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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(shí)，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，最終導(dǎo)致產(chǎn)品或材料的完全斷裂，這個(gè)過程稱為疲勞斷裂，也可簡稱為金屬的疲勞。引起疲勞斷裂的應(yīng)力一般很低，疲勞斷裂的發(fā)生，往往具有突發(fā)性、高度局部性及對(duì)各種缺陷的敏感性等特點(diǎn)。

 

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，稱為高周疲勞。例如彈簧、傳動(dòng)軸、緊固件等類產(chǎn)品一般以高周疲勞見多。

 

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，一般低于1萬次的疲勞，稱為低周疲勞。例如壓力容器，汽輪機(jī)零件的疲勞損壞屬于低周疲勞 。

 

2.應(yīng)力和應(yīng)變分析

 

應(yīng)變疲勞--高應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)較低，稱為低周疲勞；

 

應(yīng)力疲勞--低應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)較高，稱為高周疲勞。

 

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

 

3.按照載荷類型分類

 

彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞、微動(dòng)疲勞。

 

疲勞斷裂的特征 

 

宏觀：裂紋源→擴(kuò)展區(qū)→瞬斷區(qū)。

 

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

 

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

 

瞬斷區(qū)：是疲勞裂紋迅速擴(kuò)展到瞬間斷裂的區(qū)域，斷口有金屬滑移痕跡，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。

 

一些微觀試樣中還會(huì)出現(xiàn)解理與準(zhǔn)解理現(xiàn)象（晶體學(xué)上的名稱，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。

 

疲勞斷裂的特點(diǎn)

 

（1）斷裂時(shí)沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，往往是突然性的產(chǎn)生，使機(jī)械零件產(chǎn)生的破壞或斷裂的現(xiàn)象，危害十分嚴(yán)重。

 

（2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，往往低于靜載時(shí)屈服強(qiáng)度的應(yīng)力負(fù)荷。

 

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

 

案例分析

 

廣東某摩托車廠一輛摩托車在運(yùn)行了2000km后發(fā)生機(jī)械故障，經(jīng)拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿斷裂。

 

據(jù)悉該連桿材料為20CrMnTi，表面經(jīng)過滲碳處理。連桿工作原理見圖1，連桿的往返運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)兩傳動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

 

20CrMnTi是合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量0.2%左右，含錳1%左右，含鈦1%左右。這種材料一般做軸類零件，要求滲碳。

 

 

圖1

 

1.宏觀檢查：

 

失效連桿件有兩個(gè)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(qiáng)烈磨擦痕跡[圖3(b)]，磨損深度0.5mm；軸承弧面靠近磨擦側(cè)面一端可見藍(lán)灰色的高溫氧化痕跡[圖3(c)] 。斷口1較為光滑平整，斷口邊緣已磨損，中部可見疲勞弧線[圖3(d)]；斷口2未見疲勞弧線。

 

 

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)]；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，局部放大，源區(qū)的細(xì)微組織大部分已磨損，但能看到放射棱特征[圖4(b)]；在疲勞擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條紋及二次裂紋[圖4(c)]；斷口2未見疲勞條紋，只有韌窩，可見斷口1是最先開始斷裂的斷口，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，進(jìn)行化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)分析，結(jié)果符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化學(xué)成分要求 。

 

4.結(jié)果分析

 

綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果，失效件材料化學(xué)成份符合技術(shù)條件要求。

 

連桿斷裂端一側(cè)面出現(xiàn)非正常嚴(yán)重磨擦現(xiàn)象，軸承弧面靠近磨擦面一端出現(xiàn)的藍(lán)灰色的氧化膜，是黑色氧化鐵(Fe3O4)及紅色氧化鐵(Fe2O3)的混合體，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。

 

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，正處于高溫區(qū)域。表面氧化會(huì)使裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)增加，同時(shí)高溫提高了蠕變損傷的可能性。另一方面磨擦導(dǎo)致金屬表面粗糙，容易形成表面應(yīng)力集中，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。從連桿運(yùn)動(dòng)受力情況分析，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。同時(shí)由于該區(qū)域存在較粗大的狀碳化物，破壞了基體組織的連續(xù)性，加速了裂紋的形成和擴(kuò)展，降低了疲勞強(qiáng)度，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(dāng)有關(guān)。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，導(dǎo)致零件壽命顯著下降。因此在滲碳過程中應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕?，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，引起斷裂的原因是在使用時(shí)連桿受到劇烈磨擦，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(qiáng)度。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(kuò)展。

 

6.改進(jìn)

 

設(shè)計(jì)時(shí)減少摩擦處的粗糙度，可以減少應(yīng)力集中，降低零件的疲勞強(qiáng)度 。同時(shí)減少摩擦帶來的高溫，減少了蠕變損傷的可能性。

 

改善滲碳工藝，連桿滲碳表面的碳化物過大與滲碳工藝不當(dāng)有關(guān)。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，導(dǎo)致零件壽命顯著下降。因此在滲碳過程中應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕?，以免過高的碳勢引起工件表面形成粗大的碳化物。