金屬材（cái）料在應力或應變反複作用下發生的性能變化分析（xī）

金屬在應力或應變的反複作用下的性能變化稱為疲勞。當材料受到交變循環應力或應變時，局部結構的變化和內部缺陷的不斷發展使材料的力學性能下（xià）降，最終導致產品或材料的完全斷裂。這個過（guò）程稱為疲勞斷（duàn）裂，或簡稱為金屬疲勞。引起（qǐ）疲勞斷裂的應力一般較（jiào）低，疲勞斷裂的發生往往具有突發性、局部性高、對（duì）各種缺陷敏感等特點。

1號疲勞斷裂分類

1.高周疲勞和低（dī）周疲勞

零件或部件上的低應力水平和超過100，000次失效循環的疲（pí）勞稱為（wéi）高周疲勞。比如彈簧、傳動軸、緊固件等產品普遍存在高周疲勞。

低周（zhōu）疲勞稱為高應力水平、低失效循環次（cì）數的疲勞，一般（bān）小於10000次。比如壓力容器和汽輪機部件（jiàn）的疲勞損傷就屬於低周疲勞。

2.應力（lì）和應變分析

疲勞——高應力、低循環次數，稱為低（dī）周疲勞；

疲勞——低應力、高循環次數，稱為高循環疲勞。

複合型疲勞，但在實（shí）踐中，往往很（hěn）難區分應力和應變類型。一般兩種都有，稱為複合型疲勞（láo）。

3.根據負載（zǎi）類（lèi）型分類

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

2 .疲勞（láo）斷裂的特征

宏觀:裂紋源→擴展區→瞬時破（pò）裂區。

裂紋源:表麵有溝槽、缺陷或應力集中的區域是裂紋源的前（qián）提條件。

疲勞擴展區:橫（héng）截麵平（píng）坦，疲勞擴（kuò）展垂直於受力（lì）方向，產生明顯的疲勞弧，又稱灘線或貝線。

瞬時斷（duàn）裂區:是指（zhǐ）疲（pí）勞裂紋迅速擴展到瞬時斷裂的區域，斷口（kǒu）上有金屬滑移的痕跡，部分產品在瞬時斷（duàn）裂區有放射性條紋和剪（jiǎn）切唇區。

微觀:疲勞斷（duàn）裂的特征是（shì）疲勞條紋。

解（jiě）理和準解理現象(結晶學名稱，顯微圖像中出現的刻麵（miàn）)和微區域特征（zhēng）如韌窩（wō）也會出現在一些顯（xiǎn）微樣品中。

3 .疲勞斷裂（liè）的特征

(1)斷裂發生時無明顯宏觀（guān）塑（sù）性變形，斷裂前無明（míng）顯預兆。往往是突發的，導（dǎo）致機械（xiè）部分損壞或斷（duàn）裂，危害非常嚴重。

(2)引起疲勞斷裂的應力很低，常常低於靜載荷下屈服（fú）強度的應力載荷。

(3)疲勞破壞後（hòu），一（yī）般（bān）在斷（duàn）口處可以清楚地顯示出裂紋的發（fā）生、擴展（zhǎn）和最終斷裂三個區域的成分。

4號案例分析

廣東省某摩托車廠的一輛摩托車，在跑了2000公裏後（hòu）出現機械故障。經拆解檢查，發現發動機曲軸（zhóu）連杆斷裂。

據（jù）悉，連杆材料（liào）為20CrMnTi，表麵滲碳處理。

連杆的工作原理，連杆的往複運動帶動兩根（gēn）傳動（dòng）曲軸（zhóu）轉動。

20CrMnTi是一種合金（jīn）結構鋼，含有大約0.2%的碳、1%的錳和1%的鈦。這種材（cái）料一般用作軸類（lèi）零件，需要滲碳。

1.宏觀（guān）檢查

失效的連杆有兩處斷裂。在連杆斷裂（liè）端的軸承曲麵上可以看到許多平行於斷口的裂紋（wén）。

骨折端一側有強烈摩（mó）擦痕跡，磨損（sǔn）深度0.5mm；

在靠近摩擦側的（de）軸承表麵末端可（kě）以看到藍灰色（sè）的高溫氧化痕跡。

1斷口光滑平整，斷（duàn）口邊緣磨損，中間可見疲勞弧。

斷口上未發現疲勞弧。

2.掃描電子顯微鏡分析

掃描電鏡下斷口呈疲勞弧狀；

根據電弧的（de）走向，可以（yǐ）找到疲勞源。疲勞源位於右上角（jiǎo），局部放大。源區的細組織（zhī）大部分已被磨損，但（dàn）仍（réng）可（kě）見到放射邊緣的（de）特征。

在疲勞擴展區可以（yǐ）看到疲勞（láo）條紋和二次裂（liè）紋（wén）。

在斷（duàn）口2中沒有發現疲勞（láo）條紋，隻有韌窩。可以（yǐ）看出，斷裂1是第一次斷裂，而斷裂2是第二（èr）次斷裂。

3.化學成分

對連杆體的化學成分(質量分數（shù），%)進行取樣（yàng）分析。結果符合（hé）GB/T3077—1999 20CrMnTi的化學成分要求。

4.結果分析

根據（jù）上述檢驗結果，不合格零件的化學成分符合技術要求。

連杆斷端一側發生異常嚴重（chóng）的摩擦，靠近摩擦麵的軸承曲麵端部藍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，連杆和輸出軸之間的摩（mó）擦導致該區域的溫度過熱。

斷口的SEM分析表（biǎo）明，斷口的疲勞裂紋源在氧化膜（mó）附近的拐角處（chù），處於高溫（wēn）區（qū）。表麵氧化會增加開裂的機會，高溫會增加蠕變破壞的可能性。

另一方麵，摩（mó）擦（cā）導致金屬表麵粗糙，容易形成表麵應力集中（zhōng），增加疲勞源的可能性。

斷裂的起點（diǎn）通常出現在具有最大拉伸應力的位置。從連（lián）杆運動的應（yīng）力分析發現，斷（duàn）裂1截麵的拉應力最大，在（zài）該截麵靠近摩（mó）擦麵的拐角處容易形成裂紋源。同（tóng）時（shí），該區域粗大碳化（huà）物的存在破壞了基體組織（zhī）的連續性，加速了裂紋的形成和擴展，降低了疲勞強度，最終導致疲勞斷裂。

連杆滲碳表麵碳化物過（guò）多與滲（shèn）碳（tàn）工藝不當有關。粗大的（de）塊狀碳化物主要是由於碳（tàn）濃度高造成的，特別容易在工件的尖角處形成，導致零件的使（shǐ）用壽（shòu）命顯著降低。

因（yīn）此，在滲（shèn）碳過程中，應注（zhù）意嚴格控製滲碳氣（qì）氛的碳勢，避免碳勢過大而在（zài）工件表麵形成粗大碳化物。

5.結論

曲軸（zhóu）斷裂屬於疲勞斷裂，是（shì）由於連杆在使用中劇烈摩擦，產生局部應力（lì）集中和高溫，降低了材料的（de）疲勞（láo）強度。連杆角部表麵較大的塊狀（zhuàng）碳化物加（jiā）速了裂紋的萌（méng）生和擴展（zhǎn）。

6.改進

在（zài）設計時，降低摩擦的粗糙度可以降低（dī）零件的應（yīng）力集中和疲勞強度。同時降低了摩擦產生（shēng）的高溫，降低了蠕變（biàn）損（sǔn）傷的可能性。

為了改進滲碳工（gōng）藝，連杆滲碳（tàn）表麵碳化物過（guò）多與滲碳工藝不當有（yǒu）關。粗大（dà）的塊狀碳化（huà）物主要是由於碳濃度高造成的，特別容易在工件的尖（jiān）角處形成，導致零（líng）件的使用壽命顯著降低。

因此，在滲碳過（guò）程中，應注意嚴格控（kòng）製滲碳氣氛的碳勢，避免碳勢過大而在工件（jiàn）表麵形（xíng）成粗（cū）大碳化物。

提（tí）高材（cái）料疲勞極限或疲勞強度的方法

一般很難改變零件（jiàn）的使用條件，需要（yào）盡可能改進零件（jiàn）的設（shè）計，比如從表麵（miàn）效果入手。

隻要防止結構材（cái）料和機械零件表麵的應力集中，阻礙位錯滑移積（jī）累，抑製塑性變形（xíng），疲勞裂紋就很難形核（hé）和擴展，從而會提高（gāo）疲勞極限或疲勞強度。

1.減緩應力集中（zhōng）

2.增強（qiáng）表麵強度

1.減（jiǎn）緩應力集中的措施

在設計中（zhōng）避免方形或銳角孔和凹槽。

在橫截麵（miàn）突然變（biàn）化的地方(如階梯軸的軸肩)，應使用足夠大半（bàn）徑的過渡（dù）圓角來減少應力集中。

由於結構（gòu）原因，當增加（jiā）過渡圓角半（bàn）徑有困難時，可以在直徑較大的軸上開一個（gè）減薄（báo）槽或退（tuì）刀槽。

輪轂和軸之間的配合麵邊緣有明顯的應力集中。如果輪轂設置有減載槽，並且軸的裝配部分被加厚以縮（suō）小輪轂和（hé）軸之間的剛度差距，則可以改善（shàn）裝配表麵的邊緣處（chù）的應力集中。

在角焊縫處，與沒有坡口焊接相比，坡口焊接大大改善了應力（lì）集中程（chéng）度。

2.增強表麵強度

用機械方法(如滾壓、噴丸等)強化表層。)在構件表麵形成預應力層，以降低（dī）易產生裂紋的表麵拉應力，從（cóng）而（ér）提高疲勞強度，或采用熱處理和化學處理，如高頻淬火、滲碳、滲氮（dàn）等。

用直徑為0.1~1mm的小鋼球高速衝擊試樣表麵，去除表麵的尖角、毛刺等應力集中處，將表麵壓（yā）縮到鋼球直（zhí）徑的（de）1/4~1/2深（shēn）度，使零件表麵產生殘餘應力，抑製疲勞裂紋的擴展。