第八節(jié) 構(gòu)件的疲勞損壞及預(yù)防

1、重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)掌握的內(nèi)容應(yīng)掌握的內(nèi)容重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院一、構(gòu)件疲勞損壞的概念一、構(gòu)件疲勞損壞的概念1、疲勞、疲勞 應(yīng)力不斷變化而引起的材料逐漸破壞的現(xiàn)象應(yīng)力不斷變化而引起的材料逐漸破壞的現(xiàn)象美國材料試驗協(xié)會定義：材料某一點或某一些點在承受交變應(yīng)力和應(yīng)變條件下，使材料產(chǎn)生局部的永久性的逐步發(fā)展的結(jié)構(gòu)性變化過程，在足夠多的交變次數(shù)后，它可能造成裂紋的積累或材料完全斷裂。疲勞破壞疲勞破壞：材料表面的擦痕、缺陷處在載荷反復(fù)作用下微裂紋逐漸擴(kuò)展，直至剩余的連接材料不足以承受載荷，材料就會斷裂，這種破壞形式稱為疲勞破壞重慶交通大學(xué)重慶交

2、通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因：（1）作用在構(gòu)件上的載荷是交變的（2）構(gòu)件本身的運動是交變的交變應(yīng)力交變應(yīng)力：隨時間作周期性變化的應(yīng)力。隨時間作周期性變化的應(yīng)力。2、交變應(yīng)力、交變應(yīng)力1）交變應(yīng)力產(chǎn)生的原因）交變應(yīng)力產(chǎn)生的原因引起疲勞的基本因素是交變應(yīng)力引起疲勞的基本因素是交變應(yīng)力重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院2）交變應(yīng)力的特征）交變應(yīng)力的特征變幅交變應(yīng)力：最大、最小應(yīng)力在不同時間各不相同等幅交變應(yīng)力：最大、最小應(yīng)力在不同時間相同。一次應(yīng)力循環(huán)：應(yīng)力變化一

3、個周期極限應(yīng)力：應(yīng)力循環(huán)中的代數(shù)值最大的應(yīng)力和代數(shù) 值最小的應(yīng)力重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院msmins smaxs sas sts s應(yīng)力最小值應(yīng)力最小值maxs smins sminmaxa21s ss ss smaxminrs ss sminmaxm21s ss ss s應(yīng)力最大值應(yīng)力最大值平均應(yīng)力平均應(yīng)力(靜應(yīng)力靜應(yīng)力)應(yīng)力幅應(yīng)力幅(動應(yīng)力動應(yīng)力)循環(huán)特征循環(huán)特征基本參量：基本參量：對稱循環(huán)對稱循環(huán)1 0 1 minmaxs ss s0maxs sminmaxs ss s脈動循環(huán)脈動循環(huán)靜應(yīng)力循環(huán)靜應(yīng)力循環(huán)重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（1 1

4、）對稱循環(huán)）對稱循環(huán)非對稱循環(huán)非對稱循環(huán)maxsminmax1rss 交變應(yīng)力的 和 大小相等，符號相反。minsamaxminsssm0s除對稱循環(huán)外，其余情況為非對稱循環(huán)maxmasssminmasssminmaxrsstominsasasmaxs重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院交變應(yīng)力變動于某一應(yīng)力與零之間（2 2）脈動循環(huán)）脈動循環(huán)maxmaxss或min0smaxam2sss0r max0sminmaxssminam2sssr （3 3）靜載荷）靜載荷不隨時間變化或隨時間變化緩慢的載荷maxminmsssa0s1r oasmaxsoasmaxsmins重慶交通大學(xué)重

5、慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院3 3、材料的持久極限、材料的持久極限疲勞試驗測定材料疲勞強度指標(biāo)，以對稱循環(huán)下測定為例疲勞試驗機如圖標(biāo)準(zhǔn)試件：每組810光滑試件持久極限經(jīng)過無窮多次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力值，又稱疲勞極限 表示，r表示循環(huán)特征rs重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院材料在交變應(yīng)力作用下，抵抗其破壞的能力用材料材料在交變應(yīng)力作用下，抵抗其破壞的能力用材料的的持久極限持久極限或或疲勞極限疲勞極限衡量，用衡量，用r 表示。表示。持久極限與材料種類、變形形式、應(yīng)力循環(huán)形式（對稱循環(huán)的持久極限最?。╈o載荷作用下的材料的強度指標(biāo)：屈服極限、強度極限屈服極限、強度極

6、限重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院4、材料的持久極限與強度極限的近似關(guān)系、材料的持久極限與強度極限的近似關(guān)系1）不同材料有不同的持久極限2）不同的應(yīng)力循環(huán)有不同的持久極限3）不同的變形形式有不同的持久極限對稱循環(huán)下有色金屬的持久極限和強度極限的關(guān)系：對稱循環(huán)下有色金屬的持久極限和強度極限的關(guān)系：bss)5 . 025. 0(1重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院二、構(gòu)件疲勞損壞的機理二、構(gòu)件疲勞損壞的機理經(jīng)典理論：經(jīng)典理論：交變應(yīng)力作用下，原子晶格發(fā)生剪切與滑移形成滑移帶。隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，滑移帶延伸，出現(xiàn)初始裂紋。金屬晶粒的邊界以及夾雜物與金屬相交界處，由于

7、強度較低而可能是初始的裂紋源。疲勞理論：疲勞理論：由于位錯運動形成初始的疲勞裂紋，在應(yīng)力集中和交變應(yīng)力作用下，微裂紋不斷擴(kuò)展、相互貫通，形成較大的裂紋。經(jīng)過若干次應(yīng)力循環(huán)后，形成尖銳的“切口”重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 目前對疲勞破壞過程的一般解釋：目前對疲勞破壞過程的一般解釋： 當(dāng)交變應(yīng)力的大小超過某一數(shù)值時，經(jīng)過多次循環(huán)后，在構(gòu)件中應(yīng)力最大處或材料有缺陷的地方，首先產(chǎn)生了很細(xì)微的裂紋，這就是裂紋的起源裂紋源。 重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 裂紋的尖端有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力作用下，使裂紋不斷擴(kuò)大；同時，裂紋兩邊的材料時而張開，時而壓緊，發(fā)生

8、擠壓和研磨的作用，形成斷口的光滑區(qū)域。 另一方面，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，有效截面面積不斷減小，當(dāng)截面削弱到一定程度再也承受不了應(yīng)力時，構(gòu)件發(fā)生突然斷裂，形成斷口的粗糙顆粒狀區(qū)域。 因此，在交變應(yīng)力作用下構(gòu)件的疲勞破壞，實質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和最后斷裂的全過實質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和最后斷裂的全過程。程。 重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院粗糙區(qū)粗糙區(qū)光滑區(qū)光滑區(qū)裂紋源裂紋源重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院其主要特點是：其主要特點是：（1） 交變應(yīng)力下材料發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力，一般低于靜荷載作用的強度極限，有時甚至低于屈服極限。（2） 無論是脆性材料還是塑性材料

9、，在交變應(yīng)力作用下，均表現(xiàn)為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。（3）材料的疲勞破壞有一個過程，構(gòu)件需要經(jīng)過若干次應(yīng)力循環(huán)后才會發(fā)生突然斷裂。（4） 材料發(fā)生破壞時，交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān)，應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越少。 重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（5） 斷裂面上有裂紋的起源點和兩個明顯不同的區(qū)域，即光滑區(qū)域和粗糙區(qū)域，光滑區(qū)粗糙區(qū)重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院四、構(gòu)件疲勞損壞的判據(jù)四、構(gòu)件疲勞損壞的判據(jù)1、構(gòu)件受到交變應(yīng)力的作用2、斷裂處沒有明顯的殘余變形3、端口處具有明顯的光滑區(qū)和粗糙區(qū)以上三個條件必須同時存在，才能判定一個以上三個條件必須同時存

10、在，才能判定一個構(gòu)件的破壞為疲勞破壞構(gòu)件的破壞為疲勞破壞重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院1）影響持久極限的主要因素影響持久極限的主要因素（1 1）構(gòu)件外形的影響）構(gòu)件外形的影響構(gòu)件鉆孔、開槽、切削螺紋等截面急劇變化的地方構(gòu)件鉆孔、開槽、切削螺紋等截面急劇變化的地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中。易產(chǎn)生應(yīng)力集中。（2 2）構(gòu)件尺寸的影響）構(gòu)件尺寸的影響大尺寸的構(gòu)件比小尺寸的構(gòu)件持久極限要低大尺寸的構(gòu)件比小尺寸的構(gòu)件持久極限要低主要原因：主要原因：五、構(gòu)件疲勞損壞的預(yù)防措施五、構(gòu)件疲勞損壞的預(yù)防措施1、構(gòu)件的持久極限、構(gòu)件的持久極限構(gòu)件的持久極限遠(yuǎn)小于材料的持久極限。構(gòu)件的持久極限與材料的持久極

11、限、構(gòu)件的形狀、尺寸、表面狀況等因素有關(guān)。5r 重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（A）尺寸越大，構(gòu)件內(nèi)部所包含的雜質(zhì)、缺陷越多，疲勞裂紋越易產(chǎn)生（B）大尺寸零件的表面積和表層體積都比較大，而裂紋源一般都在表面或表層下，所以尺寸越大，形成疲勞源的概率越大。（C）應(yīng)力梯度的影響，若尺寸不同的兩構(gòu)件的最大應(yīng)力相同，則在相同的表層厚度內(nèi)，大尺寸構(gòu)件的材料所承受的平均應(yīng)力要高于小構(gòu)件，因此有利于初始裂紋的形成和發(fā)展。（3）構(gòu)件表面質(zhì)量的影響）構(gòu)件表面質(zhì)量的影響構(gòu)件表面質(zhì)量越低，持久極限也降低構(gòu)件表面加工的精度越高，抗疲勞能力越強。f50f40重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技

12、術(shù)學(xué)院2）構(gòu)件的持久極限）構(gòu)件的持久極限111101ssssssss量系數(shù)，考慮表面質(zhì)量的表面質(zhì)數(shù)，考慮尺寸影響的尺寸系有效應(yīng)力集中系數(shù)；也就是應(yīng)力集中影響的考慮構(gòu)件外形的影響，KKK構(gòu)件的持久極限總是小于材料的持久極限構(gòu)件的持久極限總是小于材料的持久極限重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院2、對稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強度、對稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞強度1max011ssss：構(gòu)件的疲勞強度條件為為規(guī)定的安全系數(shù)，式中：nn重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院3、提高、提高疲勞強度的措施疲勞強度的措施1）合理選擇構(gòu)件材料）合理選擇構(gòu)件材料結(jié)構(gòu)鋼含碳量越高，或通過提高淬透性和改

13、善組織來提高疲勞強度；細(xì)化晶粒、獲得下貝氏體及回火馬氏體也可以提高疲勞強度2）合理設(shè)計構(gòu)件，減緩應(yīng)力集中）合理設(shè)計構(gòu)件，減緩應(yīng)力集中盡量避免尖角、缺口、截面突變適當(dāng)增大截面突變處的過渡圓角及其它有利于緩和應(yīng)力集中的措施，可以提高構(gòu)件的疲勞強度。另注意構(gòu)件的尺寸重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院3）降低構(gòu)件的表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)量）降低構(gòu)件的表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)量盡量提高構(gòu)件表面光潔度，盡量減少表面缺陷（氧化、脫碳、裂紋和夾雜），避免構(gòu)件表面的加工損傷（刀痕、磨痕和擦傷）及其它機械損傷和化學(xué)腐蝕。對于高強度鋼高強度鋼必須妥善保護(hù)，防止碰傷，并盡量提高表面光潔度對于鑄鐵

14、材料鑄鐵材料，沒有必要提高表面光潔度重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院4）采用各種表面強化處理，提高構(gòu)件的表面）采用各種表面強化處理，提高構(gòu)件的表面強度強度表面熱處理和化學(xué)處理（如表面高頻淬火、滲碳、滲氮和氰化），冷壓機械加工（如表面滾壓和噴丸處理等），這些表面強化工藝有二個方面的作用（1）使構(gòu)件表面的疲勞強度提高（2）在材料表面層中形成一定深度的殘余壓應(yīng)力，這部分壓應(yīng)力在構(gòu)件工作時可以抵消部分拉應(yīng)力，使構(gòu)件實際承受的拉應(yīng)力降低，抑制疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，提高了疲勞強度。重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院4、不同形式疲勞提高疲勞強度的措施、不同形式疲勞提高疲勞強

15、度的措施高周疲勞的疲勞強度取決于材料的強度低周疲勞的疲勞強度取決于材料的塑性和韌性1）低周疲勞）低周疲勞循環(huán)周次一般102105滿足強度的條件下提高材料的塑性，不能一味的提高材料的強度表面強化對提高低周疲勞強度效果不明顯重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院2）熱疲勞）熱疲勞提高熱疲勞的主要途徑：（1）降低材料的線膨脹系數(shù)（2）提高材料的塑性、韌性和高溫強度（3）提高材料的導(dǎo)熱性（4）盡量避免構(gòu)件工作時的應(yīng)力集中重慶交通大學(xué)重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院3）沖擊疲勞）沖擊疲勞沖擊能量低時，提高材料的強度沖擊能量高時，提高材料的塑性和韌性4）接觸疲勞（齒輪）接觸疲勞（齒輪）接觸疲勞的破壞形式主要有：麻點剝落（點蝕）、淺層剝落、深層剝落提高接觸疲勞強度的主要途徑：（1）盡可能減少材料中的非金屬夾雜物（2）獲得適當(dāng)?shù)男牟坑捕群捅韺佑捕龋m當(dāng)加大強化層深度。（3）使表面強化