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疲劳断口的起源详解(配图)

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疲劳断裂的定义:

材料在受到低于断裂强度的交变应力作用下,发生的脆性断裂,称之为疲劳,常可见疲劳条带(或称疲劳辉纹)的典型特征。


对于疲劳源区而言,最简单的是收敛类源区:


源区附近呈放射性,其收敛位置即为源区。


源区附近呈弧线式,其圆心位置即为源区。


这类源区附近的断面一般较为平坦,之后断面的起伏度和粗糙度均会增大。收敛类的疲劳起源占疲劳失效的较大比例,另一种情况,疲劳源区则为解理面或准/类解理面交错,常见于铜合金和高温合金,部分钛合金也有该情况。


高温合金源区的解理特征


铜合金源区的类解理特征


钛合金源区的解理特征


这类的源区附近断面由于交错分布多个解理面,因此比较粗糙,之后的疲劳扩展前、中期则会转为平坦,最后失稳后的快速扩展又重新变得起伏大和粗糙。此外,有些疲劳并不一定从试样表面起源,有可能在试样内部,此时往往可能由于内部存在缺陷或亚表面处于特殊应力状态导致。


有的起源也不仅仅在一处位置起源,可能在多个位置均萌生疲劳源,这时我们就可以看到多个疲劳源之间产生类似台阶的特征,这是由于多处萌生裂纹并扩展过程中,不可能在一个平面上扩展,当裂纹相互交汇到一起时,必然通过剪切撕裂的方式使不同的扩展平面连接起来,从而形成台阶。


试样边缘多个交汇台阶


以上说了这么多,大家是不是反而晕菜了?怎么好像什么模式都有,我们到底应该如何判断?

  • 首先,当然是通过棱线的收敛去判断,毕竟绝大多数的疲劳都有该特征。

  • 其次,看看是不是铜合金、高温合金这种特殊的合金,对于他们来说,找解理面就差不多了。

  • 再次,关注台阶,台阶必然意味着有多条裂纹交汇在一起,也就是说,一个台阶的两侧存在源区的可能性很大。


然后,我们还有几个辅助判断的手段:

  • 第一,条带方向。几乎所有的疲劳断裂都可以观察到条带特征,此时,条带弧线的圆心位置,就是指向源区了。但是,需要注意的是,条带只是极微观的特征,而且在局部位置由于应力改变,可能造成条带扩展方向转变的情况。因此,该方法只能作为辅助判别手段。



  • 第二,瞬断区判别。源区实在不好找,可以先去找瞬断区,因为瞬断区往往以韧性断裂模式为主,一般可见与疲劳区不同的韧窝特征。此外,瞬断区由于主要在剪切力作用下快速断裂,一般与主断面存在一定的倾斜角度,比较好辨别。找到瞬断区后,与之相对的位置一般就是源区了。



该断口左侧即为瞬断区,由此推出右侧为源区


看到这儿,大家是不是觉得又明白了一些呢?那么下面我们来检验一下自己吧:请问下图断口的源区在哪?有几处源区?


来源:中航工业失效分析中心,作者:刘洲。

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