13零件在交变载荷下的疲劳断裂

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1、1-3 零件在交变载荷下的疲劳断裂零件在交变载荷下的疲劳断裂一、基本概念一、基本概念疲劳断裂疲劳断裂零件在长时间的交变载荷作用下发零件在长时间的交变载荷作用下发生断裂的现象。生断裂的现象。机械零件断裂失效中机械零件断裂失效中80%以上属于疲劳断裂。以上属于疲劳断裂。交变载荷交变载荷载荷的大小、方向随时间发生周期载荷的大小、方向随时间发生周期性的变化。性的变化。几种常见的交变应力几种常见的交变应力。疲劳断裂的特点：疲劳断裂的特点：发生疲劳断裂的应力很低，常低于静载下的屈服强发生疲劳断裂的应力很低，常低于静载下的屈服强度；度；是脆性断裂，危害性很大；是脆性断裂，危害性很大；断口能清楚显示疲劳断裂整

2、个过程的三个阶段（断口能清楚显示疲劳断裂整个过程的三个阶段（裂裂纹的形成、扩展和最后断裂）纹的形成、扩展和最后断裂）。二、疲劳断口的特征：二、疲劳断口的特征：典型的疲劳断口形貌由疲劳源区、裂纹扩展区和断裂区组典型的疲劳断口形貌由疲劳源区、裂纹扩展区和断裂区组成。成。图1-9。疲劳源区：疲劳源区：材料的内部缺陷、加工缺陷、结构设计不合理处导致的应力集中，成为裂纹源；裂纹扩展区裂纹扩展区：为“贝壳状”或“海滩状”，由于载荷的周期性变化，裂纹经多次的张合以及裂纹表面的相互摩擦，在扩展区流下一条条光亮的弧线。开始较密，以后间距逐渐增加。最后断裂区最后断裂区：为放射状。疲劳断口有各种形态，取决于载荷类型

3、、应力大小疲劳断口有各种形态，取决于载荷类型、应力大小和应力集中的程度。和应力集中的程度。当载荷类型一定时，可根据疲劳断口最后断裂区的相对面积和位置来判断零件所受应力的高低和应力集中程度的大小。最终断裂区的面积较大最终断裂区的面积较大疲劳寿命短；疲劳寿命短；最终断裂区的面积较小最终断裂区的面积较小疲劳寿命较长。疲劳寿命较长。三、疲劳抗力指标及其影响因素三、疲劳抗力指标及其影响因素（一）无裂纹零构件的疲劳抗力指标：（一）无裂纹零构件的疲劳抗力指标：常用的疲劳抗力指标是：疲劳极限、过载持久值常用的疲劳抗力指标是：疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。和疲劳缺口敏感度。疲劳曲线疲劳曲线材料所承受的交

4、变应力(max或a)和相应的断裂循环周次之间的关系曲线，图1-10。疲劳极限疲劳极限r材料经受无数次应力循环而不断裂的最大应力值。过载持久值过载持久值材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的应力循环周次。疲劳曲线的斜线部分反映材料的过载能力。斜线部疲劳曲线的斜线部分反映材料的过载能力。斜线部分越陡，则过载能力越强。分越陡，则过载能力越强。大多数机械零件是按疲劳极限进行设计的，但有些零件，如飞机起落架或枪炮中的零件等，承受的交变应力远高于疲劳极限，因此要按有限周次有限周次确定其疲劳寿命，这时过载持久值就具有重要意义。材料的疲劳曲线通常用旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验方法确定，r=-1，其疲

5、劳极限为-1。疲劳曲线大致有两种类型：有明显水平部分和没有水平部分。没有水平部分时，规定某一循环基数N0所对应的应力值作为“条件疲劳极限条件疲劳极限”。循环基数根据零件的工作条件和使用寿命来确定。N0105，低周疲劳低周疲劳N0105，高周疲劳高周疲劳疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度用疲劳缺口敏感度q来衡量缺口对疲劳极限的影响。q=(Kf-1)/(Kt-1)Kt理论应力集中系数，为应力集中处的最大应力max与平均应力m之比。Kf有效应力集中系数，为光滑试样和缺口试样疲劳极限之比，Kf=-1/-1NKf既和缺口的几何形状有关，又和材料的特性有关。通常0q1。当当q0时，时，Kf1，表示对缺口不敏感；

6、表示对缺口不敏感；当当q1时，时，KfKt，表示对缺口非常敏感。，表示对缺口非常敏感。（二）有裂纹零构件的疲劳抗力指标：（二）有裂纹零构件的疲劳抗力指标：对于有裂纹或缺陷的零构件，裂纹扩展是决定疲劳对于有裂纹或缺陷的零构件，裂纹扩展是决定疲劳寿命的重要因素。寿命的重要因素。疲劳抗力指标：裂纹扩展速率裂纹扩展速率da/dN 疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值Kth。da/dN由疲劳裂纹扩展曲线获得。疲劳裂纹扩展曲线的测定：通常采用三点弯曲单边切口疲劳试样，在固定应力比和应力幅的条件下循环加载，测定裂纹长度随应力循环周次的变化，直至断裂。图1-13。裂纹扩展速率da/dN不仅与应力幅有关，还与裂

7、纹长度有关。疲劳裂纹扩展门槛值Kth表示材料阻止裂纹疲表示材料阻止裂纹疲劳扩展的能力劳扩展的能力。是交变应力作用下裂纹不扩展的最大应力场强度因子幅值应用断裂力学裂纹尖端应力场强度因子的概念，求出循环应力幅作用下疲劳裂纹尖端应力场强度因子幅K:K=Kmax-Kmin=Ymaxa1/2-Ymina1/2 =Ya1/2KKth时，裂纹不扩展，时，裂纹不扩展，当K=KIc时，试样突然断裂。带裂纹的零构件，常用Kth来进行安全校核，校核公式为：K=Ya1/2Kth根据上式，设计者可以控制Kth、a三个参量。材料的Kth值很小，约为断裂韧度KIc的5%-10%。因此往往根据裂纹扩展速率估算零构件的安全寿命

8、。（三）影响疲劳抗力的因素（三）影响疲劳抗力的因素主要因素包括：载荷类型：载荷类型：载荷类型不同，应力状态也不同，其疲劳极限也不同。不同载荷下的疲劳极限与-1有一定的对应关系。拉-压疲劳：-1p=0.85-1（钢）-1p=0.65-1（铸铁）扭转疲劳：-1=0.55-1（钢及轻合金）-1=0.8-1（铸铁）载荷类型对Kth和裂纹扩展速率da/dN也有显著影响。拉-拉载荷，Kth小，da/dN大；拉-压载荷，Kth大，da/dN小。材料本质材料本质：不同材料，疲劳曲线不同，疲劳极限与过载持久值不同。不同材料的缺口敏感度也不同一般材料的疲劳极限与抗拉强度之间有一定经验关系（高强度钢除外）。材料一定

9、时，其纯度和组织状态对疲劳抗力有显著影响。零件表面状态：零件表面状态：提高疲劳极限的有效途径表面强化处理表面强化处理。工作温度：工作温度：温度升高，疲劳极限下降。腐蚀介质：使腐蚀介质：使Kth降低，da/dN增大；钢铁材料疲劳曲线的水平部分消失；破坏疲劳极限与抗拉强度线性关系。1-4 零件的磨损失效零件的磨损失效磨损磨损零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质耗损的现象。1、磨损的基本类型磨损的基本类型：常见的有粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点磨损。粘着磨损粘着磨损又称咬合磨损，滑动摩擦滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，使零件表面被擦伤。粘着磨损示意图这种

10、磨损形式是滑动摩擦条件下，力学性能相差不大的两种金属间最常见的磨损形式。磨粒磨损磨粒磨损也称磨料磨损。滑动摩擦时，硬质磨粒使磨面发生局部塑性变形、磨粒嵌入和被磨粒切割等过程，使磨面材料逐渐耗损的一种磨损。磨粒磨损是由于硬质点摩擦零件表面引起的。当硬质点(硬磨粒)在压力下滑过或滚过一个表面或者当一个硬表面(包含有硬质点)擦过另一个表面时，就产生磨粒磨损。轴瓦磨粒磨损一些以土块、泥砂、岩石或矿石为工作对象的机械零部件，如挖掘机铲斗、联合掘进机刀具、搅拌机叶片、凿岩机的钎头钎杆、各种履带板，以及农机具都发生严重的磨粒磨损。一些在含有泥砂或磨粒的介质中工作的零、部件，如水轮机叶片，内河轮船螺旋桨，高速

11、运转的零件被泥砂冲刷而磨损。工程机械的各种开式齿轮，以及相对运动的零件，当润滑油不干净时，均会发生磨粒磨损。曲轴的主轴颈可能被污染的润滑油中所合的磨粒严重切割和刮伤。腐蚀磨损腐蚀磨损在摩擦力和环境介质的作用下，金属表面的腐蚀产物剥落与金属磨面间的机械磨损相结合的一种磨损。主要包括：主要包括：氧化磨损氧化磨损两零件表面相对运动时(不论是滑动摩擦或是滚动摩擦)，在发生塑性变形的同时，由于已形成的氧化膜在摩擦接触点处遭到破坏，紧接着在该处又立即形成新的氧化膜。这样，便不断有氧化膜自金属表面脱离不断有氧化膜自金属表面脱离，使零件表面物质逐渐损耗，这样的过程便称为氧化磨损。是工程中最普遍存在的一种磨损形

12、式。和其他类型磨损比较，氧化磨损具有最小磨损速度。微动磨损微动磨损常发生在紧配合件，如缸套配合的轴，嵌合联接的汽轮机叶片的叶根部分，和其它微动联接件，如螺栓联接、饺(耳环)联接中。当这些联接件在循环载荷作用和振动影响下，在配合面的某些局部区域发生相对滑动。表现在零件配合表面损伤区颜色改变，有一定深度的磨痕和坑斑；严重的是这种表面损伤最终将导致零件疲劳断裂。麻点磨损接触疲劳。零件两接触面作滚动或滚动加滑动时，在交变接触压应力的长期作用下，引起表面疲劳剥落破坏。特征：特征：接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点。接触疲劳也是裂纹形成和扩展的过程。根据裂纹源产生的部位不同，接触疲劳破坏有三种形

13、式：裂纹源于表层的麻点剥落；裂纹源于次表层的麻点剥落；硬化层剥落。工程上有许多零件出现接触疲劳表面损伤失效，例如齿轮，凸轮，摩擦板，滚动轴承，火车轮与钢轨等等。2、提高零件磨损抗力的途径、提高零件磨损抗力的途径减小接触压力和摩擦系数、增加材料硬度、改善润减小接触压力和摩擦系数、增加材料硬度、改善润滑条件都有利提高零件的磨损抗力。滑条件都有利提高零件的磨损抗力。针对不同的磨损类型，提高磨损抗力的主要措施有：粘着磨损粘着磨损：合理选用摩擦副配对材料；采用表面处理减小摩擦系数或提高表面硬度；减小接触压应力，摩擦副的压应力1/3HBW；减小表面粗糙度。磨粒磨损磨粒磨损：合理选用高硬度材料；采用表面处理

14、提高表面硬度。氧化磨损氧化磨损：凡能提高基体金属表层硬度或形成与基体金属紧密结合的致密氧化膜的一切表面处理方法。微动磨损微动磨损：采用垫衬；减小应力集中。接触疲劳磨损接触疲劳磨损：提高材料硬度；提高材料纯净度；提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深度；减小零件表面粗糙度等。1-5 零件的腐蚀失效零件的腐蚀失效一、腐蚀的概念：一、腐蚀的概念：材料表面和周围介质发生化学反应或电化学反应所引起的表面损伤现象，分为化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀应力腐蚀。化学腐蚀化学腐蚀过程中不产生电流，如钢在高温下的氧化、脱碳等。电化学腐蚀电化学腐蚀过程中有电流产生，如金属在潮湿的空气、海水或电解质中的腐蚀。应力腐蚀应

15、力腐蚀应力和腐蚀介质联合作用下产生的破坏应力和腐蚀介质联合作用下产生的破坏（危害很大）（危害很大）二、高温氧化腐蚀：二、高温氧化腐蚀：金属的氧化过程包括三个步骤：（1）金属原子失去电子成为金属离子；（2）氧原子吸收电子成为氧离子；（3）金属离子和氧离子结合形成金属氧化物。氧化膜形成后，金属能否继续氧化，取决于氧化膜的致密性和熔点。三、电化学腐蚀：三、电化学腐蚀：（1）条件：金属间或同一金属的各个部分之间存在电极电位差并处于电解质中。图1-23珠光体在硝酸酒精溶液中的电化学腐蚀过程。不同金属的电极电位不同，电化学腐蚀倾向也不同。金属的电极电位越高，越不易发生电化学腐蚀。（2）局部腐蚀：电化学腐蚀

16、具有选择性，有时会使局部区域腐蚀严重。常见的有电偶腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀。四、应力腐蚀：四、应力腐蚀：是指零构件在拉应力和特定的化学介质联合作用下所产生的低应力脆性断裂现象。特点：特点：（1）引起应力腐蚀的拉应力很小；（2）引起应力腐蚀的介质腐蚀性较弱；（3）不同材料只有在不同特定介质中才会产生应力腐蚀。表1-5。应力腐蚀断裂也是通过裂纹的形成和扩展进行的。评定材料抵抗应力腐蚀断裂的力学性能指标为KIscc，表示拉应力和特定腐蚀介质联合作用下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。五、改善零件腐蚀抗力的措施：改善零件腐蚀抗力的措施：抗氧化措施抗氧化措施：选择抗氧化材料，如耐热钢、耐热铸铁、陶瓷

17、材料等；表面涂层如热喷涂铝、陶瓷等。抗电化学腐蚀：抗电化学腐蚀：选择耐蚀材料、表面涂层、电化学保护（牺牲阳极保护和外加电位的阴极保护）；加缓蚀剂降低电解质的腐蚀性。抗应力腐蚀：抗应力腐蚀：减少拉应力和应力集中、去应力退火、选择KIscc高的材料、改变介质条件。1-6 零件在高温下的蠕变变形和断裂失效零件在高温下的蠕变变形和断裂失效1、高温对金属材料性能的影响：、高温对金属材料性能的影响：(1)高温下材料强度随温度升高而降低；(2）高温下材料的强度随加载时间的延长而降低。评定材料高温力学性能的指标是蠕变极限和持久强评定材料高温力学性能的指标是蠕变极限和持久强度。度。2、蠕变极限和持久强度：、蠕变

18、极限和持久强度：蠕变材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象。蠕变断裂由蠕变变形产生的断裂。典型的蠕变曲线，图1-27。分三个阶段：减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变分三个阶段：减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变蠕变极限蠕变极限高温长期载荷作用下材料抵抗塑性变形的能力。（防止高温下过量塑性变形）两种表现方法：（1）在规定温度下，使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值T，（2）给定温度下和规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量的应力值/tT。持久强度高温长期载荷作用下材料抵抗断裂的能力，是在给定温度和规定时间内使试样发生断裂的能力。（相当于室温下的抗拉强度）3.高温下零件的失效及防止（自学）高温下零件的失效及防止（自学）作业：P38:13