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冷却器芯体钎焊结构断裂原因分析

发布时间:2014-02-19 10:13 新闻来源:正航仪器 浏览次数:
 
 
 
一、钎焊接头断裂裂纹宏观分析
对失效件裂纹进行宏观观察发析发现,裂纹萌生于钎焊圆角部位,并沿钎焊圆角根部扩展,说明在使用过程中,钎焊圆角根部是整个产品的薄弱位置,此处的应力和组织情况是我们分析断裂原因的重点研究内容。对钎焊圆角表面的微观形貌进行观察发现,在钎焊圆角根部普遍存在着直径为6μm左右,沿管壁周向连续分布的细微突起物。
这种现象的出现是由材料和工艺两方面的综合作用造成的。熔化温度区间大的钎料,在缓慢钎焊加热过程中,由于成分的偏析,低熔点组元首先熔化,并通过毛细作用流入钎焊间隙,高熔点组元由于未达到熔化温度或熔化不完全,成为固态钎料残渣留下。这种组织形貌在材料表面相当于尖缺口的作用,容易引起应力集中,促进疲劳裂纹在此萌生。
二、钎焊接头断口分析
由于产品是在发动机台架试验过程中破坏的,承受着振动疲劳载荷,初步判断疲劳断裂为产品的失效模式。首先用与导致产品接头部位发生开裂同样性质及方向的力将裂纹打开,用丙酮溶液对断口进行几分钟的超声清洗,再用酒精漂洗,然后用干燥气流将断口烘干。在低倍放大下观察其宏观形貌,发现断口表面高低不平,有很多沿管壁径向分布的台阶,为了确定产品的失效形式为疲劳断裂,首先在断口中寻找疲劳断裂所特有的特征——疲劳辉纹,结果在断口中间部位发现了典型的疲劳辉纹,有力的证明了产品的失效形式为疲劳断裂。
在疲劳辉纹附近还发现了轮胎花样,这是裂纹在扩展过程中匹配面上的棱角或硬的夹杂物、第二相颗粒等在循环载荷作用下向前跳跃式运动,在断口表面上遗留下的互相平行,间距相等的一排压痕。为高应力低周疲劳断口所特有的特征形貌。断口宏观形貌的电镜照片,半圆形的疲劳弧线,如A点所示,其圆心位于管壁外侧,即为疲劳裂纹源,对疲劳源区进一步放大,可见放射状疲劳沟线(二次台阶),全部收敛于疲劳核心处,进一步证实了疲劳裂纹萌生于此。沿管壁外侧有多个疲劳源,符合低周疲劳失效断口的特征。
冷却器芯体钎焊结构断裂原因
疲劳裂纹起源于高应力处,一般来说,有两种部位将出现高应力。一是构件表面,因为在大多数情况下,构件中高应力总是在表面,同时构件表面呈平面应力状态,易于屈服而造成疲劳损伤,表面还难免有周围介质的影响;一是应力集中处,如结构本身受力引起的应力集中,又如材料含有的缺陷,夹杂、熔渣、或构件中的孔、凹槽等几何不连续处甚至加工痕迹将引起应力集中,成为疲劳裂纹源。钎焊圆角根部位于钎焊结构件的表面,本身又由于钎料瘤等表面缺陷造成了局部应力集中。这些因素都为疲劳裂纹在钎焊圆角根部萌生创造了条件。疲劳裂纹在钎焊圆角根部萌生后,便进入扩展阶段。在断面上没有发现沿切应力方向(和主应力方向近似成45°)扩展的疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段。这是因为钎焊圆角根部的化合物相是垂直于母材生长的,而疲劳裂纹在化合物相中的扩展更容易进行(见第四章),使得疲劳裂纹的宏观扩展路径大体上垂直于主应力方向,即疲劳裂纹扩展没有出现第Ⅰ阶段,而直接进入第Ⅱ阶段。疲劳辉纹就是在这一阶段形成的。裂纹尖端的应力幅能显著改变疲劳辉纹的宽度和间距,随着裂纹的不断扩展,剩下承受载荷的材料面积逐渐减少,致使裂纹尖端的应力增加,疲劳辉纹的宽度和间距也就随着增加,箭头所指方向为裂纹扩展方向。另外,材料的蠕变也会增大疲劳辉纹的间距,由于冷却管内通过高温气体,裂纹向内扩展过程中,温度逐渐升高,材料的弹性模量和屈服强度下降,在同样载荷下,裂尖前沿塑性变形增加,循环变形引起的裂尖材料损伤加重,导致疲劳辉纹间距变宽。
在许多情况下,疲劳断口上辉纹数目和载荷循环次数是一一对应的。于是疲劳裂纹扩展的循环次数可以由裂纹长度除以疲劳辉纹间距得到。疲劳辉纹间距约为2μm,而冷却管厚度为0.5mm,考虑到有约0.2mm的瞬时断裂区,则疲劳裂纹扩展的循环次数大约为150次,该处的疲劳裂纹扩展速率也高达2μm/次。进一步证明了产品断裂形式为高应力低周疲劳断裂。在断口上还看到了与疲劳辉纹平行的二次裂纹,这也是判断疲劳断口的微观特征之一。
按照上述疲劳辉纹的形成模型,裂纹是连续和对称的向前扩展的,而在多晶体中,由于存在晶界和夹杂物,上述裂纹前端滑移带的对称性可能难以满足,又加上结晶学位向的关系,使那些有可能滑移的滑移系处于与裂纹前端不相对称的角度上,在压缩载荷的作用下,就会形成不对称的二次裂纹。也就是说,二次裂纹是疲劳裂纹的不对称性扩展留下的痕迹。 
 
 
 
 
 
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