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低周、腐蚀、热疲劳断裂的分析、判断及案例

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。
01  源区的宏观特征
氧化或腐蚀严重,颜色较深;
断面平坦、光滑、细密,有些可见闪光小刻面;
有放射台阶或放射棱线;
向外发射疲劳弧线的中心。
02  扩展区的宏观特征
断面平坦、与主应力垂直,颜色介于源区和瞬断区,最基本的特征是疲劳弧线,也称海滩花样或贝壳花样。
03  瞬断区的宏观特征
与静载拉伸断口相近,瞬断区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质环境介质等因素。
案例:某电气控制盒固定脚焊缝附近断裂,断口可见疲劳弧线和源区的磨损特征,扩展较充分,瞬断区面积较小,断口具有典型的疲劳断裂特征。

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图1  断口疲劳弧线与源处的磨损

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图2  断口宏观形貌
疲劳断口的微观分析
疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容:
01  源区的微观分析
具体位置:多源疲劳:主源、次源;微观形貌特征:加工及材质缺陷
02  扩展区的微观分析
第一扩展区:有无疲劳条带、韧窝、台阶二次裂纹等;
第二扩展区:有无疲劳条带及疲劳条带的性质。
03  瞬断区的微观分析(韧窝形态)
低周疲劳断裂的判断依据
01  宏观特征
多源,且多为线状;
瞬断区面积大;
疲劳弧线间距大,稳定扩展区棱线粗、短;
断口高差较大。
02  微观特征
对低周疲劳,由于宏观塑性变形较大,静载断裂机理就会出现在疲劳断裂过程中,在断口上出现各种静载断裂所产生的断口形态。
某发动机的涡轮叶片和轮盘上多个榫齿出现了超过修理标准的裂纹,且裂纹部位基本上在第三齿,多数为单裂,少数为对裂,亦有邻裂的情况。
断口源区为穿晶滑移类解理断裂形貌,呈多源特征,扩展区主要为扇形解理扩展形貌和疲劳条带特征,为起始应力较大的以低周疲劳为主的疲劳开裂。

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图3  叶片槽位处裂纹断口低倍

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图4  扩展区载荷变化较大的条带特征

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图5  据源区较远处条带特征
腐蚀疲劳断裂失效分析
腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交应载荷协同、交互作用下发生的一种失效模式。
01  腐蚀疲劳的断裂特征
断口低倍呈现明显的疲劳弧线;
源区和扩展区一般有腐蚀产物;
一般起源于表面腐蚀损伤处;
扩展区具有某些明显的腐蚀特征,如腐蚀坑、泥纹花样等;
穿晶解理脆性疲劳条带是其重要的微观特征;
若腐蚀损伤占主导地位,则断口呈现穿晶与沿晶混合型;
当Kmax> KIscc,在频率很低的情况下,其断口呈现出穿晶解理与韧窝的混合特征。
02  影响腐蚀疲劳断裂的因素
环境、受力状态、材质
03  腐蚀疲劳断裂失效分析的判断依据
交变应力和腐蚀环境;
断面灰暗、无金属光泽,有明显疲劳弧线;
有腐蚀产物和腐蚀损伤的痕迹;
疲劳条带多有脆性解理特征。
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。
热疲劳断口的形貌特征
01  热疲劳裂纹易产生于应变集中处;
02  光滑表面零件,则易产生于温度高,温差大的部位,可发现热疲劳裂纹发展极不规则,裂纹多为沿晶开裂;
03  微观形貌为韧窝和疲劳条带;
04  热疲劳裂纹附近,显微硬度降低。

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