浅论金属材料疲劳断裂的原因及危害

青岛黄海学院机电工程学院 2013—2014学年第二学期期中考试 科目： 工程材料及机械制造基础 姓名：      杜希元          学号：    1101111084          班级：  2011级本科三班      专业：  机械制造及其自动化    浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害 摘要：从人类开始制造结构以来，断裂就是社会面对的一个问题。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因，直到显微镜和电子显微镜等高科技器具的相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果。本文浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害，使人们初步了解金属疲劳断裂的相关知识。 关键词：疲劳断裂  原因  危害 一、金属材料的疲劳现象 工程中有许多金属零件，如齿轮、弹簧、滚动轴承、叶片、发动机曲轴等都是在变动载荷下工作的。根据变动载荷的作用方式不同，金属零件承受的应力可分为交变应力和循环应力。在交变应力下，虽然零件所承受的应力低于材料的抗拉强度甚至低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属材料也是一样。金属的机械性能会随着时间而慢慢变弱，这就是金属的疲劳。在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，从而使金属原子间的化学键断裂，导致金属裂开。 二、金属材料疲劳的种类 金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种： （1）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。 （2）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在10000～100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。 （3）热疲劳：指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳破坏。 （4）腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活性气体等）的共同作用下，所产生的疲劳破坏。 （5）接触疲劳：这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。 三、金属材料疲劳断裂的特点 零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80％以上属于疲劳破坏。例如大多数轴类零件，通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中，所受的负荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处在大拉小拉的状态中，这类情况叫做拉-拉疲劳；连杆不同于螺栓，始终处在小拉大压的负荷中，这类情况叫做拉-压疲劳。我们还可以列举很多常用的机械零件所受的负荷情况，综合这些情况就会得到上面已经提过的结论：大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。 金属零件在使用中发生断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏；引起疲劳断裂的应力一般很低，常常低于静载时的屈服强度；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，而且疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份；金属疲劳断裂时载荷应力是交变的，载荷的作用时间较长；断裂是瞬时发生的；无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的；断裂时还具有高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。 四、金属材料发生疲劳断裂的原因 产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于零件的结构形状不合理，即在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或者材料本身强度较低的部位，例如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷处，在交变或循环应力的反复下产生了疲劳断裂，并随着应力的循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，最后当减小到不能承受外加载荷的作用时，零件即发生突然断裂。 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。 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，回火马氏体较其它混合组织，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。 装配与连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金属零件疲劳寿命提高5倍以上；相反，过大的拧紧力矩会对金属零件造成严重的影响，当金属零件承受不了这种作用时就会产生变形甚至断裂。 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。 总之，金属材料发生疲劳断裂有很多原因。 五、金属材料发生疲劳断裂的危害 据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。在工程中，构件可能会因为受到各种载荷的作用而产生破坏，其中由于交变载荷而导致的疲劳破坏占到了50％～90％。航天设备、船舶、轨道车辆等大型机械结构，其服役环境的复杂性，载荷历程的多变性，可能导致结构失效。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。 国际民航组织 (ICAO)发表的“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出：      80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，平均每年100次。(不包括中、苏) 比较确切的例子： 事件一  1979年5月25日，一架满载乘客的美国航空公司DG—10型三引擎巨型喷气客机，从芝加哥起飞不久，就失去了左边一具引擎，随即着火燃烧，然后爆炸坠地。机上273名乘客和机组人员无一幸免。这是世界航空史上最悲惨的事件之一。 事后，有关当局对这架失事飞机的残骸进行检查后发现，这架飞机上连接一具引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断，从而导致引擎燃烧爆炸 。 事件二  1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起，从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。  事件三  由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳断裂。 六、结论  金属疲劳是造成机械损坏的重要原因，可能直接导致事故的发生，因此我们应该学会有效防止金属材料疲劳的发生，如对所有机械皆需定期检查、维修、更换零件，让金属疲劳所产生的危害降至最低。 参考文献 【1】朱莉，王运炎主编/机械工程材料/北京：机械工业出版社，2010.8 【2】谭雪松，漆向军编著/机械制造基础/北京：人民邮电出版社，2008.5 【3】濮良贵，陈国定，吴立言主编/机械/北京：高等教育出版社，2013.5 【4】林江主编/工程材料及机械制造基础/北京：机械工业出版社，2013.7