浅论金属材料疲劳断裂的原因及危害

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1、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來的损害。但由于技术的落后，还不能杳明疲劳破坏的原因，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，

2、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

3、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，金属屮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

4、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，在机械零件失效屮有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

5、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Z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

6、；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、孑L、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

7、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、铳、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。由于表曲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屮由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发牛。金属材料的组织状态不

8、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