第一章 事故分析

1、1長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院宋緒丁宋緒丁 教授教授疲勞強度及疲勞試驗設(shè)計教學(xué)大綱第一章 疲勞與斷裂事故分析與疲勞研究第二章 疲勞強度設(shè)計方法第三章 疲勞試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理第四章 金屬疲勞斷裂機(jī)理及斷口分析第五章 工程機(jī)械疲勞設(shè)計理念第一章疲勞與斷裂事故分析及疲勞研究第一章疲勞與斷裂事故分析及疲勞研究1 1、 疲勞與斷裂簡介疲勞與斷裂簡介2 2、 疲勞斷裂引起重大事故疲勞斷裂引起重大事故3 3、靜載破壞引起重大事故靜載破壞引起重大事故4 4、失穩(wěn)引起重大事故失穩(wěn)引起重大事故5 5、施工機(jī)械具體零部件疲勞施工機(jī)械具體零部件疲勞3第一節(jié)第一節(jié) 疲勞與斷裂事故分析疲勞與斷裂事故分析41

2、1、疲勞與斷裂簡介、疲勞與斷裂簡介機(jī)械機(jī)械零件零件失效失效變形變形失效失效斷裂斷裂失效失效表面表面損傷損傷失效失效過量彈性變形失效過量彈性變形失效過量塑性變形失效過量塑性變形失效脆性斷裂失效脆性斷裂失效塑性斷裂失效塑性斷裂失效環(huán)境介質(zhì)引起的失效（應(yīng)力腐蝕、氫脆斷裂）環(huán)境介質(zhì)引起的失效（應(yīng)力腐蝕、氫脆斷裂）疲勞疲勞斷裂斷裂低周疲勞低周疲勞高周疲勞高周疲勞腐蝕疲勞腐蝕疲勞高溫疲勞高溫疲勞熱疲勞熱疲勞沖擊斷裂沖擊斷裂蠕變持久斷裂蠕變持久斷裂磨損失效磨損失效腐蝕失效腐蝕失效氧化磨損、粘著磨損氧化磨損、粘著磨損腐蝕磨損、磨粒磨損腐蝕磨損、磨粒磨損接觸磨損、微動磨損接觸磨損、微動磨損均勻腐蝕、局部腐蝕均勻

3、腐蝕、局部腐蝕電化學(xué)腐蝕、空蝕（氣蝕）電化學(xué)腐蝕、空蝕（氣蝕）5 變形失效件體現(xiàn)為變形失效件體現(xiàn)為：不能承受規(guī)定載荷；不能起到規(guī)定作用；：不能承受規(guī)定載荷；不能起到規(guī)定作用；與其他零件的運轉(zhuǎn)發(fā)生干擾。與其他零件的運轉(zhuǎn)發(fā)生干擾。變形變形是指在某種程度上減弱了零件規(guī)定功能的變形是指在某種程度上減弱了零件規(guī)定功能的變形,可以是塑性的或彈塑可以是塑性的或彈塑性的。性的。變形基本類型變形基本類型：尺寸改變或體積改變（長大或縮小）和形狀改變（如彎曲和翹尺寸改變或體積改變（長大或縮小）和形狀改變（如彎曲和翹曲）。曲）。變形失效變形失效彈性變形失效彈性變形失效彈性變形的變形量是在彈性變形的變形量是在彈性范圍內(nèi)

4、變化彈性范圍內(nèi)變化,是是剛度剛度問題。問題。桿、柱類、軸類零件、靠摩擦力傳動的零件等彈性變形會帶來失效的問題。桿、柱類、軸類零件、靠摩擦力傳動的零件等彈性變形會帶來失效的問題。影響彈性變形主要因素：影響彈性變形主要因素：零件形狀、尺寸，材料的彈性摸量，零件工作零件形狀、尺寸，材料的彈性摸量，零件工作溫度和載荷的大小。溫度和載荷的大小。塑性變形失效塑性變形失效塑性變形塑性變形是外加應(yīng)力超過零件材料的是外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時發(fā)生明顯的塑性變形屈服極限時發(fā)生明顯的塑性變形。 塑性變形影響因素塑性變形影響因素:除彈性變形中所論影響因素外除彈性變形中所論影響因素外,還有材料缺陷、使用不當(dāng)、還有

5、材料缺陷、使用不當(dāng)、設(shè)計有誤等，其中特別是熱處理不良更為突出。設(shè)計有誤等，其中特別是熱處理不良更為突出。彈性變形塑性變形斷裂彈性變形塑性變形斷裂彈性變形彈性變形：變形可逆；變形可逆；應(yīng)力應(yīng)變呈應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。塑性變形塑性變形：變形不可逆。變形不可逆。8 變形失效、表面損傷失效、斷裂失效變形失效、表面損傷失效、斷裂失效是是機(jī)機(jī)械零件和工程構(gòu)件的三種主要失效形式。械零件和工程構(gòu)件的三種主要失效形式。斷裂突然發(fā)生斷裂突然發(fā)生，往往導(dǎo)致災(zāi)難性事故，所，往往導(dǎo)致災(zāi)難性事故，所以斷裂破壞更為工程界所重視。以斷裂破壞更為工程界所重視。9 9斷裂斷裂失效失效脆性斷裂失效脆性斷裂失效塑性斷裂失效塑

6、性斷裂失效環(huán)境介質(zhì)引起的環(huán)境介質(zhì)引起的失效（應(yīng)力腐蝕、失效（應(yīng)力腐蝕、氫脆斷裂）氫脆斷裂）疲勞斷裂疲勞斷裂沖擊斷裂沖擊斷裂蠕變持久斷裂蠕變持久斷裂1010脆性脆性斷裂斷裂失效失效構(gòu)件未經(jīng)明顯的變形而發(fā)生的構(gòu)件未經(jīng)明顯的變形而發(fā)生的斷裂斷裂斷裂時材料幾乎沒有發(fā)生過塑斷裂時材料幾乎沒有發(fā)生過塑性變形性變形引起構(gòu)件引起構(gòu)件脆斷脆斷的重要原因的重要原因10塑性斷塑性斷裂失效裂失效材料斷裂之前發(fā)生明顯的宏觀塑性的斷裂材料斷裂之前發(fā)生明顯的宏觀塑性的斷裂1111環(huán)境環(huán)境介質(zhì)介質(zhì)引起引起的失的失效效氫脆氫脆溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的應(yīng)力集中，超過鋼的強

7、度極限強度極限，在鋼，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋裂紋。應(yīng)力應(yīng)力腐蝕腐蝕材料、材料、機(jī)械零件機(jī)械零件或或構(gòu)件構(gòu)件在靜在靜應(yīng)力應(yīng)力(主要主要是拉應(yīng)力是拉應(yīng)力)和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。失效現(xiàn)象。1212沖擊沖擊斷裂斷裂高速負(fù)載作用下發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)高速負(fù)載作用下發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象象塑性塑性斷裂斷裂脆性脆性斷裂斷裂明顯明顯的屈的屈服的服的現(xiàn)象現(xiàn)象一種多裂口一種多裂口斷裂，有細(xì)斷裂，有細(xì)小解理面。小解理面。脆性材料脆性材料13 疲勞：特指材料或構(gòu)件在疲勞：特指材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力或交變應(yīng)變作交變應(yīng)力或交變應(yīng)變作用下用下發(fā)生損壞和斷裂的現(xiàn)象。發(fā)生損壞和斷裂的現(xiàn)象。疲勞斷

8、裂是疲勞斷裂是最常見的破壞形式最常見的破壞形式。各類機(jī)件破壞中。各類機(jī)件破壞中80%90%80%90%屬于疲勞。屬于疲勞。疲勞斷裂通常發(fā)生在疲勞斷裂通常發(fā)生在遠(yuǎn)低于材料靜強度遠(yuǎn)低于材料靜強度的動應(yīng)力的動應(yīng)力條件下，而且破壞前不發(fā)生明顯塑性變形，難以條件下，而且破壞前不發(fā)生明顯塑性變形，難以檢測和預(yù)防，造成的危害大。檢測和預(yù)防，造成的危害大。何為疲勞？何為疲勞？疲勞斷裂疲勞斷裂飛機(jī)、船舶、汽車、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、動飛機(jī)、船舶、汽車、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、動力機(jī)械、起重運輸機(jī)械、石油鉆進(jìn)設(shè)備，以及鐵力機(jī)械、起重運輸機(jī)械、石油鉆進(jìn)設(shè)備，以及鐵路橋梁等，其主要零件和結(jié)構(gòu)件，大多在循環(huán)變路橋梁等，其主要

9、零件和結(jié)構(gòu)件，大多在循環(huán)變化的載荷作用下工作，化的載荷作用下工作，疲勞疲勞是其主要的失效形式。是其主要的失效形式。因此，疲勞強度對于設(shè)計各類承受因此，疲勞強度對于設(shè)計各類承受循環(huán)載荷循環(huán)載荷的機(jī)的機(jī)械和結(jié)構(gòu)，成為重要的研究內(nèi)容。械和結(jié)構(gòu)，成為重要的研究內(nèi)容。14 18391839年法國人年法國人J.V.J.V.彭賽列彭賽列在巴黎大學(xué)講課時在巴黎大學(xué)講課時首先使用首先使用“疲勞疲勞”這一術(shù)語，用來描述材料在這一術(shù)語，用來描述材料在循循環(huán)載荷環(huán)載荷作用下作用下承載能力逐漸耗盡承載能力逐漸耗盡以致最后以致最后突然斷突然斷裂裂的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。19541954年年1 1月，英國彗星（月，英國彗星（Com

10、etComet）號噴氣式客機(jī)墜）號噴氣式客機(jī)墜入地中海，原因為入地中海，原因為機(jī)身在艙門拐角處開裂。機(jī)身在艙門拐角處開裂。產(chǎn)生這產(chǎn)生這種裂紋的原因是由于高空飛行的種裂紋的原因是由于高空飛行的“彗星彗星”號客機(jī)使號客機(jī)使用增壓座艙，長時間飛行用增壓座艙，長時間飛行頻繁起降使機(jī)體反復(fù)的承頻繁起降使機(jī)體反復(fù)的承受增壓和減壓受增壓和減壓引發(fā)飛機(jī)鋁制蒙皮的金屬疲勞。引發(fā)飛機(jī)鋁制蒙皮的金屬疲勞。15彗星號彗星號2 2、 疲勞斷裂引起重大事故疲勞斷裂引起重大事故19791979年，美國年，美國DE-10DE-10型飛機(jī)失事，死亡型飛機(jī)失事，死亡270270人，原人，原因是因是螺旋槳轉(zhuǎn)軸發(fā)生疲勞破壞螺旋槳轉(zhuǎn)軸

11、發(fā)生疲勞破壞。該型號飛機(jī)停飛一。該型號飛機(jī)停飛一年，全面檢修，是設(shè)計問題。年，全面檢修，是設(shè)計問題。16DE-10DE-10型飛機(jī)型飛機(jī)19811981年初，歐洲北海油田年初，歐洲北海油田“基爾蘭基爾蘭”號平臺倒塌，號平臺倒塌，死亡死亡123123人，原因是：人，原因是：橫梁在海浪的交變應(yīng)力作用下，橫梁在海浪的交變應(yīng)力作用下，橫梁承孔邊裂縫橫梁承孔邊裂縫。當(dāng)時大風(fēng)掀起。當(dāng)時大風(fēng)掀起7 7米巨浪，米巨浪，1010510105噸噸的浮臺沉沒于大海之中。的浮臺沉沒于大海之中。17“基爾蘭”號平臺19981998年年6 6月月3 3日德國艾須德高速列車日德國艾須德高速列車ICEICE出軌并撞出軌并撞上

12、陸橋，上陸橋，101101人死亡。事故原因是：人死亡。事故原因是：長期高速運營，長期高速運營，列車的一只車輪鋼圈斷裂了列車的一只車輪鋼圈斷裂了。列車?yán)^續(xù)高速行駛，。列車?yán)^續(xù)高速行駛，斷裂鋼圈的一頭從車廂底部猛地插進(jìn)車廂中；另一斷裂鋼圈的一頭從車廂底部猛地插進(jìn)車廂中；另一頭又把一段起輔助作用的軌道整個撬起，導(dǎo)致列車頭又把一段起輔助作用的軌道整個撬起，導(dǎo)致列車進(jìn)入錯誤的軌道。進(jìn)入錯誤的軌道。18事故現(xiàn)場20022002年年5 5月月2525日臺灣中華航空波音日臺灣中華航空波音747-200747-200飛機(jī)在飛機(jī)在臺灣海峽澎湖空域空中解體墜海，機(jī)上臺灣海峽澎湖空域空中解體墜海，機(jī)上225225人全

13、部遇人全部遇難。事故原因是：難。事故原因是：機(jī)身下部貨倉部位金屬疲勞開裂，機(jī)身下部貨倉部位金屬疲勞開裂，導(dǎo)致飛機(jī)整體解體導(dǎo)致飛機(jī)整體解體。 事故的起因，要追溯到事故的起因，要追溯到19801980年，此時這架飛機(jī)年，此時這架飛機(jī)剛剛投入運營，在一次降落過程中，機(jī)身后部擦地，剛剛投入運營，在一次降落過程中，機(jī)身后部擦地，磨損嚴(yán)重，維修過程中，本應(yīng)更換此部位的全部金磨損嚴(yán)重，維修過程中，本應(yīng)更換此部位的全部金屬覆蓋件，但維修人員偷懶，只把磨損部位打磨后，屬覆蓋件，但維修人員偷懶，只把磨損部位打磨后，又蓋上了一層金屬板，隱患從此就開始。受傷部位又蓋上了一層金屬板，隱患從此就開始。受傷部位在此后在此后

14、2222年中不斷老化、開裂延伸，直到年中不斷老化、開裂延伸，直到20022002年年5 5月，月，飛機(jī)在爬升過程中，受損部位終于堅持不住，整個飛機(jī)在爬升過程中，受損部位終于堅持不住，整個機(jī)尾斷裂，失去平衡，并在空中解體。機(jī)尾斷裂，失去平衡，并在空中解體。1920事故飛機(jī)殘骸21年月日，位于溫州市的甬臺溫年月日，位于溫州市的甬臺溫鐵路鹿城段發(fā)生一起移動模架坍塌事故，壓垮附近鐵路鹿城段發(fā)生一起移動模架坍塌事故，壓垮附近的間民房。事故造成人死亡，人受傷。原的間民房。事故造成人死亡，人受傷。原因是：移動模架在作業(yè)移動過程中因是：移動模架在作業(yè)移動過程中保險鋼索突然斷保險鋼索突然斷裂裂，造成移動模架整體

15、倒塌。，造成移動模架整體倒塌。 事故現(xiàn)場3 3、靜載破壞引起重大事故、靜載破壞引起重大事故2220092009年年4 4月月1818日哈爾濱市施工現(xiàn)場發(fā)生的塔吊斷日哈爾濱市施工現(xiàn)場發(fā)生的塔吊斷裂事故，原因系該裂事故，原因系該塔吊螺栓斷裂塔吊螺栓斷裂，事故造成，事故造成1 1人死人死亡，亡，4 4人受傷。人受傷。事故現(xiàn)場2320112011年年1010月月1010日，華銳風(fēng)電科技日，華銳風(fēng)電科技( (甘肅甘肅) )有限公司有限公司發(fā)生一起吊裝設(shè)備斷裂傾倒事。作業(yè)人員在操作發(fā)生一起吊裝設(shè)備斷裂傾倒事。作業(yè)人員在操作10001000噸履帶式起重機(jī)進(jìn)行作業(yè)過程中，該噸履帶式起重機(jī)進(jìn)行作業(yè)過程中，該起重

16、機(jī)吊起重機(jī)吊臂根部突然發(fā)生斷裂臂根部突然發(fā)生斷裂，致使吊臂側(cè)傾倒地，造成，致使吊臂側(cè)傾倒地，造成5 5人死亡，人死亡，1 1人受傷。人受傷。事故現(xiàn)場20012001年年7 7月月1717日日, ,上海市滬東中華造船（集團(tuán)）有上海市滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司工地，由上海電力建設(shè)公司承擔(dān)起吊門式吊限公司工地，由上海電力建設(shè)公司承擔(dān)起吊門式吊機(jī)橫梁（重機(jī)橫梁（重31003100噸）過程中，由于一邊鋼支架的噸）過程中，由于一邊鋼支架的纜纜風(fēng)繩被松動失去平衡風(fēng)繩被松動失去平衡，致使橫梁傾倒，造成，致使橫梁傾倒，造成3939人傷人傷亡。亡。24事故現(xiàn)場4 4、失穩(wěn)引起重大事故、失穩(wěn)引起重大事故25200

17、92009年年4 4月月9 9日，江日，江蘇省蘇州市一建筑工蘇省蘇州市一建筑工地發(fā)生塔吊倒塌事故，地發(fā)生塔吊倒塌事故，當(dāng)工人正在塔臂上進(jìn)當(dāng)工人正在塔臂上進(jìn)行塔吊拆卸作業(yè)時，行塔吊拆卸作業(yè)時，塔吊發(fā)生失穩(wěn)塔吊發(fā)生失穩(wěn)，塔臂，塔臂部分的駕駛艙發(fā)生墜部分的駕駛艙發(fā)生墜落。事故造成落。事故造成4 4人死人死亡，亡，2 2人受傷。人受傷。事故塔吊2620122012年年1111月月4 4日中鐵日中鐵2222局承建的哈齊客運專線局承建的哈齊客運專線與賓州鐵路交會處發(fā)生造橋機(jī)墜落事故，造成與賓州鐵路交會處發(fā)生造橋機(jī)墜落事故，造成1 1人死亡、人死亡、2 2人受傷目前正在醫(yī)院搶救。原因是架人受傷目前正在醫(yī)院搶

18、救。原因是架橋機(jī)進(jìn)行跨線橋?qū)Я簩ξ粫r橋機(jī)進(jìn)行跨線橋?qū)Я簩ξ粫r架橋機(jī)抖動架橋機(jī)抖動，隨即向，隨即向架橋方向傾斜脫落架橋方向傾斜脫落。事故架橋機(jī)27（1 1）振動壓路機(jī)鋼輪振動傳動軸反復(fù)斷裂原因的分析）振動壓路機(jī)鋼輪振動傳動軸反復(fù)斷裂原因的分析一臺英格索蘭一臺英格索蘭SD-175DSD-175D自行式振自行式振動壓路機(jī)使用動壓路機(jī)使用1900h1900h就出現(xiàn)激振力明就出現(xiàn)激振力明顯下降和跑偏現(xiàn)象。顯下降和跑偏現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)，鋼輪（見圖）內(nèi)的檢查發(fā)現(xiàn)，鋼輪（見圖）內(nèi)的振動振動傳動軸傳動軸1 1已斷裂已斷裂、花鍵接頭、花鍵接頭6 6、7 7上的上的花鍵嚴(yán)重磨損花鍵嚴(yán)重磨損。分析后知，左振動軸分析后知

19、，左振動軸8 8與右振動與右振動軸軸5 5的軸向最大偏差達(dá)的軸向最大偏差達(dá)10mm10mm，由于，由于兩兩振動軸不同軸，造成振動軸不能正常振動軸不同軸，造成振動軸不能正常運行，使其同時受扭力和剪力的作用運行，使其同時受扭力和剪力的作用，加速軸的疲勞磨損，導(dǎo)致該傳動軸反加速軸的疲勞磨損，導(dǎo)致該傳動軸反復(fù)斷裂和加速鍵接頭復(fù)斷裂和加速鍵接頭6 6、7 7的磨損，造的磨損，造成擊振力下降和跑偏。成擊振力下降和跑偏。5 5、施工機(jī)械具體零部件疲勞、施工機(jī)械具體零部件疲勞28(2)(2)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支撐螺栓斷裂分析挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支撐螺栓斷裂分析案例案例1 1：湖南省某公司履帶式液壓挖：湖南省某公司履帶式液壓挖掘

20、機(jī)在施工時駕駛室與平臺總成回掘機(jī)在施工時駕駛室與平臺總成回轉(zhuǎn)有異常響聲，轉(zhuǎn)動不靈活，經(jīng)檢轉(zhuǎn)有異常響聲，轉(zhuǎn)動不靈活，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承與下部行走底處有查發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承與下部行走底處有間隙，個別螺栓松動，大拆后發(fā)現(xiàn)間隙，個別螺栓松動，大拆后發(fā)現(xiàn)數(shù)根螺栓已斷裂數(shù)根螺栓已斷裂。案例案例2 2：山東用戶購買一臺挖掘機(jī)，：山東用戶購買一臺挖掘機(jī)，每天連續(xù)工作每天連續(xù)工作1818小時以上，小時以上，4 4個月后個月后出現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承處有螺栓脫出，原因出現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承處有螺栓脫出，原因是該機(jī)操作手兩班循環(huán)作業(yè)，從開是該機(jī)操作手兩班循環(huán)作業(yè)，從開始交付用戶到出現(xiàn)問題未檢查過螺始交付用戶到出現(xiàn)問題未檢查過螺栓。對該機(jī)進(jìn)行維

21、護(hù)檢查時，發(fā)現(xiàn)栓。對該機(jī)進(jìn)行維護(hù)檢查時，發(fā)現(xiàn)有有1 1個螺栓已斷裂個螺栓已斷裂。螺栓斷裂失效時由于在螺栓頭部與螺桿螺栓斷裂失效時由于在螺栓頭部與螺桿過渡處處理方式不當(dāng)過渡處處理方式不當(dāng)、螺栓螺紋根部螺栓螺紋根部加工不當(dāng)加工不當(dāng)和和不正確的安裝不正確的安裝導(dǎo)致螺栓失效斷裂。導(dǎo)致螺栓失效斷裂。29(3)(3)液壓挖掘機(jī)支座疲勞失效分析液壓挖掘機(jī)支座疲勞失效分析某型挖掘機(jī)動臂變幅某型挖掘機(jī)動臂變幅液壓缸支座頻液壓缸支座頻繁發(fā)生失效繁發(fā)生失效，工作時間大多不超過，工作時間大多不超過2000h2000h，屬于早期疲勞失效。圖屬于早期疲勞失效。圖1 1為支座結(jié)構(gòu)示意為支座結(jié)構(gòu)示意圖，圖，斷裂發(fā)生在焊縫處斷

22、裂發(fā)生在焊縫處，如圖，如圖2 2所示。所示。斷口（圖斷口（圖3 3）表面雖然有部分磨損）表面雖然有部分磨損痕跡和銹跡，但仍然清楚表明，支座開痕跡和銹跡，但仍然清楚表明，支座開裂斷面存在裂斷面存在不同程度的焊接缺陷不同程度的焊接缺陷，如熔，如熔深不足，焊縫根部組織非常疏松，導(dǎo)致深不足，焊縫根部組織非常疏松，導(dǎo)致焊縫中存在焊縫中存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中嚴(yán)重的應(yīng)力集中，易導(dǎo)致裂，易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。紋產(chǎn)生。30（4)4)裝載機(jī)動臂橫梁的斷裂分析裝載機(jī)動臂橫梁的斷裂分析裝載機(jī)因為負(fù)載經(jīng)常發(fā)生變化，裝載機(jī)因為負(fù)載經(jīng)常發(fā)生變化，工作裝置中各構(gòu)件難免發(fā)生破壞，工作裝置中各構(gòu)件難免發(fā)生破壞，其中破壞最嚴(yán)重的是其中破壞最

23、嚴(yán)重的是橫梁橫梁。裝載機(jī)橫梁的斷裂部位有三處：裝載機(jī)橫梁的斷裂部位有三處：一處是動臂與橫梁連接處一處是動臂與橫梁連接處，是通過，是通過焊接連接的；第二處是焊接連接的；第二處是耳板與橫梁耳板與橫梁連接處連接處，也是通過焊接連接在一起，也是通過焊接連接在一起的；第三處是的；第三處是耳板下方的梯形焊縫耳板下方的梯形焊縫，見右圖。該種裝載機(jī)的橫梁的總長見右圖。該種裝載機(jī)的橫梁的總長度為度為800mm800mm，但前兩處的焊縫有六道，但前兩處的焊縫有六道，焊縫比較密集焊縫比較密集，焊接時的，焊接時的熱影響區(qū)熱影響區(qū)多多，加上焊縫本身存在很多先天不，加上焊縫本身存在很多先天不可避免的缺陷，因此這幾處是最容

24、可避免的缺陷，因此這幾處是最容易出現(xiàn)問題的位置。易出現(xiàn)問題的位置。裂紋裂紋31（5 5）裝載機(jī)分配閥彈簧斷裂失效原因分析）裝載機(jī)分配閥彈簧斷裂失效原因分析某型號裝載機(jī)液壓系統(tǒng)中，某型號裝載機(jī)液壓系統(tǒng)中，分配閥彈簧用于閥芯復(fù)位分配閥彈簧用于閥芯復(fù)位，失效后會導(dǎo)致閥芯無法，失效后會導(dǎo)致閥芯無法回復(fù)中位，分配閥不能正常工作。回復(fù)中位，分配閥不能正常工作。通過斷口宏觀分析，這些彈簧失效時服役約通過斷口宏觀分析，這些彈簧失效時服役約900h900h，失效方式為，失效方式為異常斷裂異常斷裂。斷圖。斷圖如圖如圖1 1所示。所示。32分配閥彈簧的主要失效模式有分配閥彈簧的主要失效模式有: : （1 1）正扭型

25、扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋正扭型扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋；（；（2 2）復(fù)合型復(fù)合型扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋。圖圖5 5為正扭轉(zhuǎn)型疲勞裂紋，斷裂面與縱向夾角為為正扭轉(zhuǎn)型疲勞裂紋，斷裂面與縱向夾角為4545，可以看到疲勞斷口的，可以看到疲勞斷口的3 3個明顯的特征區(qū)：裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。個明顯的特征區(qū)：裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。33下圖為下圖為復(fù)合型扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂復(fù)合型扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，此類失效彈簧斷口存在，此類失效彈簧斷口存在兩種裂紋兩種裂紋，第一種裂，第一種裂紋為紋為一次裂紋一次裂紋，源于表面，并沿彈簧鋼絲軸擴(kuò)展。第二種裂紋為，源于表面，并沿彈簧鋼絲軸擴(kuò)展。第二種裂紋為二次裂紋二次裂紋，源，源于一次裂紋根部，因受正應(yīng)力作

26、用，使斷口與彈簧絲軸呈于一次裂紋根部，因受正應(yīng)力作用，使斷口與彈簧絲軸呈4545夾角，可以看到夾角，可以看到疲勞裂紋的疲勞裂紋的3 3個明顯的特征區(qū)：裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。個明顯的特征區(qū)：裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。34（6 6）軸承滾子斷裂失效分析）軸承滾子斷裂失效分析某軸承公司采用某軸承公司采用G20Cr2Ni4AG20Cr2Ni4A鋼生鋼生產(chǎn)軋鋼設(shè)備大型軸承。在使用過程中產(chǎn)軋鋼設(shè)備大型軸承。在使用過程中一套軸承中一套軸承中150150顆滾子有顆滾子有兩顆發(fā)生破兩顆發(fā)生破裂裂。圖。圖2 2（a a）、（）、（b b）為失效滾子宏）為失效滾子宏觀斷口形貌。從圖觀斷口形貌。從圖2 2（a a）斷

27、口形貌可）斷口形貌可知，軸承滾子屬于典型的知，軸承滾子屬于典型的接觸疲勞破接觸疲勞破壞壞，斷口在臺階處分布有明顯的貝紋，斷口在臺階處分布有明顯的貝紋且比較光滑，且比較光滑，疲勞源出現(xiàn)在構(gòu)件表面，疲勞源出現(xiàn)在構(gòu)件表面，且處于疲勞弧線的中心點且處于疲勞弧線的中心點。從圖。從圖2 2（a a）中可看出破壞滾子均首先在內(nèi)孔產(chǎn)生中可看出破壞滾子均首先在內(nèi)孔產(chǎn)生疲勞源，見圖疲勞源，見圖A A處處，然后沿滾子徑向，然后沿滾子徑向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到外表面后又沿軸向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到外表面后又沿軸向快速擴(kuò)展使?jié)L子斷裂?？焖贁U(kuò)展使?jié)L子斷裂。35（7 7）20CrMo20CrMo汽車軸承斷裂失效分析汽車軸承斷裂失效分析

28、某某20CrMo20CrMo汽車軸承在疲勞檢測試驗中未達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)就發(fā)生了斷裂。汽車軸承在疲勞檢測試驗中未達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)就發(fā)生了斷裂。圖圖2 2為其表面斷口宏觀形貌，從圖中可以得出表面存在明顯的為其表面斷口宏觀形貌，從圖中可以得出表面存在明顯的放射紋路和放射紋路和木頭狀解離形貌木頭狀解離形貌。分析知該。分析知該軸承倒角表面質(zhì)量不佳軸承倒角表面質(zhì)量不佳以及以及夾雜物過多夾雜物過多是導(dǎo)致是導(dǎo)致軸承斷裂的直接原因。軸承斷裂的直接原因。36（8 8）裝載機(jī)車架斷裂）裝載機(jī)車架斷裂發(fā)生損壞的部件是發(fā)生損壞的部件是ZL50EZL50E型裝載型裝載機(jī)車架，主要是由機(jī)車架，主要是由250mm x 100mm25

29、0mm x 100mm矩矩形鋼管焊接而成。車架的開裂對稱分形鋼管焊接而成。車架的開裂對稱分布在近車頭一端的兩側(cè)，基本與管材布在近車頭一端的兩側(cè)，基本與管材軸線，裂紋呈軸線，裂紋呈“V V”字形，上寬下窄，字形，上寬下窄，最寬處達(dá)最寬處達(dá)20mm20mm；有相當(dāng)部分的裂紋沿有相當(dāng)部分的裂紋沿焊縫分布焊縫分布。將裂紋段切割下將裂紋段切割下進(jìn)行近距離觀察，見進(jìn)行近距離觀察，見兩側(cè)裂紋均起始于車兩側(cè)裂紋均起始于車架上端的焊接區(qū)架上端的焊接區(qū)，在，在平面上平面上基本沿焊趾分基本沿焊趾分布布，見圖，見圖2 2箭頭。箭頭。37（9 9）液壓挖掘機(jī)液壓泵驅(qū)動軸斷裂）液壓挖掘機(jī)液壓泵驅(qū)動軸斷裂325C325C液

30、壓挖掘機(jī)在投液壓挖掘機(jī)在投入使用約入使用約2800h2800h，液壓的，液壓的驅(qū)動軸發(fā)生斷裂驅(qū)動軸發(fā)生斷裂。在驅(qū)動。在驅(qū)動軸的近齒輪斷面邊緣可見軸的近齒輪斷面邊緣可見一段呈鋸齒狀的臺階，與一段呈鋸齒狀的臺階，與扭轉(zhuǎn)疲勞扭轉(zhuǎn)疲勞有關(guān)。從另一側(cè)有關(guān)。從另一側(cè)觀察，可見一段裂面邊緣觀察，可見一段裂面邊緣與軸約成與軸約成4545。鋸齒狀的臺階鋸齒狀的臺階38花鍵斷面上可見起始于花鍵端花鍵斷面上可見起始于花鍵端面的輻射狀條紋，斜向沿圓周推進(jìn)，面的輻射狀條紋，斜向沿圓周推進(jìn)，邊緣處呈細(xì)瓷狀，近內(nèi)側(cè)則有臺階，邊緣處呈細(xì)瓷狀，近內(nèi)側(cè)則有臺階，與與多次變載疲勞啟動多次變載疲勞啟動有關(guān)。有關(guān)。沿花鍵沿花鍵段的裂紋

31、打開，可見裂紋基本沿花段的裂紋打開，可見裂紋基本沿花鍵槽底線分布鍵槽底線分布，見圖，見圖1313。由花鍵槽。由花鍵槽邊緣起始的弧形區(qū)，有明顯的邊緣起始的弧形區(qū)，有明顯的細(xì)幅細(xì)幅射條紋射條紋在其邊緣起始，見箭頭所指；在其邊緣起始，見箭頭所指；在細(xì)輻射花樣區(qū)邊緣又有粗輻射條在細(xì)輻射花樣區(qū)邊緣又有粗輻射條紋再次起始、臺階狀起伏較大，可紋再次起始、臺階狀起伏較大，可知該區(qū)在較大應(yīng)力的作用下向內(nèi)、知該區(qū)在較大應(yīng)力的作用下向內(nèi)、尾推進(jìn)。尾推進(jìn)。39（1010）減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效分析）減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效分析某輸入功率為某輸入功率為710kW710kW的減的減速機(jī)使用中直徑速機(jī)使用中直徑120mm

32、120mm的高速的高速軸發(fā)生軸發(fā)生早期斷裂早期斷裂。通過對該。通過對該斷裂軸進(jìn)行分析，得其斷裂斷裂軸進(jìn)行分析，得其斷裂方式多為方式多為多源疲勞脆性斷裂多源疲勞脆性斷裂，其主裂紋萌生于高速軸鍵槽其主裂紋萌生于高速軸鍵槽的受力側(cè)（圖的受力側(cè)（圖1 1箭頭處），箭頭處），表表面硬度低面硬度低，屈服強度低屈服強度低、無無有效的表面強化層有效的表面強化層是導(dǎo)致齒是導(dǎo)致齒輪軸發(fā)生早期疲勞破壞的主輪軸發(fā)生早期疲勞破壞的主要原因。要原因。40（1111）盾構(gòu)機(jī)保險軸的斷裂分析）盾構(gòu)機(jī)保險軸的斷裂分析在施工過程中，盾構(gòu)機(jī)保險軸經(jīng)常發(fā)生斷裂事故。觀察圖可知，花鍵保險在施工過程中，盾構(gòu)機(jī)保險軸經(jīng)常發(fā)生斷裂事故。觀察

33、圖可知，花鍵保險軸的軸的斷口位于花鍵中間的圓槽根部斷口位于花鍵中間的圓槽根部扭轉(zhuǎn)槽扭轉(zhuǎn)槽。保險軸扭剪槽斷口的宏觀形貌有。保險軸扭剪槽斷口的宏觀形貌有明顯的疲勞源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，從齒間部分和橫截面中環(huán)區(qū)可看到比較清晰明顯的疲勞源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，從齒間部分和橫截面中環(huán)區(qū)可看到比較清晰的的疲勞條紋圖疲勞條紋圖，斷裂面受健齒根部，斷裂面受健齒根部應(yīng)力狀態(tài)周期性分布應(yīng)力狀態(tài)周期性分布的影響，疲勞源呈周期的影響，疲勞源呈周期性分布。性分布。41（1212）裝載機(jī)銷軸斷裂分析）裝載機(jī)銷軸斷裂分析某廠家生產(chǎn)的銷軸在使用過程中多次在同一部位發(fā)生斷裂。分析結(jié)果知，某廠家生產(chǎn)的銷軸在使用過程中多次在同一部位發(fā)生

34、斷裂。分析結(jié)果知，銷軸徑向油孔位置具有隨機(jī)性，當(dāng)油孔位于最大彎曲應(yīng)力一側(cè)時，由于銷軸徑向油孔位置具有隨機(jī)性，當(dāng)油孔位于最大彎曲應(yīng)力一側(cè)時，由于油孔油孔的應(yīng)力集中的應(yīng)力集中，導(dǎo)致油孔位置的應(yīng)力過大，在油孔位置萌生疲勞裂紋，故，導(dǎo)致油孔位置的應(yīng)力過大，在油孔位置萌生疲勞裂紋，故油孔油孔位置不合適位置不合適是銷軸斷裂的主要原因。是銷軸斷裂的主要原因。42（1313）架橋機(jī)移動模架銷軸斷裂分析）架橋機(jī)移動模架銷軸斷裂分析在某大橋的施工過程中，一架在某大橋的施工過程中，一架橋機(jī)在移動時發(fā)生墜落事故。事故橋機(jī)在移動時發(fā)生墜落事故。事故發(fā)生后發(fā)現(xiàn)發(fā)生后發(fā)現(xiàn)架橋機(jī)銷軸斷裂架橋機(jī)銷軸斷裂，斷裂，斷裂發(fā)生在發(fā)生在

35、銷軸和底板的焊接處銷軸和底板的焊接處。斷裂。斷裂銷軸一側(cè)斷口的宏觀形貌如圖所示，銷軸一側(cè)斷口的宏觀形貌如圖所示，可見斷口可以分為三個區(qū)域，可見斷口可以分為三個區(qū)域，區(qū)區(qū)為焊縫區(qū)，在斷口上所占比例小，為焊縫區(qū)，在斷口上所占比例小，整個圓周上只有一兩處殘余，其余整個圓周上只有一兩處殘余，其余的焊縫區(qū)域都在該軸的另一側(cè)斷口的焊縫區(qū)域都在該軸的另一側(cè)斷口上。上。區(qū)的斷口比較細(xì)密，在該軸大部分圓區(qū)的斷口比較細(xì)密，在該軸大部分圓周上均能發(fā)現(xiàn)，寬度約為周上均能發(fā)現(xiàn)，寬度約為3mm3mm；區(qū)的面積區(qū)的面積占整個斷口的絕大部分，斷面平坦，斷口粗占整個斷口的絕大部分，斷面平坦，斷口粗糙有金屬光澤可以明顯看出裂紋快

36、速擴(kuò)展的糙有金屬光澤可以明顯看出裂紋快速擴(kuò)展的放射性痕跡。放射性痕跡。第二節(jié) 疲勞研究發(fā)展史一、疲勞研究方面19世紀(jì)初，隨著蒸汽機(jī)車和機(jī)動運載工具的發(fā)展，以及機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用，運動部件的破壞經(jīng)常發(fā)生。破壞經(jīng)常發(fā)生在零構(gòu)件的截面突變處，破壞的名義應(yīng)力不高，低于材料的抗拉強度和屈服點。1829年德國人Albert W.A.（艾伯特）-用礦山卷揚機(jī)焊接鏈條進(jìn)行疲勞試驗，破壞事故才被闡明。 1839年，法國工程師Poncelet J.V.（彭賽列）-首次使用“疲勞”來描述材料在循環(huán)應(yīng)力作用下承載能力逐漸耗盡以至最后突然斷裂的現(xiàn)象。1843年蘇格蘭人Rankine W.J.M（蘭金）-發(fā)表第一篇論文：

37、論文中指出，機(jī)車車輛的破壞時由于運動過程金屬性能逐漸變壞所致，分析了車軸軸肩處尖角有害影響。1842年Hood（胡特）-提出了結(jié)晶理論，認(rèn)為金屬在循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強度降低是振動引起的結(jié)晶化所致。后來證明是錯誤的。18471850年，德國人Wohler A.（沃勒）-最先系統(tǒng)試驗研究疲勞的學(xué)者。設(shè)計出第一臺疲勞試驗機(jī)，系統(tǒng)論述了疲勞壽命與循環(huán)應(yīng)力的關(guān)系，提出了S-N曲線和疲勞極限的概念，確定了壓力幅是疲勞破壞的主要因素，奠定了金屬疲勞基礎(chǔ)。1874年Gerber W.（格伯）-根據(jù)沃勒的數(shù)據(jù)，研究了平均用力對疲勞的影響，提出了表達(dá)極限壓力幅a和平均應(yīng)力m間關(guān)系的拋物線方程。mCN2ma1b=1（

38、）1899年英國人Goodmen-提出了簡化曲線Goodmen圖，至今廣泛使用。Soderberg直線Smith曲線Cepece折線：-1R0 R0 -平均應(yīng)力影響系數(shù) -壓力比R0的平均應(yīng)力系數(shù)ma1b=1（）ma1s=1（）ma1m1/=1/bb（）1am 0(1)2m 1884年Bauschinger J.（包辛格）-發(fā)現(xiàn)了在循環(huán)載荷下彈性極限降低的“循環(huán)軟化”現(xiàn)象，引入了應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線的概念。當(dāng)時未引起人們的重視，到1952年Keuyon（柯楊）在做銅棒試驗時才重新提出來，并命名為“包辛格效應(yīng)”。1903年Ewing J.A.（尤因）和Humfery J. C. W.（漢弗萊）-在單晶鋁和退火的瑞典鐵上發(fā)現(xiàn)了循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的滑移痕跡，推翻了老的結(jié)晶理論。1910年Bairstow（貝爾斯托）-測定了遲滯回線，建立了循環(huán)硬化和循環(huán)軟化的概念，并進(jìn)行了程序疲勞試驗。1920年Griffith A.A（格里費斯）-用玻璃研究脆斷的理論，發(fā)現(xiàn)玻璃的強度取決于微裂紋尺寸， ，此公式是斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)1929年美國人Peterson R.E.（彼得遜）-對尺寸效應(yīng)進(jìn)行一系列試驗，并提出了應(yīng)力集中系數(shù)的理論值Kt。1929193