化工設(shè)備失效分析課件(第6章)

第六章金屬的疲勞斷裂

機械零部件或化工設(shè)備的疲勞斷裂失效，在全部斷裂失效中占有很大的比例。第一節(jié)疲勞應(yīng)力應(yīng)變和疲勞強度

一、疲勞應(yīng)力和疲勞極限大小或方向和大小隨時間而變動的應(yīng)力叫做疲勞應(yīng)力，如圖3－1所示，描述疲勞應(yīng)力的特征參量有最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin、平均應(yīng)力σm、交變應(yīng)力幅σa及應(yīng)力比R。

它們之間的相互關(guān)系為:當(dāng)R＝-1即σm＝0時為對稱循環(huán);當(dāng)R＝0即σmin＝0脈動循環(huán);而R＝+1，即σmin＝σmax時表示為靜載。

疲勞極限指的是金屬不發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力（σa）。事實上有許多材料，或是在某種環(huán)境下，并沒有無限壽命的，于是定義斷裂時循環(huán)次數(shù)Nf達(dá)的應(yīng)力為疲勞極限。

二、等疲勞壽命曲線對于非對稱的（）的應(yīng)力循環(huán)，有兩個經(jīng)驗式可將材料的強度進(jìn)行折算：①Goodman關(guān)系② Geber關(guān)系

三、疲勞應(yīng)力集中系數(shù)

疲勞應(yīng)力集中系數(shù)

疲勞缺口敏感因子應(yīng)力集中系數(shù)=應(yīng)力集中導(dǎo)致的最大應(yīng)力（理論應(yīng)力）不考慮應(yīng)力集中的名義應(yīng)力

四、疲勞應(yīng)變-壽命曲線

Coffin-Manson公式：式中B為常數(shù)，（其中為斷面收縮率）。

五、疲勞有限壽命和累計壽命原則工況下的載荷往往并非恒定，例如設(shè)備總有滿載、空載或半載等情況。這時可用累計壽命法則進(jìn)行估計，即當(dāng)時，壽命耗盡。式中——應(yīng)力為對應(yīng)的疲勞壽命；——在下實際工作的載荷循環(huán)數(shù)。第二節(jié)金屬在疲勞載荷作用下的變形和損傷

一、包申格效應(yīng)

二、循環(huán)硬化與循環(huán)軟化

三、疲勞形變的不均勻性同單調(diào)形變時一樣，循環(huán)形變時金屬內(nèi)部的不可逆滑移，表現(xiàn)于試樣表面為滑移帶。若每當(dāng)疲勞一段時間后，用電解拋光去除有滑移帶的一薄層（30）繼續(xù)試驗，累計的疲勞壽命可成倍提高。這表明滑移帶與疲勞起裂有關(guān)。同時有一種滑移帶，即使被拋光去除，再次疲勞試驗時仍在處出現(xiàn)滑移。這就叫做駐留滑移帶。

駐留滑移帶是形變不均勻性的表現(xiàn)之一。疲勞破壞的實際問題正是在于循環(huán)形變的不均勻性。將疲勞斷裂了的材料進(jìn)行疲勞試驗，其疲勞壽命與原先相當(dāng)。這表明疲勞斷裂是以集中性損傷起源的。第三節(jié)疲勞裂紋的萌生

一、表面滑移帶裂紋萌生方式疲勞裂紋首先是在形變集中的自由表面形成。金屬試樣在經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)載荷之后在光滑的表面上會出現(xiàn)皺折不平，它是由于金屬發(fā)生了片狀的擠出和擠入，如圖6－14所示。

而這些擠入、擠出是來自于駐留滑移帶，如圖6－15所示，由這樣擠入、擠出繼續(xù)發(fā)展成為裂紋是純金屬和單相合金形成疲勞裂紋的主要方式。

二、晶界萌生裂紋方式

晶界處出現(xiàn)較高的應(yīng)力；由于形變在晶界處出現(xiàn)凹槽；晶界有雜質(zhì)偏析或弱化

鋁、銅、黃銅和低碳鋼在大振幅疲勞條件下，疲勞裂紋大都是由晶界開始的。

三、相質(zhì)點或夾雜物附近萌生的疲勞裂紋原因：①夾雜物與機體的分離；②夾雜物破裂

四、其它各類非連續(xù)性冶金缺陷和工藝缺陷零件表面的刀痕過深，截面變化過渡太陡（因弧半徑過?。?，拉痕、腐蝕痕、工藝裂紋、表面碰傷，均是誘發(fā)疲勞裂紋之處。內(nèi)部的夾渣、縮孔、疏松也可以成為疲勞裂紋萌生地，其基本原理都在于導(dǎo)致應(yīng)力集中、發(fā)生集中滑移。

五、微動（Fretting）疲勞起裂在交變載荷作用下，零件接觸處的微動摩擦就會通過促使裂紋的萌生和提高裂紋的早期擴展速率而大大降低零件的使用壽命，這就叫做微動疲勞或微振疲勞。第四節(jié)疲勞裂紋的擴展及斷口形貌

疲勞裂紋萌生與擴展的分界點：工程上（如作斷裂力學(xué)測試中的啟裂）常以0.05mm左右作為萌生和擴展的分界點。大量的事實表明，一個疲勞斷裂的斷口，包括圖6－18所示的幾個區(qū)段：

a)與主應(yīng)力方向大體成45°傾斜的疲勞擴展第I階段。b)與主應(yīng)力垂直的疲勞擴展第II階段。c)瞬斷區(qū)。

一、疲勞裂紋擴展的第I階段本階段一般僅一兩個晶粒深，但所占疲勞壽命的比例卻不低。由于裂紋擴展和速率很低，有時僅為循環(huán)n×10－1nm，故在這部分?jǐn)嗫谏弦话愣伎床怀鋈魏螖U展的特征形貌。

第I階段的擴展機理，主要是與滑移有關(guān)，裂紋的轉(zhuǎn)向是損傷機理和斷裂機理變化之表現(xiàn)。在擴展的第I階段，駐留滑移機理在滑移面上積累損傷而促成剪切斷裂。當(dāng)裂紋深入后，裂尖的塑性區(qū)中，易發(fā)生形變的方向的分布性滑移起保護作用，而斷裂就發(fā)生在正應(yīng)力最大而不利于滑移的面上，故轉(zhuǎn)向正斷。

二、裂紋擴展的第II階段及斷口微觀形貌裂紋轉(zhuǎn)向同正應(yīng)力垂直起，進(jìn)入第II階段。在此階段中每經(jīng)一個載荷循環(huán)，裂紋就向前擴展一步。于是往往在此口上留下一系列的條帶（輝紋）。疲勞輝紋是疲勞斷口的特征形貌。由于金屬塑性良好而均勻，輝紋顯得很明顯而有規(guī)則，如圖6－23所示，疲勞輝紋是顯微尺度的條紋，宏觀不可見的。

疲勞輝紋的機理可用塑性鈍化模型來描述（圖6－22）。在疲勞循環(huán)的前半周的過程中，裂紋將張開，形成COD，裂尖發(fā)生鈍化，如圖6－22中a→b→c所示。

后半周由拉轉(zhuǎn)向壓，則如圖c→d→e所示，裂紋閉合，在尖部留下折痕，當(dāng)再次拉伸時，此折痕保留，裂紋往前伸展一條，在此口上就留下一條輝紋，可見輝紋是裂紋擴展的瞬時前沿，條紋推移的方向（垂直于條紋）即為裂紋擴展方向。這就是疲勞裂紋擴展的塑性鈍化模型。

然而在多晶體材料中，這種有輝紋的穿晶擴展斷口，并不是處在一個完整的平坦面上。而是如圖6－24所示，在不同高度的臺面上擴展。臺面與臺面之間的臺階連接。這臺階是大體順著裂紋擴展方向的。這一片一片的臺面，叫做疲勞班片。圖中示出了與疲勞輝紋平行的二次裂紋。

解理疲勞斷口的典型特征是解理疲勞輝紋及與之相垂直的解理河流共存，如圖6-34。

三、瞬斷區(qū)此時，由于有效截面很小，加上裂紋很深而應(yīng)力集中，應(yīng)力強度因子達(dá)到很高水平，其斷裂過程同單調(diào)加載的情形相似。第五節(jié)疲勞斷口宏觀分析

疲勞斷口分析的目的在于：①判定其是否屬于疲勞斷裂；②找出疲勞啟裂源，然后可進(jìn)一步分析啟裂與材料成份、組織、性能、冶金缺陷、零件形狀及表面狀態(tài)、應(yīng)力集中、工藝缺陷、載荷水平等的關(guān)系；③判斷導(dǎo)致斷裂的載荷性質(zhì)及水平；④估計其疲勞裂紋擴展速率，估計壽命。然后可進(jìn)一步推論其應(yīng)力主要來源；⑤介質(zhì)在擴展中的作用。

上節(jié)提到疲勞斷口包括斜斷口的第I階段，正斷口第II階段及瞬斷區(qū)。由于第I階段斷口很?。ㄒ弧⒍€晶粒深）；第II階段的初期△K很小，裂紋擴展很慢，斷口表面往往被壓縮磨擦成光滑的一片，所以，實踐中常將此兩區(qū)合標(biāo)為疲勞源區(qū)或叫核心區(qū)，隨后是擴展區(qū)，實為第II階段擴展期中具有明顯擴展特征的區(qū)域，最后為一次斷裂性質(zhì)的瞬斷區(qū)。疲勞源和擴展區(qū)均為宏觀脆性，看不出塑性變形。瞬斷區(qū)的塑性表現(xiàn)視材料性質(zhì)而定，與尖裂紋的一次加載斷裂相同。

擴展區(qū)中的貝紋線（或叫海灘花樣）是疲勞斷口，尤其是工況下高周次疲勞斷口中最本質(zhì)的宏觀特征，圖6－41為40鋼長軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口。其中的貝紋線（海灘花樣）十分清楚。

不要將貝紋線與疲勞輝紋混為一體，后者是每一載荷循環(huán)引起的裂紋擴展一步所留下的微觀條帶，而前者是宏觀的，貝紋形成的原因是疲勞載荷譜的階段性變化，例如各個時期應(yīng)力幅不同，工作與休息（開、停