No.1 疲勞與斷裂的概念

1.疲勞：金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下發(fā)生的性能變化稱為疲勞。

2.疲勞斷裂：材料承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時剩愧，引起的局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷的不斷地發(fā)展，使材料的力學(xué)性能下降娇斩，最終導(dǎo)致產(chǎn)品或材料的完全斷裂仁卷，這個過程稱為疲勞斷裂，也可簡稱為金屬的疲勞犬第。引起疲勞斷裂的應(yīng)力一般很低锦积，疲勞斷裂的發(fā)生，往往具有突發(fā)性歉嗓、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點丰介。

No.2 疲勞斷裂的分類

1.高周疲勞與低周疲勞

如果作用在零件或構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，破壞的循環(huán)次數(shù)高于10萬次的疲勞鉴分，稱為高周疲勞哮幢。例如彈簧、傳動軸欣慰、緊固件等類產(chǎn)品一般以高周疲勞見多市黔。

作用在零件構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，破壞的循環(huán)次數(shù)較低氮栏，一般低于1萬次的疲勞插棱，稱為低周疲勞。例如壓力容器左蛙，汽輪機零件的疲勞損壞屬于低周疲勞 肘何。

2.應(yīng)力和應(yīng)變分析

應(yīng)變疲勞——高應(yīng)力矫震，循環(huán)次數(shù)較低，稱為低周疲勞权炫；

應(yīng)力疲勞——低應(yīng)力矛枚，循環(huán)次數(shù)較高膜狈，稱為高周疲勞岁且。

復(fù)合疲勞，但在實際中缺沿，往往很難區(qū)分應(yīng)力與應(yīng)變類型乃楣，一般情況下二種類型兼而有之，這樣稱為復(fù)合疲勞童叠。

3.按照載荷類型分類

彎曲疲勞框喳、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞厦坛、接觸疲勞五垮、振動疲勞、微動疲勞杜秸。

No.3 疲勞斷裂的特征

宏觀：裂紋源→擴展區(qū)→瞬斷區(qū)放仗。

裂紋源：表面有凹槽、缺陷撬碟，或者應(yīng)力集中的區(qū)域是產(chǎn)生裂紋源的前提條件诞挨。

疲勞擴展區(qū)：斷面較平坦，疲勞擴展與應(yīng)力方向相垂直呢蛤，產(chǎn)生明顯疲勞弧線惶傻，又稱為海灘紋或貝紋線。

瞬斷區(qū)：是疲勞裂紋迅速擴展到瞬間斷裂的區(qū)域其障，斷口有金屬滑移痕跡银室，有些產(chǎn)品瞬斷區(qū)有放射性條紋并具有剪切唇區(qū)。

微觀：疲勞斷裂典型的特征是出現(xiàn)疲勞輝紋斜曾。

一些微觀試樣中還會出現(xiàn)解理與準解理現(xiàn)象（晶體學(xué)上的名稱螺喂，在微觀顯象上出現(xiàn)的小平面），以及韌窩等微觀區(qū)域特征岁之。

No.4 疲勞斷裂的特點

（1）斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形闹彩，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，往往是突然性的產(chǎn)生估宏，使機械零件產(chǎn)生的破壞或斷裂的現(xiàn)象投充，危害十分嚴重。

（2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低芙卸，往往低于靜載時屈服強度的應(yīng)力負荷敷液。

（3）疲勞破壞后八察，一般能夠在斷口處能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴展和最后斷裂的三個區(qū)域的組成部分粱祟。

No.5 案例分析

廣東某摩托車廠一輛摩托車在運行了2000km后發(fā)生機械故障浙鞋，經(jīng)拆機檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機曲軸連桿斷裂持偏。據(jù)悉該連桿材料為20CrMnTi驼卖，表面經(jīng)過滲碳處理。連桿工作原理見圖1鸿秆，連桿的往返運動帶動兩傳動曲軸轉(zhuǎn)動酌畜。20CrMnTi是合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量0.2%左右卿叽，含錳1%左右桥胞，含鈦1%左右。這種材料一般做軸類零件考婴，要求滲碳贩虾。

圖1

1.宏觀檢查

失效連桿件有兩個斷口在連桿斷裂端的軸承弧面可見許多與斷口平行的裂紋[圖3(a)]；斷裂端一側(cè)面存在強烈磨擦痕跡[圖3(b)]沥阱，磨損深度0.5mm缎罢；軸承弧面靠近磨擦側(cè)面一端可見藍灰色的高溫氧化痕跡[圖3(c)] 。斷口1較為光滑平整喳钟，斷口邊緣已磨損屁使，中部可見疲勞弧線[圖3(d)]；斷口2未見疲勞弧線奔则。

圖2

圖3

2.掃描電鏡分析

斷口1在掃描電鏡下顯示疲勞弧線[圖4(a)]阵膛；根據(jù)弧線的走向可以找到疲勞源，疲勞源在[圖4(d)]右上方拐角處汹囱，局部放大哩晕，源區(qū)的細微組織大部分已磨損，但能看到放射棱特征[圖4(b)]陡料；在疲勞擴展區(qū)可見疲勞條紋及二次裂紋[圖4(c)]冯爷；斷口2未見疲勞條紋，只有韌窩陪罕，可見斷口1是最先開始斷裂的斷口昆畜，而斷口2是二次斷口。

圖4

3.化學(xué)成分

在連桿身部位取樣将借，進行化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)向瓶，%)分析，結(jié)果符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化學(xué)成分要求 讽椿。

4.結(jié)果分析

綜合上述檢驗結(jié)果脱每，失效件材料化學(xué)成份符合技術(shù)條件要求害唧。

連桿斷裂端一側(cè)面出現(xiàn)非正常嚴重磨擦現(xiàn)象，軸承弧面靠近磨擦面一端出現(xiàn)的藍灰色的氧化膜忽孽，是黑色氧化鐵(Fe₃O₄)及紅色氧化鐵(Fe₂O₃)的混合體绑改，其形成溫度在400℃以上。表明該連桿與一輸出軸之間的磨擦導(dǎo)致該區(qū)域溫度過熱兄一。

斷口掃描電鏡分析表明斷口疲勞裂紋源在氧化膜附近的拐角處厘线，正處于高溫區(qū)域。表面氧化會使裂紋產(chǎn)生的機會增加瘾腰，同時高溫提高了蠕變損傷的可能性皆的。另一方面磨擦導(dǎo)致金屬表面粗糙覆履，容易形成表面應(yīng)力集中蹋盆，增大疲勞源產(chǎn)生的可能性。

斷裂起源往往發(fā)生在拉應(yīng)力最大的層面上硝全。從連桿運動受力情況分析栖雾，斷口1的斷面所受的拉應(yīng)力最大，容易在此斷面靠近磨擦面的拐角處形成裂紋源伟众。同時由于該區(qū)域存在較粗大的狀碳化物析藕，破壞了基體組織的連續(xù)性，加速了裂紋的形成和擴展凳厢，降低了疲勞強度诱紫，最終導(dǎo)致了疲勞斷裂。

連桿滲碳表面的碳化物過大與滲碳工藝不當有關(guān)纹站。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度過高造成的澈越，特別容易在工件尖角處形成，導(dǎo)致零件壽命顯著下降泌位。因此在滲碳過程中應(yīng)注意嚴格控制滲碳氣氛的碳勢晨瀑，以免過高的碳勢引起工件表面形成粗大的碳化物。

5.結(jié)論

曲軸連桿斷裂屬疲勞斷裂酒妄，引起斷裂的原因是在使用時連桿受到劇烈磨擦拉冯，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中及溫度過高，降低了材料的疲勞強度蜜硫。連桿拐角處表面的較大塊狀碳化物加速了裂紋的萌發(fā)及擴展极胸。

6.改進

設(shè)計時減少摩擦處的粗糙度，可以減少應(yīng)力集中谚碌，降低零件的疲勞強度 眯穴。同時減少摩擦帶來的高溫，減少了蠕變損傷的可能性澎灸。

改善滲碳工藝院塞，連桿滲碳表面的碳化物過大與滲碳工藝不當有關(guān)遮晚。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度過高造成的，特別容易在工件尖角處形成拦止，導(dǎo)致零件壽命顯著下降县遣。因此在滲碳過程中應(yīng)注意嚴格控制滲碳氣氛的碳勢，以免過高的碳勢引起工件表面形成粗大的碳化物汹族。

改善材料疲勞限或疲勞強度的方法

一般難以改變零件的使用條件萧求，需盡量改善零件設(shè)計，如從表面效應(yīng)著手顶瞒。只要防止結(jié)構(gòu)材料與機械零件表面應(yīng)力集中夸政、阻礙位錯滑移堆積、抑制塑性變形榴徐，則疲勞裂紋不易成核亦難以擴展守问，將使疲勞限或疲勞強度增加。

1.減緩應(yīng)力集中

2.增強表層強度

1.減緩應(yīng)力集中的措施

設(shè)計中要避免出現(xiàn)方形或帶有尖角的孔和槽坑资。

截面尺寸突然改變處（如階梯軸的軸肩）耗帕，采用半徑足夠大的過渡圓角，以減輕應(yīng)力集中爹故。

因結(jié)構(gòu)上的原因番艳，難以加大過渡圓角的半徑時，可以在直徑較大的部分軸上開減薄槽或退刀槽妹茬。

緊配合的輪轂與軸的配合面邊緣處尚和，有明顯的應(yīng)力集中。若在輪轂上開減荷槽泳唇，并加粗軸的配合部分十吐，以縮小輪轂與 軸之間的剛度差距，便可改善配合面邊緣處應(yīng)力集中的情況稽舱。

在角焊縫處积辞，采用坡口焊接，應(yīng)力集中程度要比無坡口焊接改善的多趋大。

2.增強表層強度

用機械法強化表層（如滾壓菠卖、噴丸等），使構(gòu)件表面形成預(yù)壓應(yīng)力層袭靶，減弱易引起裂紋的表面拉應(yīng)力相种，從而提高疲勞強度，或采用熱處理和化學(xué)處理 品姓，如高頻淬火寝并、滲碳、氮化等腹备。

采用直徑0.1-1mm小鋼珠以高速沖擊試樣表面衬潦，以去除表面銳角斤蔓、毛邊等易應(yīng)力集中處，且使表面壓縮至鋼珠直徑的1/4-1/2深度镀岛，使零件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力而抑制疲勞裂紋的擴展弦牡。

噴丸處理

（模具制造）

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享漂羊，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責(zé)驾锰，也不構(gòu)成任何其他建議。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布走越、編輯整理上傳椭豫，對此類作品本站僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負責(zé)旨指。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻宛殉、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題榔屈，請第一時間告知斑宴，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權(quán)并按國家標準支付稿酬或立即刪除內(nèi)容，以保證您的權(quán)益亏铭！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。