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金属疲劳断裂的特点

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    零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计,在机械零件失效中有80%以上属于疲劳破坏。例如大多数轴类零件,通常受到的交变应力为对称循环应力,这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。如火车的车轴,是弯曲疲劳的典型,汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳,柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中,所受的负荷在零到某一极大值之间变化,而缸盖螺栓则处在大拉小拉的状态中,这类情况叫做拉-拉疲劳;连杆不同于螺栓,始终处在小拉大压的负荷中,这类情况叫做拉-压疲劳。我们还可以列举很多常用的机械零件所受的负荷情况,综合这些情况就会得到上面已经提过的结论:大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。

4.1.1 疲劳破坏的特点

    尽管疲劳载荷有各种类型,但它们都有一些共同的特点。

    第一, 断裂时并无明显的宏观塑性变形,断裂前没有明显的预兆,而是突然地破坏。

    第二, 引起疲劳断裂的应力很低,常常低于静载时的屈服强度。

    第三, 疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。

4.1.2 疲劳断口分析

    我们已经知道,疲劳损坏有裂纹的发生、扩展直至最终断裂三部分,对疲劳宏观断口的分析就可以证实这点(见图4-0)。

    一个典型的疲劳断口总是由疲劳源,疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。

    疲劳断口有各种型式,它取决于载荷的类型,即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力,同时与应力的大小和应力集中程度有关。    

    图4-1是弯曲疲劳的断口。在承受低名义应力时,对于应力集中较小的,疲劳裂纹扩展区占的面积相对说比较大,而且最终断裂区并不正好位于疲劳源的对侧,而是以逆旋转方向偏离一个位置。对于应力集中较大的,不仅扩展区减小,而且最终断裂区已不在轴的表面,渐渐移向中心。在承受高名义应力时,即使对应力集中小的轴,表面的疲劳源已有多处,裂纹扩展形成棘轮形,最终断裂区位于轴的中心。对于高应力集中的轴,表面的疲劳源更多。

    对扭转疲劳断口,可有三种型式,见图4-2

    (1)和轴内成45,即沿最大拉应力作用的平面断裂,横断面呈星状。当应力集中较大时呈锯齿状。    

    (2)和轴向垂直,横断面呈阶梯状。

    (3)和轴向平行,横断面呈阶梯状。

    对第二、第三种情形,都是沿着最大切应力平面断裂。从理论上看,一般材料的剪切强度都低于材料自身的拉断强度。而对扭转轴,在表面上的拉应力和剪切力在数值上相等。之所以出现第一种断裂型式,是由于零件表面存在刀痕或损伤以及材料内部有缺陷而造成的。对扭转疲劳,一般看不到成贝壳状或海滩状的裂纹前沿线。

          




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来源:CAE之家
疲劳断裂汽车裂纹理论材料传动NVH螺栓
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首次发布时间:2024-10-26
最近编辑:5天前
CAE之家
硕士 | CAE仿真负责人 个人著作《汽车NVH一本通》
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