斷裂失效

斷裂失效是機械產品最主要和最具危險性的失效,其分類比較複雜,一般有如下幾種:

(1)按斷裂機理分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂;

(2)按斷裂路徑分為穿晶、沿晶和混晶斷裂;

(3)按斷裂性質分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂。 ^[1] 

韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂,即零件斷裂之前,在斷裂部位出現較為明顯的塑性變形。在工程結構中,韌性斷裂一般表現為過載斷裂,即零件危險截面處所承受的實際應力超過了材料的屈服強度或強度極限而發生的斷裂。

在正常情況下,機載零件的設計都將零件危險截面處的實際應力控制在材料的屈服強度以下,一般不會出現韌性斷裂失效。但是,由於機械產品在經歷設計、用材、加工製造、裝配直至使用維修的全過程中,存在着眾多環節和各種複雜因素,因而機械零件的韌性斷裂失效至今仍難完全避免。

工程材料的顯微結構複雜,特定的顯微結構在特定的外界條件(如載荷類型與大小,環境温度與介質)下有特定的斷裂機理和微觀形貌特徵。金屬零件韌性斷裂的機理主要是滑移分離和韌窩斷裂。

1 滑移分離

韌性斷裂最顯著的特徵是伴有大量的塑性變形,而塑性變形的普遍機理是滑移,即在韌性斷裂前晶體產生大量的滑移。過量的滑移變形會出現滑移分離,其微觀形貌有滑移台階、蛇形花樣和漣波等。因此有必要對滑移分離加以敍述。

(1)滑移帶 晶體材料的滑移面與晶體表面的交線稱為滑移線,滑移部分的晶體與晶體表面形成的台階稱為滑移台階。由這些數目不等的滑移線或滑移台階組成的條帶稱為滑移帶。確切地説,目前人們將在電鏡下分辨出來的滑移痕跡稱為滑移帶。滑移帶中各滑移線之間的區域為滑移層,滑移層寬度在 5～50nm 之間。隨着外力的增加,一方面滑移帶不斷加寬,另一方面,在原有的滑移之間還會出現新的滑移帶。

金屬材料滑移的一般規則是:①滑移方向總是原子的最密排方向;②滑移通常在最密排的晶面上發生;③滑移首先沿具有最大切應力的滑移系發生。

(2)滑移的形式 晶體材料產生滑移的形式是多種多樣的,主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波狀滑移、滑移碎化和滑移扭折等。

(3)滑移分離斷口形貌 滑移分離的基本特徵是:斷面呈 45°角傾斜;斷口附近有明顯的塑性變形;滑移分離是在平面應力狀態下進行的。

滑移分離的主要微觀特徵是滑移線或滑移帶、蛇形花樣、漣波花樣和延伸區。 ^[1] 

韌窩是金屬韌性斷裂的主要特徵。韌窩又稱作迭波、孔坑、微孔或微坑等。韌窩是材料在微區範圍內塑性變形產生的顯微空洞,經形核、長大、聚集,最後相互連接導致斷裂後在斷口表面留下的痕跡。

雖然韌窩是韌性斷裂的微觀特徵,但不能僅僅據此就作出韌性斷裂的結論,因為韌性斷裂與脆性斷裂的主要區別在於斷裂前是否發生可察覺的塑性變形。即使在脆性斷裂的斷口上,個別區域也可能由於微區塑變而形成韌窩。

(1)韌窩的形成 韌窩形成的機理比較複雜,大致可分為顯微空洞的形核、顯微空洞的長大和空洞的聚集三個階段。D.Broek 根據實驗結果,建立了韌窩形核及生長模型。

這個韌窩模型,可以同時解釋在拉應力作用下形成等軸韌窩或拋物線韌窩和夾雜物或第二相粒子在切應力作用下破碎而形成韌窩的現象。

(2)韌窩的形狀 韌窩的形狀主要取決於所受的應力狀態,最基本的韌窩形狀有等軸韌窩、撕裂韌窩和剪切韌窩三種。

等軸韌窩是在正應力作用下形成的。在正應力的作用下,顯微空洞周邊均勻增長,斷裂之後形成近似圓形的等軸韌窩。

剪切韌窩是在切應力作用下形成的,通常出現在拉伸或衝擊斷口的剪切唇上,其形狀呈拋物線形,匹配斷面上拋物線的凸向相反。

撕裂韌窩是在撕裂應力的作用下形成,常見於尖鋭裂紋的前端及平面應變條件下低能撕裂斷口上,也呈拋物線形,但在匹配斷口上,撕裂韌窩不但形狀相似,而且拋物線的凸向也相同。

在實際斷口上往往是等軸韌窩與拉長韌窩共存,或在拉長韌窩的周圍有少量的等軸韌窩。

(3)韌窩的大小 韌窩的大小包括平均直徑和深度,深度常以斷面到韌窩底部的距離來衡量。影響韌窩大小的主要因素有第二相質點的大小與密度、基體塑性變形能力、硬化指數、應力的大小與狀態及加載速度等。通常對於同一材料,當斷裂條件相同時,韌窩尺寸愈大,表徵材料的塑性愈好。 ^[1] 

工程構件在很少或不出現宏觀塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的ψ＜5%)情況下發生的斷裂稱作脆性斷裂,因其斷裂應力低於材料的屈服強度,故又稱作低應力斷裂。由於脆性斷裂大都沒有事先預兆,具有突發性,對工程構件與設備以及人身安全常常造成極其嚴重的後果。因此,脆性斷裂是人們力圖予以避免的一種斷裂失效模式。儘管各國工程界對脆性斷裂的分析與預防研究極為重視,從工程構件的設計、用材、製造到使用維護的全過程中,採取了種種措施,然而,由於脆性斷裂的複雜性,至今由脆性斷裂失效導致的災難性事故仍時有發生。

金屬構件脆性斷裂失效的表現形式主要有:

(1)由材料性質改變而引起的脆性斷裂,如蘭脆、回火脆、過熱與過燒致脆、不鏽鋼的 475℃脆和σ相脆性等。

(2)由環境温度與介質引起的脆性斷裂,如冷脆、氫脆、應力腐蝕致脆、液體金屬致脆以及輻照致脆等。

(3)由加載速率與缺口效應引起的脆性斷裂,如高速致脆、應力集中與三應力狀態致脆等。 ^[1] 

按斷裂前宏觀塑性變形的大小分類,疲勞斷裂屬脆性斷裂範疇。但由於疲勞斷裂出現的比例高,危害性大,且是在交變載荷作用下出現的斷裂,因此國內外工程界均將其單獨作為一種斷裂形式加以重點分析研究。

工程構件在交變應力作用下,經一定循環周次後發生的斷裂稱作疲勞斷裂。

(1)多數工程構件承受的應力呈週期性變化稱為循環交變應力。如活塞式發動機的曲軸、傳動齒輪、渦輪發動機的主軸、渦輪盤與葉片、飛機螺旋槳以及各種軸承等。這些零件的失效,據統計 60%～80%是屬於疲勞斷裂失效。

(2)疲勞破壞表現為突然斷裂,斷裂前無明顯變形。不用特殊探傷設備,無法檢測損傷痕跡。除定期檢查外,很難防範偶發性事故。

(3)造成疲勞破壞的循環交變應力一般低於材料的屈服極限,有的甚至低於彈性極限。

(4)零件的疲勞斷裂失效與材料的性能、質量、零件的形狀、尺寸、表面狀態、使用條件、外界環境等眾多因素有關。

(5)很大一部分工程構件承受彎曲或扭轉載荷,其應力分佈是表面最大,故表面狀況(如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蝕及脱碳等)對疲勞抗力有極大影響。 ^[1]