金属材料在应力或应变反复作用下发生的性能变化分析

金属在应力或应变的反复作用下的性能变化称为疲劳。当材料受到交变循环应力或应变时，局部结构的变化和内部缺陷的不断发展使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂。这个过程称为疲劳断裂，或简称为金属疲劳。引起疲劳断裂的应力一般较低，疲劳断裂的发生往往具有突发性、局部性高、对各种缺陷敏感等特点。

1号疲劳断裂分类

1.高周疲劳和低周疲劳

零件或部件上的低应力水平和超过100，000次失效循环的疲劳称为高周疲劳。比如弹簧、传动轴、紧固件等产品普遍存在高周疲劳。

低周疲劳称为高应力水平、低失效循环次数的疲劳，一般小于10000次。比如压力容器和汽轮机部件的疲劳损伤就属于低周疲劳。

2.应力和应变分析

疲劳——高应力、低循环次数，称为低周疲劳；

疲劳——低应力、高循环次数，称为高循环疲劳。

复合型疲劳，但在实践中，往往很难区分应力和应变类型。一般两种都有，称为复合型疲劳。

3.根据负载类型分类

弯曲疲劳、扭转疲劳、拉伸和压缩疲劳、接触疲劳、振动疲劳和微动疲劳。

2 .疲劳断裂的特征

宏观:裂纹源→扩展区→瞬时破裂区。

裂纹源:表面有沟槽、缺陷或应力集中的区域是裂纹源的前提条件。

疲劳扩展区:横截面平坦，疲劳扩展垂直于受力方向，产生明显的疲劳弧，又称滩线或贝线。

瞬时断裂区:是指疲劳裂纹迅速扩展到瞬时断裂的区域，断口上有金属滑移的痕迹，部分产品在瞬时断裂区有放射性条纹和剪切唇区。

微观:疲劳断裂的特征是疲劳条纹。

解理和准解理现象(结晶学名称，显微图像中出现的刻面)和微区域特征如韧窝也会出现在一些显微样品中。

3 .疲劳断裂的特征

(1)断裂发生时无明显宏观塑性变形，断裂前无明显预兆。往往是突发的，导致机械部分损坏或断裂，危害非常严重。

(2)引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载荷下屈服强度的应力载荷。

(3)疲劳破坏后，一般在断口处可以清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最终断裂三个区域的成分。

4号案例分析

广东省某摩托车厂的一辆摩托车，在跑了2000公里后出现机械故障。经拆解检查，发现发动机曲轴连杆断裂。

据悉，连杆材料为20CrMnTi，表面渗碳处理。

连杆的工作原理，连杆的往复运动带动两根传动曲轴转动。

20CrMnTi是一种合金结构钢，含有大约0.2%的碳、1%的锰和1%的钛。这种材料一般用作轴类零件，需要渗碳。

1.宏观检查

失效的连杆有两处断裂。在连杆断裂端的轴承曲面上可以看到许多平行于断口的裂纹。

骨折端一侧有强烈摩擦痕迹，磨损深度0.5mm；

在靠近摩擦侧的轴承表面末端可以看到蓝灰色的高温氧化痕迹。

1断口光滑平整，断口边缘磨损，中间可见疲劳弧。

断口上未发现疲劳弧。

2.扫描电子显微镜分析

扫描电镜下断口呈疲劳弧状；

根据电弧的走向，可以找到疲劳源。疲劳源位于右上角，局部放大。源区的细组织大部分已被磨损，但仍可见到放射边缘的特征。

在疲劳扩展区可以看到疲劳条纹和二次裂纹。

在断口2中没有发现疲劳条纹，只有韧窝。可以看出，断裂1是第一次断裂，而断裂2是第二次断裂。

3.化学成分

对连杆体的化学成分(质量分数，%)进行取样分析。结果符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化学成分要求。

4.结果分析

根据上述检验结果，不合格零件的化学成分符合技术要求。

连杆断端一侧发生异常严重的摩擦，靠近摩擦面的轴承曲面端部蓝灰色氧化膜是黑色氧化铁(Fe3O4)和红色氧化铁(Fe2O3)的混合物，其形成温度在400℃以上。它表明，连杆和输出轴之间的摩擦导致该区域的温度过热。

断口的SEM分析表明，断口的疲劳裂纹源在氧化膜附近的拐角处，处于高温区。表面氧化会增加开裂的机会，高温会增加蠕变破坏的可能性。

另一方面，摩擦导致金属表面粗糙，容易形成表面应力集中，增加疲劳源的可能性。

断裂的起点通常出现在具有最大拉伸应力的位置。从连杆运动的应力分析发现，断裂1截面的拉应力最大，在该截面靠近摩擦面的拐角处容易形成裂纹源。同时，该区域粗大碳化物的存在破坏了基体组织的连续性，加速了裂纹的形成和扩展，降低了疲劳强度，最终导致疲劳断裂。

连杆渗碳表面碳化物过多与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度高造成的，特别容易在工件的尖角处形成，导致零件的使用寿命显著降低。

因此，在渗碳过程中，应注意严格控制渗碳气氛的碳势，避免碳势过大而在工件表面形成粗大碳化物。

5.结论

曲轴断裂属于疲劳断裂，是由于连杆在使用中剧烈摩擦，产生局部应力集中和高温，降低了材料的疲劳强度。连杆角部表面较大的块状碳化物加速了裂纹的萌生和扩展。

6.改进

在设计时，降低摩擦的粗糙度可以降低零件的应力集中和疲劳强度。同时降低了摩擦产生的高温，降低了蠕变损伤的可能性。

为了改进渗碳工艺，连杆渗碳表面碳化物过多与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度高造成的，特别容易在工件的尖角处形成，导致零件的使用寿命显著降低。

因此，在渗碳过程中，应注意严格控制渗碳气氛的碳势，避免碳势过大而在工件表面形成粗大碳化物。

提高材料疲劳极限或疲劳强度的方法

一般很难改变零件的使用条件，需要尽可能改进零件的设计，比如从表面效果入手。

只要防止结构材料和机械零件表面的应力集中，阻碍位错滑移积累，抑制塑性变形，疲劳裂纹就很难形核和扩展，从而会提高疲劳极限或疲劳强度。

1.减缓应力集中

2.增强表面强度

1.减缓应力集中的措施

在设计中避免方形或锐角孔和凹槽。

在横截面突然变化的地方(如阶梯轴的轴肩)，应使用足够大半径的过渡圆角来减少应力集中。

由于结构原因，当增加过渡圆角半径有困难时，可以在直径较大的轴上开一个减薄槽或退刀槽。

轮毂和轴之间的配合面边缘有明显的应力集中。如果轮毂设置有减载槽，并且轴的装配部分被加厚以缩小轮毂和轴之间的刚度差距，则可以改善装配表面的边缘处的应力集中。

在角焊缝处，与没有坡口焊接相比，坡口焊接大大改善了应力集中程度。

2.增强表面强度

用机械方法(如滚压、喷丸等)强化表层。)在构件表面形成预应力层，以降低易产生裂纹的表面拉应力，从而提高疲劳强度，或采用热处理和化学处理，如高频淬火、渗碳、渗氮等。

用直径为0.1~1mm的小钢球高速冲击试样表面，去除表面的尖角、毛刺等应力集中处，将表面压缩到钢球直径的1/4~1/2深度，使零件表面产生残余应力，抑制疲劳裂纹的扩展。