第八節(jié) 構(gòu)件的疲勞損壞及預(yù)防

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

應(yīng)力不斷變化而引起的材料逐漸破壞的現(xiàn)象美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)定義：材料某一點(diǎn)或某一些點(diǎn)在承受交變應(yīng)力和應(yīng)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(fù)作用下微裂紋逐漸擴(kuò)展，直至剩余的連接材料不足以承受載荷，材料就會(huì)斷裂，這種破壞形式稱為疲勞破壞產(chǎn)生交變應(yīng)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(yùn)動(dòng)是交變的交變應(yīng)力：隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力。2、交變應(yīng)力1）交變應(yīng)力產(chǎn)生的原因引起疲勞的基本因素是交變應(yīng)力2）交變應(yīng)力的特征變幅交變應(yīng)力：最大、最小應(yīng)力在不同時(shí)間各不相同等幅交變應(yīng)力：最大、最小應(yīng)力在不同時(shí)間相同。一次應(yīng)力循環(huán)：應(yīng)力變化一個(gè)周期極限應(yīng)力：應(yīng)力循環(huán)中的代數(shù)值最大的應(yīng)力和代數(shù)值最小的應(yīng)力ms應(yīng)力最小值應(yīng)力最大值平均應(yīng)力(靜應(yīng)力)應(yīng)力幅(動(dòng)應(yīng)力)循環(huán)特征基本參量：對(duì)稱循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)靜應(yīng)力循環(huán)（1）對(duì)稱循環(huán)非對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力的和大小相等，符號(hào)相反。除對(duì)稱循環(huán)外，其余情況為非對(duì)稱循環(huán)tσo交變應(yīng)力變動(dòng)于某一應(yīng)力與零之間（2）脈動(dòng)循環(huán)或（3）靜載荷不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢的載荷σoσo3、材料的持久極限疲勞試驗(yàn)測(cè)定材料疲勞強(qiáng)度指標(biāo)，以對(duì)稱循環(huán)下測(cè)定為例疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖標(biāo)準(zhǔn)試件：每組Φ8～10光滑試件持久極限經(jīng)過無窮多次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力值，又稱疲勞極限表示，r表示循環(huán)特征材料在交變應(yīng)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(yīng)力循環(huán)形式（對(duì)稱循環(huán)的持久極限最?。╈o載荷作用下的材料的強(qiáng)度指標(biāo)：屈服極限、強(qiáng)度極限4、材料的持久極限與強(qiáng)度極限的近似關(guān)系1）不同材料有不同的持久極限2）不同的應(yīng)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(duì)稱循環(huán)下有色金屬的持久極限和強(qiáng)度極限的關(guān)系：二、構(gòu)件疲勞損壞的機(jī)理經(jīng)典理論：交變應(yīng)力作用下，原子晶格發(fā)生剪切與滑移形成滑移帶。隨應(yīng)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(qiáng)度較低而可能是初始的裂紋源。疲勞理論：由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成初始的疲勞裂紋，在應(yīng)力集中和交變應(yīng)力作用下，微裂紋不斷擴(kuò)展、相互貫通，形成較大的裂紋。經(jīng)過若干次應(yīng)力循環(huán)后，形成尖銳的“切口”目前對(duì)疲勞破壞過程的一般解釋：當(dāng)交變應(yīng)力的大小超過某一數(shù)值時(shí)，經(jīng)過多次循環(huán)后，在構(gòu)件中應(yīng)力最大處或材料有缺陷的地方，首先產(chǎn)生了很細(xì)微的裂紋，這就是裂紋的起源——裂紋源。

裂紋的尖端有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力作用下，使裂紋不斷擴(kuò)大；同時(shí)，裂紋兩邊的材料時(shí)而張開，時(shí)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(kuò)展，有效截面面積不斷減小，當(dāng)截面削弱到一定程度再也承受不了應(yīng)力時(shí)，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(yīng)力作用下構(gòu)件的疲勞破壞，實(shí)質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)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(diǎn)是：（1）交變應(yīng)力下材料發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力，一般低于靜荷載作用的強(qiáng)度極限，有時(shí)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(yīng)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(gè)過程，構(gòu)件需要經(jīng)過若干次應(yīng)力循環(huán)后才會(huì)發(fā)生突然斷裂。（4）材料發(fā)生破壞時(shí)，交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān)，應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越少。（5）斷裂面上有裂紋的起源點(diǎn)和兩個(gè)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(yīng)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(gè)條件必須同時(shí)存在，才能判定一個(gè)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(yīng)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(yù)防措施1、構(gòu)件的持久極限構(gòu)件的持久極限遠(yuǎn)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(guān)。（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(yīng)力梯度的影響，若尺寸不同的兩構(gòu)件的最大應(yīng)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(yīng)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(qiáng)。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(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度3、提高疲勞強(qiáng)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(qiáng)度；細(xì)化晶粒、獲得下貝氏體及回火馬氏體也可以提高疲勞強(qiáng)度2）合理設(shè)計(jì)構(gòu)件，減緩應(yīng)力集中盡量避免尖角、缺口、截面突變適當(dāng)增大截面突變處的過渡圓角及其它有利于緩和應(yīng)力集中的措施，可以提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)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(jī)械損傷和化學(xué)腐蝕。對(duì)于高強(qiáng)度鋼必須妥善保護(hù)，防止碰傷，并盡量提高表面光潔度對(duì)于鑄鐵材料，沒有必要提高表面光潔度4）采用各種表面強(qiáng)化處理，提高構(gòu)件的表面強(qiáng)度表面熱處理和化學(xué)處理（如表面高頻淬火、滲碳、滲氮和氰化），冷壓機(jī)械加工（如表面滾壓和噴丸處理等），這些表面強(qiáng)化工藝有二個(gè)方面的作用（1）使構(gòu)件表面的疲勞強(qiáng)度提高（2）在材料表面層中形成一定深度的殘余壓應(yīng)力，這部分壓應(yīng)力在構(gòu)件工作時(shí)可以抵消部分拉應(yīng)力，使構(gòu)件實(shí)際承受的拉應(yīng)力降低，抑制疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，提高了疲勞強(qiáng)度。4、不同形式疲勞提高疲勞強(qiáng)度的措施高周疲勞的疲勞強(qiáng)度取決于材料的強(qiáng)度低周疲勞的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度的條件下提高材料的塑性，不能一味的提高材料的強(qiáng)度表面強(qiáng)化對(duì)提高低周疲勞強(qiáng)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(qiáng)度（3）提高材料的導(dǎo)熱性（4）盡量避免構(gòu)件工作時(shí)的應(yīng)力集中3）沖擊疲勞沖擊能量低時(shí)，提高材料的強(qiáng)度沖擊能量高時(shí)，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(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）、淺層剝落、深層剝落提高接觸疲勞強(qiáng)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(dāng)?shù)男牟坑捕群捅韺佑捕?，適當(dāng)加大強(qiáng)化層深度。（3）使表面強(qiáng)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(rùn)滑狀態(tài)5）腐蝕疲勞構(gòu)件在腐蝕的環(huán)境下承受