金屬材料在應力或應變反（fǎn）複作用下發生的性能變化分析

金屬在應力或應變的反複作用下的性能變化稱（chēng）為疲勞。當材料受到交變循環（huán）應力或應（yīng）變時，局部結構的變化和內部（bù）缺陷（xiàn）的不斷發展使材料（liào）的力學性能下（xià）降，最終（zhōng）導致產品或材料的完全（quán）斷裂（liè）。這個過程稱為疲勞斷裂，或簡稱為金屬疲勞。引起疲勞斷裂（liè）的應（yīng）力一般較低（dī），疲勞斷裂的發生往往具有突發性（xìng）、局部性高、對各種缺陷敏感等特點。

1號疲勞斷裂分類

1.高（gāo）周疲勞和低（dī）周疲勞

零件或部件上的低應力（lì）水平（píng）和超過100，000次失效循環的疲勞稱為高周疲勞。比如彈簧、傳動軸、緊固件等（děng）產品普遍存在高（gāo）周疲勞。

低（dī）周疲勞稱為高應力水平、低失效循環次數（shù）的疲勞，一（yī）般小於10000次。比如壓力容器和汽輪機部件的疲勞損傷就屬於低周疲勞（láo）。

2.應力和應變分析

疲勞——高應力、低循環次數，稱為低周疲勞；

疲勞——低應力（lì）、高（gāo）循環次數，稱為高（gāo）循環疲勞（láo）。

複合型疲勞，但在實踐中，往往（wǎng）很難區分應力和應變類型。一般兩種都有，稱為（wéi）複合型疲勞（láo）。

3.根據負載類型分類

彎曲疲勞、扭轉疲勞（láo）、拉伸和壓（yā）縮疲勞、接觸疲（pí）勞、振動疲勞（láo）和微動疲勞。

2 .疲勞斷裂的特征

宏（hóng）觀:裂紋源→擴展區→瞬時破裂區。

裂紋源:表麵有溝槽、缺陷或應力集中的區域是裂紋源的（de）前提（tí）條件。

疲勞擴展區:橫截（jié）麵平坦，疲勞擴展垂直於受力方向（xiàng），產生明顯的疲勞弧，又稱灘線或貝線。

瞬時斷（duàn）裂區:是指疲勞裂紋迅（xùn）速擴展到瞬時斷裂的區域，斷口上有金屬滑移的痕跡，部分產品在瞬時斷裂區有放射性條（tiáo）紋和剪切唇區。

微觀:疲勞斷裂的特征是疲勞條（tiáo）紋。

解理和準解理現象(結晶學名稱，顯（xiǎn）微圖像中出（chū）現的刻麵)和（hé）微區域特征如韌窩也會（huì）出現在一些顯微（wēi）樣品中。

3 .疲勞斷裂的特征（zhēng）

(1)斷裂發生時無明顯（xiǎn）宏觀塑性變形，斷裂前無明顯預兆（zhào）。往往是突發的，導致（zhì）機械部分損壞或斷裂，危害非（fēi）常嚴重。

(2)引起疲勞斷裂的應力很低，常常低於靜（jìng）載荷下屈服強度的應力載荷。

(3)疲勞（láo）破壞後，一般在斷口處可以清楚（chǔ）地顯示出裂（liè）紋的發生、擴展和（hé）最終斷裂三個區（qū）域的成分。

4號（hào）案例分析

廣東（dōng）省某（mǒu）摩（mó）托車廠的一輛摩托車，在跑了2000公裏後出現機械故障。經拆解檢查，發現發動機（jī）曲軸（zhóu）連杆斷裂。

據悉，連杆材料為20CrMnTi，表麵（miàn）滲碳處理。

連杆的工作原理（lǐ），連杆的往複運動帶動兩根傳動（dòng）曲軸轉動。

20CrMnTi是一種合金結構鋼，含（hán）有大約0.2%的碳、1%的錳和（hé）1%的鈦。這種材料一般用作軸類零件，需要滲（shèn）碳。

1.宏觀檢查

失效的連杆有（yǒu）兩處斷裂。在連杆斷（duàn）裂端的軸承曲麵上可以看到許多（duō）平行於斷口的裂紋（wén）。

骨折端一側有強烈摩擦痕跡（jì），磨損深度0.5mm；

在靠近摩擦側的軸承表麵末端可以看到藍灰色的高溫氧化（huà）痕跡。

1斷（duàn）口光滑平整，斷口邊緣磨損，中間可見疲（pí）勞弧。

斷口上未（wèi）發現疲勞弧。

2.掃描電（diàn）子顯微鏡分（fèn）析

掃描（miáo）電鏡下斷口呈疲勞弧狀；

根據電弧（hú）的走向（xiàng），可以找到（dào）疲勞（láo）源。疲勞源位於右上角，局部放大。源區的細（xì）組織（zhī）大部分已被磨損（sǔn），但（dàn）仍可見到放射邊緣的特征。

在疲勞擴（kuò）展區可以看到疲勞（láo）條紋和二（èr）次裂紋。

在斷口2中沒有發現疲勞（láo）條紋，隻有韌（rèn）窩（wō）。可以看出，斷裂1是第一次斷裂，而斷裂2是第（dì）二次斷裂。

3.化（huà）學成分

對連杆體的化學成分(質量分數（shù），%)進行取樣分析。結果（guǒ）符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化學成分（fèn）要求。

4.結果分析

根據（jù）上述檢驗結（jié）果，不合格（gé）零件的化學成分符合技術（shù）要求。

連杆斷端一側發（fā）生異常嚴重的摩擦，靠近摩擦麵的軸承曲麵端部藍灰色氧化膜是黑色氧化鐵(Fe3O4)和紅色氧化鐵(Fe2O3)的混合物，其形成（chéng）溫度在400℃以上。它表（biǎo）明，連杆和輸出軸之間的摩擦導致（zhì）該（gāi）區域的溫度過熱。

斷口的SEM分析（xī）表明，斷口的疲勞裂（liè）紋（wén）源（yuán）在氧化膜附（fù）近的拐角處，處於（yú）高（gāo）溫區。表麵氧化（huà）會增（zēng）加開裂的機會，高（gāo）溫會增加蠕變破壞的可能性。

另一方麵，摩擦導致金屬表麵粗糙，容易形成表麵應力集中，增加疲勞源（yuán）的可能性（xìng）。

斷裂的起點通常出現在（zài）具有最大拉伸應力（lì）的位置。從連杆運動的應力分析發現，斷裂（liè）1截麵的拉應（yīng）力最大，在該截麵靠近摩擦麵的拐角（jiǎo）處容易形成裂紋源。同時，該區域（yù）粗（cū）大碳化物（wù）的存在破壞了基體組織的連續性，加速了裂紋的形成和擴展，降低了疲勞強度，最終導致疲勞斷（duàn）裂。

連杆滲碳表麵碳化物過多與滲碳工藝不（bú）當有關。粗大的塊狀碳化物主要（yào）是由於碳濃度高造成的，特別容易在工件的尖角（jiǎo）處形成，導致零件的使用壽命顯（xiǎn）著降低。

因此，在滲碳過程中（zhōng），應注意嚴（yán）格控製滲碳氣氛的碳勢，避免碳勢過（guò）大而在工件表麵形成粗大碳化物。

5.結論

曲軸斷裂屬於疲勞斷（duàn）裂（liè），是由於連杆在（zài）使用中劇烈摩擦，產生局部應力集中和高（gāo）溫，降低了材料的（de）疲勞強度。連杆角部表麵較大的塊狀碳化物加速了裂紋的（de）萌生和擴展。

6.改進

在設計時，降低摩擦的（de）粗糙度可以降（jiàng）低零（líng）件的應力集中和（hé）疲勞強度。同（tóng）時降低了摩擦產生的高溫，降低了蠕變損傷的可能性。

為了改進滲（shèn）碳工藝，連杆（gǎn）滲碳表麵碳化物過多與滲碳工藝不當有關。粗大的塊（kuài）狀碳化物主要是（shì）由於碳濃度高造成的，特別容易在工件的尖角（jiǎo）處形成（chéng），導致零件的使用壽命顯著降低。

因此（cǐ），在滲碳過程中（zhōng），應注意嚴格控製（zhì）滲碳氣氛的碳勢，避免碳勢過大而在工件表麵形成粗大碳化（huà）物。

提高材料疲勞極限或疲勞強度的方法（fǎ）

一（yī）般很難改變零件的使用條件，需要盡可能改進零件的設計，比如從表麵效果入手（shǒu）。

隻要防止結構材料和機械零件表麵的應力集中，阻礙位錯滑移積累，抑製塑性變形，疲勞裂紋就很難形核和（hé）擴展，從而（ér）會（huì）提高疲勞極限或疲勞強度。

1.減緩應力（lì）集中

2.增強表麵強度

1.減緩應力集中的（de）措施

在設計中避免方形或銳角孔和凹槽。

在橫截麵突（tū）然變化的（de）地方(如階（jiē）梯軸的軸肩)，應使用足（zú）夠大半徑（jìng）的（de）過渡圓角來減少應力集中。

由於（yú）結構原因，當增加（jiā）過渡圓角半（bàn）徑有困難時（shí），可以在直徑較大的軸（zhóu）上開一個減薄槽或退刀槽。

輪轂和（hé）軸（zhóu）之間（jiān）的（de）配合麵邊緣有明顯的應力集（jí）中。如果輪轂設置有減載槽，並且軸的裝配部分（fèn）被加厚（hòu）以縮小輪（lún）轂和（hé）軸之間的剛度（dù）差距（jù），則可以改善裝（zhuāng）配表麵的邊緣（yuán）處的應力集（jí）中。

在角焊縫處，與沒有坡口（kǒu）焊接相比，坡口焊接大（dà）大改善（shàn）了應力集中程度。

2.增強表麵強度

用機械方法(如滾壓、噴丸等)強化表（biǎo）層。)在構件表麵形成預應力層，以降低易產生裂紋的表（biǎo）麵拉應力，從（cóng）而（ér）提高疲勞強度，或采用熱處理和化學處理，如高頻淬火、滲碳、滲氮等。

用直徑為0.1~1mm的小（xiǎo）鋼（gāng）球高速衝（chōng）擊試樣表麵，去除表麵的尖角、毛刺等應力集中處，將（jiāng）表麵壓縮到鋼球直徑的1/4~1/2深度，使零件（jiàn）表麵產生殘餘應力，抑製疲勞裂紋的擴展。