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                疲勞斷裂分析

                作者:董敬松 時(shí)間:2023-06-13閱讀數:人閱讀

                一文帶你分析疲勞斷裂


                No.1 疲勞與斷裂的概念

                1.疲勞:金屬材料在應力或應變的反復作用下發(fā)生的性能變化稱(chēng)為疲勞。

                2.疲勞斷裂:材料承受交變循環(huán)應力或應變時(shí),引起的局部結構變化和內部缺陷的不斷地發(fā)展,使材料的力學(xué)性能下降,最終導致產(chǎn)品或材料的完全斷裂,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為疲勞斷裂,也可簡(jiǎn)稱(chēng)為金屬的疲勞。引起疲勞斷裂的應力一般很低,疲勞斷裂的發(fā)生,往往具有突發(fā)性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點(diǎn)。  


                No.2 疲勞斷裂的分類(lèi)

                1.高周疲勞與低周疲勞

                     如果作用在零件或構件的應力水平較低,破壞的循環(huán)次數高于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。

                     作用在零件構件的應力水平較高,破壞的循環(huán)次數較低,一般低于1萬(wàn)次的疲勞,稱(chēng)為低周疲勞。例如壓力容器,汽輪機零件的疲勞損壞屬于低周疲勞 。

                2.應力和應變分析

                     應變疲勞——高應力,循環(huán)次數較低,稱(chēng)為低周疲勞;

                     應力疲勞——低應力,循環(huán)次數較高,稱(chēng)為高周疲勞。

                     復合疲勞,但在實(shí)際中,往往很難區分應力與應變類(lèi)型,一般情況下二種類(lèi)型兼而有之,這樣稱(chēng)為復合疲勞。

                3.按照載荷類(lèi)型分類(lèi)

                     彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞、微動(dòng)疲勞。


                No.3 疲勞斷裂的特征

                宏觀(guān):裂紋源→擴展區→瞬斷區。

                裂紋源:表面有凹槽、缺陷,或者應力集中的區域是產(chǎn)生裂紋源的前提條件。

                疲勞擴展區:斷面較平坦,疲勞擴展與應力方向相垂直,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:是疲勞裂紋迅速擴展到瞬間斷裂的區域,斷口有金屬滑移痕跡,有些產(chǎn)品瞬斷區有放射性條紋并具有剪切唇區。

                微觀(guān):疲勞斷裂典型的特征是出現疲勞輝紋。

                一些微觀(guān)試樣中還會(huì )出現解理與準解理現象(晶體學(xué)上的名稱(chēng),在微觀(guān)顯象上出現的小平面),以及韌窩等微觀(guān)區域特征。 


                No.4 疲勞斷裂的特點(diǎn)

                (1)斷裂時(shí)沒(méi)有明顯的宏觀(guān)塑性變形,斷裂前沒(méi)有明顯的預兆,往往是突然性的產(chǎn)生,使機械零件產(chǎn)生的破壞或斷裂的現象,危害十分嚴重。

                (2)引起疲勞斷裂的應力很低,往往低于靜載時(shí)屈服強度的應力負荷。

                (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、擴展和最后斷裂的三個(gè)區域的組成部分。 


                No.5 案例分析

                     廣東某摩托車(chē)廠(chǎng)一輛摩托車(chē)在運行了2000km后發(fā)生機械故障,經(jīng)拆機檢查,發(fā)現發(fā)動(dòng)機曲軸連桿斷裂。據悉該連桿材料為20CrMnTi,表面經(jīng)過(guò)滲碳處理。連桿工作原理見(jiàn)圖1,連桿的往返運動(dòng)帶動(dòng)兩傳動(dòng)曲軸轉動(dòng)。20CrMnTi是合金結構鋼,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。 

                疲勞斷裂分析(圖1)

                圖1


                1.宏觀(guān)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)];斷裂端一側面存在強烈磨擦痕跡[圖3(b)],磨損深度0.5mm;軸承弧面靠近磨擦側面一端可見(jiàn)藍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)。

                疲勞斷裂分析(圖2)

                圖2

                疲勞斷裂分析(圖3)

                圖3


                2.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,源區的細微組織大部分已磨損,但能看到放射棱特征[圖4(b)];在疲勞擴展區可見(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。

                疲勞斷裂分析(圖4)

                圖4


                3.化學(xué)成分

                     在連桿身部位取樣,進(jìn)行化學(xué)成分(質(zhì)量分數,%)分析,結果符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化學(xué)成分要求 。


                4.結果分析

                       綜合上述檢驗結果,失效件材料化學(xué)成份符合技術(shù)條件要求。

                      連桿斷裂端一側面出現非正常嚴重磨擦現象,軸承弧面靠近磨擦面一端出現的藍灰色的氧化膜,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致該區域溫度過(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,正處于高溫區域。表面氧化會(huì )使裂紋產(chǎn)生的機會(huì )增加,同時(shí)高溫提高了蠕變損傷的可能性。另一方面磨擦導致金屬表面粗糙,容易形成表面應力集中,增大疲勞源產(chǎn)生的可能性。

                      斷裂起源往往發(fā)生在拉應力最大的層面上。從連桿運動(dòng)受力情況分析,斷口1的斷面所受的拉應力最大,容易在此斷面靠近磨擦面的拐角處形成裂紋源。同時(shí)由于該區域存在較粗大的狀碳化物,破壞了基體組織的連續性,加速了裂紋的形成和擴展,降低了疲勞強度,最終導致了疲勞斷裂。

                      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,導致零件壽命顯著(zhù)下降。因此在滲碳過(guò)程中應注意嚴格控制滲碳氣氛的碳勢,以免過(guò)高的碳勢引起工件表面形成粗大的碳化物。


                5.結論

                     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,導致局部區域應力集中及溫度過(guò)高,降低了材料的疲勞強度。連桿拐角處表面的較大塊狀碳化物加速了裂紋的萌發(fā)及擴展。


                6.改進(jìn)

                     設計時(shí)減少摩擦處的粗糙度,可以減少應力集中,降低零件的疲勞強度 。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,導致零件壽命顯著(zhù)下降。因此在滲碳過(guò)程中應注意嚴格控制滲碳氣氛的碳勢,以免過(guò)高的碳勢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,需盡量改善零件設計,如從表面效應著(zhù)手。只要防止結構材料與機械零件表面應力集中、阻礙位錯滑移堆積、抑制塑性變形,則疲勞裂紋不易成核亦難以擴展,將使疲勞限或疲勞強度增加。

                1.減緩應力集中

                2.增強表層強度


                1.減緩應力集中的措施

                      設計中要避免出現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,以減輕應力集中。

                      因結構上的原因,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力集中的情況。

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


                2.增強表層強度

                      用機械法強化表層(如滾壓、噴丸等),使構件表面形成預壓應力層,減弱易引起裂紋的表面拉應力,從而提高疲勞強度,或采用熱處理和化學(xué)處理 ,如高頻淬火、滲碳、氮化等。

                     采用直徑0.1-1mm小鋼珠以高速沖擊試樣表面,以去除表面銳角、毛邊等易應力集中處,且使表面壓縮至鋼珠直徑的1/4-1/2深度,使零件表面產(chǎn)生殘余應力而抑制疲勞裂紋的擴展。

                疲勞斷裂分析(圖5)

                噴丸處理

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