1-3-零件在交变载荷下的疲劳断裂解析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1-3 零件在交变载荷下的疲乏断裂,一、根本概念,疲乏断裂零件在长时间的交变载荷作用下发生断裂的现象。,机械零件断裂失效中80%以上属于疲乏断裂。,交变载荷载荷的大小、方向随时间发生周期性的变化。,几种常见的交变应力。,疲乏断裂的特点：,发生疲乏断裂的应力很低，常低于静载下的屈服强度；,是脆性断裂，危害性很大；,断口能清晰显示疲乏断裂整个过程的三个阶段裂纹的形成、扩展和最终断裂。,二、疲乏断口的特征：,典型的疲乏断口形貌由疲乏源区、裂纹扩展区和断裂区组成。图1-9。,疲乏源区：材料的内部缺陷、加工缺陷、构造设计不合理处导致的应力集中，成为裂纹源；,裂纹扩展区：为“贝壳状”或“海滩状”，由于载荷的周期性变化，裂纹经屡次的张合以及裂纹外表的相互摩擦，在扩展区流下一条条光亮的弧线。开头较密，以后间距渐渐增加。,最终断裂区：为放射状。,疲乏断口有各种形态，取决于载荷类型、应力大小和应力集中的程度。,当载荷类型确定时，可依据疲乏断口最终断裂区的相对面积和位置来推断零件所受应力的凹凸和应力集中程度的大小。,最终断裂区的面积较大疲乏寿命短；,最终断裂区的面积较小疲乏寿命较长。,三、疲乏抗力指标及其影响因素,一无裂纹零构件的疲乏抗力指标：,常用的疲乏抗力指标是：疲乏极限、过载长期值和疲乏缺口敏感度。,疲乏曲线材料所承受的交变应力(max或a)和相应的断裂循环周次之间的关系曲线，图1-10。,疲乏极限r材料经受很屡次应力循环而不断裂的最大应力值。,过载长期值材料在高于疲乏极限的应力作用下发生疲乏断裂的应力循环周次。,疲乏曲线的斜线局部反映材料的过载力气。斜线局部越陡，则过载力气越强。,大多数机械零件是按疲乏极限进展设计的，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乏极限，因此要按有限周次确定其疲乏寿命，这时过载长期值就具有重要意义。,材料的疲乏曲线通常用旋转弯曲疲乏试验方法确定，r=-1，其疲乏极限为-1。,疲乏曲线大致有两种类型：有明显水平局部和没有水平局部。,没有水平局部时，规定某一循环基数N0所对应的应力值作为“条件疲乏极限”。,循环基数依据零件的工作条件和使用寿命来确定。,N0105，低周疲乏,N0105，高周疲乏,疲乏缺口敏感度用疲乏缺口敏感度q来衡量缺口对疲乏极限的影响。,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乏极限之比，Kf=-1/-1N,Kf既和缺口的几何外形有关，又和材料的特性有关。,通常0q1。,当q0时，Kf1，表示对缺口不敏感；,当q1时，KfKt，表示对缺口特殊敏感。,二有裂纹零构件的疲乏抗力指标：,对于有裂纹或缺陷的零构件，裂纹扩展是预备疲乏寿命的重要因素。,疲乏抗力指标：裂纹扩展速率da/dN,疲乏裂纹扩展门槛值Kth。,da/dN由疲乏裂纹扩展曲线获得。,疲乏裂纹扩展曲线的测定：通常承受三点弯曲单边切口疲乏试样，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，还与裂纹长度有关。,疲乏裂纹扩展门槛值Kth表示材料阻挡裂纹疲乏扩展的力气。,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乏裂纹尖端应力场强度因子幅K:,K=Kmax-Kmin=Ymaxa1/2-Ymina1/2,=Ya1/2,KKth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来进展安全校核，校核公式为：,K=Ya1/2Kth,依据上式，设计者可以把握Kth、a三个参量。,材料的Kth值很小，约为断裂韧度KIc的5%-10%。因此往往依据裂纹扩展速率估算零构件的安全寿命。,三影响疲乏抗力的因素,主要因素包括：,载荷类型：载荷类型不同，应力状态也不同，其疲乏极限也不同。,不同载荷下的疲乏极限与-1有确定的对应关系。,拉-压疲乏：-1p=0.85-1钢,-1p=0.65-1铸铁,扭转疲乏：-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：不同材料，疲乏曲线不同，疲乏极限与过载长期值不同。不同材料的缺口敏感度也不同,一般材料的疲乏极限与抗拉强度之间有确定阅历关系高强度钢除外。,材料确定时，其纯度和组织状态对疲乏抗力有显著影响。,零件外表状态：提高疲乏极限的有效途径外表强化处理。,工作温度：温度上升，疲乏极限下降。,腐蚀介质：使Kth降低，da/dN增大；,钢铁材料疲乏曲线的水平局部消逝；,破坏疲乏极限与抗拉强度线性关系。,1-4 零件的磨损失效,磨损零件在摩擦过程中其外表发生尺寸变化和物质耗损的现象。,1、磨损的根本类型：常见的有粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点磨损。,粘着磨损又称咬合磨损，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，使零件外表被擦伤。,粘着磨损示意图,这种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，使磨面材料渐渐耗损的一种磨损。,磨粒磨损是由于硬质点摩擦零件外表引起的。当硬质点(硬磨粒)在压力下滑过或滚过一个外表或者当一个硬外表(包含有硬质点)擦过另一个外表时，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峻的磨粒磨损。,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，当润滑油不洁净时，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峻切割和刮伤。,腐蚀磨损在摩擦力和环境介质的作用下，金属外表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：,氧化磨损两零件外表相对运动时(不管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，紧接着在该处又马上形成新的氧化膜。,这样，便不断有氧化膜自金属外表脱离，使零件外表物质渐渐损耗，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。,微动磨损常发生在紧协作件，如缸套协作的轴，嵌合联接的汽轮机叶片的叶根局部，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，在协作面的某些局部区域发生相对滑动。,表现在零件协作外表损伤区颜色转变，有确定深度的磨痕和坑斑；,严峻的是这种外表损伤最终将导致零件疲乏断裂。,麻点磨损接触疲乏。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，引起外表疲乏剥落破坏。,特征：接触外表上消逝很多针状或痘状的凹坑，称为麻点。,接触疲乏也是裂纹形成和扩展的过程。依据裂纹源产生的部位不同，接触疲乏破坏有三种形式：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。,工程上有很多零件消逝接触疲乏外表损伤失效，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,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。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：合理选用摩擦副配对材料；承受外表处理减小摩擦系数或提高外表硬度；减小接触压应力，摩擦副的压应力1/3HBW；减小外表粗糙度。,磨粒磨损：合理选用高硬度材料；承受外表处理提高外表硬度。,氧化磨损：凡能提高基体金属表层硬度或形成与基体金属严密结合的致密氧化膜的一切外表处理方法。,微动磨损：承受垫衬；减小应力集中。,接触疲乏磨损：提高材料硬度；提高材料纯洁度；提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深度；减小零件外表粗糙度等。,1-5 零件的腐蚀失效,一、腐蚀的概念：,材料外表和四周介质发生化学反响或电化学反响所引起的外表损伤现象，分为化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀。,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。,应力腐蚀应力和腐蚀介质联合作用下产生的破坏危害很大,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氧原子吸取电子成为氧离子；3金属离子和氧离子结合形成金属氧化物。,氧化膜形成后，金属能否连续氧化，取决于氧化膜的致密性和熔点。,三、电化学腐蚀：,1条件：金属间或同一金属的各个局部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：电化学腐蚀具有选择性，有时会使局部区域腐蚀严峻。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：,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：,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展的。,评定材料反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反抗裂纹失稳扩展的力气。,五、,改善零件腐蚀抗力的措施：,抗氧化措施：选择抗氧化材料，如耐热钢、耐热铸铁、陶瓷材料等；外表涂层如热喷涂铝、陶瓷等。,抗电化学腐蚀：选择耐蚀材料、外表涂层、电化学疼惜牺牲阳极疼惜和外加电位的阴极疼惜；加缓蚀剂降低电解质的腐蚀性。,抗应力腐蚀：削减拉应力和应力集中、去应力退火、选择KIscc高的材料、转变介质条件。,1-6 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：,(1)高温下材料强度随温度上升而降低；,(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长期强度。,2、蠕变极限和长期强度：,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,蠕变极限高温长期载荷作用下材料反抗塑性变形的力气。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确定蠕变总变形量的应力值/tT。,长期强度高温长期载荷作用下材料反抗断裂的力气，是在给定温度和规定时间内使试样发生断裂的力气。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,作业：P38:13,