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1-3零件在交變載荷下的疲乏斷裂一、根本概念疲乏斷裂——零件在長(zhǎng)時(shí)間的交變載荷作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。機(jī)械零件斷裂失效中80%以上屬于疲乏斷裂。交變載荷——載荷的大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性的變化。幾種常見(jiàn)的交變應(yīng)力。疲乏斷裂的特點(diǎn):發(fā)生疲乏斷裂的應(yīng)力很低,常低于靜載下的屈服強(qiáng)度;是脆性斷裂,危害性很大;斷口能清晰顯示疲乏斷裂整個(gè)過(guò)程的三個(gè)階段〔裂紋的形成、擴(kuò)展和最終斷裂〕。二、疲乏斷口的特征:典型的疲乏斷口形貌由疲乏源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)組成。圖1-9。疲乏源區(qū):材料的內(nèi)部缺陷、加工缺陷、構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理處導(dǎo)致的應(yīng)力集中,成為裂紋源;裂紋擴(kuò)展區(qū):為“貝殼狀”或“海灘狀”,由于載荷的周期性變化,裂紋經(jīng)屢次的張合以及裂紋外表的相互摩擦,在擴(kuò)展區(qū)流下一條條光亮的弧線。開(kāi)頭較密,以后間距漸漸增加。最終斷裂區(qū):為放射狀。疲乏斷口有各種形態(tài),取決于載荷類型、應(yīng)力大小和應(yīng)力集中的程度。當(dāng)載荷類型確定時(shí),可依據(jù)疲乏斷口最終斷裂區(qū)的相對(duì)面積和位置來(lái)推斷零件所受應(yīng)力的凹凸和應(yīng)力集中程度的大小。最終斷裂區(qū)的面積較大—疲乏壽命短;最終斷裂區(qū)的面積較小—疲乏壽命較長(zhǎng)。三、疲乏抗力指標(biāo)及其影響因素〔一〕無(wú)裂紋零構(gòu)件的疲乏抗力指標(biāo):常用的疲乏抗力指標(biāo)是:疲乏極限、過(guò)載長(zhǎng)期值和疲乏缺口敏感度。疲乏曲線——材料所承受的交變應(yīng)力(бmax或бa)和相應(yīng)的斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系曲線,圖1-10。疲乏極限бr——材料經(jīng)受很屢次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值。過(guò)載長(zhǎng)期值——材料在高于疲乏極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲乏斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次。疲乏曲線的斜線局部反映材料的過(guò)載力氣。斜線局部越陡,則過(guò)載力氣越強(qiáng)。大多數(shù)機(jī)械零件是按疲乏極限進(jìn)展設(shè)計(jì)的,但有些零件,如飛機(jī)起落架或槍炮中的零件等,承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)高于疲乏極限,因此要按有限周次確定其疲乏壽命,這時(shí)過(guò)載長(zhǎng)期值就具有重要意義。材料的疲乏曲線通常用旋轉(zhuǎn)彎曲疲乏試驗(yàn)方法確定,r=-1,其疲乏極限為б-1。疲乏曲線大致有兩種類型:有明顯水平局部和沒(méi)有水平局部。沒(méi)有水平局部時(shí),規(guī)定某一循環(huán)基數(shù)N0所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為“條件疲乏極限”。循環(huán)基數(shù)依據(jù)零件的工作條件和使用壽命來(lái)確定。N0<105,低周疲乏N0>105,高周疲乏疲乏缺口敏感度——用疲乏缺口敏感度q來(lái)衡量缺口對(duì)疲乏極限的影響。q=(Kf-1)/(Kt-1)Kt——理論應(yīng)力集中系數(shù),為應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力бmax與平均應(yīng)力бm之比。Kf——有效應(yīng)力集中系數(shù),為光滑試樣和缺口試樣疲乏極限之比,Kf=б-1/б-1NKf既和缺口的幾何外形有關(guān),又和材料的特性有關(guān)。通常0<q<1。當(dāng)q→0時(shí),Kf→1,表示對(duì)缺口不敏感;當(dāng)q→1時(shí),Kf→Kt,表示對(duì)缺口特殊敏感?!捕秤辛鸭y零構(gòu)件的疲乏抗力指標(biāo):對(duì)于有裂紋或缺陷的零構(gòu)件,裂紋擴(kuò)展是預(yù)備疲乏壽命的重要因素。疲乏抗力指標(biāo):裂紋擴(kuò)展速率da/dN疲乏裂紋擴(kuò)展門檻值△Kth。da/dN由疲乏裂紋擴(kuò)展曲線獲得。疲乏裂紋擴(kuò)展曲線的測(cè)定:通常承受三點(diǎn)彎曲單邊切口疲乏試樣,在固定應(yīng)力比和應(yīng)力幅的條件下循環(huán)加載,測(cè)定裂紋長(zhǎng)度隨應(yīng)力循環(huán)周次的變化,直至斷裂。圖1-13。裂紋擴(kuò)展速率da/dN不僅與應(yīng)力幅有關(guān),還與裂紋長(zhǎng)度有關(guān)。疲乏裂紋擴(kuò)展門檻值△Kth——表示材料阻擋裂紋疲乏擴(kuò)展的力氣。是交變應(yīng)力作用下裂紋不擴(kuò)展的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子幅值應(yīng)用斷裂力學(xué)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的概念,求出循環(huán)應(yīng)力幅作用下疲乏裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子幅△K:△K=Kmax-Kmin=Yбmaxa1/2-Yбmina1/2=Y△бa1/2△K<△Kth時(shí),裂紋不擴(kuò)展,當(dāng)△K=KIc時(shí),試樣突然斷裂。帶裂紋的零構(gòu)件,常用△Kth來(lái)進(jìn)展安全校核,校核公式為:△K=Y△бa1/2≤△Kth依據(jù)上式,設(shè)計(jì)者可以把握△Kth、△б、a三個(gè)參量。材料的△Kth值很小,約為斷裂韌度KIc的5%-10%。因此往往依據(jù)裂紋擴(kuò)展速率估算零構(gòu)件的安全壽命?!踩秤绊懫7沽Φ囊蛩刂饕蛩匕ǎ狠d荷類型:載荷類型不同,應(yīng)力狀態(tài)也不同,其疲乏極限也不同。不同載荷下的疲乏極限與б-1有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。拉-壓疲乏:б-1p=0.85б-1〔鋼〕б-1p=0.65б-1〔鑄鐵〕扭轉(zhuǎn)疲乏:τ-1=0.55б-1〔鋼及輕合金〕τ-1=0.8б-1〔鑄鐵〕載荷類型對(duì)△Kth和裂紋擴(kuò)展速率da/dN也有顯著影響。拉-拉載荷,△Kth小,da/dN大;拉-壓載荷,△Kth大,da/dN小。材料本質(zhì):不同材料,疲乏曲線不同,疲乏極限與過(guò)載長(zhǎng)期值不同。不同材料的缺口敏感度也不同一般材料的疲乏極限與抗拉強(qiáng)度之間有確定閱歷關(guān)系〔高強(qiáng)度鋼除外〕。材料確定時(shí),其純度和組織狀態(tài)對(duì)疲乏抗力有顯著影響。零件外表狀態(tài):提高疲乏極限的有效途徑——外表強(qiáng)化處理。工作溫度:溫度上升,疲乏極限下降。腐蝕介質(zhì):使△Kth降低,da/dN增大;鋼鐵材料疲乏曲線的水平局部消逝;破壞疲乏極限與抗拉強(qiáng)度線性關(guān)系。1-4零件的磨損失效磨損——零件在摩擦過(guò)程中其外表發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象。1、磨損的根本類型:常見(jiàn)的有粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、麻點(diǎn)磨損。粘著磨損——又稱咬合磨損,滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著,在隨后相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被破壞,使零件外表被擦傷。粘著磨損示意圖這種磨損形式是滑動(dòng)摩擦條件下,力學(xué)性能相差不大的兩種金屬間最常見(jiàn)的磨損形式。磨粒磨損——也稱磨料磨損?;瑒?dòng)摩擦?xí)r,硬質(zhì)磨粒使磨面發(fā)生局部塑性變形、磨粒嵌入和被磨粒切割等過(guò)程,使磨面材料漸漸耗損的一種磨損。磨粒磨損是由于硬質(zhì)點(diǎn)摩擦零件外表引起的。當(dāng)硬質(zhì)點(diǎn)(硬磨粒)在壓力下滑過(guò)或滾過(guò)一個(gè)外表或者當(dāng)一個(gè)硬外表(包含有硬質(zhì)點(diǎn))擦過(guò)另一個(gè)外表時(shí),就產(chǎn)生磨粒磨損。軸瓦磨粒磨損一些以土塊、泥砂、巖石或礦石為工作對(duì)象的機(jī)械零部件,如挖掘機(jī)鏟斗、聯(lián)合掘進(jìn)機(jī)刀具、攪拌機(jī)葉片、鑿巖機(jī)的釬頭釬桿、各種履帶板,以及農(nóng)機(jī)具都發(fā)生嚴(yán)峻的磨粒磨損。一些在含有泥砂或磨粒的介質(zhì)中工作的零、部件,如水輪機(jī)葉片,內(nèi)河輪船螺旋槳,高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件被泥砂沖刷而磨損。工程機(jī)械的各種開(kāi)式齒輪,以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件,當(dāng)潤(rùn)滑油不潔凈時(shí),均會(huì)發(fā)生磨粒磨損。曲軸的主軸頸可能被污染的潤(rùn)滑油中所合的磨粒嚴(yán)峻切割和刮傷。腐蝕磨損——在摩擦力和環(huán)境介質(zhì)的作用下,金屬外表的腐蝕產(chǎn)物剝落與金屬磨面間的機(jī)械磨損相結(jié)合的一種磨損。主要包括:氧化磨損——兩零件外表相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)(不管是滑動(dòng)摩擦或是滾動(dòng)摩擦),在發(fā)生塑性變形的同時(shí),由于已形成的氧化膜在摩擦接觸點(diǎn)處遭到破壞,緊接著在該處又馬上形成新的氧化膜。這樣,便不斷有氧化膜自金屬外表脫離,使零件外表物質(zhì)漸漸損耗,這樣的過(guò)程便稱為氧化磨損。是工程中最普遍存在的一種磨損形式。和其他類型磨損比較,氧化磨損具有最小磨損速度。微動(dòng)磨損——常發(fā)生在緊協(xié)作件,如缸套協(xié)作的軸,嵌合聯(lián)接的汽輪機(jī)葉片的葉根局部,和其它微動(dòng)聯(lián)接件,如螺栓聯(lián)接、餃(耳環(huán))聯(lián)接中。當(dāng)這些聯(lián)接件在循環(huán)載荷作用和振動(dòng)影響下,在協(xié)作面的某些局部區(qū)域發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。表現(xiàn)在零件協(xié)作外表?yè)p傷區(qū)顏色轉(zhuǎn)變,有確定深度的磨痕和坑斑;嚴(yán)峻的是這種外表?yè)p傷最終將導(dǎo)致零件疲乏斷裂。麻點(diǎn)磨損——接觸疲乏。零件兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)時(shí),在交變接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,引起外表疲乏剝落破壞。特征:接觸外表上消逝很多針狀或痘狀的凹坑,稱為麻點(diǎn)。接觸疲乏也是裂紋形成和擴(kuò)展的過(guò)程。依據(jù)裂紋源產(chǎn)生的部位不同,接觸疲乏破壞有三種形式:裂紋源于表層的麻點(diǎn)剝落;裂紋源于次表層的麻點(diǎn)剝落;硬化層剝落。工程上有很多零件消逝接觸疲乏外表?yè)p傷失效,例如齒輪,凸輪,摩擦板,滾動(dòng)軸承,火車輪與鋼軌等等。2、提高零件磨損抗力的途徑減小接觸壓力和摩擦系數(shù)、增加材料硬度、改善潤(rùn)滑條件都有利提高零件的磨損抗力。針對(duì)不同的磨損類型,提高磨損抗力的主要措施有:粘著磨損:合理選用摩擦副配對(duì)材料;承受外表處理減小摩擦系數(shù)或提高外表硬度;減小接觸壓應(yīng)力,摩擦副的壓應(yīng)力<1/3HBW;減小外表粗糙度。磨粒磨損:合理選用高硬度材料;承受外表處理提高外表硬度。氧化磨損:凡能提高基體金屬表層硬度或形成與基體金屬嚴(yán)密結(jié)合的致密氧化膜的一切外表處理方法。微動(dòng)磨損:承受墊襯;減小應(yīng)力集中。接觸疲乏磨損:提高材料硬度;提高材料純潔度;提高零件心部強(qiáng)度和硬度,增加硬化層深度;減小零件外表粗糙度等。1-5零件的腐蝕失效一、腐蝕的概念:材料外表和四周介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響或電化學(xué)反響所引起的外表?yè)p傷現(xiàn)象,分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕?;瘜W(xué)腐蝕—過(guò)程中不產(chǎn)生電流,如鋼在高溫下的氧化、脫碳等。電化學(xué)腐蝕—過(guò)程中有電流產(chǎn)生,如金屬在潮濕的空氣、海水或電解質(zhì)中的腐蝕。應(yīng)力腐蝕—應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下產(chǎn)生的破壞〔危害很大〕二、高溫氧化腐蝕:金屬的氧化過(guò)程包括三個(gè)步驟:〔1〕金屬原子失去電子成為金屬離子;〔2〕氧原子吸取電子成為氧離子;〔3〕金屬離子和氧離子結(jié)合形成金屬氧化物。氧化膜形成后,金屬能否連續(xù)氧化,取決于氧化膜的致密性和熔點(diǎn)。三、電化學(xué)腐蝕:〔1〕條件:金屬間或同一金屬的各個(gè)局部之間存在電極電位差并處于電解質(zhì)中。圖1-23珠光體在硝酸酒精溶液中的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。不同金屬的電極電位不同,電化學(xué)腐蝕傾向也不同。金屬的電極電位越高,越不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕?!?〕局部腐蝕:電化學(xué)腐蝕具有選擇性,有時(shí)會(huì)使局部區(qū)域腐蝕嚴(yán)峻。常見(jiàn)的有電偶腐蝕、小孔腐蝕、縫隙腐蝕、晶界腐蝕。四、應(yīng)力腐蝕:是指零構(gòu)件在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)聯(lián)合作用下所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象。特點(diǎn):〔1〕引起應(yīng)力腐蝕的拉應(yīng)力很??;〔2〕引起應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)腐蝕性較弱;〔3〕不同材料只有在不同特定介質(zhì)中才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。表1-5。應(yīng)力腐蝕斷裂也是通過(guò)裂紋的形成和擴(kuò)展進(jìn)展的。評(píng)定材料反抗應(yīng)力腐蝕斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)為KIscc,表示拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下材料反抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力氣。五、改善零件腐蝕抗力的措施:抗氧化措施:選擇抗氧化材料,如耐熱鋼、耐熱鑄鐵、陶瓷材料等;外表涂層如熱噴涂鋁、陶瓷等??闺娀瘜W(xué)腐蝕:選擇耐蝕材料、外表涂層、電化學(xué)疼惜〔犧牲陽(yáng)極疼惜和外加電位的陰極疼惜〕;加緩蝕劑降低電解質(zhì)的腐蝕性??箲?yīng)力腐蝕:削減拉應(yīng)力和應(yīng)力集中、去應(yīng)力退火、選擇KIscc高的材料、轉(zhuǎn)變介質(zhì)條件。1-6零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效1、高溫對(duì)金屬材料性能的影響:(1)高溫下材料強(qiáng)度隨溫度上升而降低;(2〕高溫下材料的強(qiáng)度隨加載時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。評(píng)定材料高溫力學(xué)性能的指標(biāo)是蠕變極限和長(zhǎng)期強(qiáng)度。2、蠕變極限和長(zhǎng)期強(qiáng)度:蠕變——材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變斷裂——由蠕變變形產(chǎn)生的斷裂。典
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