1-3 零件在交变载荷下的疲劳断裂

• 二、高温氧化腐蚀： • 金属的氧化过程包括三个步骤：（1）金属原子失 去电子成为金属离子；（2）氧原子吸收电子成为 氧离子；（3）金属离子和氧离子结合形成金属氧 化物。 • 氧化膜形成后，金属能否继续氧化，取决于氧化膜 的致密性和熔点。 • 三、电化学腐蚀： • （1）条件：金属间或同一金属的各个部分之间存 在电极电位差并处于电解质中。 • 图1-23珠光体在硝酸酒精溶液中的电化学腐蚀过程。
1-5 零件的腐蚀失效
• 一、腐蚀的概念： • 材料表面和周围介质发生化学反应或电化学反应所 引起的表面损伤现象，分为化学腐蚀、电化学腐蚀 和应力腐蚀。 • 化学腐蚀—过程中不产生电流，如钢在高温下的氧 化、脱碳等。 • 电化学腐蚀—过程中有电流产生，如金属在潮湿的 空气、海水或电解质中的腐蚀。 • 应力腐蚀—应力和腐蚀介质联合作用下产生的破坏 （危害很大）
• 工程上有许多零件出现接触疲劳表面损伤失 效，例如齿轮，凸轮，摩擦板，滚动轴承， 火车轮与钢轨等等。
• 2、提高零件磨损抗力的途径
• 减小接触压力和摩擦系数、增加材料硬度、改善润 滑条件都有利提高零件的磨损抗力。针对不同的磨 损类型，提高磨损抗力的主要措施有： • 粘着磨损：合理选用摩擦副配对材料；采用表面处 理减小摩擦系数或提高表面硬度；减小接触压应力， 摩擦副的压应力<1/3HBW；减小表面粗糙度。
• N0＞105， 高周疲劳
• 疲劳缺口敏感度——用疲劳缺口敏感度q来衡量缺 口对疲劳极限的影响。 • q=(Kf-1)/(Kt-1) • Kt——理论应力集中系数，为应力集中处的最大应 力бmax与平均应力бm之比。 • Kf——有效应力集中系数，为光滑试样和缺口试样 疲劳极限之比，Kf=б-1/б-1N • Kf既和缺口的几何形状有关，又和材料的特性有关。 • 通常0＜q＜1。 • 当q→0时，Kf→1，表示对缺口不敏感； • 当q→1时，Kf→Kt，表示对缺口非常敏感。
粘着磨损示意图
这种磨损形式是滑动摩擦条件下，力学性能相差 不大的两种金属间最常见的磨损形式。
•
磨粒磨损——也称磨料磨损。滑动摩擦时，硬质 磨粒使磨面发生局部塑性变形、磨粒嵌入和被磨 粒切割等过程，使磨面材料逐渐耗损的一种磨损。
• 磨粒磨损是由于硬质点摩擦零件表面引起 的。当硬质点(硬磨粒)在压力下滑过或滚过 一个表面或者当一个硬表面(包含有硬质点) 擦过另一个表面时，就产生磨粒磨损。
轴瓦磨粒磨损
• 一些以土块、泥砂、岩石或矿石为工作对象的机械 零部件，如挖掘机铲斗、联合掘进机刀具、搅拌机 叶片、凿岩机的钎头钎杆、各种履带板，以及农机 具都发生严重的磨粒磨损。
• 一些在含有泥砂或磨粒的介质中工作的零、部件， 如水轮机叶片，内河轮船螺旋桨，高速运转的零件 被泥砂冲刷而磨损。 • 工程机械的各种开式齿轮，以及相对运动的零件， 当润滑油不干净时，均会发生磨粒磨损。 • 曲轴的主轴颈可能被污染的润滑油中所合的磨粒严 重切割和刮伤。
• 磨粒磨损：合理选用高硬度材料；采用表面处理提 高表面硬度。
• 氧化磨损：凡能提高基体金属表层硬度或形成与基 体金属紧密结合的致密氧化膜的一切表面处理方法。
• 微动磨损：采用垫衬；减小应力集中。 • 接触疲劳磨损：提高材料硬度；提高材料纯净度； 提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深度；减小 零件表面粗糙度等。
五、改善零件腐蚀抗力的措施：
• 抗氧化措施：选择抗氧化材料，如耐热钢、耐热 铸铁、陶瓷材料等；表面涂层如热喷涂铝、陶瓷 等。 抗电化学腐蚀：选择耐蚀材料、表面涂层、电化 学保护（牺牲阳极保护和外加电位的阴极保护）； 加缓蚀剂降低电解质的腐蚀性。
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抗应力腐蚀：减少拉应力和应力集中、去应力退 火、选择KIscc高的材料、改变介质条件。
（二）有裂纹零构件的疲劳抗力指标：
• 对于有裂纹或缺陷的零构件，裂纹扩展是决定疲劳 寿命的重要因素。 • 疲劳抗力指标：裂纹扩展速率da/dN
•
疲劳裂纹扩展门槛值△Kth。
• da/dN由疲劳裂纹扩展曲线获得。 • 疲劳裂纹扩展曲线的测定：通常采用三点弯曲单边 切口疲劳试样，在固定应力比和应力幅的条件下循 环加载，测定裂纹长度随应力循环周次的变化，直 至断裂。图1-13。
分三个阶段：减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变
• 蠕变极限——高温长期载荷作用下材料抵抗塑性变 形的能力。（防止高温下过量塑性变形）
• 两种表现方法：（1）在规定温度下，使试样产生规 定稳态蠕变速率的应力值бε T，（2）给定温度下和 规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量的应力值 бδ /tT 。 • 持久强度——高温长期载荷作用下材料抵抗断裂的 能力，是在给定温度和规定时间内使试样发生断裂 的能力。（相当于室温下的抗拉强度） • 3.高温下零件的失效及防止（自学）
• 是工程中最普遍存在的一种磨损形式。和其他类 型磨损比较，氧化磨损具有最小磨损速度。
• 微动磨损——常发生在紧配合件，如缸套配合的轴， 嵌合联接的汽轮机叶片的叶根部分，和其它微动联 接件，如螺栓联接、饺(耳环)联接中。 • 当这些联接件在循环载荷作用和振动影响下，在配 合面的某些局部区域发生相对滑动。
• 不同金属的电极电位不同，电化学腐蚀倾向 也不同。 • 金属的电极电位越高，越不易发生电化学腐 蚀。 • （2）局部腐蚀：电化学腐蚀具有选择性，有 时会使局部区域腐蚀严重。常见的有电偶腐 蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀。
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四、应力腐蚀： 是指零构件在拉应力和特定的化学介质联合作用 下所产生的低应力脆性断裂现象。 特点： （1）引起应力腐蚀的拉应力很小； （2）引起应力腐蚀的介质腐蚀性较弱； （3）不同材料只有在不同特定介质中才会产生应 力腐蚀。表1-5。 应力腐蚀断裂也是通过裂纹的形成和扩展进行的。 评定材料抵抗应力腐蚀断裂的力学性能指标为 KIscc，表示拉应力和特定腐蚀介质联合作用下材 料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
载荷的周期性变化，裂纹经多次的张合以及裂纹
表面的相互摩擦，在扩展区流下一条条光亮的弧
线。开始较密，以后间距逐渐增加。
– 最后断裂区：为放射状。
• 疲劳断口有各种形态，取决于载荷类型、应力大小
和应力集中的程度。 • 当载荷类型一定时，可根据疲劳断口最后断裂区的 相对面积和位置来判断零件所受应力的高低和应力 集中程度的大小。 • 最终断裂区的面积较大—疲劳寿命短； • 最终断裂区的面积较小—疲劳寿命较长。
三、疲劳抗力指标及其影响因素
• • • • （一）无裂纹零构件的疲劳抗力指标： 常用的疲劳抗力指标是：疲劳极限、过载持久值 和疲劳缺口敏感度。 疲劳曲线——材料所承受的交变应力(бmax或бa) 和相应的断裂循环周次之间的关系曲线，图1-10。 疲劳极限бr——材料经受无数次应力循环而不断 裂的最大应力值。
表现在零件配合表面损伤区颜色改变， 有一定深度的磨痕和坑斑； 严重的是这种表面损伤最终将导致零 件疲劳断裂。
• 麻点磨损——接触疲劳。零件两接触面作滚动或滚 动加滑动时，在交变接触压应力的长期作用下，引 起表面疲劳剥落破坏。 • 特征：接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称 为麻点。 • 接触疲劳也是裂纹形成和扩展的过程。根据裂纹源 产生的部位不同，接触疲劳破坏有三种形式：裂纹 源于表层的麻点剥落；裂纹源于次表层的麻点剥落； 硬化层剥落。
1-3 零件在交变载荷下的疲劳断裂
• 一、基本概念
•
• •
疲劳断裂——零件在长时间的交变载荷作用下发 生断裂的现象。
机械零件断裂失效中80%以上属于疲劳断裂。 交变载荷——载荷的大小、方向随时间发生周期 性的变化。
•
几种常见的交变应力。
• 疲劳断裂的特点：
• 发生疲劳断裂的应力很低，常低于静载下的屈服强 度； • 是脆性断裂，危害性很大；
• 材料的疲劳曲线通常用旋转弯曲疲劳试验方法确定， r=-1，其疲劳极限为б-1。
• 疲劳曲线大致有两种类型：有明显水平部分和没有 水平部分。 • 没有水平部分时，规定某一循环基数N0所对应的应 力值作为“条件疲劳极限”。 • 循环基数根据零件的工作条件和使用寿命来确定。
• N0＜105， 低周疲劳
• △K<△Kth时，裂纹不扩展，当△K=KIc时，试样突 然断裂。 • 带裂纹的零构件，常用△Kth来进行安全校核，校核 公式为： • △K= Y△бa1/2≤△Kth • 根据上式，设计者可以控制△Kth、△б、a三个参 量。 • 材料的△Kth值很小，约为断裂韧度KIc的5%-10%。 因此往往根据裂纹扩展速率估算零构件的安全寿命。
• 腐蚀磨损——在摩擦力和环境介质的作用下，金属表面 的腐蚀产物剥落与金属磨面间的机械磨损相结合的一种 磨损。主要包括： • 氧化磨损——两零件表面相对运动时(不论是滑动摩擦或 是滚动摩擦)，在发生塑性变形的同时，由于已形成的氧 化膜在摩擦接触点处遭到破坏，紧接着在该处又立即形 成新的氧化膜。 • 这样，便不断有氧化膜自金属表面脱离，使零件表面物 质逐渐损耗，这样的过程便称为氧化磨损。
• 裂纹扩展速率da/dN不仅与应力幅有关，还与裂纹 长度有关。 • 疲劳裂纹扩展门槛值△Kth——表示材料阻止裂纹疲 劳扩展的能力。
• 是交变应力作用下裂纹不扩展的最大应力场强度因 子幅值 • 应用断裂力学裂纹尖端应力场强度因子的概念，求 出循环应力幅作用下疲劳裂纹尖端应力场强度因子 幅△K: • △K=Kmax-Kmin=Yбmaxa1/2- Yбmina1/2 • =Y△бa1/2
• 零件表面状态：提高疲劳极限的有效途径—
—表面强化处理。
• 工作温度：温度升高，疲劳极限下降。
• 腐蚀介质：使△Kth降低，da/dN增大；
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•
钢铁材料疲劳曲线的水平部分消失；
破坏疲劳极限与抗拉强度线性关系。
1-4 零件的磨损失效
• 磨损——零件在摩擦过程中其表面发生尺寸 变化和物质耗损的现象。 • 1、磨损的基本类型：常见的有粘着磨损、磨 粒磨损、腐蚀磨损、麻点磨损。 • 粘着磨损——又称咬合磨损，滑动摩擦时摩 擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对 滑动中粘着处被破坏，使零件表面被擦伤。