1-3-零件在交變載荷下的疲勞斷裂解析

1-3零件在交變載荷下的疲乏斷裂一、根本概念疲乏斷裂——零件在長時間的交變載荷作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。機械零件斷裂失效中80%以上屬于疲乏斷裂。交變載荷——載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性的變化。幾種常見的交變應(yīng)力。疲乏斷裂的特點：發(fā)生疲乏斷裂的應(yīng)力很低，常低于靜載下的屈服強度；是脆性斷裂，危害性很大；斷口能清晰顯示疲乏斷裂整個過程的三個階段〔裂紋的形成、擴展和最終斷裂〕。二、疲乏斷口的特征：典型的疲乏斷口形貌由疲乏源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū)組成。圖1-9。疲乏源區(qū)：材料的內(nèi)部缺陷、加工缺陷、構(gòu)造設(shè)計不合理處導(dǎo)致的應(yīng)力集中，成為裂紋源；裂紋擴展區(qū)：為“貝殼狀”或“海灘狀”，由于載荷的周期性變化，裂紋經(jīng)屢次的張合以及裂紋外表的相互摩擦，在擴展區(qū)流下一條條光亮的弧線。開頭較密，以后間距漸漸增加。最終斷裂區(qū)：為放射狀。疲乏斷口有各種形態(tài)，取決于載荷類型、應(yīng)力大小和應(yīng)力集中的程度。當載荷類型確定時，可依據(jù)疲乏斷口最終斷裂區(qū)的相對面積和位置來推斷零件所受應(yīng)力的凹凸和應(yīng)力集中程度的大小。最終斷裂區(qū)的面積較大—疲乏壽命短；最終斷裂區(qū)的面積較小—疲乏壽命較長。三、疲乏抗力指標及其影響因素〔一〕無裂紋零構(gòu)件的疲乏抗力指標：常用的疲乏抗力指標是：疲乏極限、過載長期值和疲乏缺口敏感度。疲乏曲線——材料所承受的交變應(yīng)力(бmax或бa)和相應(yīng)的斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系曲線，圖1-10。疲乏極限бr——材料經(jīng)受很屢次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值。過載長期值——材料在高于疲乏極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲乏斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次。疲乏曲線的斜線局部反映材料的過載力氣。斜線局部越陡，則過載力氣越強。大多數(shù)機械零件是按疲乏極限進展設(shè)計的，但有些零件，如飛機起落架或槍炮中的零件等，承受的交變應(yīng)力遠高于疲乏極限，因此要按有限周次確定其疲乏壽命，這時過載長期值就具有重要意義。材料的疲乏曲線通常用旋轉(zhuǎn)彎曲疲乏試驗方法確定，r=-1，其疲乏極限為б-1。疲乏曲線大致有兩種類型：有明顯水平局部和沒有水平局部。沒有水平局部時，規(guī)定某一循環(huán)基數(shù)N0所對應(yīng)的應(yīng)力值作為“條件疲乏極限”。循環(huán)基數(shù)依據(jù)零件的工作條件和使用壽命來確定。N0＜105，低周疲乏N0＞105，高周疲乏疲乏缺口敏感度——用疲乏缺口敏感度q來衡量缺口對疲乏極限的影響。q=(Kf-1)/(Kt-1)Kt——理論應(yīng)力集中系數(shù)，為應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力бmax與平均應(yīng)力бm之比。Kf——有效應(yīng)力集中系數(shù)，為光滑試樣和缺口試樣疲乏極限之比，Kf=б-1/б-1NKf既和缺口的幾何外形有關(guān)，又和材料的特性有關(guān)。通常0＜q＜1。當q→0時，Kf→1，表示對缺口不敏感；當q→1時，Kf→Kt，表示對缺口特殊敏感?！捕秤辛鸭y零構(gòu)件的疲乏抗力指標：對于有裂紋或缺陷的零構(gòu)件，裂紋擴展是預(yù)備疲乏壽命的重要因素。疲乏抗力指標：裂紋擴展速率da/dN疲乏裂紋擴展門檻值△Kth。da/dN由疲乏裂紋擴展曲線獲得。疲乏裂紋擴展曲線的測定：通常承受三點彎曲單邊切口疲乏試樣，在固定應(yīng)力比和應(yīng)力幅的條件下循環(huán)加載，測定裂紋長度隨應(yīng)力循環(huán)周次的變化，直至斷裂。圖1-13。裂紋擴展速率da/dN不僅與應(yīng)力幅有關(guān)，還與裂紋長度有關(guān)。疲乏裂紋擴展門檻值△Kth——表示材料阻擋裂紋疲乏擴展的力氣。是交變應(yīng)力作用下裂紋不擴展的最大應(yīng)力場強度因子幅值應(yīng)用斷裂力學(xué)裂紋尖端應(yīng)力場強度因子的概念，求出循環(huán)應(yīng)力幅作用下疲乏裂紋尖端應(yīng)力場強度因子幅△K:△K=Kmax-Kmin=Yбmaxa1/2-Yбmina1/2=Y△бa1/2△K<△Kth時，裂紋不擴展，當△K=KIc時，試樣突然斷裂。帶裂紋的零構(gòu)件，常用△Kth來進展安全校核，校核公式為：△K=Y△бa1/2≤△Kth依據(jù)上式，設(shè)計者可以把握△Kth、△б、a三個參量。材料的△Kth值很小，約為斷裂韌度KIc的5%-10%。因此往往依據(jù)裂紋擴展速率估算零構(gòu)件的安全壽命?！踩秤绊懫７沽Φ囊蛩刂饕蛩匕ǎ狠d荷類型：載荷類型不同，應(yīng)力狀態(tài)也不同，其疲乏極限也不同。不同載荷下的疲乏極限與б-1有確定的對應(yīng)關(guān)系。拉-壓疲乏：б-1p=0.85б-1〔鋼〕б-1p=0.65б-1〔鑄鐵〕扭轉(zhuǎn)疲乏：τ-1=0.55б-1〔鋼及輕合金〕τ-1=0.8б-1〔鑄鐵〕載荷類型對△Kth和裂紋擴展速率da/dN也有顯著影響。拉-拉載荷，△Kth小，da/dN大；拉-壓載荷，△Kth大，da/dN小。材料本質(zhì)：不同材料，疲乏曲線不同，疲乏極限與過載長期值不同。不同材料的缺口敏感度也不同一般材料的疲乏極限與抗拉強度之間有確定閱歷關(guān)系〔高強度鋼除外〕。材料確定時，其純度和組織狀態(tài)對疲乏抗力有顯著影響。零件外表狀態(tài)：提高疲乏極限的有效途徑——外表強化處理。工作溫度：溫度上升，疲乏極限下降。腐蝕介質(zhì)：使△Kth降低，da/dN增大；鋼鐵材料疲乏曲線的水平局部消逝；破壞疲乏極限與抗拉強度線性關(guān)系。1-4零件的磨損失效磨損——零件在摩擦過程中其外表發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象。1、磨損的根本類型：常見的有粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、麻點磨損。粘著磨損——又稱咬合磨損，滑動摩擦時摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后相對滑動中粘著處被破壞，使零件外表被擦傷。粘著磨損示意圖這種磨損形式是滑動摩擦條件下，力學(xué)性能相差不大的兩種金屬間最常見的磨損形式。磨粒磨損——也稱磨料磨損?；瑒幽Σ習r，硬質(zhì)磨粒使磨面發(fā)生局部塑性變形、磨粒嵌入和被磨粒切割等過程，使磨面材料漸漸耗損的一種磨損。磨粒磨損是由于硬質(zhì)點摩擦零件外表引起的。當硬質(zhì)點(硬磨粒)在壓力下滑過或滾過一個外表或者當一個硬外表(包含有硬質(zhì)點)擦過另一個外表時，就產(chǎn)生磨粒磨損。軸瓦磨粒磨損一些以土塊、泥砂、巖石或礦石為工作對象的機械零部件，如挖掘機鏟斗、聯(lián)合掘進機刀具、攪拌機葉片、鑿巖機的釬頭釬桿、各種履帶板，以及農(nóng)機具都發(fā)生嚴峻的磨粒磨損。一些在含有泥砂或磨粒的介質(zhì)中工作的零、部件，如水輪機葉片，內(nèi)河輪船螺旋槳，高速運轉(zhuǎn)的零件被泥砂沖刷而磨損。工程機械的各種開式齒輪，以及相對運動的零件，當潤滑油不潔凈時，均會發(fā)生磨粒磨損。曲軸的主軸頸可能被污染的潤滑油中所合的磨粒嚴峻切割和刮傷。腐蝕磨損——在摩擦力和環(huán)境介質(zhì)的作用下，金屬外表的腐蝕產(chǎn)物剝落與金屬磨面間的機械磨損相結(jié)合的一種磨損。主要包括：氧化磨損——兩零件外表相對運動時(不管是滑動摩擦或是滾動摩擦)，在發(fā)生塑性變形的同時，由于已形成的氧化膜在摩擦接觸點處遭到破壞，緊接著在該處又馬上形成新的氧化膜。這樣，便不斷有氧化膜自金屬外表脫離，使零件外表物質(zhì)漸漸損耗，這樣的過程便稱為氧化磨損。是工程中最普遍存在的一種磨損形式。和其他類型磨損比較，氧化磨損具有最小磨損速度。微動磨損——常發(fā)生在緊協(xié)作件，如缸套協(xié)作的軸，嵌合聯(lián)接的汽輪機葉片的葉根局部，和其它微動聯(lián)接件，如螺栓聯(lián)接、餃(耳環(huán))聯(lián)接中。當這些聯(lián)接件在循環(huán)載荷作用和振動影響下，在協(xié)作面的某些局部區(qū)域發(fā)生相對滑動。表現(xiàn)在零件協(xié)作外表損傷區(qū)顏色轉(zhuǎn)變，有確定深度的磨痕和坑斑；嚴峻的是這種外表損傷最終將導(dǎo)致零件疲乏斷裂。麻點磨損——接觸疲乏。零件兩接觸面作滾動或滾動加滑動時，在交變接觸壓應(yīng)力的長期作用下，引起外表疲乏剝落破壞。特征：接觸外表上消逝很多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻點。接觸疲乏也是裂紋形成和擴展的過程。依據(jù)裂紋源產(chǎn)生的部位不同，接觸疲乏破壞有三種形式：裂紋源于表層的麻點剝落；裂紋源于次表層的麻點剝落；硬化層剝落。工程上有很多零件消逝接觸疲乏外表損傷失效，例如齒輪，凸輪，摩擦板，滾動軸承，火車輪與鋼軌等等。2、提高零件磨損抗力的途徑減小接觸壓力和摩擦系數(shù)、增加材料硬度、改善潤滑條件都有利提高零件的磨損抗力。針對不同的磨損類型，提高磨損抗力的主要措施有：粘著磨損：合理選用摩擦副配對材料；承受外表處理減小摩擦系數(shù)或提高外表硬度；減小接觸壓應(yīng)力，摩擦副的壓應(yīng)力<1/3HBW；減小外表粗糙度。磨粒磨損：合理選用高硬度材料；承受外表處理提高外表硬度。氧化磨損：凡能提高基體金屬表層硬度或形成與基體金屬嚴密結(jié)合的致密氧化膜的一切外表處理方法。微動磨損：承受墊襯；減小應(yīng)力集中。接觸疲乏磨損：提高材料硬度；提高材料純潔度；提高零件心部強度和硬度，增加硬化層深度；減小零件外表粗糙度等。1-5零件的腐蝕失效一、腐蝕的概念：材料外表和四周介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響或電化學(xué)反響所引起的外表損傷現(xiàn)象，分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕—過程中不產(chǎn)生電流，如鋼在高溫下的氧化、脫碳等。電化學(xué)腐蝕—過程中有電流產(chǎn)生，如金屬在潮濕的空氣、海水或電解質(zhì)中的腐蝕。應(yīng)力腐蝕—應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下產(chǎn)生的破壞〔危害很大〕二、高溫氧化腐蝕：金屬的氧化過程包括三個步驟：〔1〕金屬原子失去電子成為金屬離子；〔2〕氧原子吸取電子成為氧離子；〔3〕金屬離子和氧離子結(jié)合形成金屬氧化物。氧化膜形成后，金屬能否連續(xù)氧化，取決于氧化膜的致密性和熔點。三、電化學(xué)腐蝕：〔1〕條件：金屬間或同一金屬的各個局部之間存在電極電位差并處于電解質(zhì)中。圖1-23珠光體在硝酸酒精溶液中的電化學(xué)腐蝕過程。不同金屬的電極電位不同，電化學(xué)腐蝕傾向也不同。金屬的電極電位越高，越不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕?！?〕局部腐蝕：電化學(xué)腐蝕具有選擇性，有時會使局部區(qū)域腐蝕嚴峻。常見的有電偶腐蝕、小孔腐蝕、縫隙腐蝕、晶界腐蝕。四、應(yīng)力腐蝕：是指零構(gòu)件在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)聯(lián)合作用下所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象。特點：〔1〕引起應(yīng)力腐蝕的拉應(yīng)力很??；〔2〕引起應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)腐蝕性較弱；〔3〕不同材料只有在不同特定介質(zhì)中才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。表1-5。應(yīng)力腐蝕斷裂也是通過裂紋的形成和擴展進展的。評定材料反抗應(yīng)力腐蝕斷裂的力學(xué)性能指標為KIscc，表示拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下材料反抗裂紋失穩(wěn)擴展的力氣。五、改善零件腐蝕抗力的措施：抗氧化措施：選擇抗氧化材料，如耐熱鋼、耐熱鑄鐵、陶瓷材料等；外表涂層如熱噴涂鋁、陶瓷等?？闺娀瘜W(xué)腐蝕：選擇耐蝕材料、外表涂層、電化學(xué)疼惜〔犧牲陽極疼惜和外加電位的陰極疼惜〕；加緩蝕劑降低電解質(zhì)的腐蝕性。抗應(yīng)力腐蝕：削減拉應(yīng)力和應(yīng)力集中、去應(yīng)力退火、選擇KIscc高的材料、轉(zhuǎn)變介質(zhì)條件。1-6零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效1、高溫對金屬材料性能的影響：(1)高溫下材料強度隨溫度上升而降低；(2〕高溫下材料的強度隨加載時間的延長而降低。評定材料高溫力學(xué)性能的指標是蠕變極限和長期強度。2、蠕變極限和長期強度：蠕變——材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變斷裂——由蠕變變形產(chǎn)生的斷裂。典