sem电镜疲劳裂纹

1、疲劳裂纹的形状是什么样子？

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2、叶轮造成疲劳裂纹甚至断裂原因？

多数是材料及制造上的缺陷造成的，如材料内部有气孔、夹渣、裂纹、材料的冲击韧性值及塑性偏低，叶片轮机械加工粗糙、键装配不当造成局部应力过大。另外，长期过大的交变应力及热应力作用易引起材料内部微观缺陷发展，造成疲劳裂纹甚至断裂。

叶轮既指装有动叶的轮盘，是冲动式汽轮机转子的组成部分。又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。叶轮分类：半开式叶轮，开式叶轮。
裂纹，例如：1、材料在应力或环境（或两者同时）作用下产生的裂隙；2 、裂璺；3 、瓷器在烧制时有意做成的像裂璺的花纹；4 、GB-T232-1988金属弯曲试验方法：微裂纹： 长度小于2mm, 宽度小于0.2mm;裂纹；长度2-5mm, 宽度0.2-0.5mm;裂缝:长度大于5mm, 宽度大于0.5mm;开裂：全宽度上的裂缝。还有不同材料的裂纹区分等。

3、检查沟深是否有疲劳裂纹 需要用多大倍放大镜

提问有些模糊。
检测的目的是什么？
如果是要查看裂纹的源头和裂纹形貌，我们帆泰检测是用的SEM，10万倍左右可以看的很清晰了，主要是用来做材料的失效分析；
如果你是QC验货来查看，一般10倍的目镜就够了。

4、疲劳裂纹在超声波探伤中,最常用的探头类型是

超声波检测时,要使超声波入射面垂直于缺陷的表面,反射波的能量最高,波幅越高
1、疲劳裂纹一般从表面萌生,如果是光滑表面可以采用表面波探头(90度)
2、一般可以利用45度斜探头反射形成端角反射，从而有效检测平面形成的垂直向下的疲劳裂纹
3、其他形状要寻找合适的检测面，让超声波垂直于可能产生疲劳裂纹的断面；有时候也可采用小角度（8~9度）的纵波探头检测螺栓的疲劳裂纹

5、疲劳裂纹扩展寿命

在实际工程中，常遇到对已产生裂纹构件的剩余疲劳寿命的估算问题，断裂力学的发展为进行这种计算提供了可能。从初始裂纹长度a0扩展到临界裂纹长度ac，所经历的载荷循环次数Np，称为疲劳裂纹扩展寿命。

构件的疲劳寿命N可以认为是疲劳裂纹始裂寿命（生核阶段的循环次数）Ni与裂纹扩展寿命Np（扩展阶段的循环次数）之和，即：N=Ni+Np。

一、疲劳裂纹的始裂寿命

疲劳裂纹始裂寿命也称为形成寿命或萌生寿命，早期的研究认为初始裂纹长度在0.05～0.5mm之间，后期在0.25～0.30mm之间。所以始裂寿命一般定义为试件或构件中形成0.25～0.30mm长或深的裂纹所经历的应力或应变循环数。

始裂寿命的实验测定有直接观测法和间接标定法，直接观测法是用带刻度的放大镜或显微镜观察裂纹的形成过程，并测量其尺寸，给出裂纹长a与循环数N的关系曲线，再用外推法确定始裂寿命。间接标定法常采用电位法监测裂纹。目前，计算疲劳裂纹起始寿命常用经验公式有：

（1）光滑试件的经验公式：

岩石断裂与损伤

式中：β、C是材料常数；Δε为应变幅度。

（2）缺口试件的经验公式：

岩石断裂与损伤

式中：α、β是实验数据；z为切口根部半径。

二、疲劳裂纹的扩展寿命

实践证明，在总的疲劳寿命中，疲劳裂纹扩展寿命所占的比例高达90%以上，因此研究这一阶段裂纹扩展速率和寿命与材料本身的性质、各种力学参数间的关系对于提高构件的使用性能有重要的指导意义。

“破损安全”设计理论认为：受力物体不可避免地存在各种裂纹，确定带裂纹体亚临界裂纹扩展过程中的寿命（剩余寿命），就是对工程实际问题进行疲劳裂纹扩展寿命估算。即计算由初始裂纹a0扩展到临界裂纹ac所需要的循环次数。具体步骤如下：

（1）对受力物体进行无损探伤（X射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤和渗透探伤），查明裂纹的形状、大小、位置，确定最大初始裂纹尺寸a0。

（2）对实际裂纹进行简化，确定合适的应力强度因子表达式。

（3）测定或查出所用材料的断裂韧度KⅠC的数值，由断裂判据确定临界裂纹尺寸ac。

（4）根据受力物体的使用条件（平均应力、加载方式、加载频率、环境情况等）用实验测定或选用da/dN-ΔK的关系式。

（5）进行寿命估算。

对于线弹性情况，考虑恒幅应力循环，根据Paris公式：

岩石断裂与损伤

若取：

式中：Y为与裂纹尺寸有关的形状因子，若Y与a无关或可近似将Y看成常数，代入上面积分公式可得

岩石断裂与损伤

式（6-16）没有考虑平均应力、频率、温度等的影响，且忽略裂纹调整发展阶段。如果考虑平均应力的影响，可用Foreman公式（6-7）代替Paris公式，得到的疲劳裂纹扩展寿命为

岩石断裂与损伤

由式（6-16）和式（6-17）可以看出，裂纹扩展寿命的变化趋势，即N随着交变应力幅度Δσ的增大而迅速降低，并且初始裂纹a0越小，疲劳寿命越长。除了用上述公式进行疲劳寿命估算外，还进行抗疲劳断裂设计计算和评定。

对于弹塑性和全面屈服情况，通常用COD表达式和J积分表达式代替应力强度因子，具体公式见式（6-18）和式（6-19）：

岩石断裂与损伤

式中：Δδ为裂纹尖端张开位移的幅度；C、n为材料常数。

岩石断裂与损伤

式中：J为裂纹尖端附近的回路积分。

6、在磁粉探伤中，如何辨别疲劳裂纹的显示痕迹

在役使用的零件，如果反复受到交变应力的作用，在工件内原有的小缺陷、表面划伤、缺口和内部孔洞等都可能形成疲劳源，产生的疲劳裂缝称为疲劳裂纹。这种裂纹一般都会出现在应力集中部位，其方向与受力方向垂直，中间粗，两头尖，磁痕浓密清晰。

7、如何通过材料断裂时的扫描电镜图判断力学性能

任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两 个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。 对断裂的研究，主要关注的是断裂过程 的机理及其影响因素，其目的在于根据对断 裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的 断裂控制。 产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不 断丧失。 损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。 按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂 分为 分为韧性断裂 韧性断裂和 和脆性断裂 脆性断裂两大类。 两大类。 断裂前表现有宏观塑性变形者称为断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。 韧性断裂。 断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构 或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作 或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作 出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及 出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及 时发现， 时发现，一般不会造成严重的后果 一般不会造成严重的后果。 脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成 严重后果。 断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂， 意味着断裂应力低于材料屈服强度。 意味着断裂应力低于材料屈服强度。 对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、 环境脆断和疲劳断裂等。 环境脆断和疲劳断裂等。 一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在 弹性应力范围内一次加载引起的脆断 弹性应力范围内一次加载引起的脆断 主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆 性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关 性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关 的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载 的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载 脆性等。 脆性等。 比较合理的分类方法是按照断裂机理对断比较合理的分类方法是按照断裂机理对断 裂进行分类。 裂进行分类。 微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂 和沿晶断裂。

8、影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素有哪些

疲劳是指在交变应力作用下发生在材料或结构某点局部、永久性的损伤递增过程。疲劳在自然界和工程上比较普遍。
在金属结构的失效形式里，疲劳断裂是一种主要形式，约占失效结构的90%，而疲劳断裂是由于金属结构在循环载荷的作用下，由于各种原因(如应力集中等)，引起疲劳强度降低而产生裂纹，最终由裂纹的扩展而导致结构失效。
疲劳裂纹扩展的规律
疲劳裂纹在扩展过程中一般可分为三个阶段：近门槛值阶段、高速扩展阶段(Paris区)和最终断裂阶段。在近门槛扩展阶段，疲劳裂纹的扩展速率很小，疲劳裂纹扩展速率随着应力强度因子范围△K的降低而迅速下降，直至da/dN→0，与此对应的△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△K；在Paris区，疲劳裂纹扩展速率可以用Paris公式来定量地进行描述。
其中，C和m是试验确定的常数。在高速扩展区，随着△K的提高，裂纹扩展速率升高，当疲劳循环的最大应力强度因子Kmax接近材料的Kic时，裂纹扩展速率急剧增加，最终导致构件断裂。
疲劳裂纹扩展一般由疲劳裂纹扩展速率da/dN表征，即在疲劳载荷作用下，裂纹长度a随循环次数N的变化率，反映裂纹扩展的快慢。疲劳裂纹扩展速率da/dN的控制参量是应力强度因子幅度△K，表示材料的疲劳性能。
研究疲劳裂纹的扩展规律一般通过两种途径：
一是过实验室观察，根据实验结果直接总结出裂纹扩展规律的经验公式；
二是结合微观实验研究提出裂纹扩展机理的假设模型，推导出裂纹扩展规律的理论公式。疲劳裂纹扩展规律的研究，主要是寻求裂纹扩展速率da/dN与各有关参量之间的关系。
疲劳裂纹扩展影响因素
1. 残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

(1) 残余应力模型认为，在加载过程中裂纹**，裂纹尖端附近形成一个塑性区，载荷峰值越大，则塑性区尺寸就越大：卸载后，由于塑性区周围的弹性区材料要恢复原来的尺寸，为了保持变形协调，已产生了永久变形的塑性区内的材料就要受到周围弹性区的压缩而产生残余压应力。
(2) 残余应力对结构的实有应力分布有很大的影响，许多人在这方面都做过研究，其中达成共识的是，残余压应力使疲劳裂纹的扩展减缓。
(3 ) 从两方面分析了残余应力对疲劳裂纹扩展的影响：a. 残余压应力使裂纹的两个面压紧，从而使裂纹闭合；b. 降低了裂纹的最大应力强度因子Kmax，使裂纹扩展驱动力降低。
2. 超载对疲劳裂纹扩展的影响
在裂纹尖端残余应力的基础上，过载使裂纹尖端形成大塑性区，而塑性区阻碍裂纹增长，使裂纹产生停滞效应。
施加过载时，裂纹尖端产生较大的残余拉应变，过载后，在随后的恒定△K作用下逐渐卸载过程中，因裂尖已形成残余拉应变，使裂纹尖端过早闭合，会产生裂纹的闭合效应，从而裂纹尖端实际的应力强度因子△Keff比实际外加值△KI小，所以延缓裂纹扩展速率。
国内的超载对疲劳裂纹的影响的研究主要集中在实验研究上，理论方面有所欠缺。
3. 温度对疲劳裂纹扩展的影响
大量的实验表明，对于大多数材料，随温度的升高，da/dN增高。随da/dN的增高，温度对da/dN的影响减弱。
4. 加载频率对疲劳裂纹扩展的影响
在研究周期频率对合金裂纹扩展的影响过程中，学者提出了高温环境下，由于频率的影响，可从试件断口形貌特征将疲劳行为分为周期相关性、时间相关性和周期-时间相关性3种类型。
由于材料或环境的因素，加载频率对疲劳裂纹扩展速率将产生很大的影响。
以工业Ti为对象研究了加载频率对中温环境下疲劳裂纹扩展的影响，并用弹、粘塑性理论对其进行了理论上的探讨。基于该理论的本构关系和利用有限元方法，对裂纹尖端的应力应变进行了分析，结果表明，粘塑性应变范围和J 积分范围可以作为裂纹扩展的参数，能很好地反映加载频率对裂纹扩展的影响。
大量研究表明，当△K较低时，da/dN基本不受加载频率的影响；当△K较大时，加载频率有较大影响。加载频率降低，da/dN增高；加载频率增高，da/dN 降低。
5. 应力比对疲劳裂纹扩展的影响
研究了三种不同应力比下SiCp/Al复合材料疲劳裂纹扩展行为，结果表明：随着应力比R 增大，疲劳裂纹扩展速率da/dN降低。疲劳裂纹的断口形貌塑性断裂越明显，裂纹尖端塑性区增大，裂纹尖端钝化越显著，二次裂纹数量增加。
通过实验研究发现应力比R对疲劳裂纹扩展行为有明显影响，高应力比下的疲劳裂纹扩展速率明显快于低应力比条件下的扩展速率，并且高应力比下的疲劳裂纹扩展在较小的△K值下进入快速扩展阶段，并很快断裂。在较低的△K水平下应力比的影响与裂纹闭合效应有关。
大量研究表明，随着压力比R的增加，da/dN增加；R不仅影响da/dN，而且影响门槛值，一般随着R的增加，门槛值减小。
结论
从以上综述中可以看出，目前国内外对对疲劳裂纹扩展问题的研究多由Paris、Forman等经验公式出发，得出以下常用结论：
1. 残余压应力和超载能延缓疲劳裂纹的扩展。
2. 对于大多数材料，随温度的升高，da/dN增高。随da/dN的增高，温度对da/dN的影响减弱。
3. 当△K较低时，da/dN基本不受加载频率的影响；当△K较大时，加载频率有较大影响。加载频率降低，da/dN增高；加载频率增高，da/dN降低。
4. 随着压力比R的增加，da/dN增加；R不仅影响da/dN，而且影响门槛值，一般随着R的增加，门槛值减小。
国内对于疲劳裂纹扩展的研究主要集中在实验研究上，不是从基本的力学观点出发而具有普适的解析公式，理论研究方面有很大欠缺，不能解释疲劳裂纹扩展的本质客观规律，对疲劳裂纹扩展的理论研究有待进一步深入。

9、疲劳裂纹扩展速率

一、疲劳裂纹的扩展特性

图6-2所示为含表面初始裂纹的物体，在受到静载荷时可用KⅠ=KⅠC进行断裂判断，即当工作应力达到临界应力σc时，KⅠ=KⅠC ，产生断裂；当σ＜σc时，不会断裂。但在交变应力作用下，σ＜σc时，物体虽不破坏，但初始裂纹a0却随着时间而逐步扩展，从a0 扩展到临界值ac，这一段的裂纹扩展称疲劳裂纹的亚临界扩展，经过若干次循环后物体也会产生破坏。

图6-2 临界裂纹尺寸与亚临界裂纹扩展

前面已提到材料的疲劳断裂过程可分为裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展、断裂几个阶段，断裂力学重点研究宏观裂纹扩展和断裂阶段。由于在交变应力作用下裂纹具有亚临界扩展特性，且裂纹的扩展经过若干次应力循环会发生断裂，也就是裂纹扩展的快慢决定了物体的使用寿命，为此需要研究疲劳裂纹的扩展速率。

二、疲劳裂纹的扩展速率

1.疲劳裂纹扩展速率的概念

如果在应力循环ΔN次后裂纹扩展为Δa，则应力每循环一次裂纹扩展量为Δa/ΔN（mm/次），称为裂纹扩展速率。在极限条件下用微分da/dN表示。

在单轴循环交变应力下，垂直于应力方向的裂纹扩展速率，一般可写成如下形式：

岩石断裂与损伤

其中：N为应力循环次数；σ为正应力；a为裂纹长度；C为与材料有关的常数。研究疲劳裂纹扩展速率的概念主要是为了计算裂纹体的剩余寿命。如已知瞬时裂纹扩展速率da/dN，初始裂纹的长度为a0，临界裂纹的长度ac，则裂纹扩展至断裂的循环次数为

岩石断裂与损伤

研究疲劳裂纹的扩展规律一般通过两种途径：一种是通过实验室观察，根据实验结果直接总结出裂纹扩展规律的经验公式；另一种是结合微观实验研究提出裂纹扩展机理的假设模型，推导出裂纹扩展规律的理论公式。

2.疲劳裂纹扩展的经验公式

高周疲劳（应力疲劳）裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度，近似为线弹性断裂力学问题。在线弹性断裂力学范围内，应力强度因子能恰当描述裂纹尖端的应力场强度，也就是说应力强度因子K是控制da/dN的主要参量。即da/dN与应力强度因子幅值ΔK存在一定的函数关系，ΔK为由交变应力最大值σmax和最小值σmin所计算的应力强度因子之差，即

ΔK=Kmax-Kmin

一般情况，da/dN-ΔK关系曲线在双对数坐标系内分为三阶段，如图6-3所示。

图6-3 疲劳裂纹扩展速率ln（da/dN）-lnΔKⅠ关系

第一阶段：ΔKⅠ很低，存在一下限值ΔKth，当ΔKⅠ低于该下限值ΔKth时，裂纹基本不扩展，称该下限值为应力强度因子幅度ΔK的门槛值ΔKth（threshold），它是材料本身固有的界限应力强度因子幅度，当ΔK＞ΔKth时，da/dN急剧上升。ΔKth受循环特征R的影响很大，对于马氏体钢，Barsom得出如下经验公式：

岩石断裂与损伤

第二阶段（直线型）：直线斜率较小，工程中疲劳裂纹扩展多处于该阶段，所以这一阶段是疲劳裂纹扩展的主要阶段，也是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要组成部分。1963年，Paris用实验得到这一关系。他采用控制载荷（应力）、中心穿透裂纹的平板拉伸试样和三点弯曲试样进行疲劳试验。记录每隔一段时间的ai及对应的Ni，然后计算各瞬时的da/dN及对应的ΔKi，在双对数坐标系内画出一段直线，用于描述这一直线的表达式就是Paris公式：

岩石断裂与损伤

式中：ΔK为应力强度因子的幅度；C、n为实验得到的与材料有关的常数，是描述材料疲劳裂纹扩展性能的基本参数，由实验测定。在双对数坐标中式（6-3）也写为

岩石断裂与损伤

由于：

岩石断裂与损伤

式（6-3）、式（6-4）、式（6-5）表明：应力强度因子幅度ΔK是疲劳裂纹扩展的主要控制参量，ΔK增大（即载荷水平增大或裂纹尺寸增大），则裂纹扩展速率da/dN增大。

第三阶段：Kmax接近KⅠC时裂纹的扩展特性，da/dN增大很快。当Kmax→KⅠC时，发生迅速断裂。

10、为什么疲劳裂纹通常起裂于金属材料表面

是一个轴类零件，材料是20CrMo，原材料为棒料，先进行的是锻造的（主要因为是空心轴吧，这个我不是很了解为什么不直接车加工），然后进行了渗炭淬火处理（热处理后状态，表面硬度HRC55-60，硬化层0.9-1.3，心部硬度是HRC25-30）。在最后进行检查时发现表面有缺陷（磁粉检查有缺陷，超声波检查是合格的），现在需要分析这个裂纹产生的原因，因为检测是在零件加工完成后，所以现在我主要分析的方向有：1、原材料的裂纹；2、锻造的裂纹；3、热处理时的裂纹。请各位高手指点应该如何进行详细的分析？还有疑惑是：为什么磁粉检测到缺陷，而超声波没检查到。谢谢大侠。