失效分析22修改3-2(2018疲劳断裂修改)课件.ppt

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1、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。连杆的往返运动带动两传动曲轴转动。疲劳失效例子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较为光滑平整，断口边缘已磨损，中部可见疲劳弧线[图(d)]；断口2未见疲劳弧线。扫描电镜分析断口1在扫描电镜下显示疲劳弧线[图

2、(a)]；根据弧线的走向可以找到疲劳源，疲劳源在[图(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(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。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/T3077-199920CrMnTi的化学成分要求。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

3、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的状碳化物，破坏了基体组织的

4、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。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。改进？一、疲劳断裂的基本概念第三节、疲劳断裂1.定义------在交

5、变载荷（交变应力或循环载荷）的作用下，虽然应力低于金属材料的抗拉强度，有时甚至低于屈服极限，但经过一定的循环周期后，金属构件会发生突然断裂。疲劳接触疲劳高温疲劳腐蚀疲劳微振疲劳环境高应力疲劳低应力疲劳应力大小扭转疲劳拉压疲劳拉伸疲劳弯曲疲劳混合疲劳载荷低周疲劳高周疲劳交变频率2.分类高周疲劳（应力疲劳）：例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品低周疲劳（应变疲劳）：例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏1、疲劳断裂的应力远比静载下材料的σb低，甚至比σ0.2低很多，断裂前无明显的塑性变形，是一种低应力脆断破坏现象2、一个损伤积累过程（负荷经多次循

6、环）是与时间相关的破坏方式。它包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段，不同阶段损伤方式和损伤量不同。二.疲劳断裂的特点疲劳曲线★疲劳裂纹的萌生-----表面（次表面、内部）疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷，工艺缺陷等。图3-29滑移带中产生的“挤入”及“挤出”示意★疲劳裂纹的扩展是一个包括滑移塑性形变与不稳定断裂交替作用的复杂过程，通常有切向扩展和正向扩展两个阶段。图3-30疲劳裂纹扩展的两个阶段(a)疲劳裂纹扩展示意图(b)螺栓实际使用

7、中的疲劳裂纹第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展范围较小，约2-5个晶粒之内与拉伸轴约成45角，扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平裂纹扩展路径是穿晶的扩展速度快，每一应力循环微米数量级，显微特征：疲劳辉纹3、工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件环境等密切相关4、微观上，疲劳断裂一般为穿晶断裂，也属一种脆性穿晶疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂:低应力循环的延时断裂潜在的突发性脆性断裂对缺陷十分敏感三、疲劳断口形貌三个

8、区域：裂纹起源区、裂纹扩展区和最终断裂区(瞬断区)。1)断口的宏观形貌图-3-32疲劳断口的宏观形貌★裂纹起源区裂纹萌生的策源地，位于材料表面、次表面或内部应力集中处或缺陷部位，光滑、细洁的扇形小区域形貌特点：光亮度最大