一文帶你分析疲勞斷裂！ 附疲勞與斷裂華中科技大學文檔下載

2022年6月7日 11:39
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No.1 疲勞與斷裂的概念

1.疲勞：金屬材料在應力或應變的反復作用下發生的性能變化稱為疲勞。

2.疲勞斷裂：材料承受交變循環應力或應變時，引起的局部結構變化和內部缺陷的不斷地發展，使材料的力學性能下降，最終導致產品或材料的完全斷裂，這個過程稱為疲勞斷裂，也可簡稱為金屬的疲勞。
引起疲勞斷裂的應力一般很低，疲勞斷裂的發生，往往具有突發性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點。  
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件的應力水平較低，破壞的循環次數高于10萬次的疲勞，稱為高周疲勞。例如彈簧、傳動軸、緊固件等類產品一般以高周疲勞見多。
作用在零件構件的應力水平較高，破壞的循環次數較低，一般低于1萬次的疲勞，稱為低周疲勞。例如壓力容器，汽輪機零件的疲勞損壞屬于低周疲勞 。
2.應力和應變分析
應變疲勞——高應力，循環次數較低，稱為低周疲勞；
應力疲勞——低應力，循環次數較高，稱為高周疲勞。
復合疲勞，但在實際中，往往很難區分應力與應變類型，一般情況下二種類型兼而有之，這樣稱為復合疲勞。
3.按照載荷類型分類
彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞、振動疲勞、微動疲勞。
No.3 疲勞斷裂的特征

宏觀：裂紋源→擴展區→瞬斷區。

裂紋源：表面有凹槽、缺陷，或者應力集中的區域是產生裂紋源的前提條件。
疲勞擴展區：斷面較平坦，疲勞擴展與應力方向相垂直，產生明顯疲勞弧線，又稱為海灘紋或貝紋線。
瞬斷區：是疲勞裂紋迅速擴展到瞬間斷裂的區域，斷口有金屬滑移痕跡，有些產品瞬斷區有放射性條紋并具有剪切唇區。
微觀：疲勞斷裂典型的特征是出現疲勞輝紋。
一些微觀試樣中還會出現解理與準解理現象（晶體學上的名稱，在微觀顯象上出現的小平面），以及韌窩等微觀區域特征。 
No.4 疲勞斷裂的特點

（1）斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預兆，往往是突然性的產生，使機械零件產生的破壞或斷裂的現象，危害十分嚴重。

（2）引起疲勞斷裂的應力很低，往往低于靜載時屈服強度的應力負荷。
（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生、擴展和最后斷裂的三個區域的組成部分。 
No.5 案例分析

廣東某摩托車廠一輛摩托車在運行了2000km后發生機械故障，經拆機檢查，發現發動機曲軸連桿斷裂。

據悉該連桿材料為20CrMnTi，表面經過滲碳處理。
連桿工作原理見圖1，連桿的往返運動帶動兩傳動曲軸轉動。
20CrMnTi是合金結構鋼，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。 
一文帶你分析疲勞斷裂！ 附疲勞與斷裂華中科技大學文檔下載的圖1

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)]；
斷裂端一側面存在強烈磨擦痕跡[圖3(b)]，磨損深度0.5mm；
軸承弧面靠近磨擦側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，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。
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圖2

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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，源區的細微組織大部分已磨損，但能看到放射棱特征[圖4(b)]；
在疲勞擴展區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。
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圖4

3.化學成分

在連桿身部位取樣，進行化學成分(質量分數，%)分析，結果符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化學成分要求 。
4.結果分析
綜合上述檢驗結果，失效件材料化學成份符合技術條件要求。
連桿斷裂端一側面出現非正常嚴重磨擦現象，軸承弧面靠近磨擦面一端出現的藍灰色的氧化膜，是黑色氧化鐵(Fe 3O 4)及紅色氧化鐵(Fe 2O 3)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致該區域溫度過熱。
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，正處于高溫區域。表面氧化會使裂紋產生的機會增加，同時高溫提高了蠕變損傷的可能性。
另一方面磨擦導致金屬表面粗糙，容易形成表面應力集中，增大疲勞源產生的可能性。
斷裂起源往往發生在拉應力最大的層面上。從連桿運動受力情況分析，斷口1的斷面所受的拉應力最大，容易在此斷面靠近磨擦面的拐角處形成裂紋源。同時由于該區域存在較粗大的狀碳化物，破壞了基體組織的連續性，加速了裂紋的形成和擴展，降低了疲勞強度，最終導致了疲勞斷裂。
連桿滲碳表面的碳化物過大與滲碳工藝不當有關。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，導致零件壽命顯著下降。
因此在滲碳過程中應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。
5.結論
曲軸連桿斷裂屬疲勞斷裂，引起斷裂的原因是在使用時連桿受到劇烈磨擦，導致局部區域應力集中及溫度過高，降低了材料的疲勞強度。連桿拐角處表面的較大塊狀碳化物加速了裂紋的萌發及擴展。
6.改進
設計時減少摩擦處的粗糙度，可以減少應力集中，降低零件的疲勞強度 。同時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有關。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，導致零件壽命顯著下降。
因此，在滲碳過程中應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。

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，需盡量改善零件設計，如從表面效應著手。

只要防止結構材料與機械零件表面應力集中、阻礙位錯滑移堆積、抑制塑性變形，則疲勞裂紋不易成核亦難以擴展，將使疲勞限或疲勞強度增加。
1.減緩應力集中
2.增強表層強度
1.減緩應力集中的措施
設計中要避免出現方形或帶有尖角的孔和槽。
截面尺寸突然改變處（如階梯軸的軸肩），采用半徑足夠大的過渡圓角，以減輕應力集中。
因結構上的原因，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。
緊配合的輪轂與軸的配合面邊緣處，有明顯的應力集中。若在輪轂上開減荷槽，并加粗軸的配合部分，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力集中的情況。
在角焊縫處，采用坡口焊接，應力集中程度要比無坡口焊接改善的多。

2.增強表層強度

用機械法強化表層（如滾壓、噴丸等），使構件表面形成預壓應力層，減弱易引起裂紋的表面拉應力，從而提高疲勞強度，或采用熱處理和化學處理 ，如高頻淬火、滲碳、氮化等。
采用直徑0.1-1mm小鋼珠以高速沖擊試樣表面，以去除表面銳角、毛邊等易應力集中處，且使表面壓縮至鋼珠直徑的1/4-1/2深度，使零件表面產生殘余應力而抑制疲勞裂紋的擴展。
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