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1、结构用钢的疲劳断裂机理及对策结构用钢的疲劳断裂机理及对策章.鼋技CISCTECHNOLOGY结构用钢的疲劳断裂机理及对策本田正寿(日)1 前言结构用钢的用途遍及很广的范围,一直作为各种各样的机械部件和结构部件使用.并且,由于使用环境和作用应力的不同,故每个部件的损坏形态也是多种多样的.负荷在部件上的应力可分类为拉伸一压缩轴向应力;弯曲应力;扭转(扭曲)应力;接触应力等.作为实际的应用部件例有螺栓(bolt),齿轮的齿根部,轴(shaft),轴承和齿轮的齿面等.并且在这些部件上不仅有上述应力的单独作用,而且有复合作用,从而使部件的损坏和断裂形态变复杂了.若将损坏形态分类,则可分为金属接触而烧结,
2、或磨损而变得不能使用的磨损?摩擦损坏;在腐蚀环境下产生的腐蚀损坏;在高温环境下发生的蠕变损坏;因突发载荷而造成的冲击损坏,以及交变应力作用下的疲劳损坏等.在过大载荷下产生的静态损坏伴随有大的变形;反之在交变应力下产生的疲劳损坏是部件不变形的损坏,故要预测损坏的时间是很困难的.特别是在疲劳断裂时,即使是在比材料拉伸强度小的应力下也会产生的损坏,也有必要对之充分考虑.并且,实际部件的损坏有相当多都是由疲劳现象造成的.因此,本文着重介绍疲劳损坏机理及对策.2 疲劳损坏的机理一般情况下,机械部件等所受承受的应力是比拉伸等静的应力多的交变应力和变动应力.若在材料上施加交变应力,即使在负荷应力比静的应力更
3、小的场合,材料也会发生龟裂直至断裂.此现象被称作材料的疲劳,这样的断裂现象被称作疲劳断裂.2.1 疲劳断裂的过程疲劳断裂的过程可区分为龟裂的发生过程和龟?42?裂的传播过程,以及最终的断裂,即如图 1 所示那样分为 3 个阶段.龟裂黢謦三絷 l 阶段镳 II 阶段童力图 1 疲劳龟裂的发生及传播模式图第 1 阶段是细微龟裂发生阶段:若施加交变应力,在晶内就会产生滑移而发生微小龟裂.且若存在非金属夹杂物和缺陷,也会因交变应力而与基体剥离并产生微细龟裂.第阶段是龟裂的传播阶段:在第 1 阶段发生的微细龟裂,开始在与应力作用方向成直角方向地传播,慢慢长大成大的龟裂.第阶段是龟裂快速传播,并最终断裂的
4、阶段:在疲劳断裂中,龟裂在较小的应力作用下长大,因龟裂长大使承受应力的断面积慢慢减小,即使在相同载荷下也会使应力增大,这样一来,龟裂长大而断面积减小的必然结果就是最终的断裂.2.2 龟裂的发生第 1 阶段的龟裂发生多出现在材料表面的缺陷等凹凸,形状突变的转角部和沟状部等应力集中部,最具代表性的龟裂形式是由图 2 所示的滑移变形引起的结构用钢的疲劳断裂机理及对策褙移.一图 2 滑移集中区域模型图滑移变形是在剪切应力变到最大角度(与应力轴成 45.)出现的.而且因受交变应力的影响,变成滑移带而蓄积,发生了向内扩展微裂纹的变形,和被称作顶出的向外凸起,从而使材料表面粗糙,这就成了应力集中而变为龟裂起
5、点.所发生的龟裂受结晶学滑移面和方位的支配而不断长大.2-3 龟裂的传播伸展了的龟裂缓慢地转向应力轴的垂直方向,被损形态也变成滑移龟裂和网状裂纹的混合形态,其后变成稳定的龟裂进展状态,呈现疲劳断裂特有的条纹状模样.将此断面形态称作条纹组织(striation).一旦越过条纹组织的形成过程,龟裂就会加速扩展,直到材料的不稳定断裂.此阶段的断面呈现出凹痕和晶界裂纹断面等形态.3 疲劳强度的评价一般而言,作用于实际部件的应力振幅和频率,随时间的延长而变化.然而在对疲劳断裂强度进行评价时负荷了单纯化的应力.厂,/l1.:/.一图 3 盈利周期例评价此疲劳强度的试验按 JIS(日本工业标准)规定的方法进
6、行,输入图 3 所示的正弦波(周期应力)而评价了疲劳强度.其负荷形式采用了旋转弯曲,平面弯曲,拉伸压缩等,而其输入的变动应力参数如表 1 所示.其中,作为评价疲劳强度重要参数之一的是应力振幅盯.由于疲劳强度受应力振幅的影响大,故在研究疲劳强度方面,应力振幅堪称最重要参数.表 1 变动应力的参数另一个重要的参数是应力比 R.采用 R 可以数值地表示变动应力是单侧或两侧振动,例如若 R=一 1,即知道输人应力完全是两侧振动.这样一来,就可将决定评价条件的显示应力振幅(1r 和到断裂的交变次数 N 之间的关系图称作 SN曲线,图 4 为 SN 曲线的代表性概略图.在某一定平均应力条件下,应力振幅越小
7、的,到断裂的交变次数就越多,曲线就越倾斜;但应力振幅若变到某值以下,应力无论怎样交变也不断裂,曲线变成了水平状.由于一般多数钢铁材料在应力交变 107 次就呈现疲劳极限,故将此值作为疲劳强度的大致目标值.另一方面,Al 合金等大部分非铁金属却没有显示出明确的疲劳强度.并且,即使是钢铁材料,在高温和腐蚀环境下,也不存在疲劳极限.交变数(计数)图 4SN 曲线概略图?43?结构用钢的疲劳断裂机理及对策4 疲劳强度的影响因素若对影响疲劳强度的因素进行大的分类,有“材料“,“应力状态“,“使用环境“等,在此介绍如表 2所整理的与材料相关的代表性因素.表 2 影响疲劳强度的因素项目因素热处理表面状态内部
8、缺陷淬透性,组织渗 C,N 化,高频淬火脱 C,表面光洁度,形状,表面加工非金属夹杂物,晶粒度4.1 热处理淬火?回火(调质)由于疲劳强度和材料的抗拉强度及屈服强度成正比,故对材料进行淬火?回火处理使之高强度化即可改善部件疲劳强度.较之 M(马氏体)单相组织,在 F?P(铁素体?珠光体)组织上会有软质的F 相,故要获得高疲劳强度是困难的.在轴向应力作用的部件上进行淬火?回火处理时,硬化到部件内部是必要的,故材料的淬透性是极重要的因子.在淬透性低的材料上,因其内部不能获得 M 组织,内部所含 F 相等就会变成不完全淬火组织,其疲劳强度就往往低下,故将部件形状,大小合而为一的材料选定是非常必要的.
9、表面硬化处理由于对材料实施以渗 c(碳),N(氮)化,高频淬火等为代表的表面硬化处理而将表层部硬化,从而可提高其疲劳强度;同时,由于也向表层赋予了压缩残余应力,故可几何地提高疲劳强度.因此,以渗 c 为首的表面硬化处理可适用于很多部件.4.2 表面状态由于在实际部位上作用于最表层的应力变得最大的情况多,故部件表面状态会对其疲劳强度产生大的影响.脱 c较之正常部位,脱 c 部位的 C 含量低,淬火后的硬度也低,故其疲劳强度也低.特别是在机械加工后实施热处理时,为了防止脱 c,采用了保护气氛加热等抑制脱 C 措施.?44?表面光洁度(粗糙度)由于机械加工产生的表面凹凸,缺口效应变成了应力集中源,故
10、表面光洁度越差者的疲劳强度就越低下.一般越是高硬度(高强度)的材料,其缺口的敏感性就越高.因此,加强对光洁度的管理是必要的.形状部件的阶梯部的转角半径,沟和横向孑 L 等形状也同前述一样呈现缺口效应,故也有必要呈现部件形状.表面加工近年为了改善疲劳强度而一直在普及喷丸硬化处理:利用向部件表面投射硬质颗粒,除了能使其表层部获得硬化效果之外,还因被赋予了压缩残余应力,故是改善疲劳强度的有效方法.其改善的机理在于压缩残余应力的作用是减小了部件承受的载荷的缘故.4-3 内部缺陷非金属夹杂物钢中存在的非金属夹杂物与 M 的弹性系数不同,一般是钢的较高,在来自外部的应力作用下即使钢变形时,夹杂物的变形也小.因此,在 M 与夹杂物问就会产生空隙并扩展,从而在夹杂物周围生成的龟裂就变成了应力集中源;而且越是高硬度材,夹杂物的危害就越大.为了抑制非金属夹杂物造成的断裂(破损),所采取的对策有减小夹杂物尺寸以缩减形成的初期龟裂尺寸,以及将夹杂物软质化以抑制 M 与夹杂物之间的剥离.晶粒度众所周知,较之其他因素,晶粒度的影响是很重要的,因为晶粒度越小的材料疲劳强度就越高.5 结语本文概要介绍了结构用钢的疲劳断裂机理和对策,据此可以提高材料和部件的疲劳强度和疲劳寿命.重钢股份公司钢研所肖英龙摘译自特殊钢(2011.7)60 卷 4 号 1114.重钢集团培训中心韩文涛校
