第八節(jié) 構(gòu)件的疲勞損壞及預防

應掌握的內(nèi)容交變應力的概念及疲勞破壞的特點持久極限的概念構(gòu)件疲勞損壞的機理構(gòu)件疲勞損壞的特征構(gòu)件疲勞損壞的預防措施第八節(jié)構(gòu)件的疲勞損壞與預防一、構(gòu)件疲勞損壞的概念1、疲勞

應力不斷變化而引起的材料逐漸破壞的現(xiàn)象美國材料試驗協(xié)會定義：材料某一點或某一些點在承受交變應力和應變條件下，使材料產(chǎn)生局部的永久性的逐步發(fā)展的結(jié)構(gòu)性變化過程，在足夠多的交變次數(shù)后，它可能造成裂紋的積累或材料完全斷裂。疲勞破壞：材料表面的擦痕、缺陷處在載荷反復作用下微裂紋逐漸擴展，直至剩余的連接材料不足以承受載荷，材料就會斷裂，這種破壞形式稱為疲勞破壞產(chǎn)生交變應力的原因：（1）作用在構(gòu)件上的載荷是交變的（2）構(gòu)件本身的運動是交變的交變應力：隨時間作周期性變化的應力。2、交變應力1）交變應力產(chǎn)生的原因引起疲勞的基本因素是交變應力2）交變應力的特征變幅交變應力：最大、最小應力在不同時間各不相同等幅交變應力：最大、最小應力在不同時間相同。一次應力循環(huán)：應力變化一個周期極限應力：應力循環(huán)中的代數(shù)值最大的應力和代數(shù)值最小的應力ms應力最小值應力最大值平均應力(靜應力)應力幅(動應力)循環(huán)特征基本參量：對稱循環(huán)脈動循環(huán)靜應力循環(huán)（1）對稱循環(huán)非對稱循環(huán)交變應力的和大小相等，符號相反。除對稱循環(huán)外，其余情況為非對稱循環(huán)tσo交變應力變動于某一應力與零之間（2）脈動循環(huán)或（3）靜載荷不隨時間變化或隨時間變化緩慢的載荷σoσo3、材料的持久極限疲勞試驗測定材料疲勞強度指標，以對稱循環(huán)下測定為例疲勞試驗機如圖標準試件：每組Φ8～10光滑試件持久極限經(jīng)過無窮多次應力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應力值，又稱疲勞極限表示，r表示循環(huán)特征材料在交變應力作用下，抵抗其破壞的能力用材料的持久極限或疲勞極限衡量，用σr

表示。持久極限與材料種類、變形形式、應力循環(huán)形式（對稱循環(huán)的持久極限最?。╈o載荷作用下的材料的強度指標：屈服極限、強度極限4、材料的持久極限與強度極限的近似關系1）不同材料有不同的持久極限2）不同的應力循環(huán)有不同的持久極限3）不同的變形形式有不同的持久極限對稱循環(huán)下有色金屬的持久極限和強度極限的關系：二、構(gòu)件疲勞損壞的機理經(jīng)典理論：交變應力作用下，原子晶格發(fā)生剪切與滑移形成滑移帶。隨應力循環(huán)次數(shù)增加，滑移帶延伸，出現(xiàn)初始裂紋。金屬晶粒的邊界以及夾雜物與金屬相交界處，由于強度較低而可能是初始的裂紋源。疲勞理論：由于位錯運動形成初始的疲勞裂紋，在應力集中和交變應力作用下，微裂紋不斷擴展、相互貫通，形成較大的裂紋。經(jīng)過若干次應力循環(huán)后，形成尖銳的“切口”目前對疲勞破壞過程的一般解釋：當交變應力的大小超過某一數(shù)值時，經(jīng)過多次循環(huán)后，在構(gòu)件中應力最大處或材料有缺陷的地方，首先產(chǎn)生了很細微的裂紋，這就是裂紋的起源——裂紋源。

裂紋的尖端有嚴重的應力集中，在交變應力作用下，使裂紋不斷擴大；同時，裂紋兩邊的材料時而張開，時而壓緊，發(fā)生擠壓和研磨的作用，形成斷口的光滑區(qū)域。另一方面，隨著裂紋的不斷擴展，有效截面面積不斷減小，當截面削弱到一定程度再也承受不了應力時，構(gòu)件發(fā)生突然斷裂，形成斷口的粗糙顆粒狀區(qū)域。因此，在交變應力作用下構(gòu)件的疲勞破壞，實質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴展和最后斷裂的全過程。粗糙區(qū)光滑區(qū)裂紋源三、構(gòu)件疲勞損壞的特征其主要特點是：（1）交變應力下材料發(fā)生破壞時的最大應力，一般低于靜荷載作用的強度極限，有時甚至低于屈服極限。（2）無論是脆性材料還是塑性材料，在交變應力作用下，均表現(xiàn)為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。（3）材料的疲勞破壞有一個過程，構(gòu)件需要經(jīng)過若干次應力循環(huán)后才會發(fā)生突然斷裂。（4）材料發(fā)生破壞時，交變應力的循環(huán)次數(shù)與應力的大小有關，應力越大，循環(huán)次數(shù)越少。（5）斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區(qū)域，即光滑區(qū)域和粗糙區(qū)域，光滑區(qū)粗糙區(qū)四、構(gòu)件疲勞損壞的判據(jù)1、構(gòu)件受到交變應力的作用2、斷裂處沒有明顯的殘余變形3、端口處具有明顯的光滑區(qū)和粗糙區(qū)以上三個條件必須同時存在，才能判定一個構(gòu)件的破壞為疲勞破壞1）影響持久極限的主要因素（1）構(gòu)件外形的影響構(gòu)件鉆孔、開槽、切削螺紋等截面急劇變化的地方易產(chǎn)生應力集中。（2）構(gòu)件尺寸的影響大尺寸的構(gòu)件比小尺寸的構(gòu)件持久極限要低主要原因：五、構(gòu)件疲勞損壞的預防措施1、構(gòu)件的持久極限構(gòu)件的持久極限遠小于材料的持久極限。構(gòu)件的持久極限與材料的持久極限、構(gòu)件的形狀、尺寸、表面狀況等因素有關。（A）尺寸越大，構(gòu)件內(nèi)部所包含的雜質(zhì)、缺陷越多，疲勞裂紋越易產(chǎn)生（B）大尺寸零件的表面積和表層體積都比較大，而裂紋源一般都在表面或表層下，所以尺寸越大，形成疲勞源的概率越大。（C）應力梯度的影響，若尺寸不同的兩構(gòu)件的最大應力相同，則在相同的表層厚度內(nèi)，大尺寸構(gòu)件的材料所承受的平均應力要高于小構(gòu)件，因此有利于初始裂紋的形成和發(fā)展。（3）構(gòu)件表面質(zhì)量的影響構(gòu)件表面質(zhì)量越低，持久極限也降低構(gòu)件表面加工的精度越高，抗疲勞能力越強。f50f402）構(gòu)件的持久極限構(gòu)件的持久極限總是小于材料的持久極限2、對稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強度3、提高疲勞強度的措施1）合理選擇構(gòu)件材料結(jié)構(gòu)鋼含碳量越高，或通過提高淬透性和改善組織來提高疲勞強度；細化晶粒、獲得下貝氏體及回火馬氏體也可以提高疲勞強度2）合理設計構(gòu)件，減緩應力集中盡量避免尖角、缺口、截面突變適當增大截面突變處的過渡圓角及其它有利于緩和應力集中的措施，可以提高構(gòu)件的疲勞強度。另注意構(gòu)件的尺寸3）降低構(gòu)件的表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)量盡量提高構(gòu)件表面光潔度，盡量減少表面缺陷（氧化、脫碳、裂紋和夾雜），避免構(gòu)件表面的加工損傷（刀痕、磨痕和擦傷）及其它機械損傷和化學腐蝕。對于高強度鋼必須妥善保護，防止碰傷，并盡量提高表面光潔度對于鑄鐵材料，沒有必要提高表面光潔度4）采用各種表面強化處理，提高構(gòu)件的表面強度表面熱處理和化學處理（如表面高頻淬火、滲碳、滲氮和氰化），冷壓機械加工（如表面滾壓和噴丸處理等），這些表面強化工藝有二個方面的作用（1）使構(gòu)件表面的疲勞強度提高（2）在材料表面層中形成一定深度的殘余壓應力，這部分壓應力在構(gòu)件工作時可以抵消部分拉應力，使構(gòu)件實際承受的拉應力降低，抑制疲勞裂紋的形成和擴展，提高了疲勞強度。4、不同形式疲勞提高疲勞強度的措施高周疲勞的疲勞強度取決于材料的強度低周疲勞的疲勞強度取決于材料的塑性和韌性1）低周疲勞循環(huán)周次一般102~105滿足強度的條件下提高材料的塑性，不能一味的提高材料的強度表面強化對提高低周疲勞強度效果不明顯2）熱疲勞

提高熱疲勞的主要途徑：（1）降低材料的線膨脹系數(shù)（2）提高材料的塑性、韌性和高溫強度（3）提高材料的導熱性（4）盡量避免構(gòu)件工作時的應力集中3）沖擊疲勞沖擊能量低時，提高材料的強度沖擊能量高時，提高材料的塑性和韌性4）接觸疲勞（齒輪）接觸疲勞的破壞形式主要有：麻點剝落（點蝕）、淺層剝落、深層剝落提高接觸疲勞強度的主要途徑：（1）盡可能減少材料中的非金屬夾雜物（2）獲得適當?shù)男牟坑捕群捅韺佑捕?，適當加大強化層深度。（3）使表面強化層中的化合物形態(tài)、大小、數(shù)量分布合理。（4）提高表面加工質(zhì)量并保持良好的潤滑狀態(tài)5）腐蝕疲勞構(gòu)件在腐蝕的環(huán)境下承受