几条TT一条主裂纹疲劳裂纹扩展二阶段材料面从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力水平.一般只有几个晶粒（17个）的尺寸第】阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的员款却很大，对于高强材料，尤其如此第二阶段扩展G.Laii-d与GC.Smith提出了非结晶学模型用以描述疲劳裂纹第二阶段的扩一塑性饨化模型饨It说化饨化毎一个应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹（疲劳条战）疫劳裂战扩展的墩性钝化模型2829（LffliTiQ4址刃丄&显几丛丿第二章疲劳破坏特征及断口分析空宏观断口特征如疲菱破坏机理|2.3

9、微观断口特征2.4由疲劳断口进行初步失效分析QEGia30能源与动力燃離佶构接劳与斷裂一2014 2.3微观断口特征微观分析目的：了解疲劳破坏过程的本质,从金属微观组织研究疲劳机理。裂纹萌生区域,滑移带和驻留滑移带(DTGMi)裂纹扩展区域-第一阶段断口光滑.具有晶体学特征.此外没有明显特征。 # #疲劳条纹是一系列基本相互平行的条纹.条纹方向与局部裂纹扩展方向垂宜，并沿局部裂纹扩展方向外凸。是判斷疲劳断裂的基本依据之一.由于材料内部微观组织的差异，裂纹扩展可能会由一个平面转移至另一个平面，因此不同区域的疲劳条纹有时分布在髙度不RK方向有别的平面上. # #戏谭与动力学院332014rz(DM

10、) # #理想情况下，每一条疲劳条纹代表一次对应的循环裁荷，即疲劳条纹敷目应该与載荷循环数相尊。但由于裂纹闭合等因素的形响，循环載荷数远大于微观可见的疲劳条纹数.披劳条纹的间距一般随应力强度因子范围的增大而增大,随若裂纹扩展长度的增加而增大.35一2一2014IX2.4由疲劳断口进行初步失效分析 # #（三个特征区）（可以宜接从断口处观察到）疲劳破坏析口提供了大量信息，由断口可分析裂坟起因、扩展信息、临界裂纹尺寸、破坏緻荷尊，是失效分析的直要依据.1斷口宏观皴：是否疲劳破坏?何处为裂纹濒？裂纹临界尺寸？（扩展区大小）破坏栽荷？（结合断裂力学知识计算）2.金相或低倍观察：裂纹源？是否有材料缺陷？（夹杂.缩孔缩松.偏析等）缺陷的类型和大小？3.高倍电镜微观观察：“海滩条带”+“疲劳条纹”，使用載荷谱，估计速 #是否正常破坏？（与设计敦荷比较 # #(DM)戏稼与动力学規3920X4rz(