4疲劳与疲劳断裂

1疲劳与疲劳断裂2金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。绪言3国际民航组织(ICAO)发表的“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出：80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，平均每年100次。(不包括中、苏)疲劳断裂引起的空难达每年100次以上工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。421.1疲劳断裂失效的基本形式机械零件疲劳断裂失效形式很多。按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等；按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为高周疲劳（Nf＞105）和低周疲劳（Nf＜104）；按零件服役的温度及介质条件可分为机械疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。1疲劳断裂的基本形式和特征521疲劳断裂的基本形式和特征621、正断疲劳失效正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。正断疲劳的特点是：初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直。大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在表面产生。高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。1疲劳断裂的基本形式和特征722、切断疲劳失效切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切断疲劳的特点是：初裂纹的所在平面与应力轴约成45º角，并沿其滑移面扩展。由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度，所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式的产生。1疲劳断裂的基本形式和特征821、疲劳断裂的突发性疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程，但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。2、疲劳断裂应力很低循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如，对于旋转弯曲疲劳来说，经107次应力循环破断的应力仅为静弯曲应力的20～40%；对于对称拉压疲劳来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。对于钢制构件，在工程设计中采用的近似计算公式为：1疲劳断裂的基本形式和特征4.0(1b)6.0～～)(285.01bs或1.2疲劳断裂失效的一般特征923、疲劳断裂是一个损伤积累的过程疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很长的时间才完成的。疲劳初裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。在工程上通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循环周次（N0）或将N0与试件的总寿命Nf的比值（N0/Nf）作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育期的参量。疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状及应力集中状况、材料性质、温度与介质等因素有关。4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的，有的则是使用过程中产生的。1疲劳断裂的基本形式和特征1025、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有所说的疲劳极限。1疲劳断裂的基本形式和特征11目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即金属承受最大交变应力σmax与其相应的断裂循环周次N之间的关系曲线。不同金属材料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类2S-N曲线12（1）所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限。中低强度结构钢、铸铁等材料的S-N曲线属于这一类。对这一类材料在测试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳极限的基数。（2）另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N不断增大，但不存在无限寿命。如图1(b)所示。在这种情况下，常根据实际需要定出一定循环周次下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”。1323.1疲劳断口的宏观形貌及其特征由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。3疲劳断口形貌及其特征1423疲劳断口形貌及其特征151、疲劳裂纹源区疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。162、疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹173、瞬时断裂区由于疲劳裂纹不断扩展，使零件或试样的有效断面逐渐减小，因此，应力不断增加。对塑性材料，当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时，便发生瞬时断裂。与其他两个区相比，瞬断区的明显特征是具有不平坦的粗糙表面，而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区。瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材料性质、几何形状、应力集中程度、加载方式及大小以及环境等因素，若应力较高或材料韧性较差，则瞬断区面积较大；反之，则瞬断区就较小。1824.1疲劳断裂的形式1、弯曲疲劳断裂金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲劳破坏称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳又可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳及旋转弯曲疲劳三类。其共同点是初裂纹一般源于表面，然后沿着与最大正应力垂直的方向向内扩展，当剩余截面不能承受外加载荷时，构件发生突然断裂。（1）单向弯曲疲劳断裂象吊车悬臂之类的零件，在工作时承受单向弯曲负荷。承受脉动的单向弯曲应力的零件，其疲劳核心一般发生在受拉侧的表面上。疲劳核心一般为一个，断口上可以看到呈同心圆状的贝纹花样，且呈凸向。最后断裂区在疲劳源区的对面，外围有剪切唇。4金属零件的疲劳断裂失效192（2）双向弯曲疲劳断裂某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用一。零件在双向弯曲应力作用下产生的疲劳断裂，其疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面的内部。两个疲劳核心并非同时产生，扩展速度也不一样，所以断口上的疲劳断裂区一般不完全对称。材料的性质、负荷的大小、结构特征及环境因素等都对断口的形貌有影响，其趋势与单向弯曲疲劳断裂基本相同。（3）旋转弯曲疲劳断裂许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。旋转弯曲疲劳断裂时，疲劳源区一般出现在表面，但无固定地点，疲劳源的数量可以是一个也可以是多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。由此可以根据疲劳源区与最后断裂区的相对位置推知轴的旋转方向。当轴的表面存在较大的应力集中时，可以出现多个疲劳源区。此时最后断裂区将移至轴件的内部。4金属零件的疲劳断裂失效2022、拉压疲劳断裂拉压疲劳断裂最典型例子是各种蒸汽锤的活塞杆在使用中发生的疲劳断裂。在通常情况下，拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部。但当构件内部存在有明显的缺陷时，疲劳初裂纹将起源于缺陷处。此时，在断口上将出现两个明显的不同区域，一是光亮的圆形疲劳区（疲劳核心在此中心附近），周围是瞬时断裂区。应力集中和材料缺陷将影响疲劳核心的数量及其所在位置，瞬时断裂区的相对大小与负荷大小及材料性质有关。4金属零件的疲劳断裂失效2123扭转疲劳断裂各类传动轴件的断裂主要是扭转疲劳断裂。扭转疲劳断裂的断口形貌，主要有三种类型。（1）正向断裂断裂表面与轴向成45角，即沿最大正应力作用的平面发生的断裂。单向脉动扭转时为螺旋状；双向扭转时，其断裂面呈星状，应力集中较大的呈锯齿状。（2）切向断裂断面与轴向垂直，即沿着最大切应力所在平面断裂，横断面齐平。（3）混合断裂横断面呈阶梯状，即沿着最大切应力所在平面起裂并在正应力作用下扩展引起的断裂。正向断裂的宏观形貌一般为纤维状，不易出现疲劳弧线。切向断裂较易出现疲劳弧线。4金属零件的疲劳断裂失效224金属零件的疲劳断裂失效正向断裂切向断裂切向断裂2324、振动疲劳断裂许多机械设备及其零部件在工作时往往出现在其平衡位置附近作来回往复的运动现象，即机械振动。机械振动在许多情况下都是有害的。它除了产生噪音和有损于建筑物的动负荷外，还会显著降低设备的性能及工作寿命。由往复的机械运动引起的断裂称为振动疲劳断裂。4金属零件的疲劳断裂失效2425.1疲劳断裂原因分析1、零件的结构形状零件的结构形状不合理，主要表现在该零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变而造成过大的应力集中，疲劳微裂纹最易在此处萌生。2、表面状态不同的切削加工方式（车、铣、刨、磨、抛光）会形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖锐程度的小缺口。这种小缺口与零件几何形状突变所造成的应力集中效果是相同的。由于表面状态不良导致疲劳裂纹的形成是金属零件发生疲劳断裂的另一重要原因。5影响疲劳原因及措施2523、材料及其组织状态材料选用不当或在生产过程中由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发生。金属材料的组织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。组织的不均匀性，如非金属夹杂物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲劳抗力降低而成为疲劳断裂的重要原因。5影响疲劳原因及措施2624、装配与联接效应装配与联接效应对构件的疲劳寿命有很大的影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上。容易出现的问题是，认为越大的拧紧力对提高联接的可靠性越有利，使用实践和疲劳试验表明，这种看法具有很大的片面性。5．使用环境环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢（0.28％C，11.5％Ni，0.73％Cr），淬火并回火状态下在海水中的条