疲劳断裂：原因与预防策略

金属零件经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的断裂现象,称为疲劳断裂。机械零件使用中的断裂有80%是由疲劳引起的。

(1）疲劳断裂的机理

一般疲劳断裂过程经历了三个阶段,即疲劳裂纹萌生阶段、疲劳裂纹扩展阶段和最终瞬断阶段。 各阶段的形成与变化机理如下:

1)疲劳裂纹萌生阶段

在交变载荷作用下,材料表层局部发生塑性变形而产生滑移,出现滑移线或滑移带,滑移积累以后,在表面形成微观挤入槽与挤出峰,如图4.5 所示。 峰底处应力高度集中,极易形成微裂纹(即疲劳断裂源),也称为“疲劳核心”。

图4.5　在滑移带产生的缺口峰

2)疲劳裂纹扩展阶段

疲劳裂纹的扩展一般分为两个阶段:第一阶段称切向扩展阶段,即在循环应力的反复作用下,表面裂纹沿最大应力方向的滑动面向零件内部逐渐扩展,因最初的滑移是由最大切应力引起的,故挤入槽与挤出峰原始裂纹源均与拉伸应力呈±45°方向扩展;第二个阶段称正向扩展阶段,此阶段裂纹的扩展方向改变为与正应力相垂直的方向,这一阶段也称疲劳裂纹的亚临界扩展。

3)最终瞬断阶段

当裂纹在零件上扩展深度达到一定值(临界尺寸),零件残余断面不能承受其载荷(即断面应力大于或等于断面的临界应力)时,裂纹由稳态扩展转化为失稳态扩展,整个断面的残余面积便会在瞬间断裂,此阶段也称为疲劳裂纹的临界扩展。

根据断裂前应力循环次数的多少,疲劳断裂可分为高周疲劳和低周疲劳。 高周疲劳是指断裂前所经历的应力循环次数在105 以上,而承受的应力则低于材料的屈服强度,甚至低于弹性极限状态下发生的疲劳。 显然,这是一种常见的疲劳破坏,如轴、弹簧等零部件的失效,一般均属于高周疲劳破坏。 当零部件断裂前经历的循环次数在102 ～105 时,称为低周疲劳。低周疲劳的零部件,一般承受的循环应力较高,接近或超过材料的屈服强度,因而使得每一次应力循环都有少量的塑性变形产生,从而缩短了零部件寿命。(www.xing528.com)

(2）疲劳断裂的断口分析

典型的疲劳断口按照断裂过程有三个形貌不同的区域:疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区,如图4.6 所示。

图4.6　疲劳断口示意图

1)疲劳核心区

疲劳核心区是疲劳断裂的源区,用肉眼或低倍放大镜就能找出断口上疲劳核心位置,它一般出现在强度最低、应力最高、靠近表面的部位。 如果材料内部有缺陷,这个疲劳核心也可能在缺陷处产生,如承受弯扭载荷的零件,表面应力最高,一般疲劳核心在表面;如果表面经过了强化处理(滚压、喷丸等),则疲劳裂纹可移至表层以下。

零件在加工、储运、装配过程中留下的伤痕,极有可能成为疲劳核心,因为这些伤痕既有应力集中,又容易被空气及其他介质腐蚀损伤。 疲劳核心的数目与载荷大小有关,特别是对旋转弯曲和扭转交变载荷作用(单向弯曲)下的断口,疲劳核心的数目随着载荷的增大而增多,可能会出现两个或两个以上的疲劳核心。

2)疲劳裂纹扩展区

疲劳裂纹扩展区是断口上最重要的特征区,常呈贝纹状或类似于海滩波纹状,每一条纹线标志着载荷变化(如机器开动或停止)时裂纹扩展一次所留下的痕迹。 这些绞线以疲劳核心为中心向四周推进,与裂纹扩展方向垂直。 疲劳断口上的裂纹扩展区越光滑,说明零件在断裂前经历的载荷循环次数越多,接近瞬断区的贝纹线越密,说明载荷值越小。 如果这一区域比较粗糙,表明裂纹扩展速度快,载荷比较大。

3)瞬时断裂区

瞬时断裂区简称瞬断区(或静断区)。 它是当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时发生快速断裂形成的破断区域。 它的宏观特征与静载拉伸断口中快速破断的放射区及剪切唇相同。 瞬时断裂区的位置和大小与承受的载荷有关,载荷越大,则最终破断区越靠近断面的中间,破断区的面积越小,则说明零件承受的载荷越小。