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1、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,事件回顾 2002年5月25日
2、，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，该处裂痕至少长达约2.3米，而研究显示在高空中飞机上的裂痕
3、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
4、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
5、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0.5mm； 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
6、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，%)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
7、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。,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
8、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。,
