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弹簧产生疲劳辉纹的条件及影响因素

弹簧产生疲劳辉纹的条件及影响因素
  
弹簧产生疲劳辉纹的条件及影响因素
  
  显然,疲劳条纹的出现是有条件的。一般来说,当弹簧裂纹扩展到第二阶段时,只有少量的疲劳条纹。只有少数材料在第一阶段有较薄的产程条纹。在连接处会出现较少的疲劳条纹,形成过渡区,说明从第一阶段到第二阶段的过渡是逐渐发生的,很难在正确的时基上用公认的标准来划分这两个区域。大多数材料在弹簧裂纹扩展的第二阶段产生疲劳条纹的原因是材料的性质。应力条件和环境因素有利于疲劳条纹的形成。
  
  (1) 疲劳纹产生的必要条件特别是疲劳断口上存在疲劳纹所需的材料是什么,疲劳弹簧裂纹尖端必须处于张开的平面应变状态。因此,只有当疲劳截面和疲劳载荷拉应力为直线(即正态断裂)时,才会产生疲劳火花。
  
  图6-34是在重复拉伸应力下断裂的中心切割板样品。观察其横截面的四个区域可以发现疲劳辉光的一些规律。
  
  A) 区域:切口前缘狭窄是弹簧裂纹扩展的第一阶段,其断裂特征为滑移分离、解理或产物间断裂。
  
  B) 面积:拉应力轴垂直于弹簧裂纹面,处于张开面应变状态,止动面出现疲劳裂纹
  
  c) 区:拉应力轴与截面交角由90°变为45°,断山特征也表现为由无声辉光型向疲劳火花型+微坑和微坑的过渡。条纹消失,
  
  D) 面积:最后的破碎面积,恒星陨石坑或晶界面的断裂。
  
  各区域的微观特征如图6-34所示。疲劳辉光线仅限于开口型附近的截面。完全封闭的街道表面是一个微坑型。这种现象存在于不同类型的样品和疲劳载荷中。例如,对于圆形光滑试件的反复扭转,随着应力强度因子振幅△K的变化,截面将经历从截止型到正断型的复杂变化。此时,疲劳火花仍局限于正常断裂类型附近的区域:这里还应指出,由于疲劳断裂的宏观断裂面往往不均匀,宏观断裂面与局部小断面的正应力斜率相等,可能不一致。例如,一个带有开口的圆形试样受到反复扭转疲劳,其宏观截面被切断,但许多局部区域是正常断裂。此时,部分正常断裂面上也存在疲劳折痕。
  
  因此,从断裂力学的观点来看,白度作为疲劳裂纹存在的必要条件是弹簧的裂纹尖端必须处于张开平面应变状态。这不仅仅是从宏观的角度。也就是说,整个弹簧裂纹前沿处于平面应变状态。还必须强调的是,在平面应变条件下,局部区域处于应力状态,例如,6-34中的(b)区域是正常的,但在表面附近不会形成疲劳辉光,原因是它靠近样品表面。,不能满足平面应变片。
  
  然而,开平面应变条件只是疲劳火花形状的必要条件,且不是一个充分的承载条件,因此,如果试样满足平面拉伸变形条件,是否形成疲劳模式,需要考虑以下两个因素。
  
  (2) 材料性能与疲劳辉光的关系决定了材料的组成。组织和力学性能因素与疲劳裂纹的存在与否及其形貌之间的关系十分复杂,难以用一般规律来解释。所得结果非常不一致。至于哪些因素是关键因素,目前还没有明确的结论。然而,大量事实证明,塑性材料更容易形成疲劳,脆性材料更难形成疲劳。例如,对于合金钢,平面应变断裂韧度值Kr越高,也会出现疲劳辉光痕迹,这可能是由于针尖不同韧性变形的困难所致。
  
  材料的晶体结构和滑移模式对疲劳条纹有很大的影响。例如,锕铜合金的层错能低,不易错动滑移,有利于疲劳条纹的形成。对于体心立方块,铁等金属具有较多的层错能和高滑移系统,容易错动和滑移,难以形成疲劳条纹。上述现象能否作为一般规律?要走,我们还需要做循序渐进的工作。
  
  晶界在博鳌弹簧裂纹发展过程中起着重要作用:在产品边界处,弹簧裂纹前缘被堵塞,当弹簧裂纹从一个晶粒传到相邻晶粒时,耀斑将再次发生变化。如图6-35所示。
  
  第二相粒子对晶粒保护作用相似,疲劳火花的数量与钢中碳含量有关。在不同世代钢的大部分断口上,在光滑的断面上发现了轻微弯曲的平行沟槽状辉光线,台阶在碳化物颗粒和片状火屑方向上越来越致密。在粗颗粒周围,博罗辉光线弯曲并产生台阶。弹簧裂纹扩展的前线在轻碎屑中!周边加固区域被封堵。这可能是造成图案弯曲的主要原因。
  
  (3) 环境能源
  
  环境因素,如环境气体、湿度和腐蚀性介质,将以一种特殊的方式影响疲劳纹的存在和形式,而不管其程度如何。但目前这方面的研究还不够。
  
  一些材料在真空度上与它们在空气中的破碎形状有显著差异,例如铝金。疲劳条纹容易在空气中出现,但在真空中看不到疲劳条纹,如图6-36所示。2024-T3铝合金试样在真空和空气中交替进行疲劳试验时的断裂。(a) 图为宏观断裂,空气中呈黑色,真空中呈白色。(b) 这张照片是一张微观照片。边缘的表面形成于真空,不是只是没有劳动辉光,甚至很难发现疲劳断裂的其他特征,但在下面空气中形成的表面有明显的疲劳辉光。
  
  有些材料在真空中也像在空气中一样。例如,MAR-M260单晶在真空中的断裂可以看到明显的疲劳辉光,见图6-37
  
  据报道,在色情气体环境和真空中,辉光线很难观察到,da/dN变为更小。英寸另外,在盐水腐蚀环境下,弹簧垂直裂纹的断裂方向往往呈现舌状和河状。对于脆性辉光线,当da/dN增大时,由辉光线间距得到的da/dN与实际弹簧裂纹扩展速率不一致。
  
  在氧气和水蒸气中,da/dN与空气压力有关,存在一个da/dN突变的临界压力。如图6-38所示,显示了316不锈钢的氧气压力与da/dN之间的关系。
  
  有一个明显的临界压力。当高于临界压力时,da/dN急剧增加:在氢气中,da/dN也随着产量的增加而增加,但没有明显的临界压力。
  
  混合气体对疲劳的影响取决于先吸附哪种气体。图6-39显示了不同气体环境下HY180钢的弹簧裂纹扩展速率。这种情况下的断裂具有腐蚀和疲劳的双重特征。
  
  环境温度也是一个重要因素。图6-40说明了温度对da/dN的影响。当然,它也会影响疲劳辉光的存在和形状。65%Ni-33%Cu合金在273°K左右也有相同的趋势,其沿晶断裂可达60~70%。

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