《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》 課件 第3章 疲勞失效

1《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》第3章疲勞失效目錄疲勞斷口形成過程與形貌分析疲勞斷口定量分析疲勞圖在疲勞失效分析中的應(yīng)用利用材料表面技術(shù)提高疲勞強度疲勞斷裂實際案例疲勞斷口形成過程與形貌分析3.1.1 疲勞斷口形成與斷口宏觀形貌特征在2.1節(jié)中已經(jīng)論述，疲勞斷裂是在交變載荷作用下發(fā)生的，并有自身的特點。疲勞斷口的形成一定與交變載荷有密切聯(lián)系，以下圖說明交變載荷與疲勞裂紋形成及擴展關(guān)系。交變載荷造成不均勻滑移產(chǎn)生裂紋源，雖然所施加的應(yīng)力小于材料的屈服極限，但是由于裂紋尖端應(yīng)力集中，每次循環(huán)均會產(chǎn)生局部的塑性變形。疲勞裂紋形成及開展與交變載荷的關(guān)系3.1.1 疲勞斷口形成與斷口宏觀形貌特征（b）汽車卷簧斷口照片（a）柴油機水套斷口照片疲勞弧線照片疲勞斷裂斷口典型的宏觀形貌見圖。疲勞斷口形成的過程決定了疲勞斷口宏觀形貌特征，可以分成三個區(qū)域：（1）疲勞源區(qū)域。（2）疲勞裂紋擴展區(qū)。該區(qū)域是在裂紋擴展過程中，發(fā)生微小塑性變形后形成的形貌。（3）與拉伸過載斷裂類似的瞬時斷裂區(qū)域。3.1.1 疲勞斷口形成與斷口宏觀形貌特征疲勞斷口宏觀形貌特征：用肉眼或放大鏡觀察往往可見疲勞弧線（也稱海灘標(biāo)記、貝殼紋等），見上圖。這是由宏觀斷口辨認(rèn)疲勞失效最重要的特征，即如果觀察到斷口上有如此形貌，基本可以斷定是疲勞斷裂，同時判斷出裂紋擴展方向與弧線垂直。這些肉眼可見的疲勞弧線是如何形成的？一般以拉-壓交變載荷為例提出下面幾種解釋：（1）弧線是塑性變形留下的痕跡。這種痕跡的獲得與裂紋尖端應(yīng)力狀態(tài)變化、方向變化密切相關(guān)（2）在交變載荷作用下，疲勞裂紋在表面形成后向另一側(cè)擴展。（3）應(yīng)力循環(huán)過程中，裂紋只能在拉應(yīng)力作用下擴展，在壓應(yīng)力作用下裂紋不擴展。3.1.2 宏觀形貌對失效原因提供的信息1.

根據(jù)斷口疲勞弧線及斷裂面確定裂紋源（疲勞源）與斷裂模式疲勞斷裂的裂紋源有以下一些特征：（1）一般處于零部件的表面。（2）一般位于疲勞弧線最小半徑處或稱疲勞弧線最小曲率半徑處， 。有時可能出現(xiàn)幾個疲勞源。（3）裂紋源區(qū)域是最早開裂的區(qū)域，在該區(qū)域裂紋擴展速率較緩慢，裂紋經(jīng)過反復(fù)張開、閉合引起斷口表面摩擦，所以一般較平整光滑。根據(jù)這些特征判斷疲勞斷裂的裂紋源，即疲勞源的位置。疲勞斷裂的斷裂模式一定是交變載荷，同時載荷基本垂直斷裂面。利用疲勞斷口疲勞弧線確定裂紋源3.1.2 宏觀形貌對失效原因提供的信息2.確定斷裂機制宏觀斷口上的疲勞弧線是確定疲勞斷裂的有利證據(jù)，是判斷是否疲勞斷裂的充分證據(jù)，但不是必要判據(jù)。再次說明斷定一個零部件是否疲勞斷裂，主要依據(jù)零部件是否經(jīng)受交變載荷斷裂，而不能根據(jù)斷口上是否有疲勞弧線。因為根據(jù)上述疲勞弧線的形成機理可知：當(dāng)疲勞裂紋擴展過程中如果沒有中斷，就不可能產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，如果應(yīng)力很低，再加上材料本身特性在受壓應(yīng)力作用時，摩擦并不發(fā)亮就難以觀察到疲勞弧線，疲勞斷口宏觀形貌和載荷類型與應(yīng)力大小的關(guān)系3.1.2 宏觀形貌對失效原因提供的信息3.

定性判斷載荷類型與應(yīng)力大小如果是旋轉(zhuǎn)彎曲，裂紋源出現(xiàn)在一側(cè)表面；如果是單向彎曲，裂紋源也出現(xiàn)在一側(cè)，但是如果載荷為反復(fù)彎曲，裂紋源可能出現(xiàn)在兩側(cè)。如果應(yīng)力高，顯然最后斷裂區(qū)域面積就要增加，擴展區(qū)域面積就要減少，所以斷口形貌與外加載荷有密切聯(lián)系，見圖。疲勞斷口宏觀形貌和載荷類型與應(yīng)力大小的關(guān)系3.1.2 宏觀形貌對失效原因提供的信息4.瞬時斷裂區(qū)面積、疲勞源數(shù)目與疲勞弧線形狀反映出載荷大小斷口瞬時斷裂區(qū)域形成與拉伸過載斷裂有類似之處，即當(dāng)應(yīng)力超過材料的斷裂強度時發(fā)生斷裂留下的痕跡。因此，瞬時斷裂區(qū)面積大則說明外加載荷高。同時擴展區(qū)域與瞬時斷裂區(qū)域比例反映了外加應(yīng)力的大小與應(yīng)力集中的程度，外加應(yīng)力小、無明顯應(yīng)力集中，則疲勞擴展區(qū)大，否則瞬時斷裂區(qū)面積大。疲勞源的數(shù)目與位置也反映應(yīng)力集中與載荷情況。如果疲勞源的數(shù)目多，表明應(yīng)力大或者應(yīng)力集中嚴(yán)重。如果發(fā)現(xiàn)疲勞源出現(xiàn)在工件的對稱位置，表明同時存在正向與反向載荷的對稱作用。疲勞弧線的形狀也與交變載荷狀態(tài)有一定聯(lián)系。如果沒有應(yīng)力集中作用，疲勞弧線多呈凸形，即弧線從裂紋源向擴展方向凸起。如果有缺口存在形成應(yīng)力集中，會使疲勞裂紋沿外緣表面的擴展速率大于疲勞裂紋向內(nèi)部的擴展速率，導(dǎo)致弧線成凹形；如果應(yīng)力很大形成多個疲勞源，會使疲勞弧線由凸向凹轉(zhuǎn)變。3.1.2 宏觀形貌對失效原因提供的信息5.判斷材料韌性與脆性2.1節(jié)中已經(jīng)論述，材料的韌性高低與拉伸斷口形貌有密切關(guān)系。由于疲勞斷裂斷口與拉伸過載斷口也有類似之處，所以也可以從疲勞斷口分析材料韌性與脆性。對于塑性材料瞬時斷裂區(qū)域，有時表現(xiàn)出塑性斷口的特征，即表面粗糙不平呈纖維狀斷口，有時在瞬時斷裂區(qū)域可看見剪切唇。如果是脆性材料，則表現(xiàn)出結(jié)晶狀斷口。所以可根據(jù)瞬時斷裂區(qū)的形貌可以大致判斷材料的塑性與韌性。應(yīng)該說明：瞬時斷裂區(qū)域是材料剩余面積太小難以承受最終載荷而形成斷口。瞬時斷裂區(qū)域總是突然發(fā)生，往往沒有塑性變形，因此對于韌性較好的材料，有時也難以觀察到塑性變形區(qū)域。3.1.2 宏觀形貌對失效原因提供的信息6.根據(jù)疲勞弧線的清晰程度判斷載荷變化程度疲勞弧線是疲勞斷口宏觀形貌最明顯的特征，也是從斷口判斷是否發(fā)生疲勞斷裂的主要依據(jù)。但是并非所有疲勞斷裂均可以看到明顯的疲勞弧線。在實驗室對試樣進行疲勞試驗，斷口上就難以觀察到疲勞弧線。這是因為，根據(jù)疲勞弧線形成的解釋（3.1.1節(jié)），裂紋尖端應(yīng)力變化，或材料內(nèi)部組織不均勻是引起弧線形成的重要原因。在實驗室進行試驗一般是均勻加載，試樣尺寸較小，材料內(nèi)部組織相對較均勻，所以疲勞弧線難以呈現(xiàn)于斷口。而實際工況條件下服役的構(gòu)件，載荷一般是變化的，所以往往容易觀察到疲勞弧線。這就提示我們在對實際構(gòu)件進行斷口分析時，可以根據(jù)疲勞弧線是否清晰，判斷服役過程中零部件所承受應(yīng)力是否是均勻加載交變應(yīng)力？是否應(yīng)力發(fā)生較大變化？下面舉例說明宏觀斷口分析規(guī)律的應(yīng)用。3.1.2 宏觀形貌對失效原因提供的信息【例3-1】

42CrMo調(diào)質(zhì)鋼制作螺栓斷裂，根據(jù)設(shè)計要求可知，螺栓服役承受交變載荷作用，斷面垂直螺栓軸線，斷口形貌見圖。試分析裂紋源在何處，并判斷斷裂模式。分析：在斷口上沒有觀察到疲勞弧線，難以根據(jù)疲勞弧線最小半徑方法確定疲勞源位置。根據(jù)疲勞斷裂斷口形成過程可知，斷口上應(yīng)該存在瞬時斷裂區(qū)域，本質(zhì)與拉伸過載斷裂一致。拉伸過載斷裂典型斷口形貌是纖維區(qū)、輻射區(qū)、剪切唇。根據(jù)材料的成分與熱處理工藝可知材料是韌性材料，所以應(yīng)該在瞬時斷裂區(qū)域出現(xiàn)剪切唇。從斷口確實可見剪切唇位置。42CrMo調(diào)質(zhì)螺栓斷口宏觀形貌照片3.1.2 宏觀形貌對失效原因提供的信息【例3-2】 60Si2Mn淬火＋中溫回火螺栓斷裂。根據(jù)設(shè)計規(guī)范螺栓受到交變載荷，斷口形貌見圖，試分析裂紋源在何處，并判斷斷裂模式。分析：交變載荷作用下斷裂應(yīng)該為疲勞斷裂，應(yīng)力垂直斷裂面。斷口上并沒有發(fā)現(xiàn)典型的疲勞弧線，并非典型的疲勞斷口，似乎難以判斷疲勞源位置。60Si2Mn螺栓斷口形貌3.1.3 疲勞斷口微觀形貌特征及對失效原因提供的信息對于斷口采用SEM方法進行觀察，可以獲得疲勞斷口微觀形貌典型特征，即在疲勞擴展區(qū)域可以看見疲勞條紋，見圖。疲勞條紋有以下一些典型的特征：典型疲勞條紋照片（1）疲勞條紋由相互基本平行的、有一定間距的條紋組成。疲勞條紋的方向與局部裂紋擴展方向垂直，并且沿局部裂紋擴展方向外凸。（2）由于材料內(nèi)部顯微組織的影響，裂紋擴展過程中可能由原來擴展所在的平面，轉(zhuǎn)移到另外平面上去，導(dǎo)致不同區(qū)域的疲勞條紋分布在不同高度、方向不同的平面上。3.1.3 疲勞斷口微觀形貌特征及對失效原因提供的信息疲勞斷口上輪胎壓痕（3）每一個條紋是一次應(yīng)力循環(huán)的結(jié)果，但并非每一次應(yīng)力循環(huán)均產(chǎn)生一個條紋。（4）條紋的間距在很大程度上依賴外載荷水平，一般是應(yīng)力高疲勞條紋的間距增加。（5）疲勞條紋可以分成塑性疲勞條紋與脆性疲勞條紋。塑性疲勞條紋間距較規(guī)則，條紋較光滑、較清晰，一般出現(xiàn)在韌性好、應(yīng)力水平高的材料中。脆性疲勞條紋參差不齊、不規(guī)則，不容易觀察到規(guī)則疲勞條紋，斷口上常顯示出類似解理河流花樣的圖樣。（6）在疲勞斷口（尤其是高應(yīng)力疲勞斷口）經(jīng)常觀察到輪胎壓痕，見圖。3.1.3 疲勞斷口微觀形貌特征及對失效原因提供的信息斷口微觀形貌同樣對疲勞斷裂原因提供重要的信息：確定斷裂機制斷口微觀形貌分析是確定疲勞斷裂機制的重要手段。斷口微觀形貌發(fā)現(xiàn)疲勞條紋是判斷發(fā)生疲勞斷裂最可靠的特征。再次說明：即使斷口微觀形貌觀察不到疲勞條紋，也不能證明斷裂不是由疲勞造成的。根據(jù)疲勞條紋、疲勞弧線與輪胎壓痕判斷應(yīng)力大小和應(yīng)力方向疲勞應(yīng)力方向一定垂直疲勞斷口。恒定應(yīng)力條件下疲勞條紋的間距基本是均勻的，如果應(yīng)力發(fā)生變化，條紋的間距也發(fā)生變化。條紋的方向一致表明應(yīng)力方向基本一致，條紋方向不一致，表明服役過程中交變應(yīng)力方向也隨時間變化。條紋間距寬，表明應(yīng)力大或材料強度低韌性好。同時根據(jù)條紋與樣品的位置關(guān)系確定應(yīng)力方向。如果疲勞斷口上沒有疲勞條紋，僅能觀察到輪胎壓痕，可以初步斷定高應(yīng)力疲勞斷裂。3.1.3 疲勞斷口微觀形貌特征及對失效原因提供的信息定性獲得應(yīng)力及材料韌脆性相關(guān)信息若疲勞條紋間距是規(guī)則的，表示所受到的應(yīng)力變化也是規(guī)則的；如果間距變化是非規(guī)則的，表示應(yīng)力變化也是非規(guī)則的。疲勞條紋間距小表示材料韌性較好或受力較小，如果間距較大表示材料較脆或受力較大。利用疲勞條紋進行定量分析在獲得各方面參數(shù)的條件下，可以利用疲勞條紋進行定量分析（見3.2節(jié)）。3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系疲勞斷口宏觀形貌的典型特征是疲勞弧線，微觀形貌的典型特征是疲勞條紋。很多情況下疲勞條紋的形貌特征由于應(yīng)力不同、材料韌性差別不同，有多種形貌，并且形貌特征與放大倍數(shù)也有一定影響。本節(jié)中將通過實例對宏觀與微觀形貌進行比較，說明雖然是疲勞斷機理，但有時并不能觀察到明顯形貌特征。會出現(xiàn)疲勞弧線明顯但難以觀察到疲勞條紋；或觀察不到疲勞弧線，但是可以清楚看見疲勞條紋的情況。同時將說明斷口形貌與材料微觀組織間的關(guān)系?！纠?-3】

空壓機螺栓宏觀斷口與微觀斷口對比分析。空壓機連接螺栓發(fā)生疲勞斷裂。螺栓采用40Cr材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后使用。螺栓受到交變載荷作用，因此一定屬于疲勞斷裂。宏觀斷口如圖（a）所示。從圖中明顯看到疲勞弧線，表明斷裂屬于疲勞斷裂機制。從宏觀斷口可以獲得如下對分析失效原因非常有幫助的重要信息：（1）裂紋源在螺栓根部區(qū)域。（2）擴展區(qū)域面積很大、瞬時斷裂區(qū)域面積很小，表明交變載荷應(yīng)力不高。3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系在SEM下如果采用250倍左右觀察，斷口形貌的二次電子圖像如圖（b）所示，其特征是：由呈灰黑色小塊狀區(qū)域和白色細小線條組成的圖案，似乎看不見明顯疲勞條紋。采用400倍左右觀察，斷口形貌如圖（c）所示。形貌特征與圖（b）類似，不同之處是由于放大倍數(shù)增加白線間距變大。采用800倍左右觀察，斷口形貌如圖（d）所示，可以看到灰黑色區(qū)域內(nèi)部有微小的凹凸不平，并可以看到第二相小顆粒存在。（a）宏觀斷口形貌（d）A區(qū)斷口形貌再放大（b）A區(qū)斷口形貌（SEM）（c）A區(qū)斷口形貌放大（SEM）疲勞斷裂螺栓的宏觀與微觀斷口形貌對比3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-4】

空壓機活塞宏觀斷口與微觀斷口對比。下圖是空壓機活塞疲勞斷裂宏觀與微觀形貌對比照片?；钊捎?8CrMoAl材料制造，調(diào)質(zhì)后使用。在服役條件下受到交變載荷斷裂無疑是疲勞斷裂，但是宏觀與微觀斷口形貌與圖3-9不同。斷口宏觀形貌的特征是：疲勞擴展區(qū)域非常平滑，其中疲勞弧線非常細密，有些區(qū)域用肉眼難以觀察出來。說明零件服役時受到的外力并不大。在斷口上可以觀察到剪切唇，確定出最后斷裂區(qū)域。（a）宏觀斷口照片 （b）A區(qū)域SEM照片（400×）

（c）A區(qū)域SEM照片（1000×）空壓機活塞疲勞斷裂宏觀斷口與SEM下A區(qū)形貌對比照片3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-5】

機車用柴油機水套宏觀與微觀斷口對比。柴油機水套采用45鋼制造，調(diào)質(zhì)后使用。在服役狀態(tài)下受到交變載荷作用，斷裂屬于疲勞斷裂，下圖是柴油機水套的疲勞斷口照片。對斷口進行宏觀觀察，可以看到明顯的疲勞弧線，表明是疲勞斷裂機制。宏觀形貌的特征是：觀察到多個裂紋源。出現(xiàn)多個疲勞源與腐蝕有密切關(guān)系。柴油機水套宏觀疲勞斷口與SEM斷口形貌對比3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-6】

柴油機連桿螺栓宏觀與微觀斷口對比。下圖所示為連桿螺栓斷裂的宏觀斷口。螺栓采用42CrMo材料制造，調(diào)質(zhì)后使用。宏觀斷口上可看到明顯疲勞弧線，出現(xiàn)多個臺階、疲勞擴展區(qū)域面積不大，說明服役過程中受到高應(yīng)力作用。但是在SEM下難以觀察到典型的疲勞條紋。柴油機連桿螺栓疲勞斷裂宏觀斷口與SEM斷口形貌照片3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-7】

10B21鋼軸向疲勞試驗斷口形貌分析。斷口宏觀形貌沒有觀察到明顯的疲勞弧線，根據(jù)細小的輻射線確定疲勞裂紋源的位置。根據(jù)剪切唇確定最后斷裂區(qū)域面積。不同區(qū)域的微觀形貌明顯不同。疲勞源處沒有觀察到明顯疲勞條紋。在擴展區(qū)域B可以觀察到疲勞條紋，見圖（e），但是疲勞條紋不占主導(dǎo)地位。在最后斷裂的區(qū)域，看到韌窩狀形貌，說明斷裂微孔聚合機制。（a）（b）（c） （d）10B21鋼軸向疲勞試驗斷口照片（e）（f）3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-8】

304不銹鋼軸向疲勞試樣斷口形貌分析。304不銹鋼是奧氏體組織的不銹鋼，單相組織的材料。此材料韌性很好（斷面收縮率達到80%）。斷口宏觀形貌難以觀察到大量典型疲勞弧線，僅是在很小區(qū)域看見模糊的疲勞弧線。但是從斷口微觀形貌可以觀察到明顯的疲勞條紋，見圖（b）。在擴展區(qū)域與瞬時斷裂區(qū)域交界處，可以觀察到疲勞條紋與韌窩混合形貌，見圖（c）。瞬時斷裂區(qū)域是韌窩形貌，表明斷裂屬于微孔聚合機制。304不銹鋼軸向疲勞試樣斷口形貌照片（a）（b）（c）（d）3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-9】

50CrVA鋼構(gòu)件疲勞斷裂斷口宏觀形貌與微觀形貌。下圖是50CrVA構(gòu)件斷裂的斷口宏觀形貌圖，圖中標(biāo)注的A、B、C、D區(qū)域的斷口微觀形貌如圖3-16所示。從圖中可見，在疲勞源區(qū)域并不能觀察到疲勞條紋，在裂紋擴展的B區(qū)域可以看到明顯的疲勞條紋。在距離瞬時斷裂區(qū)域很近的C區(qū)域，也可以觀察到疲勞條紋，并且觀察到垂直于疲勞斷口的微裂紋，說明在該區(qū)域受到三向應(yīng)力作用，在受到沿厚度方向力的作用下產(chǎn)生微裂紋。（a）構(gòu)件斷口宏觀形貌（b）3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系（a）A區(qū)微觀形貌（b）A區(qū)微觀形貌（c）B區(qū)微觀形貌（d）B區(qū)微觀形貌（e）C區(qū)微觀形貌（f）C區(qū)微觀形貌（g）D區(qū)微觀形貌（h）D區(qū)微觀形貌3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-10】

M12螺栓彎曲疲勞試驗斷口宏觀形貌與微觀形貌。下圖是螺栓彎曲疲勞斷裂斷口宏觀形貌照片。下圖標(biāo)注的裂紋源處斷口微觀形貌照片。由圖可見，裂紋源在螺栓表面螺口根部區(qū)域。由于受到彎曲載荷時，最大應(yīng)力在表面且螺紋根部有應(yīng)力集中，因此裂紋啟裂于螺紋的根部區(qū)域。在受力時螺紋根部存在應(yīng)力集中，因此最大應(yīng)力在螺紋根部，導(dǎo)致沿螺紋根部斷裂，破斷面呈螺旋狀。斷口宏觀形貌螺栓彎曲疲勞試驗裂紋源處斷口微觀形貌3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-11】

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣斷口宏觀形貌與斷口微觀形貌間的關(guān)系。旋轉(zhuǎn)疲勞斷裂試樣斷口宏觀形貌與微觀形貌（b）斷口A區(qū)微觀形貌（a）斷口宏觀形貌照片3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系裂紋源在表面形成，裂源附近有一個較平坦緩區(qū)域（A區(qū)域）隱約可見疲勞弧線。與之相連的區(qū)域，斷口宏觀形貌上可見明顯的放射線。并且旋轉(zhuǎn)疲勞試驗中斷裂的樣品破斷面呈螺旋狀。形成這種宏觀形貌的原因是：在進行旋轉(zhuǎn)疲勞試驗時采用圓柱形試樣，最大應(yīng)力在圓柱外表面，因此裂紋源出現(xiàn)在最表面部位。理論上分析由于樣品旋轉(zhuǎn)，最大應(yīng)力是沿圓周分布，導(dǎo)致裂紋從外表面向心部擴展，破斷面應(yīng)該是垂直軸線的。但是因為在加載時，采用壓頭作用在樣品上，由于壓頭有一定的寬度，所以最大應(yīng)力分布是沿圓柱軸線一定寬度的范圍內(nèi)，同時樣品發(fā)生一定彎曲，就不可能保證最大應(yīng)力沿圓周分布，破斷面呈螺旋狀形態(tài)。A區(qū)域是裂紋擴展區(qū)域，微觀形貌可見疲勞條紋，同時觀察到類似輪胎花樣的形貌，說明試驗時所受到的載荷較高。3.1.4 疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌間的關(guān)系【例3-12】

60Si2CrVA材料進行軸向拉-拉低周疲勞試驗，斷口的宏觀與微觀形貌關(guān)系見圖。由圖可見，斷口宏觀形貌并不能看見明顯疲勞弧線。疲勞源處在SEM下觀察疲勞條紋不明顯。在適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)下，在疲勞擴展區(qū)域可以看到明顯的疲勞條紋，條紋的間距較寬，說明應(yīng)力較高。在瞬時斷裂區(qū)域微觀形貌呈解理斷口。（a）斷口宏觀形貌（d）瞬時斷裂區(qū)處形貌（b）疲勞源A處形貌 （c）擴展區(qū)B處形貌60Si2CrVA鋼低周疲勞斷口宏觀形貌與微觀形貌照片疲勞斷口定量分析3.2.1 利用宏觀斷口進行定量分析1.

根據(jù)斷口估算疲勞應(yīng)力如3.1節(jié)中所述，疲勞斷口的宏觀形貌由疲勞擴展區(qū)域與瞬時斷裂區(qū)域組成。而瞬時斷裂區(qū)可以看成，拉伸過載時有效截面積不能繼續(xù)承受外力而形成的斷裂區(qū)域。因此，根據(jù)瞬時斷裂區(qū)的面積與材料的強度極限，可以按照式（3-1）大致推算零件疲勞斷裂時實際載荷的大小。P＝F×?b （3-1）式中，P為疲勞斷裂時外力值；F為瞬時斷裂區(qū)域面積；?b

為材料的斷裂強度?！纠?-13】

35CrMo材料制備的M12螺栓發(fā)生疲勞斷裂，宏觀斷口形貌見圖。測定材料強度b＝900

MPa，根據(jù)斷口相貌估算服役應(yīng)力。疲勞斷裂螺栓斷口宏觀形貌照片3.2.1 利用宏觀斷口進行定量分析分析：疲勞裂紋產(chǎn)生后，在交變應(yīng)力作用下裂紋擴展。隨著疲勞過程的進行，擴展區(qū)的面積越來越大，螺栓剩余面積越來越小，單位面積上受到的應(yīng)力就不斷增加。一旦達到材料斷裂強度就發(fā)生瞬時斷裂，所以產(chǎn)生瞬時斷裂區(qū)域，因此瞬時斷裂區(qū)域面積與材料抗拉強度的乘積，可以粗略被認(rèn)為是工作狀態(tài)下螺栓受到的外力，只要能測定出瞬時斷裂區(qū)域的面積與螺栓的抗拉強度，就可估算螺栓受到的應(yīng)力。瞬時斷裂區(qū)域面積采用下面方法計算：將圖3-21疲勞斷口宏觀照片打印，從圖3-21中可以明顯區(qū)分出瞬時斷裂區(qū)域，將照片中瞬時斷裂區(qū)域部分裁剪下來稱其重量，然后再稱出整個斷口照片的重量，其比值就是瞬時斷裂區(qū)域占整個面積的比例。根據(jù)螺栓的直徑就可以計算出瞬時斷裂區(qū)域的面積，計算結(jié)果如下：根據(jù)稱重方法測定出瞬時斷裂區(qū)域占總面積的14.5%；螺栓直徑為12

mm，總面積為113.04

mm2，瞬時斷裂區(qū)面積為16.5

mm2；根據(jù)式（3-1）可求出螺栓工作狀態(tài)下外力約為14838N。M12螺栓的內(nèi)徑為9.7

mm，面積為73.8

mm2，求出工作應(yīng)力約為201

MPa。3.2.1 利用宏觀斷口進行定量分析2.

估算疲勞裂紋平均擴展速率與總循環(huán)次數(shù)疲勞斷口上擴展區(qū)域與應(yīng)力循環(huán)相對應(yīng)?？梢匝刂诹鸭y的擴展方向測量疲勞裂紋的總長度，根據(jù)總的實際服役時間，利用式（3-2）推算出平均擴展速率。V＝l/? （3-2）式中，V為疲勞裂紋平均擴展速率；l為疲勞裂紋的總線長度；Τ

為零部件實際服役時間。設(shè)服役條件下總的循環(huán)次數(shù)為n，每循環(huán)一次擴展距離為?（個人總結(jié)方法），則有?＝l/n因為微觀形貌上疲勞條紋間距代表每次應(yīng)力循環(huán)裂紋擴展距離，可以利用SEM照片測定，同時可以從宏觀斷口上測定出l，因此推測出總循環(huán)次數(shù)n＝l/?。上述方法簡便可行、有一定實用價值，但是方法過于粗糙，較精確地定量分析是利用疲勞斷口微觀特征疲勞條紋間距推算裂紋疲勞壽命與疲勞載荷大小。3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析疲勞條紋是微觀斷口形貌的主要特征，它與應(yīng)力循環(huán)對應(yīng)，其間距對應(yīng)每一次應(yīng)力循環(huán)的疲勞裂紋的擴展速率。Paris在分析了大量疲勞裂紋擴展規(guī)律的基礎(chǔ)上獲得了如圖所示曲線。圖中直線段稱為第二擴展階段，可以推出式（3-3），稱為Paris公式：da/dN＝C（?K）n （3-3）式中，C、n是與材料有關(guān)的常數(shù)，稱為疲勞擴展材料常數(shù)，可由實驗測定。在式（3-3）中，da/dN的單位為mm/循環(huán)次數(shù)，

?

K的單位為MPa

m疲勞裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子關(guān)系曲線3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析1.

Paris公式定量估算疲勞擴展壽命由于一個疲勞條紋間距對應(yīng)一次循環(huán)加載裂紋微觀擴展速率，即條紋間距可粗略代表斷口上該處的疲勞裂紋擴展速率，并大致認(rèn)為與宏觀疲勞擴展速率一致。通過掃描電鏡等微觀手段，由疲勞斷口測出裂紋第二擴展階段的疲勞條紋間距，利用從斷口上測定的不同裂紋長度處的疲勞條紋間距值可定量分析疲勞擴展壽命。若令每一載荷循環(huán)下的疲勞裂紋擴展量為?，則?＝da/dN或dN＝da/?式中，a為裂紋長度；N為循環(huán)次數(shù)。（3-4）式中，a0為裂紋開始擴展時的尺寸；ac為發(fā)生瞬斷時的裂紋尺寸，又稱臨界裂紋尺寸。對于載荷譜加載，式（3-4）依然適用，只是此時N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，da為疲勞弧線間距。代入式（3-3）中可用疲勞裂紋擴展速率反推疲勞擴展壽命的表達式：?K＝??

×(?a)1/2×Y式中，Y為與裂紋有關(guān)的構(gòu)件幾何形狀因子；

?

s為最大應(yīng)力?

max和最小應(yīng)力?

min之差，a為裂紋長度。0pacada

/

N

3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析（3-5）對給定構(gòu)件及恒定交變載荷??

，則有?

K＝A×（a）1/2其中，A＝Y(jié)×（?）1/2×

??

＝常數(shù)。?＝da/dN＝C×An×a（n/2）＝C0×a（n/2）其中，C0＝C×An，則有（3-6）常數(shù)C0和n可由如下方法確定，即對式（3-5）取對數(shù)：lg（da/dN）＝lgC0＋（n/2）lga （3-7）則lg（da/dN）與lga為直線，截距為lgC0，斜率n/2。c0c00d 2 22

]aana0aaCa

21

n21

n1

nN

C

a

[a 2

a(2

n)C0 (2

n)C0

3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析裂紋長度a/m×1031.02.02.53.04.05.06.07.08.0擴展速率da/dN/mm×1030.530.620.710.910.971.041.161.381.48lga－3.0－0.903－1.19－1.43－1.81－2.09－2.33－2.53－2.70lg（da/dN）0.810.6210.420.120.039－0.051

7－0.193－0.417

9－0.51【例3-14】

某大型構(gòu)件發(fā)生疲勞斷裂，通過對宏觀斷口與微觀斷口分析，求出式（3-5）中的C0與n值。試驗步驟：在掃描電鏡下拍照不同裂紋長度a處對應(yīng)的疲勞條紋照片（照片見附錄C），根據(jù)照片測定疲勞條紋的間距得到（da/dN）i拍攝的照片并求出各自的對數(shù)值，測定結(jié)果見下表。測定裂紋長度與裂紋擴展速率3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析令lg（da/dN）＝Y(jié)，lg

a＝X，lgC0＝b，（n/2）＝a，則式（3-7）可變成直線方程Y＝b＋aX。利用高等數(shù)學(xué)知識最小二乘法公式求出a與b的值。首先列表計算各自系數(shù)，再代入最小二乘法公式，求出各自系數(shù)，見表。最小二乘法系數(shù)計算結(jié)果XiX

2iYiXiYi－3.09.00.817－2.43－0.9030.8150.621－0.56－1.191.4160.42－0.499－1.432.040.12－0.171－1.813.270.039－0.070－2.094.37－0.0510.106－2.335.43－0.1930.449－2.536.40－0.4171.055－2.707.29－0.511377∑－17.983∑40.03∑0.835∑－0.7443.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析根據(jù)斷口疲勞條紋測定結(jié)果，取對數(shù)之后的數(shù)值點有規(guī)律地分布在擬合曲線（直線）的兩側(cè)，說明裂紋長度和疲勞條紋間距值分別取對數(shù)之后有較好的線性相關(guān)性。如果取對數(shù)之后的數(shù)據(jù)擬合得到的是折線，

，則可以采用分段利用Paris公式進行計算的方法。通過對數(shù)據(jù)擬合的直線獲得兩個常數(shù)，代入相應(yīng)的公式求疲勞裂紋的擴展壽命。取對數(shù)的數(shù)據(jù)得到的是折線3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析2.

Paris公式定量估算疲勞應(yīng)力在工程應(yīng)用中，有多零部件承受恒應(yīng)力幅或近似恒應(yīng)力幅的載荷。因此可以根據(jù)斷口測定數(shù)據(jù)，利用Paris公式估算疲勞應(yīng)力。即使零部件承受的并非恒應(yīng)力負值，即使是復(fù)雜載荷作用，利用Paris公式進行斷口估算出當(dāng)量恒應(yīng)力幅應(yīng)力也是很有參考價值的。將Paris公式展開：da/dN

（c

K）n

c(Y

πa)n式中，Y是與裂紋有關(guān)的形狀因子，對于標(biāo)準(zhǔn)試樣和一些簡單的裂紋形狀，已有準(zhǔn)確的形狀因子表達式，Y也可用解析式計算求得或由實驗測得。式中c和n可由實驗測定。在c、n和Y已知的條件下，再由疲勞斷口的疲勞條紋寬度S測得裂紋擴展速率da/dN，就可以根據(jù)Paris公式反推出疲勞應(yīng)力變幅Ds：1

S

n

(Y

πa

)

1

C

（3-8）（3-9）3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析利用式（3-9）估算疲勞應(yīng)力時，關(guān)鍵要知道Y、C、n的值。前面已經(jīng)論述，很多情況下Y可以查出，通過測定不同裂紋長度處的疲勞條紋間距，可以求出C0與n值，并有以下公式：C0＝C×Yn×?n/2×Δ?

n （3-10）但果，如果不知道材料的C值，就難以通過式（3-9）求出疲勞應(yīng)力。材料常數(shù)C、n值一般是通過試驗獲得的，根據(jù)Paris公式：da/dN＝C(ΔK)n可知lg(da/dN)與lg(ΔK)存在直線關(guān)系，通過測定裂紋擴展速率試驗的方法，得到ΔK和da/dN，擬合指定數(shù)據(jù)段中的lg(da/dN)－lg（ΔK）數(shù)據(jù)，根據(jù)其斜率與截距獲得C、n值。C、n值與材料狀態(tài)、厚度及使用條件相關(guān)，在選用C、n值要注意故障件的各條件狀態(tài)與C、n值的試驗條件之間是否一致。3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析（3-12）根據(jù)疲勞斷裂過程可知，隨裂紋的不斷擴展，裂紋處的應(yīng)力是逐漸增大的。前面論述ac對應(yīng)臨界裂紋長度，疲勞裂紋的尺寸擴展到ac就要發(fā)生瞬時斷裂，所以ac代表疲勞擴展區(qū)域的大小，這是一個可以測量的值。裂紋達到ac時，裂紋擴展的應(yīng)力達到最大值?max，可以推導(dǎo)出ac與?max間的關(guān)系。根據(jù)斷裂力學(xué)理論有以下公式：KⅠ＝?

Y(?a)1/2 （3-11）式中，Y為裂紋形狀因子；a為裂紋長度；?為構(gòu)件承受的應(yīng)力；KⅠ為應(yīng)力強度因子。當(dāng)a＝ac時裂紋快速擴展，KⅠ達到臨界值

KⅠc，稱為材料的斷裂韌性。這時應(yīng)力達到最大值?max，所以有公式：KⅠc

＝?maxY(?ac)1/23.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析【例3-15】

用于飛機發(fā)動機中由鈦合金材料制備的葉片在使用過程中發(fā)生斷裂。斷口的宏觀形貌見圖，從圖中可見，它屬于疲勞斷裂且裂紋形貌屬于半橢圓裂紋。已知服役過程中既有離心力又有彎曲振動應(yīng)力。采用純彎曲應(yīng)力作用下模型估算不同長度處應(yīng)力強度因子范圍。應(yīng)力比R＝－1。宏觀斷口及微觀斷口照片3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析根據(jù)斷口分析，測定出某一位置處斷口形貌數(shù)據(jù)：橢圓裂紋半短軸a＝0.28

mm（沿裂紋擴展方向的裂紋長度）；橢圓裂紋半長軸b＝0.79mm；裂紋擴展速率S＝0.15?m，形狀因子Y＝1.1；材料常數(shù)測定結(jié)果（裂紋長度，m；擴展速率，mm）：C＝4.66×10－12，n＝4.66。估算服役條件下該位置處的應(yīng)力值（注：此例選用文獻[5]中案例）。分析：對于半橢圓表面裂紋，結(jié)合應(yīng)力強度因子與Paris公式，式（3-9）修正為(S/C)1/n＝[??

×(3.14×a)1/2×Y]/E(k) （3-14）式中，E(k)為第二類完全橢圓積分E(k)＝[1＋1.464(a/b)1.65]1/2。將測定的試驗數(shù)據(jù)代入式（3-14），代入時注意裂紋長度a，單位用m，裂紋擴展速率S的單位用mm，求出??約為1400MPa。因為R＝－1，?max＝

??

/2，求出?max約為700MPa。3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析【例3-16】

用于大型裝備中的螺栓發(fā)生斷裂，螺栓材料為350CrMo，宏觀與微觀斷口的宏觀形貌見圖，從圖中可見屬于疲勞斷裂，認(rèn)為裂紋源處裂紋形貌屬于圓片狀裂紋。已知服役前螺栓施加一個預(yù)緊力約400MPa，估算工作時最大應(yīng)力。（a）斷口宏觀形貌 （b）裂紋源處斷口微觀形貌斷裂螺栓裂紋源處斷口形貌3.2.2 利用微觀斷口形貌特征（疲勞條紋間距）進行定量分析分析：（1）根據(jù)圖3-25可以測定出S＝25?m＝25×10－3mm；a＝0.75mm。（2）認(rèn)為螺栓服役條件下受到拉-拉載荷，最小載荷就是預(yù)緊力400MPa。（3）根據(jù)原型表面裂紋特點采用式（3-15）估算最大應(yīng)力。應(yīng)力強度因子將式（3-9）修正為(S/C)1/n＝[??

×(3.14×a)1/2×Y]/Q （3-15）根據(jù)圓形表面裂紋特征，確定Y＝1.1，Q＝1.55。（4）材料參數(shù)C與n無法從實驗獲得，按照一般低合金鋼選取數(shù)據(jù)[6]：C＝2.0×10－12，n＝3讀者可以自己將數(shù)據(jù)代入式（3-15）中，求出最大工作應(yīng)力。疲勞圖在疲勞失效分析中的應(yīng)用3.3 疲勞圖在疲勞失效分析中的應(yīng)用實際工程中不對稱循環(huán)應(yīng)力是常見的，在此應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂也是常見的。目前已經(jīng)明確以下規(guī)律：在最大應(yīng)力相同條件下，應(yīng)力循環(huán)不對稱越大（即平均應(yīng)力越高），則金屬所能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越多。原因如下：材料的疲勞損傷（不均勻滑移）是交變應(yīng)力長期作用完成的。應(yīng)力循環(huán)不對稱度越大，表示交變幅度占應(yīng)力的比例越小，疲勞損傷也越小，因此疲勞壽命越長。為了表示平均應(yīng)力m和不對稱應(yīng)力循環(huán)下的疲勞極限r(nóng)間的關(guān)系，以及由對稱循環(huán)得到的疲勞極限－1求不對稱循環(huán)下疲勞極限r(nóng)，人們總結(jié)出它們之間的關(guān)系圖，即疲勞圖。疲勞圖就是利用對稱循環(huán)條件下測定的疲勞極限－1及材料的強度值，求不對稱應(yīng)力循環(huán)條件下疲勞極限r(nóng)的簡便方法，可以節(jié)省大量試驗工作。常用的疲勞圖為Goodman圖。3.3 疲勞圖在疲勞失效分析中的應(yīng)用Goodman疲勞極限線圖繪制起來也很方便，其技術(shù)關(guān)鍵是測定材料的強度極限u、屈服極限yp和對稱循環(huán)下的疲勞極限N。測得u、yp和N后，通過簡單的幾何作圖，即可得到修正的Goodman疲勞極限線圖。具體繪制方法如下（見圖）：（1）建立一個直角坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)力sm，縱坐標(biāo)表示疲勞極限的上、下極限應(yīng)力smax、smin；（2）作一條過原點平分上述坐標(biāo)系Ⅰ、Ⅲ象限的斜線GC，則GC與橫、縱坐標(biāo)均成45°角；（3）假設(shè)壓縮屈服極限在數(shù)值上與拉伸屈服極限相等，在縱坐標(biāo)上標(biāo)出強度極限點（su），正、負屈服極限點（syp，－syp）和正、負疲勞極限點（sN，－sN）；（4）過點（0，su）作橫坐標(biāo)平行線與斜線GC相交，將該交點分別與正、負疲勞極限點，即A點和E點相連，得斜線AB和ED；Goodman曲線的繪制方法3.3 疲勞圖在疲勞失效分析中的應(yīng)用（5）過點（0，yp）作橫坐標(biāo)平行線，交斜線AB于B，交斜線GC于C；（

6

）

過B

點作縱坐標(biāo)平行線，

交斜線E

D

于D

，

連接C

D

；

半封閉折線A

B

C

D

E

即為修正Goodman圖平均應(yīng)力為正的部分；（7）假設(shè)壓縮屈服前，負平均應(yīng)力不影響疲勞極限的應(yīng)力幅，分別過正、負疲勞極限點，即A、E點作與斜線GC平行的斜線AH和EF；（8）過點（0，－yp）作橫坐標(biāo)平行線，交斜線EF于F點，交斜線GC于G點；（9）過F點作縱坐標(biāo)平行線，交斜線AH于H；（10）連接G，H點，則封閉折線ABCDEFGHA即為Smith圖形式修正的Goodman疲勞極限線圖，如圖所示。3.3 疲勞圖在疲勞失效分析中的應(yīng)用【例3-17】 根據(jù)材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)制作疲勞圖，推測構(gòu)件是否安全。50CrVA材料制作構(gòu)件，根據(jù)材料的性能數(shù)據(jù)，繪制出疲勞圖，見圖。將構(gòu)件的拉壓工況作為兩個極限工況，計算疲勞應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值，然后在Goodman曲線中與材料的許用疲勞強度相比，即得出構(gòu)件是否安全。ma22

max

min

max min

對構(gòu)件采用有限元方法求出在服役狀態(tài)下構(gòu)件上各點應(yīng)力值。各點的應(yīng)力值分布范圍，見圖曲線中部的陰影區(qū)域。從圖中可見，所有節(jié)點的應(yīng)力都處在Goodman曲線內(nèi)，說明構(gòu)件能夠滿足疲勞強度的要求。某構(gòu)件的疲勞圖（所有應(yīng)力值均落在曲線內(nèi)，構(gòu)件安全）3.3 疲勞圖在疲勞失效分析中的應(yīng)用（1）交變疲勞載荷屬于拉-拉交變載荷，最小載荷是螺栓的預(yù)緊力，為400

MPa。（2）初始裂紋為片狀圓形裂紋。（3）材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)：抗拉強度b約為900

MPa，屈服強度s約為700

MPa，疲勞強度－1約為280

MPa。（4）疲勞壽命約為420循環(huán)次數(shù)。（5）從宏觀斷口可以測出：擴展區(qū)長度為10～11

mm，ac設(shè)為5.5

mm，初始裂紋約為1.5

mm，a0設(shè)為0.75

mm。（6）利用3.2節(jié)中提供的方法求出材料參數(shù)C約為1.26×10－8，n約為3.2。（7）斷口形貌【例3-18】 35CrMo材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理制備的M12高強螺栓安裝在大型設(shè)備中，服役過程中發(fā)生疲勞斷裂。根據(jù)分析獲得以下結(jié)論：疲勞斷裂螺栓裂紋源及擴展區(qū)域照片3.3 疲勞圖在疲勞失效分析中的應(yīng)用利用式（3-9）進行疲勞應(yīng)力的定量估算：利用疲勞圖分析估算出疲勞應(yīng)力值的可靠性。分析：一些試驗數(shù)據(jù)表明[7]，對于一些結(jié)構(gòu)鋼，可以采用θ＝55°方法繪制簡化的Goodman圖，從而得到不對稱循環(huán)下的疲勞極限。橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)力?

m

[

（

最大循環(huán)應(yīng)力＋

最小循環(huán)應(yīng)力）

/

2

]

。簡化的Goodman圖具體做法如下：（1）縱坐標(biāo)上標(biāo)明?－1與－?－1，即OB＝OC＝?－1；（2）過B點取?＝55°作一條斜線；（3）在縱坐標(biāo)上D點，數(shù)值為屈服極限，過D點作一條水平線與?＝55°斜線交于P點；（4）過原點作一條45°斜線與過D點水平線交于A點；（5）取PQ＝PR得到R點；（6）連接AR與RC就得到簡化的Goodman圖。根據(jù)構(gòu)件的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)繪出疲勞圖，見圖。1πa

)

1

S

n

(Y

c

螺栓材料簡化的Goodman圖利用材料表面技術(shù)提高疲勞強度3.4 利用材料表面技術(shù)提高疲勞強度眾所周知，采用表面技術(shù)可以大幅度提高材料的疲勞強度，其原因是表面強化層可以直接提高表面強度，抑制疲勞裂紋在表面產(chǎn)生。同時很多表面技術(shù)可以使表面獲得殘余壓應(yīng)力，降低服役過程中表面拉應(yīng)力作用。工程上常用的表面處理技術(shù)對疲勞性能有影響，可以用表面強化系數(shù)3表示。該值可以通過試驗測定，一些表面處理技術(shù)對疲勞性能提高的影響見下表，該表選用文獻[8]中的數(shù)據(jù)及一些試驗數(shù)據(jù)。表面強化系數(shù)β3強化方法心部強度

b

/MPab3光滑試件有應(yīng)力集中的試件Ks≤1.5時Ks≥1.8～2時高頻淬火600～8001.5～1.71.6～1.72.4～2.8800～1

0001.3～1.551.4～1.52.1～2.4氮化900～1

2001.1～1.251.5～1.71.7～2.1400～6001.8～2.03.03.5滲碳700～8001.4～1.52.32.71000～1

2001.2～1.32.02.3噴丸600～1

5001.1～1.251.5～1.61.7～2.1滾壓600～1

5001.1～1.31.3～1.51.6～2.03.4 利用材料表面技術(shù)提高疲勞強度下表中的數(shù)據(jù)是實際測定結(jié)果。根據(jù)測定的數(shù)據(jù)可知：鹽浴軟氮化的3值為1.2～1.35，多元共滲處理的3值為1.52～1.74。下圖是不同材料經(jīng)過多元共滲處理后滲層的金相組織照片。45鋼材料不同處理工藝試樣旋轉(zhuǎn)疲勞性能對比實驗結(jié)果（實驗設(shè)備：純彎曲疲勞試驗機）材料及處理狀態(tài)旋轉(zhuǎn)疲勞極限45鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)310～34045鋼鹽浴軟氮化410～42045鋼多元共滲520～542（a）45鋼經(jīng)過多元共滲后表面組織照片（化合物層60mm，總滲層0.7

mm）（c）Q235鋼經(jīng)過多元共滲后表面組織照片（化合物層70m，總滲層0.8

mm）（b）38CrMoAl鋼經(jīng)過多元共滲后表面組織照片（化合物層30mm，總滲層0.5

mm）3.4 利用材料表面技術(shù)提高疲勞強度下圖是對35CrMo材料與50鋼材料的光滑試樣，采用多元共滲工藝處理后實際測定旋轉(zhuǎn)疲勞性能數(shù)據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗公式可以推算出其他載荷下疲勞性能數(shù)據(jù)。表是不同表面處理工藝處理后樣品抗腐蝕性能對比數(shù)據(jù)。（a）35CrMo材料調(diào)質(zhì)處理與調(diào)質(zhì)＋氣體多元后旋轉(zhuǎn)疲勞極限測定結(jié)果（b）50鋼材料調(diào)質(zhì)處理與調(diào)質(zhì)＋氣體多元后旋轉(zhuǎn)疲勞極限測定結(jié)果35CrMo與50鋼材料旋轉(zhuǎn)疲勞測定結(jié)果3.4 利用材料表面技術(shù)提高疲勞強度不同表面處理工藝處理后樣品抗腐蝕性能對比結(jié)果（采用鹽霧試驗方法對比，選用標(biāo)準(zhǔn)：GB/T

10125）處理工藝開始出銹時間/h（9級）大量出銹時間/h（5級以下）出銹的形式備注Q235原材料13大面積試片電鍍鋅1220大面積試片電鍍彩鋅3648大面積試片鋅鎳鍍2248大面積試片鋅鎳鍍＋鈍化5572大面積試片熱鍍鋅15（白銹）25（白銹）大面積外購熱鍍鋅件熱鍍鋅420（紅銹）670（紅銹）大面積外購熱鍍鋅件電力熱鍍鋅件24孔邊緣白銹120大量白銹外購電力鍍件電鍍鉻1527局部試片電鍍鉻鎳（1）1018局部試片電鍍鉻鎳（2）72120局部試片發(fā)藍510大面積試片不銹鋼螺Cr132044局部外購螺栓不銹鋼螺栓1Cr18Ni9Ti70200（6級）局部外購螺栓黃銅824（4級以下）全面腐蝕外購零件多元共滲Q235鋼1

2002

800點蝕試片疲勞斷裂實際案例3.5.1 案例1——柴油機中盤簧斷裂原因分析概 述某廠為汽車柴油機提供B48盤簧配件。據(jù)廠方技術(shù)人員介紹，生產(chǎn)工藝如下：60Si2Mn材料扁鋼→退火（硬度HRC22～23）→校直→下料→冷繞彈簧→淬火處理（鹽爐加熱溫度880C

°

，15

min）油冷→回火（網(wǎng)帶爐490C

°

，1

h）→電泳漆處理盤簧成型后進行檢測：硬度要求HRC40～45，扭矩要求37～41N·m。用戶反映盤簧出廠后使用過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。據(jù)技術(shù)人員介紹，斷裂的比例約2%，一般是在使用1～2年后出現(xiàn)斷裂。廠方提供1件斷裂的彈簧分析斷裂原因。試驗方法（1）宏觀斷裂現(xiàn)象與斷口宏觀形貌分析。（2）從斷口附近用線切割方法截取樣品，采用金相顯微鏡觀察金相組織。（3）用掃描電鏡觀察斷口并進一步觀察微觀組織。3.5.1 案例1——柴油機中盤簧斷裂原因分析3.試驗結(jié)果與分析宏觀斷口觀察結(jié)果見圖。彈簧斷裂位置與斷口處彈簧外表面照片 斷口宏觀形貌照片從圖中可以看到以下幾點：（1）斷口均是典型的疲勞斷裂斷口，疲勞源均在盤型彈簧片的外側(cè)。盤簧服役條件下受到交變載荷，根據(jù)受力狀態(tài)與宏觀斷口分析，可以肯定斷裂機制屬于疲勞斷裂。（2）特別值得注意的是：樣品疲勞源處油漆已經(jīng)脫落，表面露出金屬色有經(jīng)過摩擦的痕跡，見圖。3.5.1 案例1——柴油機中盤簧斷裂原因分析（3）根據(jù)疲勞斷口的形貌，測定了不同斷裂區(qū)域的面積，估算服役狀態(tài)下所受到應(yīng)力值結(jié)果如下：斷口總面積約為54

mm2，其中輝紋區(qū)面積約為35

mm2，瞬時斷裂區(qū)面積約為19

mm2。因為瞬時斷裂區(qū)是在外加載荷作用下拉斷的，所以該面積與材料抗拉強度的乘積應(yīng)為外力，根據(jù)這樣思路可以估算出彈簧在工作條件下受力的定量數(shù)據(jù)。廠方提供60Si2Mn材料在上述的處理條件下抗拉強度值在1300～1600

MPa。因此估算出：盤簧在工作條件下受到的應(yīng)力為670～690MPa。掃描電鏡斷口觀察結(jié)果見圖。盤簧斷口形貌SEM照片3.5.1 案例1——柴油機中盤簧斷裂原因分析從圖中可以看到：斷口處的典型狀況是疲勞源處沒有夾雜物存在，說明斷裂并非原材料內(nèi)部夾雜物引起，裂紋源處可見到許多微裂紋存在。金相組織觀察結(jié)果見圖。盤簧金相組織照片3.5.1 案例1——柴油機中盤簧斷裂原因分析從圖中可以看到：兩個樣品的基本組織均是回火屈氏體＋回火索氏體組織，屬于正常組織。但是在彈簧片的外側(cè)表面（疲勞源處）出現(xiàn)明顯的白帶，在白帶的內(nèi)部有明顯的微裂紋狀組織，測定該白帶處的顯微硬度值為：HV0.025＝500～520，表示采用25g測定的顯微硬度值是500～520。而在內(nèi)表面則沒有這種組織?；w的顯微硬度為HV0.025＝400～410。對盤簧的異常金相組織在掃描電鏡下進行觀察，結(jié)果見圖。異常組織SEM下不同倍數(shù)形貌觀察照片3.5.1 案例1——柴油機中盤簧斷裂原因分析斷裂原因分析盤簧發(fā)生疲勞斷裂是因為在使用過程中，彈簧片斷裂處的外表面發(fā)生了劇烈的摩擦，產(chǎn)生了很高的溫度（甚至發(fā)生熔化），使原來組織發(fā)生了變化，同時產(chǎn)生了微裂紋。這樣在這些裂紋處產(chǎn)生疲勞裂紋，在外力作用下，裂紋擴展發(fā)生斷裂。依據(jù)如下：在2#樣品彈簧片的外側(cè)表面（疲勞源處）出現(xiàn)不正常的組織白帶，該白帶處的顯微硬度值為：HV0.05＝500～520，顯然不是原始組織，應(yīng)該是在使用過程中產(chǎn)生的非正常組織。2#樣品彈簧片的外側(cè)表面有明顯經(jīng)過摩擦的痕跡。在沒有使用過的彈簧中并沒有發(fā)現(xiàn)這種組織，在斷口附近彈簧片相對的內(nèi)表面有明顯經(jīng)過摩擦后留下的痕跡，發(fā)生摩擦的原因與彈簧的幾何尺寸、彈簧工作狀況及受到的外力均有關(guān)系。結(jié)論與建議盤簧發(fā)生斷裂的原因是制造時形狀控制不良，使彈簧片間發(fā)生摩擦導(dǎo)致表層組織發(fā)生變化。建議嚴(yán)格控制加工過程，保證盤簧正確的外形尺寸，同時控制回火溫度，將彈簧的硬度值控制在上限。3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策概 述207系列柴油機氣缸水套采用45鋼正火制作而成。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查：某廠生產(chǎn)的水套開裂報廢情況頻頻發(fā)生，有些水套壽命僅有6000多千米，給使用單位帶來很大的經(jīng)濟損失（某機務(wù)段僅此一項每年損失近30萬元），現(xiàn)場強烈呼吁提高水套壽命。為此需對水套開裂原因進行分析。試驗方法與過程對宏觀斷裂情況進行仔細觀察。在水套裂紋附近及遠離裂紋的其他部位取樣，分別對其進行化學(xué)成分分析、硫印、酸浸、硬度試驗，并用金相顯微鏡對其微觀組織、裂紋走向等進行了分析，用AMSCAN（4-DV）掃描電鏡進行了斷口分析。3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策成分/%CMnSiSP基體0.530.580.260.0210.015裂紋附近0.540.640.260.0210.0203.試驗結(jié)果與分析（1）宏觀斷裂情況觀察結(jié)果。對多個開裂的水套進行觀察，得到裂紋有以下特征：①

裂紋一般產(chǎn)生于示功閥孔、噴油嘴孔上方或下方，并沿水套軸線擴展，見圖3-37。②

裂紋大多數(shù)起源于水套內(nèi)表面，并且有多個裂紋源。③

在裂紋附近一般均伴有腐蝕銹坑存在。（2）成分分析、裂紋走向及宏觀斷口分析結(jié)果。對斷裂水套化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表。斷裂水套化學(xué)成分分析結(jié)果3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策水套的金相組織見圖，可見組織為珠光體與鐵素體的混合組織。對裂紋走向的分析結(jié)果見圖。從圖中可見，裂紋基本上呈直線形，但當(dāng)用較高倍數(shù)觀察時可見，大多數(shù)裂紋顯微形態(tài)呈“之”字形，并有分枝特征，且裂紋尾部較尖。觀察裂紋金相可見，裂紋多為穿晶擴展，并且裂紋內(nèi)往往有其他物質(zhì)存在。水套的金相組織與形狀示意圖裂紋走向照片3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策宏觀斷口特征見圖。宏觀斷口具有以下特征：斷口較平坦、無宏觀塑性變形，裂紋擴展區(qū)前端可見明顯的疲勞弧帶。斷口上裂紋源往往是多個，而且多起源于水套內(nèi)表面，裂紋源處可看到清晰疲勞弧帶，有一層黑色腐蝕物，見圖。水套宏觀斷口照片3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策（3）微觀斷口特征。掃描電鏡下可觀察到微觀斷口有下列特征：在較低倍數(shù)下裂紋前端可見到疲勞弧線，并且可見到許多腐蝕坑。如果放大倍數(shù)增大，可見到擴展區(qū)前沿由一些平坦區(qū)和一些棱組成的所謂凹槽區(qū)，見圖，當(dāng)倍數(shù)進一步放大，在微區(qū)可見大塊扇形花樣。由于觀察角度不同，扇形花樣形貌也可發(fā)生變化，這些扇形花樣是由于不同平面上裂紋連接在一起的結(jié)果。用高倍數(shù)觀察，擴展區(qū)可看到典型疲勞紋；在裂紋源處用較低倍數(shù)可觀察到所謂“海灘”花樣的環(huán)繞紋源。在靠近裂紋源附近可見到大量的腐蝕坑，某些地區(qū)腐蝕坑已連成線形成所謂的“泥狀”花樣，見圖。水套斷口的SEM照片3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策（4）水套受力計算。水套和氣缸套配合情況如圖所示。在圖中，a區(qū)是水套與缸套散熱筋接觸處，壓力最大，而b區(qū)較小。分別計算了a區(qū)和b區(qū)處的應(yīng)力值，并計算了其平均值，水套主要受三種力：（1）燃爆應(yīng)力；（2）裝配應(yīng)力；（3）熱應(yīng)力。利用彈性力學(xué)、材料力學(xué)及傳熱學(xué)理論，分別對以上三種力進行計算，然后疊加，計算結(jié)果見表。水套受力計算模型3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策水套各種應(yīng)力計算一覽應(yīng)力分量/（kg/m）散熱筋處（a區(qū)）非散熱筋處（b區(qū)）內(nèi)壁外壁內(nèi)壁外壁燃爆力及裝配應(yīng)力所產(chǎn)生應(yīng)力分量Pdg－0.510－0.2980PdQ3.963.512.311.96平均應(yīng)力PdQ2.85由溫差造成的熱應(yīng)力Tdg0000TdQ－0.870.8－0.870.8各種應(yīng)力分量疊加dg－0.510－0.2980dQ3.14.31.512.8平均應(yīng)力疊加3.65因孔處應(yīng)力dQ要乘一個應(yīng)力集中系數(shù)圓孔處9.613.34.78.6圓孔處平均dQ＝11.33.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策4.

斷裂原因分析活塞在缸套內(nèi)上下運動完成一個循環(huán)，當(dāng)活塞向上運動到一定位置，使油燃燒產(chǎn)生燃爆壓力，氣缸內(nèi)壓力達到最大值。由于水套通過熱壓配合裝配在缸套上，所以通過缸套把力傳給水套。當(dāng)活塞向下運動壓力值又減少，如此多次循環(huán)，所以水套因活塞的周期運動而受交變應(yīng)力作用，同時水套內(nèi)壁和冷卻水接觸。因此水套服役條件是：處在腐蝕性介質(zhì)中并受到一個交變的載荷作用。裂紋部位（即示功閥孔、噴油嘴孔處）成分、金相組織無特殊之處，也沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重冶金缺陷。這表明：裂紋并不是由于成分偏析、冶金缺陷或組織不均勻等原因造成的。從裂紋形態(tài)可見：裂紋具有“之”字形、分枝、尾部尖銳特征，并且內(nèi)部有其他腐蝕物。宏觀斷口表明：有多個裂紋源，擴展區(qū)可看到明顯疲勞弧帶。微觀斷口可見：裂紋源被海灘花樣包圍，擴展區(qū)有大量扇形花樣和疲勞紋，并且裂紋源附近有眾多腐蝕坑，這是腐蝕疲勞的典型特征。3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策5.

結(jié)論與建議根據(jù)以上分析可斷定：水套失效屬于典型的腐蝕疲勞失效。根據(jù)失效分析可知：由于45鋼疲勞強度較低，又不抗腐蝕，所以不適合作為水套材料，要解決此問題根本的方法是更換材料或者采用表面處理方法提高抗疲勞與防腐蝕性能。在不改變材料的情況下提高壽命的總原則是：（1）通過各種方法防腐蝕；（2）通過各種途徑產(chǎn)生表面壓應(yīng)力來抵消拉應(yīng)力，根據(jù)斷裂力學(xué)可導(dǎo)出下式：C01N

C(F π

)4

(

)4

a式中，NC

為交變載荷下循環(huán)次數(shù)（代表壽命）；C、F為常數(shù)；a0

初始裂紋長度；

為最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差。3.5.2 案例2——柴油機氣缸水套失效分析及對策可見壽命與

(

)成反比，這表明應(yīng)力對壽命的影響如此重大，所以如果能設(shè)法用壓應(yīng)力抵消一部分拉應(yīng)力必會使壽命提高。應(yīng)該指出的是：對于腐蝕疲勞，必須要產(chǎn)生一個較深的壓應(yīng)力層，才能起到較好效果，所以對有些方法（如噴丸等）雖可提高疲勞失效零件壽命，但對腐蝕疲勞并無太大作用。具體措施有以下幾種：（1）鍍金屬：用電鍍或電刷等方法在水套示功閥孔、噴油嘴孔附近鍍一層金屬，如Ni、Cr、Cu、Zn等。有資料介紹采用鍍鋅不但能防腐而且能產(chǎn)生一定壓應(yīng)力，對腐蝕有較好效果。（2）采用多元共滲等方法可同時提高防腐蝕與疲勞性能。（3）在共析轉(zhuǎn)變溫度以下加熱淬水：水套加熱到650～700C后淬入水中，這樣由于熱應(yīng)力結(jié)果，在表層可獲得約10

mm深度，25

kg/mm2左右的壓應(yīng)力層，然后經(jīng)過100～200C時效處理，其壓應(yīng)力值還會上升。此方法如再配合鍍金屬，其防腐效果更好。（4）局部感應(yīng)熱淬火、滾壓強化：在水套示功閥孔、噴油嘴孔周轉(zhuǎn)進行局部感應(yīng)加熱淬火，使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，也可用滾壓方法對該處進行滾壓得到一定深度壓應(yīng)力層來提高壽命。3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 某鑄造公司為汽車制造公司生產(chǎn)E4G16凸輪軸。凸輪軸所用材料是球墨鑄鐵，生產(chǎn)工藝如下：鑄造成型→粗加工→凸輪進行感應(yīng)淬火→低溫回火→磨削加工→成品凸輪軸材料要求達到的技術(shù)指標(biāo)如下：凸輪基圓：硬度≥45

HRC；深度2～5

mm；緩沖段：硬度≥50

HRC；深度2.5～5

mm；桃尖：硬度≥50

HRC；深度2～5

mm；凸輪表面淬火區(qū)域金相組織符合JB/T

9205規(guī)定3～6級要求；非淬火區(qū)域組織金相符合

GB/T

9441規(guī)定球化級別1～3級，球化石墨大小5～8級。1.概

述臺架試驗時工況在汽車制造公司對凸輪軸進行600

h臺架試驗后，發(fā)現(xiàn)凸輪軸表面出

（凸輪2750

r/min；飛濺潤滑飛濺潤滑條件）現(xiàn)細小裂紋，同時觀察到在進行臺階試驗時，凸輪面與滾子接觸的交界面處有剝落現(xiàn)象。臺架試驗時工況3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 鑄造公司對裂紋情況進行大量前期分析工作，獲得主要結(jié)論如下：（1）認(rèn)為E4G16凸輪軸的材料成分、熱處理的硬度及硬化層深度均符合技術(shù)要求；摩擦副與凸輪之間的接觸應(yīng)力超過了凸輪的接觸疲勞強度，從而導(dǎo)致凸輪表面產(chǎn)生了接觸疲勞裂紋、溝槽和蝕坑。升程段亞表面硬度降低，認(rèn)為是臺架試驗時過熱造成。說明臺架試驗時表面會處于一定溫度。（2）認(rèn)為EG16球鐵凸輪軸表面組織燒傷原因是磨削問題及熱處理組織過熱，并不是球鐵的原始組織問題。（3）E4G15B在超速試驗時升程段剝落嚴(yán)重，而E4G16線型要好得多，說明凸輪形狀有重要影響[3]。（4）對比鑄造公司材料與西源材料的基體組織，結(jié)論是：西源組織鐵素體含量為6%，鑄造公司材料的鐵素體含量為11%；其余類似。3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 為進一步探明裂紋出現(xiàn)原因，要求從材料組織、斷裂機理、受力精確計算等方面進行更加深入分析，分析方案如下：（1）對有裂紋的凸輪軸詳細進行宏觀分析；（2）從有裂紋的凸輪軸上截取樣品，測定裂紋深度并判斷裂紋源；（3）采用金相與掃描電鏡方法，詳細分析有裂紋凸輪軸表面組織與硬化層組織的差別，測定顯微硬度；（4）從有裂紋凸輪軸上取樣品，采用掃描電鏡詳細觀察剝落區(qū)域的形貌；（5）采用金相與掃描電鏡方法分析外廠凸輪軸（認(rèn)為質(zhì)量好，無顏色變化，無剝落痕跡）的材料表面組織與硬化層差別，測定顯微硬度；（6）仿照臺架試驗的應(yīng)力與轉(zhuǎn)數(shù)，測定有裂紋凸輪軸材料摩擦系數(shù)并測定外廠質(zhì)量較好凸輪軸材料的摩擦系數(shù)，進行對比分析；（7）有限元方法計算臺架試驗時裂紋面應(yīng)力情況，尤其計算產(chǎn)生裂紋方向的應(yīng)力；（8）根據(jù)試驗結(jié)果提出出現(xiàn)裂紋的原因。3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 2.

試驗結(jié)果與分析1）凸輪裂紋與剝落現(xiàn)象宏觀分析400

h臺架試驗后凸輪軸整體狀況見圖，并對每個凸輪進行編號。1號凸輪表面宏觀現(xiàn)象見圖。1號凸輪表面宏觀現(xiàn)象分析如下：在摩擦位置明顯出現(xiàn)顏色變化，且在滾子與凸輪交界處有明顯剝落；左側(cè)交界面與右側(cè)交界面剝落情況稍有不同，右側(cè)交界面剝落嚴(yán)重些?！疤易印钡撞縿兟漭p；底部左側(cè)交界面處基本無剝落，右側(cè)交界面處有輕微剝落。在凸輪一側(cè)的負曲率處（凹處）沒有觀察到明顯裂紋。裂紋凸輪軸整體形貌照片及位置編號說明（a）1號凸輪升程段剝落現(xiàn)象 （b）1號凸輪底部剝落較輕1號凸輪表面宏觀現(xiàn)象照片3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 2號凸輪表面宏觀現(xiàn)象 。2號凸輪表面宏觀現(xiàn)象分析如下：摩擦位置出現(xiàn)明顯顏色變化，滾子與凸輪交界處有剝落；同樣是左側(cè)與右側(cè)交界面剝落情況稍有不同；“桃子”底部剝落輕；在“桃子”底部左側(cè)交界面基本無剝落，右側(cè)有輕微剝落，與1號凸輪基本一致。在凸輪靠近右側(cè)交界面處有一條明顯的白色帶，其余凸輪上沒有觀察到此現(xiàn)象。說明此件凸輪軸臺架試驗過程中與其他凸輪軸有不同之處，懷疑是否由于其他異物進入摩擦面后形成的磨痕。在凸輪一側(cè)負曲率處（凹處）明顯可見一段裂紋。在裂紋線上靠近左側(cè)一處，可見明顯的剝落痕跡。（a）2號凸輪升程段裂紋

（b）2號凸輪底部剝落情況2號凸輪表面宏觀現(xiàn)象照片3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 3號凸輪表面宏觀現(xiàn)象見圖。3號凸輪表面宏觀現(xiàn)象分析如下：摩擦位置出現(xiàn)明顯顏色變化，滾子與凸輪交界處有剝落；左側(cè)與右側(cè)交界面剝落情況基本相同。在“桃子”底部是左側(cè)基本無剝落，而右側(cè)有輕微剝落，與1、2號凸輪有所差別。在凸輪一側(cè)升程段（凹處）有2條明顯裂紋，裂紋是從兩側(cè)向中部擴展，中部一段區(qū)域還沒有裂開。右側(cè)裂紋是從交界剝落處向中擴展。（a）3號凸輪升程段兩條斷續(xù)裂紋 （b）3號凸輪底部剝落情況3號凸輪表面宏觀現(xiàn)象照片3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 4號凸輪表面宏觀現(xiàn)象見圖。4號凸輪表面宏觀現(xiàn)象分析如下：4號凸輪情況與3號凸輪情況類似，也是摩擦位置顏色變化，交界處有剝落；右側(cè)剝落比左側(cè)剝落嚴(yán)重些。在“桃子”底部基本無剝落。在凸輪一側(cè)升程段（凹處）也有一段明顯貫穿裂紋。仔細觀察在負曲率中部位置，裂紋有交錯現(xiàn)象。說明裂紋是從兩側(cè)交界面剝落處形成后再向中部擴展而成。說明應(yīng)力最高位置應(yīng)該是在交界面處，在此處首先形成裂紋，再向中部擴展，最后形成貫穿裂紋。（a）4號凸輪升程段裂紋 （b）4號凸輪底部情況4號凸輪表面宏觀現(xiàn)象照片3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 5號凸輪表面宏觀現(xiàn)象見圖。5號凸輪表面宏觀現(xiàn)象分析如下：5號情況與其他凸輪均有類似之處，也是摩擦位置顏色變化，交界處有剝落，在“桃子”底部基本無剝落。在凸輪一側(cè)升程段（凹處）可見2條明顯裂紋。這2條裂紋存在明顯交錯現(xiàn)象。左側(cè)有一條較短的裂紋，另一條裂紋基本在凸輪中部。（a）5號凸輪升程段裂紋 （b）5號凸輪底部情況5號凸輪表面宏觀現(xiàn)象照片3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 6號凸輪表面宏觀現(xiàn)象見圖。6號凸輪表面宏觀現(xiàn)象分析如下：6號凸輪也存在摩擦位置顏色變化，交界處有明顯剝落，在“桃子”底部基本無剝落。在凸輪一側(cè)升程段（凹處）可見1條明顯裂紋。左側(cè)交界面處裂紋較寬，說明該裂紋明顯起源于左側(cè)交界面處向右側(cè)擴展。（a）6號凸輪升程段裂紋 （b）6號凸輪底部情況6號凸輪表面宏觀現(xiàn)象照片3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 7號凸輪表面宏觀現(xiàn)象見圖。7號凸輪表面宏觀現(xiàn)象分析如下：7號凸輪也存在摩擦位置顏色變化，交界處有明顯剝落，與其他凸輪不同之處在于，除交界面存在剝落外，在凸輪中部區(qū)域也存在一條剝落痕跡。在“桃子”底部基本無剝落。在凸輪一側(cè)升程段（凹處）存在1條斷續(xù)裂紋，將此面用砂紙輕磨后出現(xiàn)明顯裂紋形貌?？梢悦黠@觀察到裂紋是從左側(cè)開裂的。（a）7號凸輪升程段裂紋（b）7號凸輪升程段砂紙輕磨后出現(xiàn)明顯裂紋（c）7號凸輪底部情況7號凸輪表面宏觀現(xiàn)象照片3.5.3 案例3——E4G15B排氣凸輪軸臺架試驗出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象的原因分析 8號凸輪表面宏觀現(xiàn)象見圖。8號凸輪表面宏觀現(xiàn)象分析如下：8號凸輪也存在摩擦位置顏色變化，交界處有明顯剝落，與其他凸輪不同之處在于，在“桃子”底部右側(cè)交界面處也存在剝落現(xiàn)象。在凸輪一側(cè)升程段（凹處）存在兩條斷續(xù)裂紋，一條從左側(cè)交界面處啟裂，另一條從右側(cè)界面處啟裂，兩條裂紋并不相交。（a）8號凸輪升程段裂紋（b）8