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1、疲劳及设计案例疲劳及设计案例 疲劳破坏 材料在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强 度，甚至还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种 现象称为疲劳破坏 在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆 性断裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。 疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，其破坏过程 可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速 断裂而破坏。疲劳破坏首先是由于机件内部结构不均匀和 应力分布不均匀所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快 出现塑性变形及硬化，从而大大降低机件的疲劳强度。对 于承受连续反复荷载的结构，设计时必须考虑疲劳问题。 波音747的疲劳开裂
2、事件回顾 2002年5月25日，中华航空611号班机为一架波音 747-209B型客机，由桃园国际机场前往际 机场途中，因金属疲劳导致飞机在澎湖外海 10640米高空解体坠毁。206名乘客及19名机组员 无人生还。 原因追溯 1980年2月7日，该航机在香港启德机场曾因重落地损伤 到机尾蒙皮。 损伤到机尾后，华航仅用一块面积与受损蒙皮相若的铝板 覆盖该处（根据波音的维修指引，新蒙皮的面积须较受损 的大最少30%），并没有依波音所订的维修指引把整块蒙 皮更换，造成该地方累积了金属疲劳的现象。22年来，维 修人员没有察觉任何异常。 该处裂开后，造成空中失压解体。根据事故后回收的机身 残骸，该处裂痕
3、至少长达约2.3米，而研究显示在高空中 飞机上的裂痕超过约1.5米时就会有结构崩毁的可能。 飞机金属疲劳与交变载荷 在服役期间，飞机不断重复着起飞、飞行与降落这一过程，而 在每次起飞、飞行与降落过程中，飞机的结构都承受着各种各 样反复作用的疲劳载荷。这些疲劳载荷主要包括： 1 跑道上颠簸的地面滑行载荷； 2 飞中大气紊流(乱流)引起的“突风载荷”； 3 飞机作仰俯、偏航以及侧身等动作时的机动载荷； 4 飞机着陆时的撞击载荷； 5 气密座舱内增压一卸压的所谓“地空地”循环载荷 这些载荷通常都比较小，不足以使飞机结构发生一次性断 裂，但它们日复一日，年复一年地作用在飞机上， 飞机结构中 的疲劳损伤
4、便会在不知不觉中累积。一旦这种疲劳损伤累积到 一定程度，飞机的结构就会开裂，从而发生破坏，并最终诱发 空中解体。 台湾“飞航安全委员会”于2005年2月25日正式发布华航 CI611班机澎湖空难事故调查报告：根据加强补片上所发 现的环状磨擦痕迹、断裂面上的规则亮纹及镀铝层挤压变 形现象，相信该机于解体前，机身上存在一个至少71寸、 长度足以造成机身结构失效的连续裂纹。大部分的疲劳裂 纹生长的起源点为1980年2月7日事故航机在香港发生机 尾触地事件造成的刮痕处。 飞机金属疲劳与腐蚀疲劳 统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与腐蚀 或腐蚀疲劳有关。 由于具有重量轻、强度好等优越性能,高强
5、度铝合金已成 为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从目前对高 强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合金对腐蚀引起 的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝合金结构的疲劳寿 命大大缩短。 例2:摩托车发动机连杆断裂原因分析 广东某摩托车厂一辆摩 托车在运行了2000km后发 生机械故障，经拆机检查， 发现发动机曲轴连杆断裂。 据悉该连杆材料为 20CrMnTi，表面经过渗碳处 理。 连杆工作原理见图1，连 杆的往返运动带动两传动曲 轴转动。 1 宏观检查 失效连杆件有两个断口 在连杆断裂端的轴承弧面可 见许多与断口平行的裂纹 图(a)； 断裂端一侧面存在强烈磨擦 痕迹图(b)，磨损深度达 0.5m
6、m； 轴承弧面靠近磨擦侧面一端 可见蓝灰色的高温氧化痕迹 图(c) 。 断口1(图a左边的断口)较为 光滑平整，断口边缘已磨损 ，中部可见疲劳弧线图 (d)； 断口2(图a右边的断口)未见 疲劳弧线。 断口1 2 扫描电镜分析 断口1在扫描电镜下显示疲劳弧线图(a)；根据弧线 的走向可以找到疲劳源，疲劳源在图(d)左下方拐角处 ，局部放大，源区的细微组织大部分已磨损，但能看到 放射棱特征图(b)；在疲劳扩展区可见疲劳条纹及二次 裂纹图(c)；断口2未见疲劳条纹，只有韧窝，可见断口 1是最先开始断裂的断口，而断口2是二次断口。 疲劳源 3 化学成分 在连杆身部位取样，进行化学成分(质量 分数，%
7、)分析，结果符合GB/T3077-1999 20CrMnTi的化学成分要求 4 结果分析 综合上述检验结果，失效件材料化学成份符合技术条件要 求。 连杆断裂端一侧面出现非正常严重磨擦现象，轴承弧面靠 近磨擦面一端出现的蓝灰色的氧化膜，是黑色氧化铁 (Fe3O4)及红色氧化铁(Fe2O3)的混合体，其形成温度在 400以上。表明该连杆与一输出轴之间的磨擦导致该区 域温度过热。 断口扫描电镜分析表明断口疲劳裂纹源在氧化膜附近的拐 角处，正处于高温区域。表面氧化会使裂纹产生的机会增 加，同时高温提高了蠕变损伤的可能性。另一方面磨擦导 致金属表面粗糙，容易形成表面应力集中，增大疲劳源产 生的可能性。
8、断裂起源往往发生在拉应力最大的层面上。从连杆运动受 力情况分析，断口1的断面所受的拉应力最大，容易在此 断面靠近磨擦面的拐角处形成裂纹源。同时由于该区域存 在较粗大的块状碳化物，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，最终导致了疲劳 断裂。 连杆渗碳表面的碳化物过大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过高造成的，特别容易在工 件尖角处形成，导致零件寿命显著下降。因此在渗碳过程 中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势引起 工件表面形成粗大的碳化物。 5 结论 曲轴连杆断裂属疲劳断裂，引起断裂的 原因是在使用时连杆受到剧烈磨擦，导致 局部区域应力集中及温度过高，降低了材 料的疲劳强度。连杆拐角处表面的较大块 状碳化物加速了裂纹的萌发及扩展。 6 改进 设计时减少摩擦处的粗糙度，可以减少应力集中 ，降低零件的疲劳强度 。同时减少摩擦带来的高 温，减少了蠕变损伤的可能性 。 改善渗碳工艺。连杆渗碳表面的碳化物过大与渗 碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于 碳浓度过高造成的，特别容易在工件尖角处形成 ，导致零件寿命显著下降。因此在渗碳过程中应 注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势 引起工件表面形成粗大的块状碳化物。
