• 二、疲劳断裂的分类 1、高周疲劳与低周疲劳
如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏 的循环次数高于10万次的疲劳，称为高周疲劳。 例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲 劳见多。
作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次 数较低，一般低于1万次的疲劳，称为低周疲劳。 例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲 劳。
图2
图3
• 2 扫描电镜分析 • 断口1在扫描电镜下显示疲劳弧线[图4(a)]；根据弧线 的走向可以找到疲劳源，疲劳源在[图4(d)]右上方拐角处， 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4(b)]；在疲劳扩展区可见疲劳条纹及二次裂纹 [图4(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。
• 1 宏观检查
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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3(a)]； 断裂端一侧面存在强烈磨 擦痕迹[图3(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3(c)] 。 断口1较为光滑平整，断 口边缘已磨损，中部可见 疲劳弧线[图3(d)]； 断口2未见疲劳弧线。
目录
• 一、疲劳失效知识点回顾
• 二、疲劳断裂案例分析
疲劳断裂的特征
• 一、疲劳与断裂的概念
1、疲劳：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的 性能变化称为疲劳； 2、疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起 的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学 性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称 为疲劳断裂。也可简称为金属的疲劳。引起疲劳断裂的应 力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局 部性及对各种缺陷的敏感性等特点。
案例分析
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。
20CrMnTi是合金结构钢，含碳量0.2%左 右，含锰1%左右，含钛1%左右。这种 材料一般做轴类零件。要求渗碳。 图1
• 截面尺寸突然改变处（如阶梯轴的轴肩），采用半 径足够大的过渡圆角，以减轻应力集中。
• 因结构上的原因，难以加大过渡圆角的半径时，可 以在直径较大的部分轴上开减薄槽或退刀槽。 • 紧配合的轮毂与轴的配合面边缘处，有明显的应力 集中。 若在轮毂上开减荷槽，并加粗轴的配合部 分，以缩小轮毂与 轴之间的刚度差距，便可改善 配合面边缘处应力集中的情况 • 在角焊缝处，采用坡口焊接，应力集中程度要比无 坡口焊接改善的多。
2、增强表层强度
• 用机械法强化表层（如滚压、喷丸等），使构件表面形成预 压应力层，减弱易引起裂纹的表面拉应力，从而提高疲劳强 度。或采用热处理和化学处理 ，如高频淬火、渗碳、氮化等。 • 采用直径0.1-1mm小钢珠 以高速冲击试样表面，以 去除表面锐角、毛边等易 喷 应力集中处，且使表面压 丸 缩至钢珠直径的1/4-1/2深 处 度，使零件表面产生残余 理 应力而抑制疲劳裂纹的扩展。
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图4
• 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。
三、疲劳断裂的特征
宏观：裂纹源—→扩展区—→瞬断区。 • 裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区 域是产生裂纹源的前提条件。 • 疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向 相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝 纹线。 • 瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域， 断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性 。 • 一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶 体学上的名称，在微观显象上出现的小平面）， 以及韧窝等微观区域特征。
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碳化物。
四、疲劳断裂的特点
• （1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没 有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零 件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。 • （2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时 屈服强度的应力负荷。 • （3）疲劳破坏后，一般能够在断口处能清楚地显 示出裂纹的发生、扩展和最后断裂的三个区域的 组成部分。
• 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。
改善材料疲劳限或疲劳强度的方法
一般难以改变零件的使用条件，需尽量 改善零件设计，如从表面效应着手。只要 防止结构材料与机械零件表面应力集中、 阻碍位错滑移堆积、抑制塑性变形，则疲 劳裂纹不易成核亦难以扩展，将使疲劳限 或疲劳强度增加。 1、减缓应力集中 2、增强表层强度
1、减缓应力集中的措施
• 设计中要避免出现方形或带有尖角的孔和槽。
2、应力和应变来分
• 应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周 疲劳； • 应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周 疲劳。 • 复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应 变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称 为复合疲劳。
3、按照载荷类型分类
• • • • • • 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳 振动疲劳 微动疲劳