第八节构件的疲劳损坏及预防

1、重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院应掌握的内容应掌握的内容重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院一、构件疲劳损坏的概念一、构件疲劳损坏的概念1、疲劳、疲劳 应力不断变化而引起的材料逐渐破坏的现象应力不断变化而引起的材料逐渐破坏的现象美国材料试验协会定义：材料某一点或某一些点在承受交变应力和应变条件下，使材料产生局部的永久性的逐步发展的结构性变化过程，在足够多的交变次数后，它可能造成裂纹的积累或材料完全断裂。疲劳破坏疲劳破坏：材料表面的擦痕、缺陷处在载荷反复作用下微裂纹逐渐扩展，直至剩余的连接材料不足以承受载荷，材料就会断裂，这种破坏形式称为疲劳破坏重庆交通大学重庆交

2、通大学 应用技术学院应用技术学院产生交变应力的原因：（1）作用在构件上的载荷是交变的（2）构件本身的运动是交变的交变应力交变应力：随时间作周期性变化的应力。随时间作周期性变化的应力。2、交变应力、交变应力1）交变应力产生的原因）交变应力产生的原因引起疲劳的基本因素是交变应力引起疲劳的基本因素是交变应力重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院2）交变应力的特征）交变应力的特征变幅交变应力：最大、最小应力在不同时间各不相同等幅交变应力：最大、最小应力在不同时间相同。一次应力循环：应力变化一

3、个周期极限应力：应力循环中的代数值最大的应力和代数 值最小的应力重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院msmins smaxs sas sts s应力最小值应力最小值maxs smins sminmaxa21s ss ss smaxminrs ss sminmaxm21s ss ss s应力最大值应力最大值平均应力平均应力(静应力静应力)应力幅应力幅(动应力动应力)循环特征循环特征基本参量：基本参量：对称循环对称循环1 0 1 minmaxs ss s0maxs sminmaxs ss s脉动循环脉动循环静应力循环静应力循环重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院（1 1

4、）对称循环）对称循环非对称循环非对称循环maxsminmax1rss 交变应力的 和 大小相等，符号相反。minsamaxminsssm0s除对称循环外，其余情况为非对称循环maxmasssminmasssminmaxrsstominsasasmaxs重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院交变应力变动于某一应力与零之间（2 2）脉动循环）脉动循环maxmaxss或min0smaxam2sss0r max0sminmaxssminam2sssr （3 3）静载荷）静载荷不随时间变化或随时间变化缓慢的载荷maxminmsssa0s1r oasmaxsoasmaxsmins重庆交通大学重

5、庆交通大学 应用技术学院应用技术学院3 3、材料的持久极限、材料的持久极限疲劳试验测定材料疲劳强度指标，以对称循环下测定为例疲劳试验机如图标准试件：每组810光滑试件持久极限经过无穷多次应力循环而不发生破坏的最大应力值，又称疲劳极限 表示，r表示循环特征rs重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院材料在交变应力作用下，抵抗其破坏的能力用材料材料在交变应力作用下，抵抗其破坏的能力用材料的的持久极限持久极限或或疲劳极限疲劳极限衡量，用衡量，用r 表示。表示。持久极限与材料种类、变形形式、应力循环形式（对称循环的持久极限最小）静载荷作用下的材料的强度指标：屈服极限、强度极限屈服极限、强度极

6、限重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院4、材料的持久极限与强度极限的近似关系、材料的持久极限与强度极限的近似关系1）不同材料有不同的持久极限2）不同的应力循环有不同的持久极限3）不同的变形形式有不同的持久极限对称循环下有色金属的持久极限和强度极限的关系：对称循环下有色金属的持久极限和强度极限的关系：bss)5 . 025. 0(1重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院二、构件疲劳损坏的机理二、构件疲劳损坏的机理经典理论：经典理论：交变应力作用下，原子晶格发生剪切与滑移形成滑移带。随应力循环次数增加，滑移带延伸，出现初始裂纹。金属晶粒的边界以及夹杂物与金属相交界处，由于

7、强度较低而可能是初始的裂纹源。疲劳理论：疲劳理论：由于位错运动形成初始的疲劳裂纹，在应力集中和交变应力作用下，微裂纹不断扩展、相互贯通，形成较大的裂纹。经过若干次应力循环后，形成尖锐的“切口”重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院 目前对疲劳破坏过程的一般解释：目前对疲劳破坏过程的一般解释： 当交变应力的大小超过某一数值时，经过多次循环后，在构件中应力最大处或材料有缺陷的地方，首先产生了很细微的裂纹，这就是裂纹的起源裂纹源。 重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院 裂纹的尖端有严重的应力集中，在交变应力作用下，使裂纹不断扩大；同时，裂纹两边的材料时而张开，时而压紧，发生

8、挤压和研磨的作用，形成断口的光滑区域。 另一方面，随着裂纹的不断扩展，有效截面面积不断减小，当截面削弱到一定程度再也承受不了应力时，构件发生突然断裂，形成断口的粗糙颗粒状区域。 因此，在交变应力作用下构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、扩展和最后断裂的全过实质上是裂纹的产生、扩展和最后断裂的全过程。程。 重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院粗糙区粗糙区光滑区光滑区裂纹源裂纹源重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院其主要特点是：其主要特点是：（1） 交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用的强度极限，有时甚至低于屈服极限。（2） 无论是脆性材料还是塑性材料

9、，在交变应力作用下，均表现为脆性断裂，没有明显的塑性变形。（3）材料的疲劳破坏有一个过程，构件需要经过若干次应力循环后才会发生突然断裂。（4） 材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大小有关，应力越大，循环次数越少。 重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院（5） 断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域，即光滑区域和粗糙区域，光滑区粗糙区重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院四、构件疲劳损坏的判据四、构件疲劳损坏的判据1、构件受到交变应力的作用2、断裂处没有明显的残余变形3、端口处具有明显的光滑区和粗糙区以上三个条件必须同时存在，才能判定一个以上三个条件必须同时存

10、在，才能判定一个构件的破坏为疲劳破坏构件的破坏为疲劳破坏重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院1）影响持久极限的主要因素影响持久极限的主要因素（1 1）构件外形的影响）构件外形的影响构件钻孔、开槽、切削螺纹等截面急剧变化的地方构件钻孔、开槽、切削螺纹等截面急剧变化的地方易产生应力集中。易产生应力集中。（2 2）构件尺寸的影响）构件尺寸的影响大尺寸的构件比小尺寸的构件持久极限要低大尺寸的构件比小尺寸的构件持久极限要低主要原因：主要原因：五、构件疲劳损坏的预防措施五、构件疲劳损坏的预防措施1、构件的持久极限、构件的持久极限构件的持久极限远小于材料的持久极限。构件的持久极限与材料的持久极

11、限、构件的形状、尺寸、表面状况等因素有关。5r 重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院（A）尺寸越大，构件内部所包含的杂质、缺陷越多，疲劳裂纹越易产生（B）大尺寸零件的表面积和表层体积都比较大，而裂纹源一般都在表面或表层下，所以尺寸越大，形成疲劳源的概率越大。（C）应力梯度的影响，若尺寸不同的两构件的最大应力相同，则在相同的表层厚度内，大尺寸构件的材料所承受的平均应力要高于小构件，因此有利于初始裂纹的形成和发展。（3）构件表面质量的影响）构件表面质量的影响构件表面质量越低，持久极限也降低构件表面加工的精度越高，抗疲劳能力越强。f50f40重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技

12、术学院2）构件的持久极限）构件的持久极限111101ssssssss量系数，考虑表面质量的表面质数，考虑尺寸影响的尺寸系有效应力集中系数；也就是应力集中影响的考虑构件外形的影响，KKK构件的持久极限总是小于材料的持久极限构件的持久极限总是小于材料的持久极限重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院2、对称循环下构件的疲劳强度、对称循环下构件的疲劳强度1max011ssss：构件的疲劳强度条件为为规定的安全系数，式中：nn重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院3、提高、提高疲劳强度的措施疲劳强度的措施1）合理选择构件材料）合理选择构件材料结构钢含碳量越高，或通过提高淬透性和改

13、善组织来提高疲劳强度；细化晶粒、获得下贝氏体及回火马氏体也可以提高疲劳强度2）合理设计构件，减缓应力集中）合理设计构件，减缓应力集中尽量避免尖角、缺口、截面突变适当增大截面突变处的过渡圆角及其它有利于缓和应力集中的措施，可以提高构件的疲劳强度。另注意构件的尺寸重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院3）降低构件的表面粗糙度，提高表面加工质量）降低构件的表面粗糙度，提高表面加工质量尽量提高构件表面光洁度，尽量减少表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹和夹杂），避免构件表面的加工损伤（刀痕、磨痕和擦伤）及其它机械损伤和化学腐蚀。对于高强度钢高强度钢必须妥善保护，防止碰伤，并尽量提高表面光洁度对于铸铁

14、材料铸铁材料，没有必要提高表面光洁度重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院4）采用各种表面强化处理，提高构件的表面）采用各种表面强化处理，提高构件的表面强度强度表面热处理和化学处理（如表面高频淬火、渗碳、渗氮和氰化），冷压机械加工（如表面滚压和喷丸处理等），这些表面强化工艺有二个方面的作用（1）使构件表面的疲劳强度提高（2）在材料表面层中形成一定深度的残余压应力，这部分压应力在构件工作时可以抵消部分拉应力，使构件实际承受的拉应力降低，抑制疲劳裂纹的形成和扩展，提高了疲劳强度。重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院4、不同形式疲劳提高疲劳强度的措施、不同形式疲劳提高疲劳强

15、度的措施高周疲劳的疲劳强度取决于材料的强度低周疲劳的疲劳强度取决于材料的塑性和韧性1）低周疲劳）低周疲劳循环周次一般102105满足强度的条件下提高材料的塑性，不能一味的提高材料的强度表面强化对提高低周疲劳强度效果不明显重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院2）热疲劳）热疲劳提高热疲劳的主要途径：（1）降低材料的线膨胀系数（2）提高材料的塑性、韧性和高温强度（3）提高材料的导热性（4）尽量避免构件工作时的应力集中重庆交通大学重庆交通大学 应用技术学院应用技术学院3）冲击疲劳）冲击疲劳冲击能量低时，提高材料的强度冲击能量高时，提高材料的塑性和韧性4）接触疲劳（齿轮）接触疲劳（齿轮）接触疲劳的破坏形式主要有：麻点剥落（点蚀）、浅层剥落、深层剥落提高接触疲劳强度的主要途径：（1）尽可能减少材料中的非金属夹杂物（2）获得适当的心部硬度和表层硬度，适当加大强化层深度。（3）使表面强化