２０００年第３期 物理测试
金属拉伸试样断口分析方法
璺建墼 （南通市计量捡定涮试所，２２６００１） 韩坤 （南通市产品质量监督检验所，２２６００５） ｃ
摘要讨论了金属拉伸试验过程中拉伸试样的应力分布情况和断裂过程，分析了影响断口形貌的
Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ
Ｍｉａｏ Ｊｉａｎｈｏｒｔｇ （Ｎ∞自 Ｍｅｔｒｄｏｇｙ Ｃａｌｉｂｒａｔｌｏｎ ａｎｄ Ｍ口 ｒｅｍ∞ｔ Ｉｒ￣ｉｔｕｔｅ，２２６Ｃ０１） Ｄｉｎｇ Ｊｉｎｋｕｎ （Ｎｓａ￣ｔｃｅｇ ＰＩＤｄ ｂ Ｑ｜ａｌ时ｓＩ 咄ｉ∞ａｎｄ Ｂ哑 １ａｄ０ｒ－Ｉｒ哦；ｔＩ１ｔｅ，２２６００５） 布
１ 、 ２
Ａ／ｌａｒｕｃｔ Ｔｈｅ ｓｎ ａｎｄ ｈ－ａｃｔｔｗｅ ｂｅｈａｖ／ｏｔｔｒ。ｆｔｅ／￣ｏｒｌ ｔ ｓ￣ａｅａ ｄｍ－ｉｎｇｔｈｅａ ０ｆｍｅｔａｌｌｉｃｔｅｎｓｉｃ￣ ｔｅｅｉｎｇａｒｅ ａｐｐｏｒａｃｈ￣ｔ．Ｔｈｅｆａｃｔ．ｓｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅ ｄ璩ｒ田 旧瞎ａｒｅ ｄｉ ｃＩ Ｔｈｅ ｈ ｃ七ｕｒｅ ａａ４ａｃｅ ０ｆⅧ 豫ｔ印嘶∞ｉｓ ａ１ｓｏ∞ｍｐ ｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｉ删ｓａｍｐｌｅＩｔｉｓＩｍｔｆｏｒｗａｒｄｔｈａｔｔｈｅ 一 ｙｓ ｍｅｔｈｏｄ ０ｆｆｒａｃｔｕｒｅ ５ｔｎ￣ａｅｅ ｍ ｔ∞妇ｔｅｓｔ ｓｐｅｅａ￣Ｉｓ ａ＇．ｍｉｌａｂｌｅＫ ｗ０ ⅡＩｅｔａ１，ｔ日１ｓ两ｔＡ￣，ｔ ｓｐｅｃｉｍｅｎ，ｌ＇ｒａｃｔｕｒｅ ．￣ｍｌｙｓｌｓｍｅｔｈｏｄ
通过对断口形貌特征进行全面的观察与分析，可进而研究断裂的类型、方式、路径、过程、 性质、原因和机理等。近年来，不少学者运用扫描电子显微镜、ｘ射线光电子能谱等先进仪器
设备分析断口形貌特征，并已开始采用分形分析方法等对断口形貌进行定量研究．以便获得对
金属材料断裂机制的本质认识，进行金属新材料及新型复舍材料的性能分析和研制工 作［ 。
２６０ 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第３期 ２０１３年３月 弹簧振动失效断口分析 于汇泳 ，周慧琳 ，胡俊华 （１．河南机电高等专科学校材料Ｔ程系，河南新乡４５３００２；２．郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州４５００００） 摘要：针对某一具体案例对弹簧进行了振动失效断口分析。试验结果表明，弹簧在振动和阀板往复摆动的交变应力作 用下，在弹簧双联腿部位产生了疲劳失效；弹簧折弯处由于半径过小，在折弯内表面处产生了初始裂纹，该区是弹簧结构 的薄弱区域，疲劳失效往往易起源于该区域；疲劳最终断裂区显示，最后断裂为所受扭转力矩造成；可通过增大双联腿折 弯半径，克服折弯缺陷，并在弹簧服役过程中控制轴向串动，防止双联腿部位出现扭转力矩，从而避免该处产生失效。 关键词：振动失效；疲劳失效；弹簧折弯处 中图分类号：ＴＨ１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１３）０３—０２６０—０２ Ｔｈｅ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｐｒｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｆａｉｌｕｒｅ ＹＵ Ｈｕｉ—ｙｏｎｇ ，ＺＨＯＵ Ｈｕｉ—ｌｉｎ ，ＨＵ Ｊｕｎ－ｈｕａ。 （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅ’ｎａｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅ’ｎａｎ Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３００２， Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅ’ｎａｎ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｕｌｕｒｅｆｒａｃｔｕｒｅ ａｎｄｙｓｉｓ ＷａＳ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔｆｏｒ ａ ｓｐｅｃ ｃ ｃａｓｅ ｏｆｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓａｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ—ｌｅｇ—ｂｉｔ ｐｒｏｄｕｃｅｄｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ．ｓｔｒｅｓｓ ｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｃｋ ａｎｄｆｏｒｔｈ ｓｗｉｎｇ ０／ ｖａｌｖｅ ｐｌａｔｅ；ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｉｎｎｅｒ ＳｕＦｆａｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｒａｃｋ ｂｅｃａｕｓｅ ｓｐｒｉｎｇ ｂｅｎｄ ｒａｄｉｕｓ ｗａｓ ｔｏｏ ｓｍａｌｌ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ａｒｅａ ｗａｓ ａ ｗｅａｋ ａＦｅａ ｏ，‘ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｗａｓ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｅａｓｉｌｙ ｏｒｉｇ￣ ｎａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｇｉｏｎ；ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｅ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｗａｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓｅ ｔｏｒｑｕｅ．Ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ—ｌｅｇ ｂｅｎｄ ｒａｄｉｕｓ，ｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｓｔｒｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ ｄｕｒｉｎｇ ｓｅｒｖｉｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｌｅｇｓ ０／ ｄｏｕｂｌｅ－ｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅｓ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅｓ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅｆａｉｌｕｒｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｆａｉｌｕｒｅ；Ｆａｔｉｇｕｅ Ｆａｉｌｕｒｅ；Ｔｈｅ Ｓｐｒｉｎｇ Ｂｅｎｄｉｎｇ １引言 弹簧广泛应用于仪器仪表，石油化工，机电设备，交通能源 等。工作过程中，弹簧起到缓冲平衡，自动控制，储存能量，安全 保险等作用ｌｌ＿２］。但是，弹簧的疲劳破坏等失效形式，在各种机械及 仪表的使用过程中经常发生，有时会造成严重事故，甚至危及到 人们的生命安全Ｉ 。因此，分析弹簧的失效并从中找出解决措施十 分重要。针对某一具体案例对弹簧进行了振动失效断口分析，如 １所爪。 ２试验材料及试验方法 弹簧材料：１．４３１ｏ（ｘ１０ＣｒＮｉ１８－８；ＸＩ２ＣｒＮｉＩ７－７），交货状态：冷 批，ｊ单鬟ａ丑矢巨：５７０Ｎ・ｍｍ；尺寸：直径（１ ２）ｍｍ；折弯半径０．９ｍｍ。弹 蛰化学成分，如表１所示。 试验条件：正弦振动（峰值加速度４０ｇ）＋温度冲击（一４０～ １４【））＿℃，外接负载驱动阀板角度变化：ｏｚ＝（２～９０）％，１ＨｚＩ 。扫频速 率：１ｏｃｇｍｉｎ；扫频形式：对数扫频；振动时问：３ｘ７２ｈ［￣。发现失效时 ：第二方向４７ｈ。 表１弹簧化学成分 Ｔａｂ。１ Ｔｈｅ Ｓｐｒｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ０．０５—０．１５ ２．００ ２．００ ０．０４５ ０．０１５ １６．００—１９．０Ｏ ０．８Ｏ ６．００—９．５Ｏ Ｎ：０．１ ｌ ３试验结果及分析 ３．１宏观断口 条件输入：断口位于扭转弹簧大直径与小直径连接的弯折 处，且振动过程中阀板摆动，弹簧往复扭转。 试验现象：宏观断面上部垂直于弹簧轴向，上部断面有撕裂 棱，下部断面总体与轴向呈约４５。角，且有宏观台阶。右下部有二 次裂纹、贝壳纹 ，如图２所示。 结果分析：振动、带载过程中弹簧受循环载荷的作用，断口 附近无宏观塑形变形区域，贝壳纹表明断口为疲劳断裂。 ３－２裂纹源区 条件输入：弹簧直径约为１．７ｍｉｌｌ，弹簧弯折半径为０．９ｒａｍ， 供应商推荐的折弯半径为弹簧直径的２倍。 试验现象：上部部分材料与本体脱离，且表面磨损。弹簧本 体存住疲劳辉纹和撕裂棱，疲劳纹起源于表层脱离材料的底部， 来稿日期：２０１２－０５—２１ 基金项目：河南省教育厅重点项目（１２Ａ４３００１５） 作者简介：于汇泳，（１９８０一），男，
表1 所观察金属断口的宏观形貌特征
样品
代号 样品
材料 特 征 承载类型 断裂类型
D1 S135 颈缩 有 拉伸 韧性断裂
纤维区 粗糙度 表面粗糙不平
凹凸度 凹凸不平
色泽 断口呈灰色无光泽
形貌特点 锯齿状形貌
放射区 粗糙度 粗糙
凹凸度 凹凸不平
色泽 暗灰色
形貌特点 放射花样
剪切唇 粗糙度 相对光滑
凹凸度 表面光滑
色泽 光亮
形貌特点 形状如杯
D2 TC18 颈缩 无 拉伸 韧性断裂
结晶区 粗糙度 粗糙度较小
凹凸度 凹凸不平
色泽 金属光泽
形貌特点 细晶状断口
解理区 粗糙度 较小粗糙
凹凸度 凹凸不平
色泽 光亮金属光泽
形貌特点 解理台阶
D3
22Gr 颈缩 有 冲击 脆性断裂
纤维区 粗糙度 较大
凹凸度 较小
色泽 灰暗
形貌特点 细小平行纤维状
放射区 粗糙度 大
凹凸度 较小
色泽 光亮金属光泽
形貌特点 放射花样
剪切唇
粗糙度 较小
凹凸度 较小
色泽 光亮金属光泽
形貌特点 远离缺口区域较小
D4
S135 颈缩 有 疲劳 脆性断裂
疲劳弧线 有
裂纹稳定扩展区 粗糙度 断口表面较粗糙
凹凸度 较粗糙
色泽 表面较光亮
形貌特点 放射棱线
裂纹快速扩展区 粗糙度 粗糙
凹凸度 较小
色泽 光亮
形貌特点 解理台阶
表2 所观察金属断口的微观形貌特征
样品
代号
样品
材料 特征 承载类型 断裂类型
D1 S135 纤维区 位于试样中心呈现出齿形环状分布 拉伸 韧性断裂 放射区 存在放射线条且平行裂纹扩展方向
剪切唇 表面光滑与拉伸轴呈45角
D2 TC18 结晶区 端口光亮平齐呈结晶状 拉伸 脆性
解理区 平齐的解理面存在台阶、河流花样
D3 22Cr 纤维区 大量撕裂韧窝，呈平行状分布与裂纹扩展方向一致 冲击 脆性
放射区 放射线和裂纹扩展方向平行
剪切唇 平面呈现韧窝、倾斜存在撕裂棱
D4 S135 裂纹源区 有涟波、放射线逆向收敛于裂纹源 疲劳 脆性
实验序号： 7 实验项目名称：金属材料的失效分析
一、实验目的及要求
1.了解失效分析的意义、目的
2..熟悉失效分析的类型及分析思路
3.利用显微镜对失效试样进行断口失效分析
二、实验设备（环境）及要求
金相显微镜、体式显微镜、抛光机、实验样品。
三、实验内容与步骤
㈠实验内容
1. 失效分析的目的
⑴防止同类失效现象重复发生
⑵失效分析是机械产品设计、制造的依据
⑶消除隐患，确保产品安全可靠
⑷失效分析可以提高产品的信誉
2. 失效的形式及其类型
失效的分类比较复杂，按其失效机理将失效分为：断裂失效；变形失效；磨损失效；腐蚀失效等四种类型。
⑴断裂失效
断裂是指金属或合金材料或机械产品在力的作用下分成若干部分的现象。它是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。
断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。
断裂失效类型有如下几种：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④疲劳断裂失效；⑤蠕变断裂失效；⑥应力腐蚀断裂失效；⑦沿晶断裂失效；⑧液态或固态金属脆性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩滑移分离失效等。
⑵变形失效
所谓变形通常是机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。从微观上讲是指金属材料在外力作用下，其晶格产生畸变。若外力消除，晶格畸变亦消除时，这种变形为弹性变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。
变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求时变形量。一般情况下将变形失效分为弹性变形失效和塑性变形失效两种。弹性变形失效将使机械构件表面不留任何损伤痕迹，仅是金属材料的弹性模量发生变化，而与机械构件的尺寸和形状无关；塑性变形失效将导致机械构件表面损伤，其机械构件的形状与尺寸均发生变化。
⑶磨损失效
磨损是摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑而不断损伤的现象。
磨损失效是指由于磨损现象的发生使机械零部件不能达到原设计功效，即不能达到原设计水平。
