金属的疲劳现象

一、金属的疲劳现象

许多机械零件，如轴、齿轮、弹簧等都是在变动载荷下工作的，零件内部可产生交变应力或重复应力。机件在变动载荷作用下，经过较长时间工作而发生断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳断裂与静载荷下的断裂不同，其一是断裂时机件所承受的应力不大甚至很低，一般都低于材料的屈服强度;其二是无论在静载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塑性变形，断裂是突然发生的。故疲劳破坏属于低应力脆断，因而具有很大的危险性，常常造成严重的事故。在损坏的机器零件中，绝大部分是由金属疲劳造成的。因此研究疲劳断裂的原因，寻找提高材料和机械零件疲劳抗力的途径，有着非常重大的实际意义。

(一)变动载荷

疲劳断裂是在变动载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的断裂现象。所以首先要了解变动载荷的特点。变动载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向随时间作周期性变化(或无规则变化)的一类载荷。例如，车轴和曲轴轴颈上的一点，在运转中所受载荷的大小和方向始终在作周期性地变化。再如汽缸盖紧固螺栓，当活塞运转时，它受大拉和小拉应力，载荷的大小在变动而方向没有变化;还有内燃机连杆受大压小拉应力，载荷的大小和方向随时间都在变化。此外，像车轮在地面上受到地面高低不平的偶然冲击;飞机在空中受到气流或突风的冲击，载荷在一定的范围内无规则的变动等。变动载荷的类型如图1-11所示。

图1-11　变动载荷示意图

(二)疲劳宏观断口及断裂过程特征

曲轴疲劳断口的宏观形貌照片如图1-12所示，要找出疲劳断裂的原因，可从疲劳宏观断口分析入手。一般来说，疲劳断口宏观来看由两个区域组成，即疲劳裂纹产生及扩展区和最后断裂区，如图1-13所示。

图1-12　曲轴的疲劳宏观断口

图1-13　疲劳断口示意图

1．疲劳裂纹产生及扩展区

一般认为是由于材料的质量、加工缺陷或零件结构设计不当等原因，在零件的局部区域造成应力集中，这些区域便是疲劳裂纹产生的策源地。疲劳裂纹产生后，在交变应力作用下继续扩展长大。在裂纹扩展区常常留下一条条的同心弧线，叫做前沿线(或疲劳线)，这些弧线形成了像“贝壳”一样的花样。断口表面因裂纹扩展时反复挤压、摩擦，有时光亮得像细瓷断口一样。

2．最后断裂区

由于疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效承载断面不断减小，应力不断增加。当应力超过材料的断裂强度时，则发生断裂，形成最后断裂区。这部分断口和静载荷下带有尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口呈纤维状，暗灰色;而对于脆性材料，断口呈结晶状。

综上所述，疲劳断裂是一个疲劳裂纹产生和裂纹不断扩展的过程，其特点如下:①疲劳断裂是一种低应力脆性断裂，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限;②断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使是伸长率δ和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此;③疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺陷处形成(如螺纹、刀痕、表面碰伤划痕、脱碳层、夹杂物、碳化物及孔洞处等)。④实验数据分散性较大(手册上的数据是统计数据)。