彈簧的疲勞強度,壽命預測與損傷容限

1、| 維普資訊 h ttp:/廠十.十+ - * 尊1工藝工叢,#| 維普資訊 h ttp:/彈簧的疲勞強度、壽命預測與損傷容限天津大學材料科學與工程系 蘇德達U摘要TH防札無主姿討論了彈長我勞強度、繪勞弄命及其衫響阻素*我蒂斷裂是疲帝靈扯萌生、擴麗的曲熊姑凝。疫勞券命一艇色括羲勞顯扯萌主壽命機裂撫擴展存命兩部令，疑君尋致斷裂以斷製力 da/JN-AK方程傘預測彈餐的就勞奉命.重點分析了彈籍主產(chǎn)過程中的播旃容限避后提出了一些廷壽扯術措施*0覦詞 奩蒂強廃券命預冊福飭舞限廷壽披術一1 #| 維普資訊 h ttp:/#| 維普資訊 h ttp:/1引言彈簧或彈性元件是相當重要的基礎件由于它 有許多可

2、琦的持殊性能柱汽車、拖拉機儀器儀表 及輕紡機械中獲得廣迂應用有些重要彈簧在T 作過程中一旦發(fā)主疲勞斷裂爭故可能造成重大經(jīng) 祥損矢.甚至是機敗人亡的嚴重后果。為了保證構件或整機運轉(zhuǎn)時抵全可靠,對一些 非常瑩要的彈竇要求很長的使用壽命，或昔說其失 效珞極低a例輸汽車彈後的夫效率要求在12 R /百萬.所以.預測彈番的疲勞壽命尋求延壽技 術始終是工程界追求的一頊長期的戰(zhàn)略任.務*它具 有探遠的技術經(jīng)濟意文，彈簧使用菇命氏或可寡度大足與系列因素 右羌即與設計平*村質(zhì)*制造工藝水平及僅用工 況竽密切相關"和國外先進水平相比'我國目前彈 簧的便用壽師要低幾倍到JL 1倍（即先致率要高幾

3、倍到十幾倍兒 為了改變這種狀況*主要應從提高 對產(chǎn)品質(zhì)it水平的認識入手-主產(chǎn)中要加強全面質(zhì) 疑管理，從設計到材質(zhì)選擇.從各逍制適丁一序到質(zhì) 量檢測技術，從產(chǎn)品捎售到用戶信息反慣，處處嚴 箱把關，從苦種失效事故中找到影響彈竇壽命的 上、次要原因提岀改進或預防的有效技術措施。 另一方1ST要深人分析和研究疲勞斷舉機理.從彈 贊的表面到材料內(nèi)部.從宏觀到遨觀.定性宦量地 了解應挺制的主要參數(shù)級其中-要理論問題* 就是應用斷裂力學來君待彈斎表甌及內(nèi)部存住的 各種損傷*它的危害性芋從裂紋的前生與擴展來理 解疲勞斷裂過程提出對彈簧或材料中允許存在的 播傷客限，從而為提高彈簧產(chǎn)品質(zhì)量及延托具便用 君命拒出

4、努力的方向.2彈竇（材料的疲勞曹度與疲勞壽命僉所周知、疲勞斷裂是彈簧夬效的主要模式、 嵐訃，它約占斷裂失效的30-0%,為了提高它 的侵勞壽誦.從根本上來說*就是要不斷提高彈簧 I材料的疲勞強度通常用疲勞極限的高低來表示 廬勞性能的好壞.為了評估禪贊（材料）疲勞性能的好壞和壽命 高低*比鞍普遍的做法就是針對具怵的彈簧【材料 進行大量的疲勞試驗繪出相應的S-N曲線簇） 或P-S-N曲線$如采用半對數(shù)坐標、這些SN 曲絞一艇分成兩部分，即有限寺命、向右下傾斜的 直線段利無限奪命的水平線段，前者由直緘的斜字 能反映疲勞損傷的嚴重程度，后音可利定疲勞極眼 的高低S-N曲線只是增加破壞機事（廠的 誓慮，

5、例如P為10%，別及00%的三條S 曲線可供選擇"為了更苻合彈賛工作時實際的受力狀況或梭 擬乞門彈賞的霍際工況*采用crJ平均應丈） 或嘰一嘰為坐標繪制疲勞圖，這種圏一冊稱為 Goodman 利用這些曲線或圈都可以判斷不 同材料或彈竇疲勞強度的高低。目前已知的試驗規(guī)律有：U）不同材斜種類有不同的疲勞援限.材蚪 的靜強度（、%、HRC零越高*則武疲勞擾限越 高*兩者有良好的線性關系；材料的純凈度越高'材 斛中夾雜物質(zhì)點越細、勻.圓時.則耳疲勞壽命越 材料的晶粒度和顯啟組織越就細.則具疲勞強 度越好"<2）彈簧材料、的表面質(zhì)最越好即表面粗 曬度小、無表血徴裂紋或類

6、裂紋等兒 其疲勞極限 越高，表面脫碳將顯著降低其疲勞性能；如在彈賛 的表面層引入有益的我余壓應力T將顯著提高艮疲 勞尊命._L況茶件苛刻如應力幅過高、環(huán)境膽竝 性強或溫度過髙等將降低弾簧的使用耆命"U）油回火低合金鋼絲比碳素鋼絲制篝有較 高疲勞壽命*形變熱處理鋼絲的疲勞性餡優(yōu)于普 通油回火鋼絲簧5） 超細晶JtASTMll級以上）油回火鋼絲 有更高的6和屈強比（/。話和通用油回火鋼絲 卷制的董比較時，前者有更高的疲勞壽瀟.<越彈簧表面經(jīng)適當?shù)膰娡杼幚砗蟊任磭娋?者具有更氏的疲勞壽命（心 油回火鋼絲比冷拔硬鋼魚或琴鋼絲繞制 的饋有較高的疲勞薦命和抗應力松馳性能©各 彈賀

7、玻勞壽命預測與損傷容限預測或估算弾箕的疲勞壽謝不是-件容易的 班情尤取是要精確計算則更為困難。最常用的方 法是通過大蜀工程性實驗來琴袪或驗證彈簧的便 用奇命是否能達到設計要求，使梵光效率降低到允 許的程度"從理論上預消或估算鼻贊的疲勞壽命. 早期依據(jù)Miner* M. A的累積疲勞損怖線性方程 匚或用其它參考賽料冋，Miner- M . A是理如下式：它是一個近似表迖式。認為彈董在SN曲線 上任一應力幅F所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)"由此引起 的疲勞損傷度與該循環(huán)數(shù)叫在硏F境生斷裂時的 N|的比值w/WJ成正比若已知 g_i-N,_r 則可根據(jù)d）式算出叫即K nl-lBquin的疲勞

8、壽命與應力振幅之間的關系 式是依據(jù)用雙對數(shù)坐標繪出的曲線上有限 尉命部分為一淅斜的直線該方程；lg 忖十 ml#<j = L£C或dN=C'式中m為直線的斜率為常數(shù)經(jīng)燈一D級加載后的剩余壽命5?。?n* = N| i N： < Mz <i I °廠'】?？?1*上述兩種預測壽命的方忠都是從實踐中導出 的*它考慮了疲勞損傷過程的積累但沒有和裂紋、 缺陷的存在及具尺寸大小的影響聯(lián)系起來”故有它 的局限性。隨著科學的進歩利研究方法的發(fā)展和 S闖曲線相類似，疲勞裂紋擴展速率（dfi/dNJ 應力強度因子扳幅也K >關系曲線亦已大就測 出.由

9、這些曲線可獲得兩牛重要數(shù)據(jù)匸一亍泉瘻勞 裂紋擴展的門檻值（AKth 一個>da/dN,彈 簧的磯勞壽命為裂紋萌生壽命與裂紋曠展春命兩 部分之和，則可根據(jù)Faria公式*da/dW -A <AK）"IQ）拈算其疲勞壽命*式中A. n是決楚于材料的 常數(shù)細一般為24*眾所周知，彈簧并非那么理想.在體表面和內(nèi) 部總是有這樣那樣的缺陷+例如各種形態(tài)的表面損 傷、裂紋或類裂紋，內(nèi)部存在尺寸較大的夾雜物"施 性第二相和組織翹大專?？梢哉J為*和大多數(shù)工程 構件一樣彈簧世是裂紋體.對于裂紋體的應力分 析和損曲容限”必須進行認真研究。由斷裂力學可知"應力帽和裂紋尺寸存在

10、如下 關系式*AK =Yg/ na（6）式中t14|維普贄訊 nu:p:/空一裂紋形狀因子M應力振幅3 一裂紋氏度則彈簧的有效薦命A fAK> n I *血 J v ccfV式中；g從饑擴,展到業(yè)時的毒命; 花一初始裂紋尺寸 叫一臨界裂紋尺寸Furman的倏正公式為12 r> Kc AK -|式中：1 =%“/嘰、f應力比IK村斡的斷裂討性上述公式中.如已知nJ、恥等.就町求得 Nr<rk 2°苛于在高應力與高頻率等條件下工作的閥門 彈簽、上述公式中昂工要的琴數(shù)圧嘰和應力幅逍 （右八曲3K訓值“為了保證它工作時安全可靠使 用壽命（嘰或闖J長*力求其表面或內(nèi)部有最小的

11、 a .最高的Km即與紋不場在自也表面【表層、萌 主，戌者雖育鍛裂紋、工作時iK應小于AKlh.不 辻裂汶擴展=但是*自然萌生裂紋尺寸一般在1 ligm數(shù)就緇，它相當于金屬材料中非金屬奕雜 功戒第二相斷點的弋寸.而彈贄制造工藝過程中 芾來的某些損傷（或缺陷幾我尺寸要大幾級 （Inimi.立釘便成了“天然”的疲勞源.這將顯苦 降低彈黃的便用存命.疲勞裂純的擴展一般分為 三階段對于高述、高應力運轉(zhuǎn)的閥門彈番來說.因為第IT、皿階段時.dti zdN 我快（心1曠： 1C_: 】nm/vycL3、聽占的堿勞壽命白分數(shù)彳艮小*故 H考慮疲勞裂紋擴展的第t階段.即只考慮亦 位 錯亞結(jié)掏徒展岳的裂紋萌生過

12、程此階段的力, dN很<1、（/cycle' （卻占有絕大 部分409Q?的彈簧疲勞壽命。據(jù)詵料-介紹瑞典«inptiytran師黃分廠汽門 彈黃年看的夫效率為1H/百萬.而二汽標準 件廠90年斷裂失效率為23件/百萬°找國弋門彈 簽失效率最低為汕件/白萬。這表明我國汽門普 的斷裂奘效率遠高于國外先進水平"對于某些廠宋 不進行表面探傷“不進行疲勞式超的彈簧.其棗效 率還要商得廠 據(jù)統(tǒng)計二汽不同年份主產(chǎn)的弾資 總量中裂紋深度超過10ti者分別為,9年為人7 %*恥年為6. 7? ,91年【但5個月為 W 這表 明有嚴重裂紋的彈簧比率還是相當高的。如前所

13、 述仏控制在-10p以內(nèi).很顯然我國生產(chǎn)的氣門 簧的疲勞壽命比國際先進水平短潯多、這可以從理 論上證明 曲.如果把肌由1皿 擴大£由于各種原 因）到lrrim （1 OOOp.）設最終裂紋擴展都是10m m, 訃算兩者的昔命比CMO/LNlOOO分別為35 = 2 時 1 ifn = 3時）*1115 = 1時打 由此可電"禪董 疲勞奇命縮短了幾倍到兩卜數(shù)址級。所PUrlim或 控制足非常車要的任務。%值-般由無扭檢測CNDEi.即用超禹波或 渦流探傷等方法測迫*柜靈議度很高時方能顯示 出忙牛微米級（甚至-Jun：的缺陷<M<th可機del /dN K曲般中直接

14、測出 影響它的主要因索有：材料的顯徴組織、應力比叩 及腐蝕環(huán)境爭。細化晶魏尺寸使AKrh升高、村料 的強度越高.則要求損怖容限兄寸就越?。簉煙志 時AKth下降；工作環(huán)境的腐蝕性增強導藏 AKth降低.4 預防疲勞斷裂失效的技術措施L 1改變設計思想*從涇典的疲勞設計過渡到損 傷容限設計.對疲勞裂紋擴展規(guī)律中認真選擇A 和n值.更要規(guī)定原始裂紋尺寸和應力幅誼 5沖等主要參數(shù)“U2由于嘰足一，極其重要的多數(shù)對彈黃村料 表面和內(nèi)柱質(zhì)曲提出了更高要求主要技術措施是 采用雙其空熔煉*毛坯剝皮”提高鋼質(zhì)純浄度嚴格 控制各種非金屬夾雜物級別f r級以Pn改進軋制 技術、防止嚴生微裂紋或其他缺陷！對成品村料

15、進 行禍流探傷便仏控制在幾卜微米范田內(nèi).1 3 采用多元懺合金化原理和趙細晶粒技術不 斷提高彈簧材料的八迅/山及 北“值使它不兮 兩生疲勞裂紋。這些技術是，15| 維普資訊 h ttp:/（1）除C.Mn.Si.O等元索外*適當加入#、 Ti. Zr等黴合金化元素.獲得翅細晶粒彈賛的材 料【化（2J采用多次循環(huán)快速加熱技術我得超細晶 粒材料的棒材同或板材.<3）采用適當?shù)睦渌苄宰冃蔚目齑訜峒夹g 獲得超細品粒的絲材或帶材讓（4）采用高溫或低溫形變熱處理拉術獲得超 高強度，高屈強比和趙細晶粒的彈賛材料皿叭 4.4彈董制造工序中盡董采用自動化生產(chǎn)，防止 其表面產(chǎn)生新的縱陷°4.5對

16、彈K表面進行良好的噴丸獲得必要的我 留壓應力展，從而提高它的疲勞壽命.5結(jié)束語卓勞斷裂是彈賞尖效的主要靈式.對于不少重 要用途的彈竇來說、這種斷裂的危害性扱大.為了 確保組件或螯機工作時安全可靠往往要求它彷有 狼民的疲勞壽命，同時應力松馳量要小弾黃的疲勞性能數(shù)據(jù)、壽命預測和預防技術皆 來源于尢盤的工程洼試籤曆基礎性研究-前者是建 立在對彈貪斷裂規(guī)津有探刻認識的基礎上為預測 或估算壽命摘明了方向扌旦是'由于何題的境樂性 具怵應用仍然有限后考著狼于工程應用中的預防 對第的研究希望獲得較高的技術經(jīng)祈效益”總之、 單純預測彈董的疲勞壽命長短不是唯 目的而是 探求斷裂的本質(zhì)及發(fā)生的根源*找到有效

17、的預防措 施，防患于未然-從主要的研究方向看來有：（1> 采用先進的冶金及熱處理技術.從抿衣 上改進彈黃材料的表面及內(nèi)部質(zhì)曇。（2）采用靈敏度高的NM 技術控制并減少 彈賛的表面缺陷使值最小*（3J采用文明及自動化生產(chǎn)對于我國彈黃行 業(yè)仍有蚩要意義.CO 采用有效的噴丸等技術獲得有益的表層 殘留壓應力。| 維普資訊 h ttp:/| 維普資訊 h ttp:/舂考文獻1 Miner, M - A A ppi，M cch ASM E T rang- 10A 145 p 1592 鐘群鵬零-失效分析基礎知識機械工業(yè)出版社J990 P148-1593 王仁智等疲勞矢效分析機披工業(yè)出版社：17 P33-644 Paris, Pr C T