疲勞斷裂案例分析

1、目錄 一、疲勞失效知識點回顧 二、疲勞斷裂案例分析 疲勞斷裂的特征 一、疲勞與斷裂的概念 1、疲勞：金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下發(fā)生的 性能變化稱為疲勞； 2、疲勞斷裂：材料承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時，引起 的局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷的不斷地發(fā)展，使材料的力學(xué) 性能下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)品或材料的完全斷裂，這個過程稱 為疲勞斷裂。也可簡稱為金屬的疲勞。引起疲勞斷裂的應(yīng) 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。 二、疲勞斷裂的分類 1、高周疲勞與低周疲勞 如果作用在零件或構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，破壞 的循環(huán)次數(shù)高于10萬次的疲勞，稱為高周疲勞。高周疲勞。 例如彈

2、簧、傳動軸、緊固件等類產(chǎn)品一般以高周疲 勞見多。 作用在零件構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，破壞的循環(huán)次 數(shù)較低，一般低于1萬次的疲勞，稱為低周疲勞低周疲勞。 例如壓力容器，汽輪機零件的疲勞損壞屬于低周疲 勞 。 2、應(yīng)力和應(yīng)變來分 應(yīng)變疲勞應(yīng)變疲勞高應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)較低，稱為低周 疲勞； 應(yīng)力疲勞應(yīng)力疲勞低應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)較高，稱為高周 疲勞。 復(fù)合疲勞復(fù)合疲勞，但在實際中，往往很難區(qū)分應(yīng)力與應(yīng) 變類型，一般情況下二種類型兼而有之，這樣稱 為復(fù)合疲勞。 3、按照載荷類型分類 彎曲疲勞 扭轉(zhuǎn)疲勞 拉壓疲勞 接觸疲勞 振動疲勞 微動疲勞 三、疲勞斷裂的特征 宏觀宏觀：裂紋源擴展區(qū)瞬斷區(qū)。 裂紋源：表面有凹槽、缺

3、陷，或者應(yīng)力集中的區(qū) 域是產(chǎn)生裂紋源的前提條件。 疲勞擴展區(qū)：斷面較平坦，疲勞擴展與應(yīng)力方向 相垂直，產(chǎn)生明顯疲勞弧線，又稱為海灘紋或貝 紋線。 瞬斷區(qū)：是疲勞裂紋迅速擴展到瞬間斷裂的區(qū)域， 斷口有金屬滑移痕跡，有些產(chǎn)品瞬斷區(qū)有放射性 條紋并具有剪切唇區(qū)。 微觀微觀：疲勞斷裂典型的特征是出現(xiàn)疲勞輝紋。 一些微觀試樣中還會出現(xiàn)解理與準(zhǔn)解理現(xiàn)象（晶 體學(xué)上的名稱，在微觀顯象上出現(xiàn)的小平面）， 以及韌窩等微觀區(qū)域特征。 四、疲勞斷裂的特點 （1）斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒 有明顯的預(yù)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(xiàn)象，危害十分嚴(yán)重。 （2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，

4、往往低于靜載時 屈服強度的應(yīng)力負(fù)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區(qū)域的 組成部分。 案例分析 廣東某摩托車廠一輛摩托車在運行了2000km 后發(fā)生機械故障，經(jīng)拆機檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機曲軸 連桿斷裂。 據(jù)悉該連桿材料為20CrMnTi，表面經(jīng)過滲碳處理。 連桿工作原理見圖1， 連桿的往返運動帶動兩 傳動曲軸轉(zhuǎn)動。 20CrMnTi是合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量0.2%左 右，含錳1%左右，含鈦1%左右。這種 材料一般做軸類零件。要求滲碳。 圖1 1宏觀檢查宏觀檢查 失效連桿件有兩個斷 口在連桿斷裂端的軸承弧 面可見許多與斷口平行的 裂紋圖3(a)； 斷裂

5、端一側(cè)面存在強烈磨 擦痕跡圖3(b)，磨損深 度達0.5mm； 軸承弧面靠近磨擦側(cè)面一 端可見藍灰色的高溫氧化 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 疲勞弧線圖3(d)； 斷口2未見疲勞弧線。 圖2 圖3 2掃描電鏡分析掃描電鏡分析 斷口1在掃描電鏡下顯示疲勞弧線圖4(a)；根據(jù)弧線 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(qū)的細(xì)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(qū)可見疲勞條紋及二次裂紋 圖4(c)；斷口2未見疲勞條紋，只有韌窩，可見斷口1是 最先開始斷裂的斷口，而斷口2是二次斷口。 圖4 3、化學(xué)成分、化學(xué)

6、成分 在連桿身部位取樣，進行化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)分析，結(jié) 果符合GB/T3077-1999 20CrMnTi的化學(xué)成分要求 。 4、結(jié)果分析、結(jié)果分析 綜合上述檢驗結(jié)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(cè)面出現(xiàn)非正常嚴(yán)重磨擦現(xiàn)象，軸承弧面靠近磨擦 面一端出現(xiàn)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(dǎo)致該區(qū)域溫度過熱。 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(qū)域。表面氧化會使裂紋產(chǎn)生的機會增加，同時高溫 提高了蠕變損傷的可能性。另一方面磨擦導(dǎo)致金屬

7、表面粗糙，容 易形成表面應(yīng)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(yīng)力最大的層面上。從連桿運動受 力情況分析，斷口1的斷面所受的拉應(yīng)力最大，容易在此 斷面靠近磨擦面的拐角處形成裂紋源。同時由于該區(qū)域存 在較粗大的狀碳化物，破壞了基體組織的連續(xù)性，加速了 裂紋的形成和擴展，降低了疲勞強度，最終導(dǎo)致了疲勞斷 裂。 連桿滲碳表面的碳化物過大與滲碳工藝不當(dāng)有關(guān)。粗大的 塊狀碳化物主要是由于碳濃度過高造成的，特別容易在工 件尖角處形成，導(dǎo)致零件壽命顯著下降。因此在滲碳過程 中應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕?，以免過高的碳勢引起 工件表面形成粗大的碳化物。 5、結(jié)論、結(jié)論 曲軸連桿斷裂屬疲勞斷裂

8、，引起斷裂的原因是在使用 時連桿受到劇烈磨擦，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中及溫度過高， 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、改進 設(shè)計時減少摩擦處的粗糙度，可以減少應(yīng)力集中，降低零 件的疲勞強度 。同時減少摩擦帶來的高溫，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大與滲碳工藝不 當(dāng)有關(guān)。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度過高造成的， 特別容易在工件尖角處形成，導(dǎo)致零件壽命顯著下降。因 此在滲碳過程中應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕荩悦膺^ 高的碳勢引起工件表面形成粗大的碳化物。 一般難以改變零件的使用條件，需盡量 改善零件設(shè)計，如

9、從表面效應(yīng)著手。只要 防止結(jié)構(gòu)材料與機械零件表面應(yīng)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(yīng)力集中 2、增強表層強度 1、減緩應(yīng)力集中的措施 設(shè)計中要避免出現(xiàn)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 徑足夠大的過渡圓角，以減輕應(yīng)力集中。 因結(jié)構(gòu)上的原因，難以加大過渡圓角的半徑時，可 以在直徑較大的部分軸上開減薄槽或退刀槽。 緊配合的輪轂與軸的配合面邊緣處，有明顯的應(yīng)力 集中。 若在輪轂上開減荷槽，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(yīng)力集中的情況 在角焊縫處，采用坡口焊接，應(yīng)力集中程度要比無 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(gòu)件表面形成預(yù) 壓應(yīng)力層，減弱易引起裂紋的表面拉應(yīng)力，從而