第一章 事故分析

1、1 长安大学工程机械学院长安大学工程机械学院 宋绪丁宋绪丁 教授教授 疲劳强度及疲劳试验设计 教学大纲 第一章 疲劳与断裂事故分析与疲劳研究 第二章 疲劳强度设计方法 第三章 疲劳试验设计与数据处理 第四章 金属疲劳断裂机理及断口分析 第五章 工程机械疲劳设计理念 第一章疲劳与断裂事故分析及疲劳研究第一章疲劳与断裂事故分析及疲劳研究 1 1、 疲劳与断裂简介疲劳与断裂简介 2 2、 疲劳断裂引起重大事故疲劳断裂引起重大事故 3 3、静载破坏引起重大事故静载破坏引起重大事故 4 4、失稳引起重大事故失稳引起重大事故 5 5、施工机械具体零部件疲劳施工机械具体零部件疲劳 3 第一节第一节 疲劳与断

2、裂事故分析疲劳与断裂事故分析 4 1 1、疲劳与断裂简介、疲劳与断裂简介 机械机械 零件零件 失效失效 变形变形 失效失效 断裂断裂 失效失效 表面表面 损伤损伤 失效失效 过量弹性变形失效过量弹性变形失效 过量塑性变形失效过量塑性变形失效 脆性断裂失效脆性断裂失效 塑性断裂失效塑性断裂失效 环境介质引起的失效（应力腐蚀、氢脆断裂）环境介质引起的失效（应力腐蚀、氢脆断裂） 疲劳疲劳 断裂断裂 低周疲劳低周疲劳 高周疲劳高周疲劳 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 高温疲劳高温疲劳 热疲劳热疲劳 冲击断裂冲击断裂 蠕变持久断裂蠕变持久断裂 磨损失效磨损失效 腐蚀失效腐蚀失效 氧化磨损、粘着磨损氧化磨损、粘着磨损

3、腐蚀磨损、磨粒磨损腐蚀磨损、磨粒磨损 接触磨损、微动磨损接触磨损、微动磨损 均匀腐蚀、局部腐蚀均匀腐蚀、局部腐蚀 电化学腐蚀、空蚀（气蚀）电化学腐蚀、空蚀（气蚀） 5 变形失效件体现为变形失效件体现为：不能承受规定载荷；不能起到规定作用；：不能承受规定载荷；不能起到规定作用； 与其他零件的运转发生干扰。与其他零件的运转发生干扰。 变形变形是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形,可以是塑性的或弹塑可以是塑性的或弹塑 性的。性的。 变形基本类型变形基本类型：尺寸改变或体积改变（长大或缩小）和形状改变（如弯曲和翘尺寸改变或体积改变（长大或缩小）和形状改变（如

4、弯曲和翘 曲）。曲）。 变形失效变形失效 弹性变形失效弹性变形失效 弹性变形的变形量是在弹性变形的变形量是在弹性范围内变化弹性范围内变化, 是是刚度刚度问题。问题。 杆、柱类、轴类零件、靠摩擦力传动的零件等弹性变形会带来失效的问题。杆、柱类、轴类零件、靠摩擦力传动的零件等弹性变形会带来失效的问题。 影响弹性变形主要因素：影响弹性变形主要因素：零件形状、尺寸，材料的弹性摸量，零件工作零件形状、尺寸，材料的弹性摸量，零件工作 温度和载荷的大小。温度和载荷的大小。 塑性变形失效塑性变形失效 塑性变形塑性变形是外加应力超过零件材料的是外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形屈服极限时发生明显

5、的塑性变形。 塑性变形影响因素塑性变形影响因素: 除弹性变形中所论影响因素外除弹性变形中所论影响因素外, 还有材料缺陷、使用不当、还有材料缺陷、使用不当、 设计有误等，其中特别是热处理不良更为突出。设计有误等，其中特别是热处理不良更为突出。 弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂 弹性变形弹性变形： 变形可逆；变形可逆； 应力应变呈应力应变呈 线性关系。线性关系。 塑性变形塑性变形： 变形不可逆。变形不可逆。 8 变形失效、表面损伤失效、断裂失效变形失效、表面损伤失效、断裂失效是是机机 械零件和工程构件的三种主要失效形式。械零件和工程构件的三种主要失效形式。 断裂突然发生断裂突然发生，往往导

6、致灾难性事故，所，往往导致灾难性事故，所 以断裂破坏更为工程界所重视。以断裂破坏更为工程界所重视。 9 9 断裂断裂 失效失效 脆性断裂失效脆性断裂失效 塑性断裂失效塑性断裂失效 环境介质引起的环境介质引起的 失效（应力腐蚀、失效（应力腐蚀、 氢脆断裂）氢脆断裂） 疲劳断裂疲劳断裂 冲击断裂冲击断裂 蠕变持久断裂蠕变持久断裂 1010 脆性脆性 断裂断裂 失效失效 构件未经明显的变形而发生的构件未经明显的变形而发生的 断裂断裂 断裂时材料几乎没有发生过塑断裂时材料几乎没有发生过塑 性变形性变形 引起构件引起构件脆断脆断的重要原因的重要原因 10 塑性断塑性断 裂失效裂失效 材料断裂之前发生明显

7、的宏观塑性的断裂材料断裂之前发生明显的宏观塑性的断裂 1111 环境环境 介质介质 引起引起 的失的失 效效 氢脆氢脆 溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成 应力集中，超过钢的应力集中，超过钢的强度极限强度极限，在钢，在钢 内部形成细小的内部形成细小的裂纹裂纹。 应力应力 腐蚀腐蚀 材料、材料、机械零件机械零件或或构件构件在静在静应力应力(主要主要 是拉应力是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的和腐蚀的共同作用下产生的 失效现象。失效现象。 1212 冲击冲击 断裂断裂 高速负载作用下发生的力学现高速负载作用下发生的力学现 象象 塑性塑性 断裂断裂 脆性脆性 断裂断裂

8、明显明显 的屈的屈 服的服的 现象现象 一种多裂口一种多裂口 断裂，有细断裂，有细 小解理面。小解理面。 脆性材料脆性材料 13 疲劳：特指材料或构件在疲劳：特指材料或构件在交变应力或交变应变作交变应力或交变应变作 用下用下发生损坏和断裂的现象。发生损坏和断裂的现象。 疲劳断裂是疲劳断裂是最常见的破坏形式最常见的破坏形式。各类机件破坏中。各类机件破坏中 80%90%80%90%属于疲劳。属于疲劳。 疲劳断裂通常发生在疲劳断裂通常发生在远低于材料静强度远低于材料静强度的动应力的动应力 条件下，而且破坏前不发生明显塑性变形，难以条件下，而且破坏前不发生明显塑性变形，难以 检测和预防，造成的危害大。

9、检测和预防，造成的危害大。 何为疲劳？何为疲劳？ 疲劳断裂疲劳断裂 飞机、船舶、汽车、矿山机械、冶金机械、动飞机、船舶、汽车、矿山机械、冶金机械、动 力机械、起重运输机械、石油钻进设备，以及铁力机械、起重运输机械、石油钻进设备，以及铁 路桥梁等，其主要零件和结构件，大多在循环变路桥梁等，其主要零件和结构件，大多在循环变 化的载荷作用下工作，化的载荷作用下工作，疲劳疲劳是其主要的失效形式。是其主要的失效形式。 因此，疲劳强度对于设计各类承受因此，疲劳强度对于设计各类承受循环载荷循环载荷的机的机 械和结构，成为重要的研究内容。械和结构，成为重要的研究内容。 14 18391839年法国人年法国人J

10、.V.J.V.彭赛列彭赛列在巴黎大学讲课时在巴黎大学讲课时 首先使用首先使用“疲劳疲劳”这一术语，用来描述材料在这一术语，用来描述材料在循循 环载荷环载荷作用下作用下承载能力逐渐耗尽承载能力逐渐耗尽以致最后以致最后突然断突然断 裂裂的现象。的现象。 19541954年年1 1月，英国彗星（月，英国彗星（CometComet）号喷气式客机坠）号喷气式客机坠 入地中海，原因为入地中海，原因为机身在舱门拐角处开裂。机身在舱门拐角处开裂。产生这产生这 种裂纹的原因是由于高空飞行的种裂纹的原因是由于高空飞行的“彗星彗星”号客机使号客机使 用增压座舱，长时间飞行用增压座舱，长时间飞行频繁起降使机体反复的承

11、频繁起降使机体反复的承 受增压和减压受增压和减压引发飞机铝制蒙皮的金属疲劳。引发飞机铝制蒙皮的金属疲劳。 15彗星号彗星号 2 2、 疲劳断裂引起重大事故疲劳断裂引起重大事故 19791979年，美国年，美国DE-10DE-10型飞机失事，死亡型飞机失事，死亡270270人，原人，原 因是因是螺旋桨转轴发生疲劳破坏螺旋桨转轴发生疲劳破坏。该型号飞机停飞一。该型号飞机停飞一 年，全面检修，是设计问题。年，全面检修，是设计问题。 16 DE-10DE-10型飞机型飞机 19811981年初，欧洲北海油田年初，欧洲北海油田“基尔兰基尔兰”号平台倒塌，号平台倒塌， 死亡死亡123123人，原因是：人，

12、原因是：横梁在海浪的交变应力作用下，横梁在海浪的交变应力作用下， 横梁承孔边裂缝横梁承孔边裂缝。当时大风掀起。当时大风掀起7 7米巨浪，米巨浪，1010510105吨吨 的浮台沉没于大海之中。的浮台沉没于大海之中。 1 7 “基尔兰”号平台 19981998年年6 6月月3 3日德国艾须德高速列车日德国艾须德高速列车ICEICE出轨并撞出轨并撞 上陆桥，上陆桥，101101人死亡。事故原因是：人死亡。事故原因是：长期高速运营，长期高速运营， 列车的一只车轮钢圈断裂了列车的一只车轮钢圈断裂了。列车继续高速行驶，。列车继续高速行驶， 断裂钢圈的一头从车厢底部猛地插进车厢中；另一断裂钢圈的一头从车厢

13、底部猛地插进车厢中；另一 头又把一段起辅助作用的轨道整个撬起，导致列车头又把一段起辅助作用的轨道整个撬起，导致列车 进入错误的轨道。进入错误的轨道。 1 8 事故现场 20022002年年5 5月月2525日台湾中华航空波音日台湾中华航空波音747-200747-200飞机在飞机在 台湾海峡澎湖空域空中解体坠海，机上台湾海峡澎湖空域空中解体坠海，机上225225人全部遇人全部遇 难。事故原因是：难。事故原因是：机身下部货仓部位金属疲劳开裂，机身下部货仓部位金属疲劳开裂， 导致飞机整体解体导致飞机整体解体。 事故的起因，要追溯到事故的起因，要追溯到19801980年，此时这架飞机年，此时这架飞机

14、 刚刚投入运营，在一次降落过程中，机身后部擦地，刚刚投入运营，在一次降落过程中，机身后部擦地， 磨损严重，维修过程中，本应更换此部位的全部金磨损严重，维修过程中，本应更换此部位的全部金 属覆盖件，但维修人员偷懒，只把磨损部位打磨后，属覆盖件，但维修人员偷懒，只把磨损部位打磨后， 又盖上了一层金属板，隐患从此就开始。受伤部位又盖上了一层金属板，隐患从此就开始。受伤部位 在此后在此后2222年中不断老化、开裂延伸，直到年中不断老化、开裂延伸，直到20022002年年5 5月，月， 飞机在爬升过程中，受损部位终于坚持不住，整个飞机在爬升过程中，受损部位终于坚持不住，整个 机尾断裂，失去平衡，并在空中

15、解体。机尾断裂，失去平衡，并在空中解体。 1 9 2 0 事故飞机残骸 21 年月日，位于温州市的甬台温年月日，位于温州市的甬台温 铁路鹿城段发生一起移动模架坍塌事故，压垮附近铁路鹿城段发生一起移动模架坍塌事故，压垮附近 的间民房。事故造成人死亡，人受伤。原的间民房。事故造成人死亡，人受伤。原 因是：移动模架在作业移动过程中因是：移动模架在作业移动过程中保险钢索突然断保险钢索突然断 裂裂，造成移动模架整体倒塌。，造成移动模架整体倒塌。 事故现场 3 3、静载破坏引起重大事故、静载破坏引起重大事故 22 20092009年年4 4月月1818日哈尔滨市施工现场发生的塔吊断日哈尔滨市施工现场发生的

16、塔吊断 裂事故，原因系该裂事故，原因系该塔吊螺栓断裂塔吊螺栓断裂，事故造成，事故造成1 1人死人死 亡，亡，4 4人受伤。人受伤。 事故现场 23 20112011年年1010月月1010日，华锐风电科技日，华锐风电科技( (甘肃甘肃) )有限公司有限公司 发生一起吊装设备断裂倾倒事。作业人员在操作发生一起吊装设备断裂倾倒事。作业人员在操作 10001000吨履带式起重机进行作业过程中，该吨履带式起重机进行作业过程中，该起重机吊起重机吊 臂根部突然发生断裂臂根部突然发生断裂，致使吊臂侧倾倒地，造成，致使吊臂侧倾倒地，造成5 5 人死亡，人死亡，1 1人受伤。人受伤。 事故现场 20012001

17、年年7 7月月1717日日, ,上海市沪东中华造船（集团）有上海市沪东中华造船（集团）有 限公司工地，由上海电力建设公司承担起吊门式吊限公司工地，由上海电力建设公司承担起吊门式吊 机横梁（重机横梁（重31003100吨）过程中，由于一边钢支架的吨）过程中，由于一边钢支架的缆缆 风绳被松动失去平衡风绳被松动失去平衡，致使横梁倾倒，造成，致使横梁倾倒，造成3939人伤人伤 亡。亡。 24 事故现场 4 4、失稳引起重大事故、失稳引起重大事故 25 20092009年年4 4月月9 9日，江日，江 苏省苏州市一建筑工苏省苏州市一建筑工 地发生塔吊倒塌事故，地发生塔吊倒塌事故， 当工人正在塔臂上进当工

18、人正在塔臂上进 行塔吊拆卸作业时，行塔吊拆卸作业时， 塔吊发生失稳塔吊发生失稳，塔臂，塔臂 部分的驾驶舱发生坠部分的驾驶舱发生坠 落。事故造成落。事故造成4 4人死人死 亡，亡，2 2人受伤。人受伤。 事故塔吊 26 20122012年年1111月月4 4日中铁日中铁2222局承建的哈齐客运专线局承建的哈齐客运专线 与宾州铁路交会处发生造桥机坠落事故，造成与宾州铁路交会处发生造桥机坠落事故，造成1 1 人死亡、人死亡、2 2人受伤目前正在医院抢救。原因是架人受伤目前正在医院抢救。原因是架 桥机进行跨线桥导梁对位时桥机进行跨线桥导梁对位时架桥机抖动架桥机抖动，随即向，随即向 架桥方向倾斜脱落架桥

19、方向倾斜脱落。 事故架桥机 2 7 （1 1）振动压路机钢轮振动传动轴反复断裂原因的分析）振动压路机钢轮振动传动轴反复断裂原因的分析 一台英格索兰一台英格索兰SD-175DSD-175D自行式振自行式振 动压路机使用动压路机使用1900h1900h就出现激振力明就出现激振力明 显下降和跑偏现象。显下降和跑偏现象。 检查发现，钢轮（见图）内的检查发现，钢轮（见图）内的 振动振动传动轴传动轴1 1已断裂已断裂、花键接头、花键接头6 6、7 7 上的上的花键严重磨损花键严重磨损。 分析后知，左振动轴分析后知，左振动轴8 8与右振动与右振动 轴轴5 5的轴向最大偏差达的轴向最大偏差达10mm10mm，

20、由于，由于两两 振动轴不同轴，造成振动轴不能正常振动轴不同轴，造成振动轴不能正常 运行，使其同时受扭力和剪力的作用运行，使其同时受扭力和剪力的作用， 加速轴的疲劳磨损，导致该传动轴反加速轴的疲劳磨损，导致该传动轴反 复断裂和加速键接头复断裂和加速键接头6 6、7 7的磨损，造的磨损，造 成击振力下降和跑偏。成击振力下降和跑偏。 5 5、施工机械具体零部件疲劳、施工机械具体零部件疲劳 2 8 (2)(2)挖掘机回转支撑螺栓断裂分析挖掘机回转支撑螺栓断裂分析 案例案例1 1：湖南省某公司履带式液压挖：湖南省某公司履带式液压挖 掘机在施工时驾驶室与平台总成回掘机在施工时驾驶室与平台总成回 转有异常响

21、声，转动不灵活，经检转有异常响声，转动不灵活，经检 查发现回转支承与下部行走底处有查发现回转支承与下部行走底处有 间隙，个别螺栓松动，大拆后发现间隙，个别螺栓松动，大拆后发现 数根螺栓已断裂数根螺栓已断裂。 案例案例2 2：山东用户购买一台挖掘机，：山东用户购买一台挖掘机， 每天连续工作每天连续工作1818小时以上，小时以上，4 4个月后个月后 出现回转支承处有螺栓脱出，原因出现回转支承处有螺栓脱出，原因 是该机操作手两班循环作业，从开是该机操作手两班循环作业，从开 始交付用户到出现问题未检查过螺始交付用户到出现问题未检查过螺 栓。对该机进行维护检查时，发现栓。对该机进行维护检查时，发现 有有

22、1 1个螺栓已断裂个螺栓已断裂。 螺栓断裂失效时由于在螺栓头部与螺杆螺栓断裂失效时由于在螺栓头部与螺杆过渡处处理方式不当过渡处处理方式不当、螺栓螺纹根部螺栓螺纹根部 加工不当加工不当和和不正确的安装不正确的安装导致螺栓失效断裂。导致螺栓失效断裂。 29 (3)(3)液压挖掘机支座疲劳失效分析液压挖掘机支座疲劳失效分析 某型挖掘机动臂变幅某型挖掘机动臂变幅液压缸支座频液压缸支座频 繁发生失效繁发生失效，工作时间大多不超过，工作时间大多不超过2000h2000h， 属于早期疲劳失效。图属于早期疲劳失效。图1 1为支座结构示意为支座结构示意 图，图，断裂发生在焊缝处断裂发生在焊缝处，如图，如图2 2

23、所示。所示。 断口（图断口（图3 3）表面虽然有部分磨损）表面虽然有部分磨损 痕迹和锈迹，但仍然清楚表明，支座开痕迹和锈迹，但仍然清楚表明，支座开 裂断面存在裂断面存在不同程度的焊接缺陷不同程度的焊接缺陷，如熔，如熔 深不足，焊缝根部组织非常疏松，导致深不足，焊缝根部组织非常疏松，导致 焊缝中存在焊缝中存在严重的应力集中严重的应力集中，易导致裂，易导致裂 纹产生。纹产生。 30 （4)4)装载机动臂横梁的断裂分析装载机动臂横梁的断裂分析 装载机因为负载经常发生变化，装载机因为负载经常发生变化， 工作装置中各构件难免发生破坏，工作装置中各构件难免发生破坏， 其中破坏最严重的是其中破坏最严重的是横

24、梁横梁。 装载机横梁的断裂部位有三处：装载机横梁的断裂部位有三处： 一处是动臂与横梁连接处一处是动臂与横梁连接处，是通过，是通过 焊接连接的；第二处是焊接连接的；第二处是耳板与横梁耳板与横梁 连接处连接处，也是通过焊接连接在一起，也是通过焊接连接在一起 的；第三处是的；第三处是耳板下方的梯形焊缝耳板下方的梯形焊缝， 见右图。该种装载机的横梁的总长见右图。该种装载机的横梁的总长 度为度为800mm800mm，但前两处的焊缝有六道，但前两处的焊缝有六道， 焊缝比较密集焊缝比较密集，焊接时的，焊接时的热影响区热影响区 多多，加上焊缝本身存在很多先天不，加上焊缝本身存在很多先天不 可避免的缺陷，因此这

25、几处是最容可避免的缺陷，因此这几处是最容 易出现问题的位置。易出现问题的位置。 裂纹 裂纹 31 （5 5）装载机分配阀弹簧断裂失效原因分析）装载机分配阀弹簧断裂失效原因分析 某型号装载机液压系统中，某型号装载机液压系统中，分配阀弹簧用于阀芯复位分配阀弹簧用于阀芯复位，失效后会导致阀芯无法，失效后会导致阀芯无法 回复中位，分配阀不能正常工作。回复中位，分配阀不能正常工作。 通过断口宏观分析，这些弹簧失效时服役约通过断口宏观分析，这些弹簧失效时服役约900h900h，失效方式为，失效方式为异常断裂异常断裂。断图。断图 如图如图1 1所示。所示。 32 分配阀弹簧的主要失效模式有分配阀弹簧的主要失

26、效模式有: : （1 1）正扭型扭转疲劳裂纹正扭型扭转疲劳裂纹；（；（2 2）复合型复合型 扭转疲劳裂纹扭转疲劳裂纹。 图图5 5为正扭转型疲劳裂纹，断裂面与纵向夹角为为正扭转型疲劳裂纹，断裂面与纵向夹角为4545，可以看到疲劳断口的，可以看到疲劳断口的 3 3个明显的特征区：裂纹源、扩展区和瞬断区。个明显的特征区：裂纹源、扩展区和瞬断区。 33 下图为下图为复合型扭转疲劳断裂复合型扭转疲劳断裂，此类失效弹簧断口存在，此类失效弹簧断口存在两种裂纹两种裂纹，第一种裂，第一种裂 纹为纹为一次裂纹一次裂纹，源于表面，并沿弹簧钢丝轴扩展。第二种裂纹为，源于表面，并沿弹簧钢丝轴扩展。第二种裂纹为二次裂纹

27、二次裂纹，源，源 于一次裂纹根部，因受正应力作用，使断口与弹簧丝轴呈于一次裂纹根部，因受正应力作用，使断口与弹簧丝轴呈4545夹角，可以看到夹角，可以看到 疲劳裂纹的疲劳裂纹的3 3个明显的特征区：裂纹源、扩展区和瞬断区。个明显的特征区：裂纹源、扩展区和瞬断区。 34 （6 6）轴承滚子断裂失效分析）轴承滚子断裂失效分析 某轴承公司采用某轴承公司采用G20Cr2Ni4AG20Cr2Ni4A钢生钢生 产轧钢设备大型轴承。在使用过程中产轧钢设备大型轴承。在使用过程中 一套轴承中一套轴承中150150颗滚子有颗滚子有两颗发生破两颗发生破 裂裂。图。图2 2（a a）、（）、（b b）为失效滚子宏）为

28、失效滚子宏 观断口形貌。从图观断口形貌。从图2 2（a a）断口形貌可）断口形貌可 知，轴承滚子属于典型的知，轴承滚子属于典型的接触疲劳破接触疲劳破 坏坏，断口在台阶处分布有明显的贝纹，断口在台阶处分布有明显的贝纹 且比较光滑，且比较光滑，疲劳源出现在构件表面，疲劳源出现在构件表面， 且处于疲劳弧线的中心点且处于疲劳弧线的中心点。从图。从图2 2（a a） 中可看出破坏滚子均首先在内孔产生中可看出破坏滚子均首先在内孔产生 疲劳源，见图疲劳源，见图A A处处，然后沿滚子径向，然后沿滚子径向 扩展，裂纹扩展到外表面后又沿轴向扩展，裂纹扩展到外表面后又沿轴向 快速扩展使滚子断裂。快速扩展使滚子断裂。

29、 35 （7 7）20CrMo20CrMo汽车轴承断裂失效分析汽车轴承断裂失效分析 某某20CrMo20CrMo汽车轴承在疲劳检测试验中未达到使用标准就发生了断裂。汽车轴承在疲劳检测试验中未达到使用标准就发生了断裂。 图图2 2为其表面断口宏观形貌，从图中可以得出表面存在明显的为其表面断口宏观形貌，从图中可以得出表面存在明显的放射纹路和放射纹路和 木头状解离形貌木头状解离形貌。分析知该。分析知该轴承倒角表面质量不佳轴承倒角表面质量不佳以及以及夹杂物过多夹杂物过多是导致是导致 轴承断裂的直接原因。轴承断裂的直接原因。 36 （8 8）装载机车架断裂）装载机车架断裂 发生损坏的部件是发生损坏的部件

30、是ZL50EZL50E型装载型装载 机车架，主要是由机车架，主要是由250mm x 100mm250mm x 100mm矩矩 形钢管焊接而成。车架的开裂对称分形钢管焊接而成。车架的开裂对称分 布在近车头一端的两侧，基本与管材布在近车头一端的两侧，基本与管材 轴线，裂纹呈轴线，裂纹呈“V V”字形，上宽下窄，字形，上宽下窄， 最宽处达最宽处达20mm20mm；有相当部分的裂纹沿有相当部分的裂纹沿 焊缝分布焊缝分布。 将裂纹段切割下将裂纹段切割下 进行近距离观察，见进行近距离观察，见 两侧裂纹均起始于车两侧裂纹均起始于车 架上端的焊接区架上端的焊接区，在，在 平面上平面上基本沿焊趾分基本沿焊趾分

31、布布，见图，见图2 2箭头。箭头。 3 7 （9 9）液压挖掘机液压泵驱动轴断裂）液压挖掘机液压泵驱动轴断裂 325C325C液压挖掘机在投液压挖掘机在投 入使用约入使用约2800h2800h，液压的，液压的 驱动轴发生断裂驱动轴发生断裂。在驱动。在驱动 轴的近齿轮断面边缘可见轴的近齿轮断面边缘可见 一段呈锯齿状的台阶，与一段呈锯齿状的台阶，与 扭转疲劳扭转疲劳有关。从另一侧有关。从另一侧 观察，可见一段裂面边缘观察，可见一段裂面边缘 与轴约成与轴约成4545。 锯齿状的台阶锯齿状的台阶 38 花键断面上可见起始于花键端花键断面上可见起始于花键端 面的辐射状条纹，斜向沿圆周推进，面的辐射状条纹

32、，斜向沿圆周推进， 边缘处呈细瓷状，近内侧则有台阶，边缘处呈细瓷状，近内侧则有台阶， 与与多次变载疲劳启动多次变载疲劳启动有关。有关。沿花键沿花键 段的裂纹打开，可见裂纹基本沿花段的裂纹打开，可见裂纹基本沿花 键槽底线分布键槽底线分布，见图，见图1313。由花键槽。由花键槽 边缘起始的弧形区，有明显的边缘起始的弧形区，有明显的细幅细幅 射条纹射条纹在其边缘起始，见箭头所指；在其边缘起始，见箭头所指； 在细辐射花样区边缘又有粗辐射条在细辐射花样区边缘又有粗辐射条 纹再次起始、台阶状起伏较大，可纹再次起始、台阶状起伏较大，可 知该区在较大应力的作用下向内、知该区在较大应力的作用下向内、 尾推进。尾

33、推进。 39 （1010）减速机高速齿轮轴断裂失效分析）减速机高速齿轮轴断裂失效分析 某输入功率为某输入功率为710kW710kW的减的减 速机使用中直径速机使用中直径120mm120mm的高速的高速 轴发生轴发生早期断裂早期断裂。通过对该。通过对该 断裂轴进行分析，得其断裂断裂轴进行分析，得其断裂 方式多为方式多为多源疲劳脆性断裂多源疲劳脆性断裂， 其主裂纹萌生于高速轴键槽其主裂纹萌生于高速轴键槽 的受力侧（图的受力侧（图1 1箭头处），箭头处），表表 面硬度低面硬度低，屈服强度低屈服强度低、无无 有效的表面强化层有效的表面强化层是导致齿是导致齿 轮轴发生早期疲劳破坏的主轮轴发生早期疲劳破坏

34、的主 要原因。要原因。 40 （1111）盾构机保险轴的断裂分析）盾构机保险轴的断裂分析 在施工过程中，盾构机保险轴经常发生断裂事故。观察图可知，花键保险在施工过程中，盾构机保险轴经常发生断裂事故。观察图可知，花键保险 轴的轴的断口位于花键中间的圆槽根部断口位于花键中间的圆槽根部扭转槽扭转槽。保险轴扭剪槽断口的宏观形貌有。保险轴扭剪槽断口的宏观形貌有 明显的疲劳源、扩展区和瞬断区，从齿间部分和横截面中环区可看到比较清晰明显的疲劳源、扩展区和瞬断区，从齿间部分和横截面中环区可看到比较清晰 的的疲劳条纹图疲劳条纹图，断裂面受健齿根部，断裂面受健齿根部应力状态周期性分布应力状态周期性分布的影响，疲劳

35、源呈周期的影响，疲劳源呈周期 性分布。性分布。 41 （1212）装载机销轴断裂分析）装载机销轴断裂分析 某厂家生产的销轴在使用过程中多次在同一部位发生断裂。分析结果知，某厂家生产的销轴在使用过程中多次在同一部位发生断裂。分析结果知， 销轴径向油孔位置具有随机性，当油孔位于最大弯曲应力一侧时，由于销轴径向油孔位置具有随机性，当油孔位于最大弯曲应力一侧时，由于油孔油孔 的应力集中的应力集中，导致油孔位置的应力过大，在油孔位置萌生疲劳裂纹，故，导致油孔位置的应力过大，在油孔位置萌生疲劳裂纹，故油孔油孔 位置不合适位置不合适是销轴断裂的主要原因。是销轴断裂的主要原因。 42 （1313）架桥机移动模

36、架销轴断裂分析）架桥机移动模架销轴断裂分析 在某大桥的施工过程中，一架在某大桥的施工过程中，一架 桥机在移动时发生坠落事故。事故桥机在移动时发生坠落事故。事故 发生后发现发生后发现架桥机销轴断裂架桥机销轴断裂，断裂，断裂 发生在发生在销轴和底板的焊接处销轴和底板的焊接处。断裂。断裂 销轴一侧断口的宏观形貌如图所示，销轴一侧断口的宏观形貌如图所示， 可见断口可以分为三个区域，可见断口可以分为三个区域，区区 为焊缝区，在断口上所占比例小，为焊缝区，在断口上所占比例小， 整个圆周上只有一两处残余，其余整个圆周上只有一两处残余，其余 的焊缝区域都在该轴的另一侧断口的焊缝区域都在该轴的另一侧断口 上。上

37、。 区的断口比较细密，在该轴大部分圆区的断口比较细密，在该轴大部分圆 周上均能发现，宽度约为周上均能发现，宽度约为3mm3mm；区的面积区的面积 占整个断口的绝大部分，断面平坦，断口粗占整个断口的绝大部分，断面平坦，断口粗 糙有金属光泽可以明显看出裂纹快速扩展的糙有金属光泽可以明显看出裂纹快速扩展的 放射性痕迹。放射性痕迹。 第二节 疲劳研究发展史 一、疲劳研究方面 19世纪初，随着蒸汽机车和机动运载工具 的发展，以及机械设备的广泛应用，运动 部件的破坏经常发生。破坏经常发生在零 构件的截面突变处，破坏的名义应力不高， 低于材料的抗拉强度和屈服点。 1829年德国人Albert W.A.（艾伯

38、特）- 用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验，破 坏事故才被阐明。 1839年，法国工程师Poncelet J.V.（彭赛列） -首次使用“疲劳”来描述材料在循环应力 作用下承载能力逐渐耗尽以至最后突然断 裂的现象。 1843年苏格兰人Rankine W.J.M（兰金）- -发表第一篇论文：论文中指出，机车车辆 的破坏时由于运动过程金属性能逐渐变坏 所致，分析了车轴轴肩处尖角有害影响。 1842年Hood（胡特）-提出了结晶理论， 认为金属在循环应力下的疲劳强度降低是 振动引起的结晶化所致。后来证明是错误 的。 18471850年，德国人Wohler A. （沃勒）-最先系统试验研究 疲劳的学者。

39、设计出第一台疲劳 试验机，系统论述了疲劳寿命与 循环应力的关系，提出了S-N曲 线和疲劳极限的概念，确定了压 力幅是疲劳破坏的主要因素，奠 定了金属疲劳基础。 1874年Gerber W.（格伯）-根 据沃勒的数据，研究了平均用力 对疲劳的影响，提出了表达极限 压力幅a和平均应力m间关系的 抛物线方程。 m CN 2 m a1 b =1 （） 1899年英国人Goodmen-提出了 简化曲线Goodmen图，至今广泛使 用。 Soderberg直线 Smith曲线 Cepece折线：-1R0 R0 -平均应力影响系数 -压力比R0的平均应力系数 m a1 b =1 （） m a1 s =1 （

40、） m a1 m 1/ = 1/ b b （） 1am 0(1 ) 2 m 1884年Bauschinger J.（包辛格）-发现了 在循环载荷下弹性极限降低的“循环软化”现 象，引入了应力应变迟滞回线的概念。 当时未引起人们的重视，到1952年Keuyon （柯杨）在做铜棒试验时才重新提出来， 并命名为“包辛格效应”。 1903年Ewing J.A.（尤因）和Humfery J. C. W.（汉弗莱）-在单晶铝和退火的瑞典 铁上发现了循环应力产生的滑移痕迹，推 翻了老的结晶理论。 1910年Bairstow（贝尔斯托）-测定了迟滞回 线，建立了循环硬化和循环软化的概念，并进行 了程序疲劳试验。 1920年Griffith A.A（格里费斯）-用玻璃研究 脆断的理论，发现玻璃的强度取决于微裂纹尺 寸， ，此公式是断裂力学的基础 1929年美国人Peterson R.E.（彼得逊）-对尺寸 效应进行一系列试验，并提出了应力集中系数的 理论值Kt。 19291930年Haigh B. P