一文帶你分析疲勞斷裂

No.1

疲勞斷裂的分類(lèi)1.高周疲勞與低周疲勞作用在零件或構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，破壞的循環(huán)次數(shù)高于10萬(wàn)次的疲勞，稱(chēng)為高周疲勞。例如彈簧、傳動(dòng)軸、緊固件等類(lèi)產(chǎn)品一般以高周疲勞見(jiàn)多。作用在零件構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，破壞的循環(huán)次數(shù)較低，一般低于1萬(wàn)次的疲勞，稱(chēng)為低周疲勞。例如壓力容器、汽輪機(jī)零件的疲勞損壞屬于低周疲勞。2.應(yīng)力和應(yīng)變分析應(yīng)變疲勞——高應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)較低，稱(chēng)為低周疲勞；應(yīng)力疲勞——低應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)較高，稱(chēng)為高周疲勞。復(fù)合疲勞，但在實(shí)際中，往往很難區(qū)分應(yīng)力與應(yīng)變類(lèi)型，一般情況下二種類(lèi)型兼而有之，這樣稱(chēng)為復(fù)合疲勞。3.按照載荷類(lèi)型分類(lèi)彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞、微動(dòng)疲勞。No.2

疲勞斷裂的特征宏觀：裂紋源→擴(kuò)展區(qū)→瞬斷區(qū)。裂紋源：表面有凹槽、缺陷，或者應(yīng)力集中的區(qū)域是產(chǎn)生裂紋源的前提條件。疲勞擴(kuò)展區(qū)：斷面較平坦，疲勞擴(kuò)展與應(yīng)力方向相垂直，產(chǎn)生明顯疲勞弧線(xiàn)，又稱(chēng)為海灘紋或貝紋線(xiàn)。瞬斷區(qū)：是疲勞裂紋迅速擴(kuò)展到瞬間斷裂的區(qū)域，斷口有金屬滑移痕跡，有些產(chǎn)品瞬斷區(qū)有放射性條紋并具有剪切唇區(qū)。微觀：疲勞斷裂典型的特征是出現(xiàn)疲勞輝紋。一些微觀試樣中還會(huì)出現(xiàn)解理與準(zhǔn)解理現(xiàn)象（晶體學(xué)上的名稱(chēng)，在微觀顯象上出現(xiàn)的小平面），以及韌窩等微觀區(qū)域特征。

No.3

疲勞斷裂的特點(diǎn)（1）斷裂時(shí)沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，往往是突然性的產(chǎn)生，使機(jī)械零件產(chǎn)生的破壞或斷裂的現(xiàn)象，危害十分嚴(yán)重。（2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，往往低于靜載時(shí)屈服強(qiáng)度的應(yīng)力負(fù)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(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂的三個(gè)區(qū)域的組成部分。

No.4

案例分析廣東某摩托車(chē)廠一輛摩托車(chē)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)。20CrMnTi是合金結(jié)構(gòu)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(lèi)零件，要求滲碳。

圖11.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3(a)]；斷裂端一側(cè)面存在強(qiáng)烈磨擦痕跡[圖3(b)]，磨損深度0.5mm；軸承弧面靠近磨擦側(cè)面一端可見(jiàn)藍(lán)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(jiàn)疲勞弧線(xiàn)[圖3(d)]；斷口2未見(jiàn)疲勞弧線(xiàn)。圖2圖32.掃描電鏡分析斷口1在掃描電鏡下顯示疲勞弧線(xiàn)[圖4(a)]；根據(jù)弧線(xiàn)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(qū)的細(xì)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(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞條紋及二次裂紋[圖4(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。圖43.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/T3077—199920CrMnTi的化學(xué)成分要求。4.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。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)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，減少了蠕變損傷的可能性。

改善滲碳工藝，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。改善材料疲勞限或疲勞強(qiáng)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(shè)計(jì)，如從表面效應(yīng)著手。

只要防止結(jié)構(gòu)材料與機(jī)械零件表面應(yīng)力集中、阻礙位錯(cuò)滑移堆積、抑制塑性變形，則疲勞裂紋不易成核亦難以擴(kuò)展，將使疲勞限或疲勞強(qiáng)度增加。1.減緩應(yīng)力集中2.增強(qiáng)表層強(qiáng)度1.減緩應(yīng)力集中的措施設(shè)計(jì)中要避免出現(xiàn)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(guò)渡圓角，以減輕應(yīng)力集中。

因結(jié)構(gòu)上的原因，難以加大過(guò)渡圓角的半徑時(shí)，可以在直徑較大的部分軸上開(kāi)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(yīng)力集中。若在輪轂上開(kāi)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(yīng)力集中的情況。

在角焊縫處，采用坡口焊接，應(yīng)力集中程度要比無(wú)坡口焊接改善的多。

2.增強(qiáng)表層強(qiáng)度用機(jī)械法強(qiáng)化表層（如滾壓、噴丸等），使構(gòu)件表面形成預(yù)壓應(yīng)力層，減弱易引起裂紋的表面拉應(yīng)力，