金屬材料疲勞案例分析

1、疲勞破壞疲勞破壞 材料在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，其應(yīng)力雖然沒(méi)有達(dá)到抗拉強(qiáng)度，甚至還低于屈服強(qiáng)度時(shí)，也可能發(fā)生突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞 在疲勞破壞之前，沒(méi)有明顯的變形，是一種突然發(fā)生的脆性斷裂，所以疲勞破壞屬于反復(fù)荷載作用下的脆性破壞。 疲勞破壞是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過(guò)程才出現(xiàn)的，其破壞過(guò)程可分為三個(gè)階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴(kuò)展、最后迅速斷裂而破壞。疲勞破壞首先是由于機(jī)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力分布不均勻所引起的。應(yīng)力集中可以使個(gè)別晶粒很快出現(xiàn)塑性變形及硬化，從而大大降低機(jī)件的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于承受連續(xù)反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮疲勞問(wèn)題。波音波音747的疲勞開(kāi)裂的疲勞開(kāi)裂 事件回顧 2002年5月2

2、5日，中華航空611號(hào)班機(jī)為一架波音747-209B型客機(jī)，由桃園國(guó)際機(jī)場(chǎng)前往香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)途中，因金屬疲勞導(dǎo)致飛機(jī)在澎湖外海10640米高空解體墜毀。206名乘客及19名機(jī)組員無(wú)人生還。原因追溯原因追溯 1980年2月7日，該航機(jī)在香港啟德機(jī)場(chǎng)曾因重落地?fù)p傷到機(jī)尾蒙皮。 損傷到機(jī)尾后，華航僅用一塊面積與受損蒙皮相若的鋁板覆蓋該處（根據(jù)波音的維修指引，新蒙皮的面積須較受損的大最少30%），并沒(méi)有依波音所訂的維修指引把整塊蒙皮更換，造成該地方累積了金屬疲勞的現(xiàn)象。22年來(lái)，維修人員沒(méi)有察覺(jué)任何異常。 該處裂開(kāi)后，造成空中失壓解體。根據(jù)事故后回收的機(jī)身殘骸，該處裂痕至少長(zhǎng)達(dá)約2.3米，而研究顯示在高

3、空中飛機(jī)上的裂痕超過(guò)約1.5米時(shí)就會(huì)有結(jié)構(gòu)崩毀的可能。飛機(jī)金屬疲勞與交變載荷飛機(jī)金屬疲勞與交變載荷在服役期間，飛機(jī)不斷重復(fù)著起飛、飛行與降落這一過(guò)程，而在每次起飛、飛行與降落過(guò)程中，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)都承受著各種各樣反復(fù)作用的疲勞載荷。這些疲勞載荷主要包括：1 跑道上顛簸的地面滑行載荷；2 飛中大氣紊流(亂流)引起的“突風(fēng)載荷”；3 飛機(jī)作仰俯、偏航以及側(cè)身等動(dòng)作時(shí)的機(jī)動(dòng)載荷；4 飛機(jī)著陸時(shí)的撞擊載荷；5 氣密座艙內(nèi)增壓一卸壓的所謂“地空地”循環(huán)載荷 這些載荷通常都比較小，不足以使飛機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生一次性斷裂，但它們?nèi)諒?fù)一日，年復(fù)一年地作用在飛機(jī)上， 飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的疲勞損傷便會(huì)在不知不覺(jué)中累積。一旦這種疲勞損

4、傷累積到一定程度，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)就會(huì)開(kāi)裂，從而發(fā)生破壞，并最終誘發(fā)空中解體。 臺(tái)灣“飛航安全委員會(huì)”于2005年2月25日正式發(fā)布華航CI611班機(jī)澎湖空難事故調(diào)查報(bào)告：根據(jù)加強(qiáng)補(bǔ)片上所發(fā)現(xiàn)的環(huán)狀磨擦痕跡、斷裂面上的規(guī)則亮紋及鍍鋁層擠壓變形現(xiàn)象，相信該機(jī)于解體前，機(jī)身上存在一個(gè)至少71寸、長(zhǎng)度足以造成機(jī)身結(jié)構(gòu)失效的連續(xù)裂紋。大部分的疲勞裂紋生長(zhǎng)的起源點(diǎn)為1980年2月7日事故航機(jī)在香港發(fā)生機(jī)尾觸地事件造成的刮痕處。 飛機(jī)金屬疲勞與腐蝕疲勞飛機(jī)金屬疲勞與腐蝕疲勞 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中有半數(shù)以上的破壞形式與腐蝕或腐蝕疲勞有關(guān)。 由于具有重量輕、強(qiáng)度好等優(yōu)越性能,高強(qiáng)度鋁合金已成為航空領(lǐng)域中使用最為

5、廣泛的金屬材料。然而從目前對(duì)高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞的研究成果來(lái)看，鋁合金對(duì)腐蝕引起的破壞是敏感的，腐蝕環(huán)境往往會(huì)使鋁合金結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大大縮短。例例2:摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿斷裂原因分析摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿斷裂原因分析 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(guò)滲碳處理。 連桿工作原理見(jiàn)圖1，連桿的往返運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)兩傳動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。1宏觀檢查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(jiàn)許多與斷口平行的裂紋圖圖(a)(a)； 斷裂端一側(cè)面存在強(qiáng)烈磨擦痕跡圖(b)，磨損深度達(dá)0.5mm； 軸承弧面靠近磨擦側(cè)面

6、一端可見(jiàn)藍(lán)灰色的高溫氧化痕跡圖(c) 。 斷口1(圖a左邊的斷口)較為光滑平整，斷口邊緣已磨損，中部可見(jiàn)疲勞弧線圖(d)； 斷口2(圖a右邊的斷口)未見(jiàn)疲勞弧線。斷口斷口1 2掃描電鏡分析掃描電鏡分析 斷口1在掃描電鏡下顯示疲勞弧線圖(a)；根據(jù)弧線的走向可以找到疲勞源，疲勞源在圖(d)左下方拐角處，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(b)；在疲勞擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞條紋及二次裂紋圖(c)；斷口2未見(jiàn)疲勞條紋，只有韌窩，可見(jiàn)斷口1是最先開(kāi)始斷裂的斷口，而斷口2是二次斷口。疲勞源疲勞源 3化學(xué)成分化學(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/T30

7、77-1999 20CrMnTi的化學(xué)成分要求 4 結(jié)果分析結(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(guò)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。

8、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)域存在較粗大的塊狀碳化物，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(guò)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(guò)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(guò)程中應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕?shì)，以免過(guò)高的碳勢(shì)引起工件表面形成粗大的碳化物。 5結(jié)論結(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(guò)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)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(lái)的高溫，減少了蠕變損