扭转疲劳断裂机制图
合集下载
机械零件的疲劳强度与疲劳断裂ppt(共37页)
s
2s1 s0 s0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
§3-3影响机械零件疲劳强度的主要因素
一、应力集中：
有效应力集中系数 Ks1q(s1)
s —几何形状决定的理论系数 （ 图3-9） q—敏感系数 （图3-10） 铸铁：(q=0） 定性： 跟材料、形状有关
σB A B C
可用下式描述
srm N N = C (N C≤ N ≤ N D )
σrN σr
潘存云教授研制
D点以后的疲劳曲线呈 一水平线，代表着无限寿命
N=1/4
103 104 N
D N0≈107 N
区其方程为
s s rN r N （ N D )
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个
N=1/4 103 104 N
D N
N0≈107
式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。 试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的
边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如 果作用的变应力最大应力小于D点的应力（σmax<σr），
则无论循环多少次，材料都不会破坏。
CD区间——有限疲劳寿命阶段 D点之后——无限疲劳寿命阶段 高周疲劳
循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳
极限σr来近似代表ND和 σr∞。
于是有 srm N NsrmN0C
CD区间内循环次数N与疲 劳极限srN的关系为
srN
sr
m
N0 N
KNsr
N
sr s rN
m N0
σmax σB A B C
σ 潘存云教授研制 rN σr
二、极限应力图（σ m——σ a）
第四章-疲劳断裂
从加载到试样断裂所经历的应力循环数，定义为该试样的疲劳寿命。
旋转弯曲疲劳机简图
第4章 疲劳断裂
4.1 疲劳现象
4.1.3 疲劳曲线
每个试样的试验结果对应(σa，Nf）平面上的一个点。在不同应力幅下 试验一组试样，可以得到一组点,这就是疲劳寿命曲线。第一条这样的曲线 是由德国工程师Wöhler测定的，故又称为Wöhler曲线，习惯上也称作S-N 曲线。
1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成101人遇难身 亡的严重后果，近50年来德国最惨重铁路事故。
第4章 疲劳断裂
4.1 疲劳现象
It was caused by a single fatigue crack in one wheel which, when it finally failed, caused the train to derail at a switch. The intense destruction of the train was due to a collision with a road bridge after it derailed.
4.1
4.1.1 疲劳现象
疲劳现象
第4章 疲劳断裂
机件在变动负荷下经过较长时间的工作而发生突然断裂的现象叫做的疲 劳断裂。
疲劳断裂属于低应力脆性断裂。主要具有以下特点：
（1）机件或零件承受的名义应力低于材料的屈服强度；
（2）承受的载荷是交变载荷，并经过长时间的服役；与静负荷下的断裂不
同，无论在静负荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都不产生明显的
第四章
第4章 疲劳断裂
疲劳断裂
4.1 疲劳现象 4.2 应变疲劳 4.3 应力疲劳寿命公式 4.4 疲劳裂纹起始寿命 4.5 疲劳裂纹扩展 4.6 裂纹扩展试验方法
旋转弯曲疲劳机简图
第4章 疲劳断裂
4.1 疲劳现象
4.1.3 疲劳曲线
每个试样的试验结果对应(σa，Nf）平面上的一个点。在不同应力幅下 试验一组试样，可以得到一组点,这就是疲劳寿命曲线。第一条这样的曲线 是由德国工程师Wöhler测定的，故又称为Wöhler曲线，习惯上也称作S-N 曲线。
1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成101人遇难身 亡的严重后果，近50年来德国最惨重铁路事故。
第4章 疲劳断裂
4.1 疲劳现象
It was caused by a single fatigue crack in one wheel which, when it finally failed, caused the train to derail at a switch. The intense destruction of the train was due to a collision with a road bridge after it derailed.
4.1
4.1.1 疲劳现象
疲劳现象
第4章 疲劳断裂
机件在变动负荷下经过较长时间的工作而发生突然断裂的现象叫做的疲 劳断裂。
疲劳断裂属于低应力脆性断裂。主要具有以下特点：
（1）机件或零件承受的名义应力低于材料的屈服强度；
（2）承受的载荷是交变载荷，并经过长时间的服役；与静负荷下的断裂不
同，无论在静负荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都不产生明显的
第四章
第4章 疲劳断裂
疲劳断裂
4.1 疲劳现象 4.2 应变疲劳 4.3 应力疲劳寿命公式 4.4 疲劳裂纹起始寿命 4.5 疲劳裂纹扩展 4.6 裂纹扩展试验方法
4-1第一节 疲劳破坏
第四章船机零件的疲劳破坏船上常常发生船机零件裂纹和断裂的事故。
例如主、副柴油机的气缸盖、气缸套和活塞组件的裂纹，曲轴、中间轴或尾轴的裂纹和折断等。
船机零件，尤其是主柴油机和轴系零件的裂纹和断裂影响极大，不仅直接危及船舶安全航行，甚至会立即酿成严重事故，造成生命、财产的重大损失。
船机零件的裂纹和断裂是由于零件长时间在交变载荷作用下产生的破坏，称为疲劳破坏。
疲劳破坏是一种普遍而又严重的失效形式，是船机零件故障模式之一。
据统计，生产中因疲劳断裂的零件占断裂零件总数的80% 以上。
轮机员对这种损坏形式不仅应该重视，而且还应具有分析零件产生疲劳破坏的原因和防止或减少此种破坏措施的知识。
第一节疲劳破坏零件材料长时间在交变载荷作用下产生裂纹和断裂的现象称为疲劳破坏。
大小和方向随时间发生周期性变化的载荷称为交变载荷，所引起的应力称为交变应力。
零件长期在交变的机械应力或热应力下工作，即使最大工作应力小于静载荷下的屈服极限σs，但在长期工作后也会产生裂纹或断裂，即产生疲劳破坏。
零件发生疲劳断裂时具有以下特征：(1)零件是在交变载荷作用下经过较长时间的使用；(2)断裂应力小干材料的抗拉强度σb，甚至小于屈服强度σs ；(3)断裂是突然的，无任何先兆；(4)断口形貌特殊，断口上有明显不同的区域；(5)零件的几何形状、尺寸、表面质量和表面受力状态等均直接影响零件的疲劳断裂。
一、疲劳破坏的种类(1)按零件所受应力大小和循环周数分类：高周疲劳为低应力、高寿命的疲劳破坏。
应力较低，小于屈服极限，应力循环周数较高，一般超过106～107，为最常见的一种疲劳破坏，如曲轴、弹簧等零件的断裂。
低周疲劳为高应力、低寿命的疲劳破坏。
应力近于或等于屈服极限，应力循环周数少于104～105。
例如，压力容器、高压管道、飞机起落架、核反应堆外壳等的裂纹和断裂。
使用中应力很高，甚至超过材料的σs 但循环周数很少时就发生疲劳破坏。
(2)按零件工作环境和接触情况分类：分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。
材料失效分析(第五章-疲劳)
9
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
10
金属表面形成的挤出脊与挤入沟
11
2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
20
锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
21
锯齿形断口
棘轮花样
22
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
8
第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
13
4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
14
二、疲劳裂纹扩展模型
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
10
金属表面形成的挤出脊与挤入沟
11
2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
20
锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
21
锯齿形断口
棘轮花样
22
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
8
第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
13
4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
14
二、疲劳裂纹扩展模型
材料断口分析第6章-疲劳断裂
第六章 疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
46
§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
66
锯齿形断口
棘轮花样
67
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
68
瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
69
二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
47
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
46
§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
66
锯齿形断口
棘轮花样
67
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
68
瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
69
二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
47
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
疲劳断裂失效分析精品PPT课件
2
3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式 破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂 纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较 深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时， 正断疲劳裂纹也易在表面产生。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式 破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂 纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较 深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时， 正断疲劳裂纹也易在表面产生。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
焊接结构的疲劳断裂
劳极限”，
钢材旳疲劳强度与抗拉强度之间旳关系: σ-1 = (0.45～0.55)σb 条件疲劳极限：
钢材旳循环次数一般取 N = 107 有色金属旳循环次数一般取 N = 108
陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低； 金属材料－疲劳强度较高； 纤维增强复合材料－很好旳抗疲劳性能。
四、疲劳断裂旳类型
最大应力 σmax 最小应力 σmin 幅应力 σa 平均应力 σm 应力比 r
a
max
min 2
m
max
min 2
r min max
1、变动载荷 大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。
变化分为周期性，无规则性。相相应旳应力，称为变动
应力。
2、循环应力 循环应力旳波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波
等。
（1）循环应力旳描叙 平均应力 σm=1/2（σmax+σmin） 应力幅 σa=1/2（σmax-σmin） 应力比 γ=σmin/σmax （2）循环应力旳种类（See Fig 5－2/P108）
对称交变；脉动；波动；不对称交变应力。
反复作用旳荷载值不随时间变化，则 在全部应力循环内旳应力幅将保持常量， 称为常幅疲劳。
疲劳断裂是损伤旳积累，它旳早期现象 是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微 裂纹伴随应力循环次数旳增长而逐渐扩展， 直至余下旳未裂开旳截面积不足以承受外 荷载时，零件就忽然断裂。
疲劳断口旳特征
疲劳断口
疲劳源
（a）
图8-8 疲劳断口
（b）
（a）疲劳断口宏观形貌 （b）疲劳条纹旳微观图象
1、疲劳源 裂纹旳萌生地；裂纹处于亚稳扩展过程中。 因为应力交变，断面摩擦而光亮。 加工硬化。 随应力状态及其大小旳不同，可有一种或几种疲劳源。
《疲劳断裂分析》PPT课件
如右图所示：雨流路径为A-B-D-E -A´
5. 随机载荷谱与循环计数法：
简化雨流计数法：
第三步：记下雨滴流过的最大峰、 谷值，作为一个循环。第一次流 经的路径，给出的循环为ADA´， 载荷历程可有图中读出：
Δσ=5-（-4）=9 σm=[5+（-4）]/2=0.5
5. 随机载荷谱与循环计数法：
C (0.9b )m 106
4.14
将4.14式所得值带入4.1式则可得近似103－106 内的S-N曲线，预测结果偏保守。
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：近似估计
假设当N=103时，有：
1 0.9b
疲劳极限取偏保守估计即：
N 106时
1 k b
k：式4.5-4.10中系数 将4.11和4.12带入Sm·N=C ,可得：
k
D
Di
ni
/
N i
1.75
1
1
因此，如σ=200MPa，则构件会发生破坏，应降低应力水平。
令σ=150MPa，则计算后可得：
k
D
Di
ni
/
N i
0.985
1
1
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
Miner理论的应用实例：
例4-3：已知构件的S-N曲线满足σ2N=2.5*1010,一年内承受的载荷
破坏准则为：
D
ni
/
N i
1
4.23
变幅载荷谱
线性累计损伤
4.1 应力疲劳
4. Miner线性累计损伤理论：
Miner理论的应用步骤：
① 确定构件在设计寿命期的载荷谱，确定拟用的设计载荷或者应 力水平；
5. 随机载荷谱与循环计数法：
简化雨流计数法：
第三步：记下雨滴流过的最大峰、 谷值，作为一个循环。第一次流 经的路径，给出的循环为ADA´， 载荷历程可有图中读出：
Δσ=5-（-4）=9 σm=[5+（-4）]/2=0.5
5. 随机载荷谱与循环计数法：
C (0.9b )m 106
4.14
将4.14式所得值带入4.1式则可得近似103－106 内的S-N曲线，预测结果偏保守。
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：近似估计
假设当N=103时，有：
1 0.9b
疲劳极限取偏保守估计即：
N 106时
1 k b
k：式4.5-4.10中系数 将4.11和4.12带入Sm·N=C ,可得：
k
D
Di
ni
/
N i
1.75
1
1
因此，如σ=200MPa，则构件会发生破坏，应降低应力水平。
令σ=150MPa，则计算后可得：
k
D
Di
ni
/
N i
0.985
1
1
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
Miner理论的应用实例：
例4-3：已知构件的S-N曲线满足σ2N=2.5*1010,一年内承受的载荷
破坏准则为：
D
ni
/
N i
1
4.23
变幅载荷谱
线性累计损伤
4.1 应力疲劳
4. Miner线性累计损伤理论：
Miner理论的应用步骤：
① 确定构件在设计寿命期的载荷谱，确定拟用的设计载荷或者应 力水平；
汽车离合器从动盘扭转疲劳试验断裂原因分析
２原 因分析
热 处 理 目的是 充 分 利 用 最 低 的 成 本 和 现 有 的 设 备 ， 零 件达 到 所 要 求 的 机 械 性 使 能 。 了延 长零 件 的 使 用 寿 命 ， 表 面进 行 为 在 合 适 的 处 理 及 表 面 涂 层 ， 而 有 效 地 降 低 从 甚 至是 避 免 零 件 表 面 糟 到 热 疲 劳 的 破 坏 。 例 如 渗 碳 或 碳 氮 共 渗 ， 流 产 品 质 量 的 指 一 标 是 ： 马 氏 体 蕊 为 ３ ｍ（ 非 ｌ 浅胰 蚀 ） 表 面 ， 的硬 度在 ６ ＨＲＣ 上 ， 余 的奥 氏体 在８ １ 以 残 ％ 全使 用 ， 对从 动 盘 进 行表 面 渗 碳 工 艺处 理 ， 以 下 ， 氏体 组 织 为 １ 级 ， 品的 表 面 光 马 ～２ 产 可 以 提 高部 件 的 抗 咬 合能 力 、 腐蚀 、 磨 亮 、 抗 耐 无碳 黑 、 灰 色 ， 化 物非 常弥 散 ， 形 银 碳 变 性 和 疲 劳 寿 命 ， 是 需 要 控 制 好 淬 回火 的 性 极 小 ， 有 磨 齿 或 者 有很 少 的 磨 齿 。 但 没 工艺 才 可 以 体 现 渗 碳 工 艺 的优 点 。 渗 碳 淬 火 件 的 表 层 容 易 呈 现 连 续 或 者 不 连 续 的块 状 或 网 状 黑 色 的 组 织 。 位 置 该 １ 汽车 离合器从动盘扭转疲劳试验 恰 好 是 表 层 的 压 应 力 不 大 的 区域 ， 研 究 经
Ｓｃ ｅｎ ａｎｄ ｉ ｃｅ Ｔｅ ｃｈｎ ｏｇｙ ｎ ｏｌ Ｉ ｎｏｖａ ｉ Ｈｅｒ ｌ ｔ ｏｎ ａｄ
Ｑ
Ｑ： 丝
工 程 技 术
汽车离合器从动盘扭转疲 劳试验 断裂原 因分析
桓耀 辉 潘军华 （ 郑州宇 通重工 有限公 司 河南郑 州
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
降低
材料强度
增加
升高
材料塑性
增加
降低
温度
升高
降低
腐蚀介质
强
降低
2021
14
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
2021
15
2021
16
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征
1.金属疲劳断口宏观形貌
• 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
2021
17
图5-1 疲劳断口示意图
2021
18
• 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲 劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展 区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五 个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
2021
39
图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
2021
40
图5-11 锯齿状断口
2021
41
5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征
• 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。
2021
24
疲劳断裂讲义 PPT
30
有效应力集中系数
1 d K 或K 1 k
与构件的形状、尺寸有关； 与材料性质（极限强度）有关，静载 抗拉强度越高则有效应力集中系数越 大，即对应力集中就越敏感。
31
凹凸不平的最后破断区
最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受 所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩 擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特 征, 亦有人称其为粒状表面。
38
第五节 影响材料疲劳限或疲劳强度的因素
A. 平均应力的影响 压缩应力会使疲劳裂缝开口闭合, 一般研 究平均应力m＞0或应力比值R ＞-1的循环 应力对材料疲劳破坏的影响。
随着应力比值R 的增加,材料的疲劳 极限亦上升。
39
大部分材料的应力振幅a与平均应力 间有线性关系 → Goodman经验方程式:
该材料对缺口敏感 !
粒状表面
32
B. 微观特征
借助SEM可发现断口存在微细间隔的平行纹路 (宽约 2.5×10-5mm), 称疲劳条纹(fatigue striation) 。 疲劳条纹垂直于疲劳裂纹 的延伸方向,其每条代表的是 经一次应力循环后疲劳裂纹前 端前进的距离. 材料塑性越佳, 疲劳条纹 越明显;应力范围越大, 疲劳 条纹越宽。 疲劳条纹与贝纹线外观相 似但尺度不同, 单一的贝纹线 内可能包含数千条以上的疲劳 条纹。
43
腐蚀疲劳
零件处于腐蚀环境中会出 现小蚀孔造成应力集中， 使疲劳裂纹成核扩展，从 而缩短疲劳寿命。 防止腐蚀疲劳的方法 很多，根本在于尽量降低 腐蚀速率（如：使用保护 性被覆层、降低或隔离环 境的腐蚀性及使用较耐腐 蚀的材料等）。
44
疲劳极限消失
D. 温度影响
温度升高时，材料疲劳行为趋于复杂（潜变、 氧化现象、循环应力频率会造成相当大的影响）。
有效应力集中系数
1 d K 或K 1 k
与构件的形状、尺寸有关； 与材料性质（极限强度）有关，静载 抗拉强度越高则有效应力集中系数越 大，即对应力集中就越敏感。
31
凹凸不平的最后破断区
最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受 所施加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩 擦阶段,故其表面将出现粗糙而不规则的特 征, 亦有人称其为粒状表面。
38
第五节 影响材料疲劳限或疲劳强度的因素
A. 平均应力的影响 压缩应力会使疲劳裂缝开口闭合, 一般研 究平均应力m＞0或应力比值R ＞-1的循环 应力对材料疲劳破坏的影响。
随着应力比值R 的增加,材料的疲劳 极限亦上升。
39
大部分材料的应力振幅a与平均应力 间有线性关系 → Goodman经验方程式:
该材料对缺口敏感 !
粒状表面
32
B. 微观特征
借助SEM可发现断口存在微细间隔的平行纹路 (宽约 2.5×10-5mm), 称疲劳条纹(fatigue striation) 。 疲劳条纹垂直于疲劳裂纹 的延伸方向,其每条代表的是 经一次应力循环后疲劳裂纹前 端前进的距离. 材料塑性越佳, 疲劳条纹 越明显;应力范围越大, 疲劳 条纹越宽。 疲劳条纹与贝纹线外观相 似但尺度不同, 单一的贝纹线 内可能包含数千条以上的疲劳 条纹。
43
腐蚀疲劳
零件处于腐蚀环境中会出 现小蚀孔造成应力集中， 使疲劳裂纹成核扩展，从 而缩短疲劳寿命。 防止腐蚀疲劳的方法 很多，根本在于尽量降低 腐蚀速率（如：使用保护 性被覆层、降低或隔离环 境的腐蚀性及使用较耐腐 蚀的材料等）。
44
疲劳极限消失
D. 温度影响
温度升高时，材料疲劳行为趋于复杂（潜变、 氧化现象、循环应力频率会造成相当大的影响）。
疲劳断裂机理及对策PPT课件(模板)
原因： 可减缓应力梯度 有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
优
优
抗疲劳对策--材料选用
适用条件下选用屈服强度低（塑形好）的材料
原因： 屈服强度指标低反应材料晶体缺陷（位错）少，
晶界裂纹少
抗疲劳对策--加工过程
避免加工过程中造成微小裂纹或晶体位错增加
切削加工采用锋利刃具，小进给量，恰当的热量 传递等措施，可减少加工过程的裂纹
位错和晶界缺陷
晶界缺陷
晶体缺陷-位错
疲劳断裂机理-宏观缺陷
1.材料杂质，孔洞，切口等 2.加工过程形成的微小裂纹 3.构件几何特征（尖角，台阶）引起的加工过程造
成的残留内应力集中，释放后形成应变（缺陷） 4.构件存在的台阶断差等在负载下的材料应力突变
裂纹扩展
在交变应力或脉冲应力作用下，裂纹扩展--疲劳断裂定义。 幅度越大，频率越大则扩展速度越快
5，4）作为结构设计参数。
有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
或热变形处理改变晶体组织
避免尖锐形状，适当增大过渡圆弧
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于强度不足造成塑形变形或脆性断裂
表面强化（如喷丸处理）细化材料晶粒 疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态
断裂力学即以裂纹形成，发展，扩充， 直至断裂过程为研究对象的学科
疲劳断裂过程，图片
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂过程
疲劳断裂机理-缺陷形成
✓ 1 裂尖位错发射和断裂位错 ✓ 2 晶体疲劳和晶界 ✓ 3 脆性材料微小裂纹扩展 ✓ 4 变形和损伤
疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹
疲劳断裂机理-微观缺陷
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于 强度：构件抵抗破坏的能力
优
优
抗疲劳对策--材料选用
适用条件下选用屈服强度低（塑形好）的材料
原因： 屈服强度指标低反应材料晶体缺陷（位错）少，
晶界裂纹少
抗疲劳对策--加工过程
避免加工过程中造成微小裂纹或晶体位错增加
切削加工采用锋利刃具，小进给量，恰当的热量 传递等措施，可减少加工过程的裂纹
位错和晶界缺陷
晶界缺陷
晶体缺陷-位错
疲劳断裂机理-宏观缺陷
1.材料杂质，孔洞，切口等 2.加工过程形成的微小裂纹 3.构件几何特征（尖角，台阶）引起的加工过程造
成的残留内应力集中，释放后形成应变（缺陷） 4.构件存在的台阶断差等在负载下的材料应力突变
裂纹扩展
在交变应力或脉冲应力作用下，裂纹扩展--疲劳断裂定义。 幅度越大，频率越大则扩展速度越快
5，4）作为结构设计参数。
有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
或热变形处理改变晶体组织
避免尖锐形状，适当增大过渡圆弧
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于强度不足造成塑形变形或脆性断裂
表面强化（如喷丸处理）细化材料晶粒 疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态
断裂力学即以裂纹形成，发展，扩充， 直至断裂过程为研究对象的学科
疲劳断裂过程，图片
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂过程
疲劳断裂机理-缺陷形成
✓ 1 裂尖位错发射和断裂位错 ✓ 2 晶体疲劳和晶界 ✓ 3 脆性材料微小裂纹扩展 ✓ 4 变形和损伤
疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹
疲劳断裂机理-微观缺陷
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于 强度：构件抵抗破坏的能力
断裂失效分析
第一章 断裂失效分析
在机电装备的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。 断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。 目前对断裂行为的研究有两种不同的方法： 一种是断裂力学的方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并 考虑材料内部存在有缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。 另一种是金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚 至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。 而断裂失效分析则是从断口的宏观、微观特征入手，研究断裂 过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条 件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因。它在断裂力学方法和 金属物理方法之间架起联系的桥梁。
失效分析培训
陶春虎
中国航空工业集团公司失效分析中心 北京市81信箱4分箱，100095
引言
• 在机电装备的各类失效分析中以断裂失效最主要，危害最大。因此，
国内外对断裂失效进行了大量的分析研究。断裂失效分析是从裂纹 和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性 能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断 裂失效的原因和规律。 • 环境介质作用下的失效是相当广泛的概念。“环境”是指机电产 品工作现场的气氛、介质和温度等外界条件。金属构件或整个机械 产品的环境失效的主要模式是我们常讲的腐蚀，当然包括“环境” 与应力共同作用下的破坏—如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及液态金 属致脆等。 • 断口的定量分析主要指对断口表面的成分、结构和形貌特征等方 面进行定量参数的测试、描述和表征。通过对疲劳断口定量分析可 得出构件在实际工作中的疲劳裂纹扩展速率，从而能合理地对零部 件进行疲劳寿命估算、可确定构件形成裂纹的时间、评价其制造质 量、估算疲劳应力等。
2.疲劳断裂的宏观分析
典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区， 即疲劳源区、扩展区和瞬断区
金属疲劳破坏机理及断口分析PPT课件
图9 晶界处形成的疲劳裂纹核心（铁—钴—钒合金） （a）晶界处应力集中；（b）晶界处产生裂纹
图10 孪晶处形成的 疲劳裂纹核心
10
图11 非金属夹杂物处产生的疲劳裂纹
（a）夹杂物处的不均匀滑移；（b）夹杂物处形成的疲劳裂纹核 心
图12 疲劳第一 阶段形成的细滑 移线
图13 滑移线的 发展
图14 平行二面 上两列异号位错 相消形成空洞
图4、静拉伸和交变载荷下的滑移带
（a）静拉伸（σ＞ σ0.2）
（b）交变应力（ σ= σ-1，N=105次）
6
从图4可以看出，静拉伸试样表面上到处布满细密 的滑移带。交变载荷下，经过应力循环之后，只有 部分晶粒的局部地方出现细滑移带，表现为滑移的 不均匀性。这种滑移的不均匀性通常集中在金属表 面、金属的晶界及金属夹杂物等处，并在该处形成 疲劳裂纹核心。
图16（d）表示反号应力作用时， 滑移沿相反方向进行，原裂纹表面 和新产生的裂纹表面被压近，在裂 纹顶端处被弯折成一个耳状切口。
图16（e）表示当反号应力最大时， 裂纹表面被压合，裂纹尖端又由钝 变锐，形成一个尖角，裂纹前沿向 前扩展一个裂纹。下一次应力循环 又重复以上过程。
14
因此，疲劳裂纹的扩展是在裂纹尖端塑性钝 化（钝锐交替变化）过程中不断向前推进的。 在电子显微镜下看到疲劳断口的辉纹就是每 次交变应力下裂纹扩展留下的痕迹。
8
驻留滑移带、挤出脊、挤入沟等，都是金属 在交变载荷作用下表面不均匀滑移造成的疲 劳裂纹核心策源地。这些裂纹核心在交变应 力作用下逐渐扩展，相互连接，最后发展成 为宏观疲劳裂纹，图8所示。
图8、疲劳裂纹经过滑移集中区
9
产生疲劳裂纹核心的地方还有晶界，孪晶界 以及非金属夹杂物等处，如图9、10、11所 示。
相关主题