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四大新型合金:镁、锌、铝、钛特性对比

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随着人们生活品质的提高,对产品审美和品质的要求也在不断提升。越来越多的消费类产品采用合金材料来制作。金属材料给人高端、坚固、耐用的品质感,而传统的塑料外壳产品在消费者心中逐渐被贴上“廉价”和“低品质”的标签。


对于消费类产品而言,常用的合金材料有铝合金、锌合金和镁合金。钛合金由于其生物相融性好,常用在医疗领域。本篇文章就来扒一扒这几种合金材料的特性,做个对比。


因此,归纳性的总结先放在前面,见以下性能表。


       
     

     

这四种合金,钛合金最硬,强度也最高。硬度方面,钛合金要远硬于其他三种合金。就抗拉强度而言,钛合金强于锌合金,其次是镁合金,强度最低的是铝合金。


但就产品结构设计而言,还需要考虑重量,如果将比重考虑进去,锌合金由于密度最大,比强度反而最小。钛合金和镁合金比强度高,但钛合金价格昂贵,加工性能不好,因此在需要综合考虑重量和强度的结构件中,多采用镁合金。


   

镁及镁合金    

01    
镁(Mg)    


镁的密度小,易于燃烧,这是由于它的物理、化学性质所决定的。20℃时金属镁的密度是1.738g/cm3,液态金属镁的密度为1.58g/cm3;在标准大气压下,金属镁的熔点是(650±1)℃,沸点为1090℃。在空气中加热时,金属镁在632℃~635℃开始燃烧。因此决定了镁的制备及合金冶炼工艺比较复杂。工业用镁的纯度可达到99.9%,但是纯镁不能用作结构材料,在纯镁中加入铝、锌、锂、锰、锆和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度,目前使用最广的是镁铝合金,其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。



       
     

     


02    
镁合金的特性    


①质轻


镁的比重只有1.8G/CM3,铝合金的比重为2.7G/CM3,镁合金比铝合金轻30%,比钢轻80%。所以,汽车及手提电子产品中镁合金已成为零件制造成理想材料。


②强度


镁合金在金属及塑料等工程材料中,具有极佳的强度/重量比。屈服强度160MPa ,抗拉强度240MPa。


③压铸性


在保持良好的结构条件下,镁合金允许铸件壁厚最小达到0.6mm,这是塑料在相同强度下无法达到的。铝合金的压铸性能也要在1.2-1.5mm以上时才能与镁合金相比。镁合金较易压铸成型,适合大批量压铸生产(生产速度可达铝的1.5倍)。此外,镁合金模的磨损也较铝为低。主要原因就是铝的粘度高。


④减震性


镁有极好的滞弹吸震性能,可吸收震动和噪音,用作设备机壳可减少噪音传递、预防冲击和防止凹陷损坏。作为LCD或是LED的背板是好的。


⑤刚性


镁的刚性为铝的2倍并比大部分塑胶为高。镁有良好的抗应力阻力。


⑥高电磁干扰屏障


镁合金有良好的阻隔电磁波功能,适合生产电子产品。


⑦良好的切削性能


镁比铝和锌有更好的切削性,使镁成为更易切削加工的金属材料。


⑧镁合金的比热容较小,合金液的冷却速度快。


⑨镁合金和模具钢材的亲和力小,不易粘附模具。


03    
镁合金材料的优点    


①重量轻


镁合金比重在所有结构用合金中属于最轻者,它的比重为铝合金的68%,锌合金的27%,钢铁的23%,它除了做3C产品的外壳、内部结构件外,还是汽车、飞机等零件的优秀材料。


②比强度、比刚度高


镁合金的比强度明显高于铝合金和钢,比刚度与铝合金和钢相当,而远远高于工程塑料,为一般塑料的10倍。


③耐振动性好


在相同载荷下,减振性是铝的100倍,钛合金的300~500倍。


④电磁屏蔽性佳


3C产品的外壳(手机及电脑)要能够提供优越的抗电磁保护作用,而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰。


⑤散热性好


一般金属的热传导性是塑料的数百倍,镁合金的热传导性略低于铝合金及铜合金,远高于钛合金,比热则与水接近,是常用合金中最高者。


⑥质感佳


镁合金的外观及触摸质感极佳,使产品更具豪华感。


⑦可回收性好


只要花费相当于新料价格的4%,就可将镁合金制品及废料回收利用。


⑧稳定的资源提供


镁元素在地壳中的储量居第八位,大部分的镁原料自海水中提炼,所以它的资源稳定、充分。


04    
镁合金压力铸造的优点    


①高的生产率


②高精度


③好的表面质量


④精细的铸件晶粒


⑤可压铸薄壁和复杂结构的产品


   

铝合金    

01    
铝合金    


以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰,次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。

       
     

     

铝合金密度低,但比强度高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢。


02    
铝合金分类    


铝合金分两大类:铸造铝合金,在铸态下使用;变形铝合金,能承受压力加工,力学性能高于铸态。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等。


03    
铝合金加工方法    


铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能,只能通过冷加工变形来实现强化,它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能,它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。


铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能,物理性能和抗腐蚀性能。


铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金,铝铜合金,铝镁合金和铝锌合金。


04    
铝合金和镁合金的对比    


铝合金和镁合金没有太大的区别,只是铝合金稍重一些。加工性比较粘。而且压铸的铝合金由于含有较高成分的Si,所以在做Anodizing(阳极氧化)时,直接与药液产生反应。以致失败。镁合金是可以的,而且颜色比较鲜艳,有用Anodizing做后期外观工艺的。不过,不是每一家都能做的。


   

锌合金    

01    
锌合金特点    


通常用于电镀的锌基合金材料的牌号为ZnAl 4-1, 成分( %): Al 3.5~4. 9 ,Cu 0.75~1.25, Mg 0.03~0.08, 余量为Zn。



       
     

     


①比重大


②铸造性能好,可以压铸形状复杂、薄壁的精密件,铸件表面光滑


③ 可进行表面处理:电镀、喷涂、喷漆


④熔化与压铸时不吸铁,不腐蚀压型,不粘模


⑤有很好的常温机械性能和耐磨性


⑥ 熔点低,在385℃熔化,容易压铸成型



02    
使用过程中注意的问题    


①抗蚀性差。


当合金成分中杂质元素铅、镉、锡超过标准时,导致铸件老化而发生变形,表现为体积胀大,机械性能特别是塑性显著下降,时间长了甚至破裂。铅、锡、镉在锌合金中溶解度很小,因而集中于晶粒边界而成为阴极,富铝的固溶体成为阳极,在水蒸气(电解质)存在的条件下,促成晶间电化学腐蚀。压铸件因晶间腐蚀而老化。


②时效作用


锌合金的组织主要由含Al和Cu的富锌固溶体和含Zn的富Al固溶体所组成,它们的溶解度随温度的下降而降低。但由于压铸件的凝固速度极快,因此到室温时,固溶体的溶解度是大大地饱和了。经过一定时间之后,这种过饱和现象会逐渐解除,而使铸件的形状和尺寸略起变化。


③锌合金压铸件不宜在高温和低温(0℃以下)的工作环境下使用。


锌合金在常温下有较好的机械性能。但在高温下抗拉强度和低温下冲击性能都显著下降。



03    
锌合金和镁合金的对比    


①成分区别


镁合金以镁为主要成分,通常添加铝、锌、锰等元素。而锌合金则以锌为主要成分,通常添加铝、铜、镁等元素。因此,两种合金的成分有明显差异,这也导致了它们的性能特点不同。


②机械性能区别


在机械性能方面,镁合金的密度较小,强度高、刚度好、耐冲击性能强,且具有较好的防腐蚀性,故广泛应用于航空航天、汽车、电子产品等领域。锌合金则密度较大,机械性能相对较差,但具有较好的铸造性能和表面处理性能,常用于模具、压铸件、五金制品等领域。


③耐腐蚀性能区别


由于成分的不同,镁合金和锌合金的耐腐蚀性能也有所差别。镁合金在大气环境下易于氧化和腐蚀,但是有些镁合金经过特殊处理后可以大大提高其耐腐蚀性。锌合金则在湿润环境下容易产生腐蚀现象,但是可通过合适的表面处理方法来提高其耐腐蚀性。


④其他区别


除了上述主要区别外,镁合金和锌合金还有其他一些差异。比如:镁合金燃烧性能强,且易于点燃;锌合金燃烧性能相对较差,即使是高温下也不容易燃烧。此外,由于镁合金的电化学性质较活泼,因此易于发生自腐蚀现象;锌合金虽然不太容易自腐蚀,但在电化学方面的性质相对较差。


综上所述,虽然镁合金和锌合金都是常见的金属合金,但它们的成分、机械性能、耐腐蚀性能等方面存在较明显的差异。因此,在具体应用时,需要根据不同的需求和使用环境进行选择。


   

钛合金    


钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体:882℃以下为密排六方结构α钛,882℃以上为体心立方的β钛。



       
     

     


合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:


①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素,它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。


②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素,又可分同晶型和共析型二种。前者有钼、铌、钒等;后者有铬、锰、铜、铁、硅等。


③对相变温度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等。



01    
钛合金的特性    


钛是一种新型金属,钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关,最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%,但其强度低、塑性高。



       
     

     

①强度高


钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,仅为钢的60%,纯钛的密度才接近普通钢的密度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。


②热强度高


使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450~500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下。


③抗蚀性好


钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。


④低温性能好


钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。


⑤化学活性大


钛的化学活性大,与大气中O、N、钛合金制品、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1~0.15 mm,硬化程度为20%~30%。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。


⑥导热弹性小


钛的导热系数λ=15.24W/(m.K)约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2~3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。



02    
钛合金和镁合金的对比    


①密度比较

钛合金和镁合金都是轻金属材料,比一般的钢铁材料轻很多。钛合金的密度约为4.5克/立方厘米,而镁合金的密度则仅为1.7克/立方厘米,因此总体上来说镁合金比钛合金更轻。

②强度比较

钛合金和镁合金在强度方面也有所不同。钛合金具有高强度和优异的机械性能,可以承受高温和高强度的应力。而镁合金则较为柔软,具有较低的强度和硬度,但是也可以在一定条件下发挥出很好的性能。因此,在具体应用中需要根据具体要求来选择不同的材料。

③耐腐蚀性

钛合金和镁合金都具有较好的耐腐蚀性能,但是镁合金的腐蚀性还是相对较强的,尤其是在潮湿的环境中容易腐蚀和变形。而钛合金则具有更为优异的耐腐蚀性能,特别是在海洋环境中,因此常用于制造海工设备等。

总体来说,钛合金和镁合金都是优秀的轻金属材料,在不同领域有着广泛的应用。钛合金的密度相对较大,但是强度更高,且耐腐蚀性能更为优异,适用于制造需要高强度和耐腐蚀性的场合。而镁合金比较轻,但是强度较低,通常适用于制造部分要求轻量化、柔软的零部件和器具。


信息来源:轻合金国家工程研究中心应用基地、网络整理


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来源:材子笔记
振动燃烧化学航空航天汽车建筑电子材料模具
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首次发布时间:2024-12-26
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材子笔记
硕士 | 研发工程师 爱材料,懂生活~
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疲劳,金属的主要失效形式~

疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一,在金属构件疲劳断裂失效分析基础上形成和发展了疲劳学科。尽管大多数工程技术人员和设计人员已经注意到疲劳问题,而且积累了大量的实验数据,目前仍然有许多设备和机器发生疲劳断裂。 疲劳设计现在已从无限寿命设计发展到有限寿命设计。零件、构件和设备的寿命估算,已成为疲劳强度的一个重要组成部分。疲劳也从一个古老的概念发展成为材料科学、力学和工程设计相结合的一门新兴学科——疲劳强度。 疲劳断裂的基本形式和特征 1.疲劳断裂失效的基本形式 机械零件疲劳断裂失效形式很多: 按交变载荷的形式不同可分为:拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等;按疲劳断裂的总周次的大小 (Nf)可分为:高周疲劳(Nf>10⁵)和低周疲劳 (Nf<10⁴);按零件服役的温度及介质条件可分为:机械疲劳(常温、空气中的疲劳)、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。 但其基本形式只有两种,即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。其他形式的疲劳断裂,都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。(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: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。由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度,而在单向压缩、拉伸及扭转条件下,最大切应力和最大正应力的比值(即软性系数)分别为2.0、0.5、0.8,所以对于这类材料,其零件的表层比较容易满足上述力学条件,因而多以切断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹,绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件,都将有利于这种破坏形式的产生。(2) 正断疲劳失效正断疲劳的初裂纹,是由正应力引起的。初裂纹产生的力学条件是:正应力/缺口正断强度≥1,切应力/缺口切断强度<1。正断疲劳的特点:疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态;初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直,裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。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。高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。2.疲劳断裂失效的一般特征 金属零件在使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。引起疲劳断裂的应力一般很低,断口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。 (1) 疲劳断裂的突发性疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展和失稳扩展三个元过程,但是由于断裂前无明显的塑性变形和其他明显征兆,所以断裂具有很强的突发性。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料,在交变应力作用下也会显示出宏观脆性的断裂特征,因而断裂是突然进行的。(2) 疲劳断裂应力很低循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如,对于旋转弯曲疲劳来说,经10⁷次应力循环破断的应力仅为静弯曲应为的20%~40%;对于对称拉压疲劳来说,疲劳破坏的应力水平还要更低一些。对于钢制构件,在工程设计中采用的近似计算公式为:或(3) 疲劳断裂是一个损伤积累的过程疲劳断裂不是立即发生的,往往经过很长的时间才完成。疲劳初裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。在工程上,通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循环周次(N0 )或将N0与试件的总寿命Nf 的比值(N0/Nf)作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育期的参量。疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状及应力集中状况、材料性质、温度与介质等因素有关。(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。部分材料的N0/Nf值各因素对N0/Nf值影响的趋势(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。 疲劳断口形貌及其特征 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。2.疲劳断口的微观形貌特征(1) 疲劳断裂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 。延性疲劳辉纹:是指金属材料疲劳裂纹扩展时,裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。疲劳条痕通常是连续的,并向一个方向弯曲成波浪形。通常在疲劳辉纹间存在有滑移带,在电子显微镜下可以观察到微孔花样。高周疲劳断裂时,其疲劳辉纹通常是延性的。 脆性疲劳辉纹:是指疲劳裂纹沿解理平面扩展,尖端没有或很少有塑性变形,故又称解理辉纹。在电子显微镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹,又可观察到与裂纹扩展方向一致的河流花样及解理台阶。脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的疲劳断裂,或缓慢加载的疲劳断裂中,其疲劳辉纹通常是脆性的。 (2) 疲劳断裂性质的判别为了进一步分析载荷性质及环境条件等因素的影响,有必要利用断口的微观特征对零件疲劳断裂的具体类型作进一步判别。 高周疲劳断裂性质的判别高周疲劳断口的微观基本特征是细小的疲劳辉纹。此外,有时尚可看到疲劳沟线和轮胎花样。依此即可判断断裂的性质是高周疲劳断裂。但要注意载荷性质、材料结构和环境条件的影响。 低周疲劳断裂性质的判别低周疲劳断口的微观基本特征是,粗大的疲劳辉纹或粗大的疲劳辉纹与微孔花样。同样,低周疲劳断口的微观特征随材料性质、组织结构及环境条件的不同而有很大差别。 对于超高强度钢,在加载频率较低和振幅较大的条件下,低周疲劳断口上可能不出现疲劳辉纹,而代之以沿晶断裂和微孔花样为特征。热稳定不锈钢的低周疲劳断口上除具有典型的疲劳辉纹外,常出现大量的粗大滑移带及密布着细小二次裂纹。高温条件下的低周疲劳断裂,由于塑性变形容易,一般其疲劳辉纹更深、辉纹轮廓更为清晰,并且在辉纹间隔处往往出现二次裂纹。 振动疲劳断裂性质的判别金属微振疲劳断口的基本特征是细密的疲劳辉纹,金属共振疲劳断口的特征与低周疲劳断口相似。但在疲劳裂纹的起始部位通常可以看到磨损的痕迹、压伤、微裂纹、掉块及带色的粉末(钢铁材料为褐色;铝、镁材料为黑色)。 腐蚀疲劳断裂性质的判别腐蚀疲劳断口上的疲劳辉纹比较模糊,二次裂纹较多并具泥纹花样。 碳钢、铜合金的腐蚀疲劳断裂多为沿晶分离;奥氏体不锈钢和镁合金等多为穿晶断裂;Ni-Cr-Mo钢在空气中多呈穿晶断裂,而在氢气和H2S气氛中多为沿晶或混晶断裂。加载频率低时,腐蚀疲劳易出现沿晶分离断裂。 金属热疲劳断裂性质的判别金属热疲劳断裂的微观特征是多为粗大的疲劳辉纹,或粗大的疲劳辉纹加微孔花样,并且其上多有一层氧化物。 接触疲劳断裂性质的判别接触疲劳断口和磨损疲劳断口特征基本相同,其疲劳辉纹均因摩擦而呈现断续状和不清晰特征。 金属零件的疲劳断裂失效 1.疲劳断裂的形式 (1) 弯曲疲劳断裂 金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲劳破坏称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳又可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳及旋转弯曲疲劳三类。其共同点是初裂纹一般源于表面,然后沿着与最大正应力垂直的方向向内扩展,当剩余截面不能承受外加载荷时,构件发生突然断裂。 单向弯曲疲劳断裂像吊车悬臂之类的零件,在工作时承受单向弯曲负荷。承受脉动的单向弯曲应力的零件,其疲劳核心一般发生在受拉侧的表面上。疲劳核心一般为一个,断口上可以看到呈同心圆状的贝纹花样,且呈凸向。最后断裂区在疲劳源区的对面,外围有剪切唇。 构件的次表面存在较大缺陷时,疲劳核心也可能在次表面产生。在受到较大的应力集中的影响时,疲劳孤线可能出现反向(呈凹状),并可能出现多个疲劳源区。 双向弯曲疲劳断裂某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用。零件在双向弯曲应力作用下产生的疲劳断裂,其疲劳源区可能在零件的两侧表面,最后断裂区在截面的内部。两个疲劳核心并非同时产生,扩展速度也不一样,所以断口上的疲劳断裂区一般不完全对称。材料的性质、负荷的大小、结构特征及环境因素等都对断口的形貌有影响,其趋势与单向弯曲疲劳断裂基本相同。 旋转弯曲疲劳断裂许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。旋转弯曲疲劳断裂时,疲劳源区一般出现在表面,但无固定地点,疲劳源的数量可以是一个也可以是多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。由此可以根据疲劳源区与最后断裂区的相对位置推知轴的旋转方向。 当轴的表面存在较大的应力集中时,可以出现多个疲劳源区。此时最后断裂区将移至轴件的内部。(2) 拉压疲劳断裂拉压疲劳断裂最典型的例子是各种蒸汽锤的活塞杆在使用中发生的疲劳断裂。在通常情况下,拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部,这一点与静载拉伸断裂时不同。但当构件内部存在有明显的缺陷时,疲劳初裂纹将起源于缺陷处。此时,在断口上将出现两个明显的不同区域,一是光亮的圆形疲劳区(疲劳核心在此中心附近);二是瞬时断裂区。在疲劳区内一般看不到疲劳弧线,而在瞬时断裂区具有明显的放射花样。应力集中和材料缺陷将影响疲劳核心的数量及其所在位置,瞬时断裂区的相对大小与负荷大小及材料性质有关。(3) 扭转疲劳断裂各类传动轴件的断裂主要是扭转疲劳断裂,扭转疲劳断裂的断口形貌主要有以下三种类型: 正向断裂断裂表面与轴向成45°角,即沿最大正应力作用的平面发生的断裂。单向脉动扭转时为螺旋状;双向扭转时,其断裂面呈星状;应力集中较大的呈锯齿状。 切向断裂断面与轴向垂直,即沿着最大切应力所在平面断裂,横断面齐平。 混合断裂横断面呈阶梯状,即沿着最大切应力所在平面起裂并在正应力作用下扩展引起的断裂。正向断裂的宏观形貌一般为纤维状,不易出现疲劳弧线;切向断裂较易出现疲劳弧线。 (4) 振动疲劳断裂许多机械设备及其零部件在工作时往往出现在其平衡位置附近作来回往复的运动现象,即机械振动。机械振动在许多情况下都是有害的,它除了产生噪音和有损于建筑物的动负荷外,还会显著降低设备的性能及工作寿命。由往复的机械运动引起的断裂称为振动疲劳断裂。当外部的激振力的频率接近系统的固有频率时,系统将出现激烈的共振现象。共振疲劳断裂是机械设备振动疲劳断裂的主要形式,除此之外,尚有颤振疲劳及喘振疲劳。振动疲劳断裂的断口形貌与高频率低应力疲劳断裂相似,具有高周疲劳断裂的所有基本特征。振动疲劳断裂的疲劳核心一般源于最大应力处,但引起断裂的原因,主要是结构设计不合理。因而应通过改变构件的形状、尺寸等调整设备的自振频率等措施予以避免。(5) 接触疲劳2.疲劳断裂原因分析(1) 零件的结构形状零件的结构形状不合理,主要表现在该零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变而造成过大的应力集中,疲劳微裂纹最易在此处萌生。(2) 表面状态不同的切削加工方式(车、铣、刨、磨、抛光)会形成不同的表面粗糙度,即形成不同大小尺寸和尖锐程度的小缺口。这种小缺口与零件几何形状突变所造成的应力集中效果是相同的。由于表面状态不良导致疲劳裂纹的形成是金属零件发生疲劳断裂的另一重要原因。(3) 材料及其组织状态材料选用不当或在生产过程中,由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发生,金属材料的组织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。一般的说,回火马氏体较其他混合组织,如珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体具有更高的疲劳抗力;铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织相对含量的增加而增加;任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。组织的不均匀性,如非金属夹杂物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲劳抗力降低而成为疲劳断裂的重要原因。(4) 装配与联接效应装配与联接效应对构件的疲劳寿命有很大的影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上。容易出现的问题是,认为越大的拧紧力对提高联接的可靠性越有利,使用实践和疲劳试验表明,这种看法具有很大的片面性。(5) 使用环境环境因素(低温、高温及腐蚀介质等)的变化,使材料的疲劳强度显著降低,往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢(0.28%C,11.5% Ni,0.73%Cr),淬火并回火状态下在海水中的条件下疲劳强度大约只是在大气中的疲劳极限的20%。信息来源:百度文库声明:本文所用图片、文字部分源于网络,目的为非商业性知识分享,版权仍属于原作者,如信息有误或涉及版权问题,请第一时间通知,我们将立即处理!来源:材子笔记

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