金屬在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下的性能變化稱為疲勞。當(dāng)材料受到交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，局部結(jié)構(gòu)的變化和內(nèi)部缺陷的不斷發(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(gè)過程稱為疲勞斷裂，或簡稱為金屬疲勞。引起疲勞斷裂的應(yīng)力一般較低，疲勞斷裂的發(fā)生往往具有突發(fā)性、局部性高、對(duì)各種缺陷敏感等特點(diǎn)。

1號(hào)疲勞斷裂分類

1.高周疲勞和低周疲勞

零件或部件上的低應(yīng)力水平和超過100，000次失效循環(huán)的疲勞稱為高周疲勞。比如彈簧、傳動(dòng)軸、緊固件等產(chǎn)品普遍存在高周疲勞。

低周疲勞稱為高應(yīng)力水平、低失效循環(huán)次數(shù)的疲勞，一般小于10000次。比如壓力容器和汽輪機(jī)部件的疲勞損傷就屬于低周疲勞。

2.應(yīng)力和應(yīng)變分析

疲勞——高應(yīng)力、低循環(huán)次數(shù)，稱為低周疲勞；

疲勞——低應(yīng)力、高循環(huán)次數(shù)，稱為高循環(huán)疲勞。

復(fù)合型疲勞，但在實(shí)踐中，往往很難區(qū)分應(yīng)力和應(yīng)變類型。一般兩種都有，稱為復(fù)合型疲勞。

3.根據(jù)負(fù)載類型分類

彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉伸和壓縮疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞和微動(dòng)疲勞。

2 .疲勞斷裂的特征

宏觀:裂紋源→擴(kuò)展區(qū)→瞬時(shí)破裂區(qū)。

裂紋源:表面有溝槽、缺陷或應(yīng)力集中的區(qū)域是裂紋源的前提條件。

疲勞擴(kuò)展區(qū):橫截面平坦，疲勞擴(kuò)展垂直于受力方向，產(chǎn)生明顯的疲勞弧，又稱灘線或貝線。

瞬時(shí)斷裂區(qū):是指疲勞裂紋迅速擴(kuò)展到瞬時(shí)斷裂的區(qū)域，斷口上有金屬滑移的痕跡，部分產(chǎn)品在瞬時(shí)斷裂區(qū)有放射性條紋和剪切唇區(qū)。

微觀:疲勞斷裂的特征是疲勞條紋。

解理和準(zhǔn)解理現(xiàn)象(結(jié)晶學(xué)名稱，顯微圖像中出現(xiàn)的刻面)和微區(qū)域特征如韌窩也會(huì)出現(xiàn)在一些顯微樣品中。

3 .疲勞斷裂的特征

(1)斷裂發(fā)生時(shí)無明顯宏觀塑性變形，斷裂前無明顯預(yù)兆。往往是突發(fā)的，導(dǎo)致機(jī)械部分損壞或斷裂，危害非常嚴(yán)重。

(2)引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載荷下屈服強(qiáng)度的應(yīng)力載荷。

(3)疲勞破壞后，一般在斷口處可以清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)區(qū)域的成分。

4號(hào)案例分析

廣東省某摩托車廠的一輛摩托車，在跑了2000公里后出現(xiàn)機(jī)械故障。經(jīng)拆解檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿斷裂。

據(jù)悉，連桿材料為20CrMnTi，表面滲碳處理。

連桿的工作原理，連桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)兩根傳動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

20CrMnTi是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，含有大約0.2%的碳、1%的錳和1%的鈦。這種材料一般用作軸類零件，需要滲碳。

1.宏觀檢查

失效的連桿有兩處斷裂。在連桿斷裂端的軸承曲面上可以看到許多平行于斷口的裂紋。

骨折端一側(cè)有強(qiáng)烈摩擦痕跡，磨損深度0.5mm；

在靠近摩擦側(cè)的軸承表面末端可以看到藍(lán)灰色的高溫氧化痕跡。

1斷口光滑平整，斷口邊緣磨損，中間可見疲勞弧。

斷口上未發(fā)現(xiàn)疲勞弧。

2.掃描電子顯微鏡分析

掃描電鏡下斷口呈疲勞弧狀；

根據(jù)電弧的走向，可以找到疲勞源。疲勞源位于右上角，局部放大。源區(qū)的細(xì)組織大部分已被磨損，但仍可見到放射邊緣的特征。

在疲勞擴(kuò)展區(qū)可以看到疲勞條紋和二次裂紋。

在斷口2中沒有發(fā)現(xiàn)疲勞條紋，只有韌窩?？梢钥闯?，斷裂1是第一次斷裂，而斷裂2是第二次斷裂。

3.化學(xué)成分

對(duì)連桿體的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)進(jìn)行取樣分析。結(jié)果符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化學(xué)成分要求。

4.結(jié)果分析

根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果，不合格零件的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

連桿斷端一側(cè)發(fā)生異常嚴(yán)重的摩擦，靠近摩擦面的軸承曲面端部藍(lán)灰色氧化膜是黑色氧化鐵(Fe3O4)和紅色氧化鐵(Fe2O3)的混合物，其形成溫度在400℃以上。它表明，連桿和輸出軸之間的摩擦導(dǎo)致該區(qū)域的溫度過熱。

斷口的SEM分析表明，斷口的疲勞裂紋源在氧化膜附近的拐角處，處于高溫區(qū)。表面氧化會(huì)增加開裂的機(jī)會(huì)，高溫會(huì)增加蠕變破壞的可能性。

另一方面，摩擦導(dǎo)致金屬表面粗糙，容易形成表面應(yīng)力集中，增加疲勞源的可能性。

斷裂的起點(diǎn)通常出現(xiàn)在具有最大拉伸應(yīng)力的位置。從連桿運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，斷裂1截面的拉應(yīng)力最大，在該截面靠近摩擦面的拐角處容易形成裂紋源。同時(shí)，該區(qū)域粗大碳化物的存在破壞了基體組織的連續(xù)性，加速了裂紋的形成和擴(kuò)展，降低了疲勞強(qiáng)度，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

連桿滲碳表面碳化物過多與滲碳工藝不當(dāng)有關(guān)。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度高造成的，特別容易在工件的尖角處形成，導(dǎo)致零件的使用壽命顯著降低。

因此，在滲碳過程中，應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕?shì)，避免碳勢(shì)過大而在工件表面形成粗大碳化物。

5.結(jié)論

曲軸斷裂屬于疲勞斷裂，是由于連桿在使用中劇烈摩擦，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中和高溫，降低了材料的疲勞強(qiáng)度。連桿角部表面較大的塊狀碳化物加速了裂紋的萌生和擴(kuò)展。

6.改進(jìn)

在設(shè)計(jì)時(shí)，降低摩擦的粗糙度可以降低零件的應(yīng)力集中和疲勞強(qiáng)度。同時(shí)降低了摩擦產(chǎn)生的高溫，降低了蠕變損傷的可能性。

為了改進(jìn)滲碳工藝，連桿滲碳表面碳化物過多與滲碳工藝不當(dāng)有關(guān)。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度高造成的，特別容易在工件的尖角處形成，導(dǎo)致零件的使用壽命顯著降低。

因此，在滲碳過程中，應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕?shì)，避免碳勢(shì)過大而在工件表面形成粗大碳化物。

提高材料疲勞極限或疲勞強(qiáng)度的方法

一般很難改變零件的使用條件，需要盡可能改進(jìn)零件的設(shè)計(jì)，比如從表面效果入手。

只要防止結(jié)構(gòu)材料和機(jī)械零件表面的應(yīng)力集中，阻礙位錯(cuò)滑移積累，抑制塑性變形，疲勞裂紋就很難形核和擴(kuò)展，從而會(huì)提高疲勞極限或疲勞強(qiáng)度。

1.減緩應(yīng)力集中

2.增強(qiáng)表面強(qiáng)度

1.減緩應(yīng)力集中的措施

在設(shè)計(jì)中避免方形或銳角孔和凹槽。

在橫截面突然變化的地方(如階梯軸的軸肩)，應(yīng)使用足夠大半徑的過渡圓角來減少應(yīng)力集中。

由于結(jié)構(gòu)原因，當(dāng)增加過渡圓角半徑有困難時(shí)，可以在直徑較大的軸上開一個(gè)減薄槽或退刀槽。

輪轂和軸之間的配合面邊緣有明顯的應(yīng)力集中。如果輪轂設(shè)置有減載槽，并且軸的裝配部分被加厚以縮小輪轂和軸之間的剛度差距，則可以改善裝配表面的邊緣處的應(yīng)力集中。

在角焊縫處，與沒有坡口焊接相比，坡口焊接大大改善了應(yīng)力集中程度。

2.增強(qiáng)表面強(qiáng)度

用機(jī)械方法(如滾壓、噴丸等)強(qiáng)化表層。)在構(gòu)件表面形成預(yù)應(yīng)力層，以降低易產(chǎn)生裂紋的表面拉應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度，或采用熱處理和化學(xué)處理，如高頻淬火、滲碳、滲氮等。

用直徑為0.1~1mm的小鋼球高速?zèng)_擊試樣表面，去除表面的尖角、毛刺等應(yīng)力集中處，將表面壓縮到鋼球直徑的1/4~1/2深度，使零件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展。