彈簧裂紋的四個(gè)微觀階段

在分析彈簧疲勞斷裂宏觀斷口形貌時(shí)，將其分為三個(gè)區(qū)域：彈簧疲勞源、裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂。但有人指出，宏觀上已知的彈簧疲勞源區(qū)實(shí)際上包括裂紋在1mm以下的擴(kuò)展過(guò)程。裂紋形核后，擴(kuò)展到十分之幾毫米的過(guò)程具有不同于隨后裂紋擴(kuò)展的特征。

因此，在對(duì)彈簧疲勞斷裂的微觀分析中，根據(jù)裂紋產(chǎn)生到斷裂的微觀特征，將整個(gè)過(guò)程分為四個(gè)階段：裂紋萌生階段、微裂紋擴(kuò)展階段、宏觀裂紋擴(kuò)展階段和瞬時(shí)斷裂階段。裂紋的萌生是局部剪應(yīng)力作用的結(jié)果。在最大剪應(yīng)力作用下，材料表層的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)將形成一個(gè)小的滑移帶，滑移帶的高度約為10-7cm。疲勞應(yīng)力越大，滑移帶數(shù)量越多，滑移帶高度越大，這些滑移帶最終將成為疲勞裂紋萌生的區(qū)域。在反復(fù)荷載作用下，相鄰滑移面將產(chǎn)生反向滑移，疲勞滑移帶將在彈簧表面形成溝槽和隆起，如圖6-19所示。這些槽和脊的形狀可以是鋸齒形或平滑的圓形褶皺。如果有許多平面滑動(dòng)，產(chǎn)生的條紋是淺而波浪狀的。相反，只有少數(shù)緊密排列的平面在滑動(dòng)，形成明顯邊界的間隙屏障。在某些情況下，您可以看到由反向滑動(dòng)引起的定義良好的擠壓區(qū)，并且通常可以在這些擠壓區(qū)中看到無(wú)休止可檢測(cè)的滑動(dòng)區(qū)裂紋。這些滑移帶裂縫很可能是反向滑移引起的侵入帶。一旦侵入?yún)^(qū)形成，它將通過(guò)反向滑動(dòng)作用而變深，這種擴(kuò)展構(gòu)成金屬疲勞壽命的主要部分。

彈簧表面缺陷或材料內(nèi)部缺陷都起到尖銳缺口的作用，促進(jìn)應(yīng)力集中，并促進(jìn)疲勞裂紋的萌生。對(duì)實(shí)際構(gòu)件疲勞斷裂裂紋核心區(qū)的研究，主要是找出是否存在此類裂紋萌生缺陷，并確定其在裂紋形核中的作用，提出消除此類缺陷的方法。

疲勞裂紋一旦萌生，一般會(huì)沿與最大剪應(yīng)力方向最為一致的滑動(dòng)面向內(nèi)擴(kuò)展。只要毛發(fā)圖案的膨脹沿滑動(dòng)面進(jìn)行，膨脹機(jī)理是一致的。這是微觀裂紋擴(kuò)展，通常被稱為裂紋擴(kuò)展的第一階段。一般來(lái)說(shuō)，第一階段的裂紋擴(kuò)展深度很淺，從十分之幾到一毫米不等。只有鎳基高溫合金的疲勞破壞才能有更深的擴(kuò)展，甚至可以占到整個(gè)斷裂的75%以上。因此，對(duì)高溫合金第一階段斷裂的微觀特征研究較少。