疲劳失效的危害与疲劳强度

疲劳失效的危害与疲劳强度

一：综述

疲劳失效是指材料在交变应力作用下，经过较长时间工作而毫无征兆地断裂的现象。工程技术人员对疲劳问题的试验和研究已经经历了一个多世纪。

疲劳破坏现象的发现始于19世纪初叶。产业革命后，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。破坏往往发生在零部件的截面突变处，破坏处的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。破坏事故的原因一度使工程师们摸不着头脑，直至1829年德国人Albert W．A．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年法国人J．V(彭赛列)在他的著作中首次使用了“疲劳”这个名词。1943年，苏格兰人W．J．M(兰金)讨论了机车车轴的破坏，认为是由于运行过程中金属性能逐渐变坏所致。第一次对疲劳强度进行系统试验的是德国人Wohler A.(沃勒)，他首次提出了S-N曲线及疲劳极限的概念，为常规疲劳强度设计奠定了基础。1884年J．包辛格发现了“循环软化"现象，是首先研究循环一应变关系的人。1874年，w格伯做出了疲劳极限图即格伯抛物线。1930年，英国人J．古德曼对疲劳极限图提出了简化设计，至今在常规疲劳设计中应用。

二：疲劳失效的危害

疲劳失效是指材料在交变应力作用下，经过较长时间工作而毫无征兆地断裂的现象。

疲劳失效是结构失效的一种主要形式，机械结构中多数构件受到的都是或者近似是交变应力，而疲劳失效是无征兆至少说以目前的技术手段无法发现地发生的，且一般说来疲劳破坏时的最大应力远低于材料的抗拉强度，甚至远低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。因此工业中的疲劳失效若不加以有效预防，会造成人员和财物的巨大损失。

据资料统计，由疲劳裂纹引起的结构失效断裂事故占总断裂事故的70％--80％以上，约有50％--90％的机械结构的破坏属于疲劳破坏。

1954 年，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故；1965年日本为美国建造的Sedeo型半潜式平台在交货途中破损没，造成13人死亡；1980年Alexan-derkeyland号半潜式平台在北海沉没，使一百余人葬身海底。

除了在航空领域，海洋领域多发生疲劳事故外，疲劳失效也频繁发生在铁路公路桥梁和发电站管道上。由于一个鱼眼杆的应力腐蚀裂纹的作用，1967年美国西弗吉尼亚州普莱曾特大桥在完全没有任何征兆的情况下断裂。90年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等

三：疲劳强度

1.疲劳强度的含义

疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。

一般试验时规定，钢在经受10ˇ7次、非铁（有色）金属材料经受10ˇ8次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用σ–1表示。

2.疲劳强度的影响因素

（1）、屈服强度

材料的屈服强度和疲劳极限之间有一定的关系，一般来说，材料的屈服强度越高，疲劳强度也越高，因此，为了提高弹簧的疲劳强度应设法提高弹簧材料的屈服强度，或采用

屈服强度和抗拉强度比值高的材料。对同一材料来说，细晶粒组织比粗细晶粒组织具有更高的屈服强度。

（2）、表面状态

最大应力多发生在弹簧材料的表层，所以弹簧的表面质量对疲劳强度的影响很大。弹簧材料在轧制、拉拔和卷制过程中造成的裂纹、疵点和伤痕等缺陷往往是造成弹簧疲劳断裂的原因。

材料表面粗糙度愈小，应力集中愈小，疲劳强度也愈高。材料表面粗糙度对疲劳极限的影响。随着表面粗糙度的增加，疲劳极限下降。在同一粗糙度的情况下，不同的钢种及不同的卷制方法其疲劳极限降低程度也不同，如冷卷弹簧降低程度就比热卷弹簧小。因为钢制热卷弹簧及其热处理加热时，由于氧化使弹簧材料表面变粗糙和产生脱碳现象，这样就降低了弹簧的疲劳强度。

对材料表面进行磨削、强压、抛丸和滚压等。都可以提高弹簧的疲劳强度。（3）、尺寸效应

材料的尺寸愈大，由于各种冷加工和热加工工艺所造成的缺陷可能性愈高，产生表面缺陷的可能性也越大，这些原因都会导致疲劳性能下降。因此在计算弹簧的疲劳强度时要考虑尺寸效应的影响。

（4）、冶金缺陷

冶金缺陷是指材料中的非金属夹杂物、气泡、元素的偏析，等等。存在于表面的夹杂物是应力集中源，会导致夹杂物与基体界面之间过早地产生疲劳裂纹。采用真空冶炼、真空浇注等措施，可以大大提高钢材的质量。

（5）、腐蚀介质

弹簧在腐蚀介质中工作时，由于表面产生点蚀或表面晶界被腐蚀而成为疲劳源，在变应力作用下就会逐步扩展而导致断裂。例如在淡水中工作的弹簧钢，疲劳极限仅为空气中的10%~25%。腐蚀对弹簧疲劳强度的影响，不仅与弹簧受变载荷的作用次数有关，而且与工作寿命有关。所以设计计算受腐蚀影响的弹簧时，应将工作寿命考虑进去。

在腐蚀条件下工作的弹簧，为了保证其疲劳强度，可采用抗腐蚀性能高的材料，如不锈钢、非铁金属，或者表面加保护层，如镀层、氧化、喷塑、涂漆等。实践表明镀镉可以大大提高弹簧的疲劳极限。

（6）、温度

碳钢的疲劳强度，从室温到120℃时下降，从120℃到350℃又上升，温度高于350℃以后又下降，在高温时没有疲劳极限。在高温条件下工作的弹簧，要考虑采用耐热钢。在低于室温的条件下，钢的疲劳极限有所增加。