{首页主词},&

關(guān)于疲勞斷裂失效分析的干貨，都在這里了！

2022-05-12 11:59:41 作者：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 來源：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 分享至：

1.1 疲勞的定義

疲勞（fatigue）這個(gè)詞起源于拉丁文的 fatigäre一詞，意思是“疲倦”。人疲勞——身心勞累；材料疲勞——在循環(huán)載荷下的損傷和破壞。

定義：材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化。

1.2 疲勞研究發(fā)展過程

材料疲勞的研究可追溯到19世紀(jì)上半葉。W.A.J.Albert——德國(guó)礦業(yè)工程師，金屬疲勞的最初研究者，1829年前后完成。

研究?jī)?nèi)容：用鐵制的礦山升降機(jī)鏈條作反復(fù)加載試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性。第一個(gè)金屬疲勞研究——1842年法國(guó)玩爾賽鐵路事故分析，機(jī)車前軸的斷裂是導(dǎo)致這次事故的原因。

1.3 疲勞載荷

規(guī)則的交變應(yīng)力

不規(guī)則的交變應(yīng)力

一點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

應(yīng)力循環(huán)

應(yīng)力比

平均應(yīng)力

應(yīng)力幅值

對(duì)稱循環(huán)：r=-1 脈沖循環(huán)：r=0

靜應(yīng)力：r=1

1.4 疲勞極限與應(yīng)力-壽命曲線

S-N曲線

一般的應(yīng)力-壽命曲線

對(duì)稱循環(huán)下兩種類型S-N曲線

平均應(yīng)力對(duì)S-N曲線的影響

1.5 影響疲勞壽命的因數(shù)

應(yīng)力集中的影響——有效應(yīng)力集中因數(shù)

理論應(yīng)力集中因數(shù)

Sn為名義應(yīng)力

表面加工質(zhì)量的影響——表面質(zhì)量因數(shù)

磨削加工（試樣）

其他加工

2.1 疲勞失效分析經(jīng)典案例

疲勞失效典型案例——20世紀(jì)50年代世界第一架民用噴氣式客機(jī)“彗星號(hào)”系列事故。

原因：客艙結(jié)構(gòu)疲勞開裂。

2.2 疲勞斷裂失效的特點(diǎn)

疲勞斷裂屬于脆性斷裂的一種，幾乎沒有肉眼可見的塑性變形。疲勞斷裂往往具有突發(fā)性，危害性大。在機(jī)電裝備的失效事件中，疲勞斷裂失效約占所有斷裂事故的60%~80%。

2.3 疲勞斷裂失效分析的目的

診斷出疲勞失效的模式；

找出引起疲勞斷裂的確切原因；

采取預(yù)防措施，避免同類疲勞斷裂失效再次發(fā)生。

2.4 疲勞斷裂失效分析的內(nèi)容

分析判斷零件的斷裂失效是否屬于疲勞斷裂；

疲勞斷裂的二級(jí)或三級(jí)失效模式；

疲勞斷裂的載荷類型與大小，疲勞斷裂的起源等；

疲勞斷裂的原因；

疲勞斷裂的機(jī)理；

提出避免疲勞斷裂再次發(fā)生的預(yù)防措施。

2.5 疲勞斷裂失效的分類

高周疲勞斷裂：又稱應(yīng)力疲勞斷裂，是指零件在較低的交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂。一般將循環(huán)周次在104以上的疲勞斷裂，稱為高周疲勞斷裂。

低周疲勞斷裂：又稱應(yīng)變疲勞斷裂，是指零件在較高的交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞現(xiàn)象。一般將循環(huán)周次在104以下的疲勞斷裂，稱為低周疲勞斷裂。

疲勞失效的“二級(jí)”失效模式分類

根據(jù)頻率不同：高頻疲勞斷裂、低頻疲勞斷裂。

根據(jù)循環(huán)周次不同：高周疲勞斷裂、低周疲勞斷裂。

根據(jù)控制參量不同：應(yīng)力疲勞斷裂（控制應(yīng)力幅）、應(yīng)變疲勞斷裂（控制應(yīng)變幅）。

根據(jù)環(huán)境介質(zhì)不同：腐蝕疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕疲勞斷裂。

根據(jù)溫度不同：低溫疲勞斷裂、室溫疲勞斷裂、高溫疲勞斷裂。

2.6 疲勞斷裂失效過程

（1）亞結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，永久損傷形核；

（2）產(chǎn)生微觀裂紋；

（3）微觀裂紋長(zhǎng)大和合并，形成“主導(dǎo)”裂紋；

（4）主導(dǎo)宏觀裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；（5）結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性或完全斷裂失效。

2.7 疲勞斷裂影響因素

力學(xué)因素；

材料組織結(jié)構(gòu)因素；

環(huán)境因素；

影響微觀裂紋的形核和主導(dǎo)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率和路徑。

2.8 疲勞斷裂失效的特征

名義應(yīng)力低于靜荷載強(qiáng)度；

構(gòu)件破壞過程；

疲勞破壞斷口。

2.9 疲勞斷口的宏觀分析

典型的疲勞斷口按照斷裂過程的先后可分為三個(gè)特征區(qū)，即疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū) 。

疲勞源區(qū)的宏觀特征

①疲勞源區(qū)一般位于零件表面或亞表面的應(yīng)力集中處，也可能在表面或內(nèi)部的缺陷、損傷處。當(dāng)疲勞源區(qū)位于零件內(nèi)部時(shí)，源區(qū)一定存在有缺陷或較大的內(nèi)應(yīng)力、殘余應(yīng)力。

②疲勞源區(qū)的形成時(shí)期早，暴露于環(huán)境中的時(shí)間長(zhǎng)，一般均有一定的氧化或腐蝕，疲勞源區(qū)相對(duì)于斷口上的其它區(qū)域，其氧化或腐蝕較重，顏色較深。

③疲勞源區(qū)的斷面一般平坦、光滑、細(xì)膩，有些斷口可見到閃光的小刻面。

④疲勞源區(qū)往往有向外輻射的放射狀疲勞臺(tái)階和放射狀條紋。

⑤疲勞源區(qū)看不到疲勞弧線，但像向外發(fā)射疲勞弧線的中心。

從斷口上氧化顏色最深的區(qū)域、最平坦、光滑的區(qū)域、應(yīng)力集中的表面或缺陷處找到疲勞源區(qū)，它是放射棱線的匯聚點(diǎn)，疲勞弧線的發(fā)散中心。

疲勞源區(qū)有時(shí)只有一個(gè)，但有時(shí)也可能有多個(gè)；有時(shí)呈點(diǎn)狀，有時(shí)還呈線狀。

疲勞擴(kuò)展區(qū)的宏觀特征

疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面一般較平坦，與主應(yīng)力相垂直；顏色介于源區(qū)與瞬斷區(qū)之間；最基本的宏觀形貌特征是疲勞弧線。

疲勞瞬斷區(qū)的宏觀特征

宏觀特征與靜載拉伸斷口相近，即由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)三部分組成。

瞬斷區(qū)面積的大小取決于載荷的大小、材料的性質(zhì)、環(huán)境介質(zhì)等因素。通常瞬斷區(qū)面積越大，表示載荷越大；反之，瞬斷區(qū)的面積越小，表示所受載荷越小。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到應(yīng)力處于平面應(yīng)變狀態(tài)以及由平面應(yīng)變過渡到平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，其斷口宏觀形貌呈現(xiàn)人字紋或放射條紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到使應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，斷口呈現(xiàn)剪切唇狀態(tài)。

疲勞斷口的宏觀分析

斷口宏觀形貌受載荷類型、應(yīng)力水平和缺口嚴(yán)重程度的影響很大。

對(duì)真實(shí)零件的疲勞失效斷口，根據(jù)其宏觀形貌特征可定性地推斷出導(dǎo)致零件失效的載荷類型與大小、應(yīng)力集中的程度；對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲失效，還可推斷出零件失效前的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等與失效相關(guān)的信息。

疲勞斷口的微觀分析

（1）疲勞源區(qū)的微觀分析

確定疲勞源區(qū)的具體位置；判明主源、次源。

分析源區(qū)的微觀形貌特征，包括萌生處有無材質(zhì)缺陷、腐蝕損傷及腐蝕產(chǎn)物、外物損傷痕跡、加工刀痕、磨損痕跡等。

（2）疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀分析

對(duì)第二階段的微觀分析主要是觀察有無疲勞條帶，疲勞條帶的性質(zhì)，疲勞條帶間距變化的規(guī)律等。這些特征對(duì)于分析疲勞斷裂機(jī)制、裂紋擴(kuò)展速率、載荷的性質(zhì)等具有重要作用。

疲勞條帶的主要特征

疲勞條帶在形貌上一般具有如下主要特征：

（1）疲勞條帶是一系列基本上相互平行的、略帶彎曲的波浪形條紋，并與裂紋局部擴(kuò)展的方向垂直；

（2）疲勞條帶間距隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的變化而變化，一般離源區(qū)越遠(yuǎn)，條帶的間距越大；

（3）一般源區(qū)附近條帶特征不如擴(kuò)展中后期的明顯；

（4）匹配斷口兩側(cè)的疲勞條帶特征基本對(duì)應(yīng)；

（5）局部區(qū)域的條帶擴(kuò)展方向與裂紋的宏觀擴(kuò)展方向可以相同，也可以不同，甚至可能出現(xiàn)相反的情況；

（6）疲勞斷口通常由許多大小不等、高低不同的小斷快所組成，各斷塊上的條帶不連續(xù)，且不平行；

（7）每一條帶代表一次應(yīng)力循環(huán)；

（8）條帶是裂紋尖端的位置。一般韌性材料容易形成疲勞條帶，而脆性材料則比較困難；

（9）瞬斷區(qū)微觀分析主要是觀察韌窩的形態(tài)是等軸韌窩、撕裂韌窩還是剪切韌窩，這有助于判斷引起疲勞斷裂的載荷類型。同時(shí)，從瞬斷區(qū)的微觀特征還可對(duì)材料的韌性進(jìn)行定性的判斷，為分析失效的原因提供參考。

疲勞斷裂失效分析思路

首先應(yīng)該在對(duì)失效件的工作情況（工況）、宏觀和微觀斷口特征分析的基礎(chǔ)上，初步確定其屬于疲勞斷裂。

然后進(jìn)一步分析判斷其屬于哪種類型的疲勞失效，即進(jìn)行疲勞失效的二級(jí)模式、三級(jí)模式診斷。

最后根據(jù)具體的疲勞失效類型，從設(shè)計(jì)、制造、材質(zhì)和使用、維護(hù)等方面查找失效的原因，分析失效的機(jī)理，提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

疲勞斷裂失效分析思路

（1）參數(shù)（工況）判據(jù)

力學(xué)參數(shù)應(yīng)該具有交替變化的特點(diǎn)，且交變的應(yīng)力大小應(yīng)該大于材料的疲勞極限。分析一個(gè)零件的失效模式是否為疲勞斷裂，首先應(yīng)確定其工作條件下是否可能承受有交變應(yīng)力的作用。

（2）宏觀變形判據(jù)

疲勞斷裂屬于脆性斷裂的一種，在斷裂位置的疲勞源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)附近沒有明顯宏觀塑性變形。

（3）斷口宏觀形貌特征判據(jù)

斷口齊平，存在疲勞弧線。一般的疲勞斷口均與主應(yīng)力軸垂直，斷面齊平、細(xì)膩，附近沒有明顯的塑性變形；斷口上有疲勞弧線和從疲勞源區(qū)向外發(fā)散的放射狀棱線，有的源區(qū)還有疲勞臺(tái)階。

（4）斷口微觀形貌特征判據(jù)

疲勞條痕：疲勞條帶、二次裂紋帶、韌窩帶、輪胎花樣等。

疲勞條帶

輪胎花樣

韌窩帶

二次裂紋帶

（5）斷口顏色判據(jù)

疲勞區(qū)和擴(kuò)展區(qū)在氧化程度上一般都略有差異。兩者的光亮程度也有明顯差異。

疲勞斷裂模式判據(jù)

疲勞二級(jí)失效模式診斷

（1）高周疲勞與低周疲勞

宏觀特征

a.斷口粗糙程度：與高周疲勞斷口相比，低周疲勞的整個(gè)斷口相對(duì)粗糙，高低不平；且隨著斷裂循環(huán)次數(shù)的降低，斷口形貌愈來愈接近靜拉伸斷裂斷口。而高周疲勞斷口平整、光滑，宏觀即可見明顯的疲勞區(qū)。

b.疲勞源區(qū)：低周疲勞具有多個(gè)疲勞源點(diǎn)，有時(shí)還呈線狀；源區(qū)間的放射狀棱線（疲勞一次臺(tái)階）多而且臺(tái)階的高度差大。而高周疲勞一般只有一個(gè)疲勞源點(diǎn)，源區(qū)結(jié)構(gòu)細(xì)膩，沒有疲勞臺(tái)階。

c.瞬斷區(qū)面積：低周疲勞的瞬斷區(qū)面積所占比例大，甚至遠(yuǎn)大于疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)面積。而高周疲勞的應(yīng)力相對(duì)較低，瞬斷區(qū)所占面積相對(duì)較小。

d.疲勞弧線：低周疲勞的弧線間距逐漸加大，但循環(huán)次數(shù)低到一定程度時(shí)，基本見不到疲勞弧線特征；穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的棱線（疲勞二次臺(tái)階）粗而短。高周疲勞的弧線特征與具體的工況條件有關(guān)，無統(tǒng)一的規(guī)律。

微觀特征

低周疲勞斷裂由于宏觀塑性變形較大，在疲勞斷裂過程中會(huì)出現(xiàn)靜載斷裂機(jī)理，在斷口上出現(xiàn)各種靜載斷裂所產(chǎn)生的斷口形態(tài)。在一般情況下，當(dāng)疲勞壽命小于90次時(shí)，斷口上為細(xì)小的韌窩，沒有疲勞條帶出現(xiàn)；當(dāng)疲勞壽命大于300次時(shí)，出現(xiàn)輪胎花樣；當(dāng)疲勞壽命大于10000次時(shí)，才出現(xiàn)疲勞條帶，此時(shí)的條帶間距較寬，可達(dá)2～3微米/周。如果使用溫度超過等強(qiáng)溫度，還會(huì)出現(xiàn)沿晶斷裂。

高周疲勞斷口的微觀疲勞特征是細(xì)密的疲勞條帶，一般間距可達(dá)1微米以下。對(duì)應(yīng)力為拉-壓模式的疲勞斷裂，在疲勞源區(qū)及其附近，由于兩斷裂面之間的反復(fù)碰磨，其斷裂形貌特征經(jīng)常被磨損而無法看到疲勞條帶特征。

（2）腐蝕疲勞斷裂

腐蝕疲勞斷裂是在腐蝕環(huán)境與交變載荷協(xié)同、交互作用下發(fā)生的一種失效模式。

在機(jī)械裝備中，因腐蝕疲勞而導(dǎo)致早期斷裂失效的事例屢見不鮮。例如：起落架、機(jī)翼大梁、剎車輪轂、渦輪盤、葉片等關(guān)鍵部件，均曾發(fā)生過腐蝕疲勞斷裂失效，有的還釀成過災(zāi)難性事故。

腐蝕疲勞對(duì)環(huán)境介質(zhì)沒有特定的限制。

影響腐蝕疲勞斷裂過程的相關(guān)因素主要有：

a.環(huán)境因素：包括環(huán)境介質(zhì)的成分、濃度、介質(zhì)的酸度（pH值）、介質(zhì)中的含氧量、介質(zhì)的電極電位以及環(huán)境溫度等；

b.力學(xué)因素：包括加載方式、平均應(yīng)力、應(yīng)力比、載荷波形、頻率以及應(yīng)力循環(huán)周次；

c.材質(zhì)冶金因素：包括材料的成分、強(qiáng)度、熱處理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷、夾雜物等。

腐蝕疲勞斷口特征：

具有疲勞斷裂的一般特征，斷口上有源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三個(gè)特征區(qū)。腐蝕疲勞斷口獨(dú)特的特征：

a.斷口低倍形貌呈現(xiàn)出明顯的疲勞弧線；

b.源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)一般均有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，通過微區(qū)成分分析，可以測(cè)定出腐蝕介質(zhì)的組分及相對(duì)含量。

腐蝕疲勞斷口微觀形貌

斷口上覆蓋的腐蝕產(chǎn)物

c.腐蝕疲勞斷裂一般均起源于表面腐蝕損傷處（包括點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等），大多數(shù)腐蝕疲勞斷裂的源區(qū)可見到腐蝕損傷特征；

d.腐蝕疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)有某些較明顯腐蝕特征，如腐蝕坑、泥紋花樣等；

e.腐蝕疲勞斷裂的重要微觀特征是穿晶解理脆性疲勞條帶；

f.在腐蝕疲勞斷裂過程中，當(dāng)腐蝕損傷占主導(dǎo)地位時(shí)，腐蝕疲勞斷口呈現(xiàn)穿晶與沿晶混合型；

g.當(dāng)Kmax>K1scc，在頻率很低的情況下，腐蝕疲勞斷口呈現(xiàn)出穿晶解理與韌窩混合特征。

腐蝕疲勞斷裂失效的主要判據(jù)：

a.工況判據(jù)：構(gòu)件是在交變應(yīng)力和腐蝕條件下工作，交變應(yīng)力的頻率和應(yīng)力比一般處在腐蝕疲勞區(qū)內(nèi)，在液態(tài)、氣態(tài)和潮濕空氣中有腐蝕性元素；

b.顏色判據(jù)：斷裂表面顏色灰暗，無金屬光澤，通常可見到較明顯的疲勞弧線；

c.腐蝕產(chǎn)物判據(jù)：斷裂表面上或多或少存在有腐蝕產(chǎn)物和腐蝕損傷痕跡；

d.形貌判據(jù)：疲勞條帶多呈解理脆性特征，斷裂路徑一般為穿晶，有時(shí)出現(xiàn)穿晶與沿晶混合型甚至沿晶型。

腐蝕產(chǎn)物是分析、判斷失效零件工作環(huán)境和工作時(shí)間的重要依據(jù)。可以采用能譜儀、電子探針以及其它化學(xué)分析方法確定腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)元素及量的分布規(guī)律。

（3）微動(dòng)疲勞失效

一構(gòu)件與其它構(gòu)件接觸面間發(fā)生微動(dòng)磨損的條件下受交變載荷作用而發(fā)生的疲勞損傷過程稱為微動(dòng)疲勞。它是微動(dòng)磨損、氧化及腐蝕、交變應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。微動(dòng)磨損是微動(dòng)疲勞產(chǎn)生的根本原因。

微動(dòng)疲勞也有裂紋的萌生和擴(kuò)展過程，微動(dòng)疲勞裂紋一般萌生于微動(dòng)磨損造成的表面損傷的邊界處，如皿狀淺坑的邊緣或微動(dòng)磨損深坑的邊緣。微動(dòng)磨損的初期可出現(xiàn)多個(gè)疲勞裂紋，在擴(kuò)展過程中，這些微裂紋可合并為一主裂紋并垂直于外加交變正應(yīng)力而進(jìn)一步擴(kuò)展。

影響微動(dòng)疲勞壽命的主要因素：

配合表面之間的法向夾緊壓應(yīng)力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度、摩擦力、內(nèi)應(yīng)力、周圍介質(zhì)、相匹配面的材料等。

微動(dòng)疲勞斷口特征：

微動(dòng)疲勞斷口特征與純機(jī)械疲勞斷口相同，包括疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)；微觀上有典型的疲勞條帶。

裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的前期，往往可以看到腐蝕產(chǎn)物。

微動(dòng)疲勞失效的最明顯特征是在斷口的側(cè)表面，即微動(dòng)磨損面上有大量的微裂紋、表面金屬掉塊、不均勻磨損擦傷，色澤發(fā)生明顯改變且有腐蝕坑。微動(dòng)產(chǎn)生的微裂紋大多集中于微動(dòng)區(qū)的邊緣，大多與表面呈45度角，斷口常呈杯錐狀。

微動(dòng)損傷表面還常?？梢钥吹綄訝罴吧角馉畹乃苄宰冃?，同時(shí)還可看到由于輾壓形成的微裂紋。

疲勞失效原因分析

導(dǎo)致零件疲勞失效的原因主要有四個(gè)方面：設(shè)計(jì)（包括應(yīng)力集中、循環(huán)載荷水平、尺寸，選材等）、制造工藝（包括表面完整性、裝配等）、材質(zhì)（包括化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等）、使用維護(hù)（包括超載、外來損傷、腐蝕等）。

在查找疲勞失效的原因時(shí)，應(yīng)圍繞這四個(gè)方面來尋找證據(jù)、進(jìn)行分析。

（1）設(shè)計(jì)原因分析

設(shè)計(jì)原因是失效原因中最難分析的原因，需要通過較精確的分析才能定量，而目前的分析水平還主要停留在定性程度，難以對(duì)應(yīng)力進(jìn)行定量分析；

其次，疲勞一般都是從最薄弱的部位起始，疲勞源區(qū)往往存在一定程度的材質(zhì)缺陷，對(duì)準(zhǔn)確分析出失效原因具有干擾作用。

要查找設(shè)計(jì)方面的問題，首先應(yīng)確定載荷的類型與大小。

a.反復(fù)彎曲載荷引起的疲勞斷裂：彎曲疲勞可分為單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞等。構(gòu)件承受彎曲載荷時(shí)，表面承受的應(yīng)力最大，中心承受的應(yīng)力最小。所以疲勞核心總是在表面形成，然后沿著最大正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件迅速斷裂，因此，彎曲疲勞斷口一般與其軸線成90度。

b.拉-拉（壓）載荷引起的疲勞斷裂：承受拉-拉（壓）交變載荷時(shí)，應(yīng)力沿整個(gè)零件的橫截面均勻分布，疲勞源位置取決于各種缺陷在零件中的分布狀態(tài)及環(huán)境因素的影響，既可以在零件的外表面，也可以在零件的內(nèi)部。

c. 扭轉(zhuǎn)載荷引起的疲勞斷裂：軸類零件在工作過程中經(jīng)常會(huì)承受交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，從而可能產(chǎn)生一種特殊的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口——鋸齒狀斷口。

其次，要判斷載荷的來源是否正常，大小是否超出設(shè)計(jì)范圍。

對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，振動(dòng)是無法避免的，但工作轉(zhuǎn)速下的共振是設(shè)計(jì)時(shí)必須避免的。如果從斷口判斷出該零件承受了設(shè)計(jì)應(yīng)該避免的振動(dòng)載荷，說明設(shè)計(jì)不當(dāng)是失效的主要原因，需從設(shè)計(jì)方面進(jìn)行詳細(xì)的分析。

對(duì)重復(fù)性的故障，如排除了制造上的批次問題，一般與設(shè)計(jì)不當(dāng)有關(guān)。

常見的導(dǎo)致失效的設(shè)計(jì)原因有：

① 設(shè)計(jì)載荷不準(zhǔn)確。主要表現(xiàn)為載荷考慮不全（應(yīng)力估算不足），載荷變動(dòng)分析不夠，計(jì)算假定中出現(xiàn)誤差，致使實(shí)際工作載荷超過設(shè)計(jì)載荷，材料在正常工況下也無法承受工作載荷而失效。

② 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理。主要表現(xiàn)為零件幾何形狀設(shè)計(jì)不當(dāng)，出現(xiàn)剖面突變或尖角面，導(dǎo)致這些部位承受較大的應(yīng)力集中，超過材料的強(qiáng)度極限，從而過早地萌生裂紋而失效。如過渡部位沒有圓角R或R角太小，主要受力部位存在缺口效應(yīng)等，使得零件的應(yīng)力集中大，局部應(yīng)力水平高，疲勞裂紋提前萌生。

③設(shè)計(jì)選材不當(dāng)。主要表現(xiàn)為選用材料的性能不能滿足使用要求。在實(shí)際失效分析中，設(shè)計(jì)選材不當(dāng)導(dǎo)致斷裂失效，經(jīng)常遇到的是所選材料的主要抗力指標(biāo)與實(shí)際損傷模式不符合，致使材料的性能指標(biāo)在該強(qiáng)的方面不強(qiáng)，不能滿足使用的需求。

（2）材質(zhì)原因分析

失效的材質(zhì)原因直接表現(xiàn)為與零件失效模式對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)性能不符合設(shè)計(jì)要求，如與疲勞斷裂失效對(duì)應(yīng)的材料疲勞強(qiáng)度低，與拉伸過載斷裂對(duì)應(yīng)的材料抗拉強(qiáng)度低等。

常見的與疲勞失效有關(guān)的材質(zhì)原因有：材料的化學(xué)成分不合格，熱處理制度或工藝不當(dāng)，金相組織不符合要求，存在冶金缺陷。

（3）制造工藝原因分析

常見的影響零件疲勞強(qiáng)度的制造工藝缺陷有：

①鑄造工藝過程中產(chǎn)生的氣孔、梳松和縮孔、裂紋、夾渣、飛邊、流痕、比重偏析、共晶偏析等。

②鍛造工藝過程中產(chǎn)生的裂紋、折疊、結(jié)疤、層狀斷口、非金屬夾雜、鋁合金氧化膜、白點(diǎn)、粗晶環(huán)、過熱、過燒、脫碳、增碳、加熱不足引起心部開裂、晶粒不均勻、冷硬現(xiàn)象等。

③切削加工過程中產(chǎn)生的尺寸超差、表面粗糙度差、毛刺、劃傷、啃刀、表面燒傷、裂紋、刀痕等。

④冷加工工藝過程中產(chǎn)生的劃痕、銹蝕、球化退火不足、帶狀組織、晶粒粗大或粗細(xì)不均、性能不合格、沖模錯(cuò)位，裂紋、壓痕、端面鼓起或不平、存在撓度、曲度等。

⑤熱處理工藝過程中產(chǎn)生的過熱、過燒、氧化、脫碳、機(jī)械性能不合格、軟點(diǎn)、變形與裂紋、硬度過高、過共析鋼網(wǎng)狀碳化物、石墨化、壓共析鋼魏氏組織、鐵素體晶粒粗大、硬度不足、淬火不完全、表面脫碳、表面腐蝕、回火脆性等。

⑥表面處理工藝過程中產(chǎn)生的鍍層結(jié)合力差、起泡、發(fā)脆、脫落、發(fā)暗、麻點(diǎn)表面，滲層硬度不足、表面網(wǎng)狀或粗大塊狀、爪狀碳化物、氮化物、滲層過深、不足或不均勻、表面網(wǎng)狀屈氏體組織、黑色斑點(diǎn)狀組織、心部硬度超差、零件變形與開裂、滲層脆性和剝落等。

⑦焊接裝配工藝過程中產(chǎn)生的焊縫尺寸偏差、咬邊、焊瘤、弧坑、燒穿、焊漏、氣孔夾渣、未焊透、裂紋，焊點(diǎn)及焊縫位置不正、形狀不正、壓痕過深、過熱、燒傷、裂紋、未焊透或核心小、縮孔、內(nèi)部飛濺、熔透過大、接頭變脆、接頭不氣密，間隙未填滿、氣孔、釬縫表面粗糙、夾雜物、裂紋、釬料侵蝕金屬表面等。

⑧裝配：強(qiáng)行裝配、裝配應(yīng)力大等。

（4）使用維護(hù)原因分析

導(dǎo)致斷裂失效的使用維護(hù)原因一般表現(xiàn)為超過設(shè)計(jì)限制使用、維護(hù)不當(dāng)造成損傷和環(huán)境侵蝕。

①超設(shè)計(jì)限制使用原因：按應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型，失效是零件所受外力超過材料相應(yīng)強(qiáng)度的結(jié)果。使用限制是根據(jù)材料的強(qiáng)度、一定的安全儲(chǔ)備及零件工況可導(dǎo)致的應(yīng)力制定的。如果超過設(shè)計(jì)限制使用，必將使零件所承受的應(yīng)力升高，就有可能使零件承受的應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度而使零件失效。

②使用維護(hù)原因：使用維護(hù)的目的是保證零件能夠正常工作，防止發(fā)生意外損傷。由于維護(hù)一般需要對(duì)零件進(jìn)行拆裝，就有可能在重新裝配時(shí)，其狀態(tài)與制造狀態(tài)不一致，并帶來額外的損傷、附加的應(yīng)力等，從而導(dǎo)致零件的失效。

由于使用中維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的疲勞失效，一般在失效件上或失效系統(tǒng)中均可找到一定的證據(jù)。如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片被打傷，疲勞裂紋從打傷處萌生，并最終導(dǎo)致葉片疲勞斷裂失效，在疲勞源區(qū)就可以找到傷痕。

③環(huán)境侵蝕原因：機(jī)械失效中的環(huán)境原因主要有兩方面，一是腐蝕介質(zhì)作用，二是溫度效應(yīng)。

腐蝕介質(zhì)可使材料與環(huán)境之間發(fā)生有害的化學(xué)或電化學(xué)作用，引起表面腐蝕損傷，疲勞裂紋從腐蝕處萌生，導(dǎo)致疲勞斷裂失效；腐蝕也可與應(yīng)力同時(shí)作用，導(dǎo)致腐蝕疲勞失效。

環(huán)境溫度的作用主要是降低材料的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致零件的提前疲勞失效。

疲勞斷口定量分析

疲勞斷口定量分析：主要是指對(duì)疲勞斷口上的疲勞斷裂形態(tài)，包括疲勞源點(diǎn)、疲勞弧線、疲勞臺(tái)階、疲勞條帶等的位置、數(shù)量、間距及疲勞源數(shù)量、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)面積的大小等進(jìn)行量化、測(cè)量與計(jì)算，并據(jù)此來反推引起疲勞斷裂的相關(guān)因素及斷裂過程的順序、應(yīng)力大小、疲勞擴(kuò)展與萌生壽命等。

理論依據(jù)

宏觀上的每一條疲勞弧線相當(dāng)于裂紋擴(kuò)展過程中載荷或應(yīng)變發(fā)生一次大的改變；微觀上的每一疲勞條帶則相當(dāng)于載荷或應(yīng)變的一次循環(huán)；準(zhǔn)確地確定何種疲勞條帶與何種載荷之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系是斷口定量分析的關(guān)鍵所在；疲勞斷口的形貌特征及擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)的大小與疲勞應(yīng)力幅之間具有定量關(guān)系。

Paris公式，適用于高循環(huán)低應(yīng)力的高周疲勞，是目前高周疲勞斷口壽命反推估算的基礎(chǔ)。目前，研究中用得最多的仍是Paris公式。目前最重要和最有價(jià)值的是利用疲勞斷口參數(shù)估算壽命。利用疲勞斷口弧線、條帶間距反推疲勞壽命已成功地應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： ① 低周疲勞壽命估算；② 恒載與譜載下的疲勞壽命估算；③ 起源于先天性“裂紋”或缺陷的高周疲勞壽命估算。

疲勞斷口特征與載荷歷程對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定：疲勞斷裂是一個(gè)過程，構(gòu)件在疲勞交變載荷作用下，將萌生疲勞裂紋，并擴(kuò)展。一般交變載荷循環(huán)一次，裂紋將向前擴(kuò)展相應(yīng)的量，并停頓；如此往復(fù)，裂紋將反復(fù)擴(kuò)展、停頓，在斷口上留下相應(yīng)的一系列痕跡。我們最常見的疲勞弧線、條帶就是這種特征痕跡。它們的一些量的東西，如數(shù)量、間距、方向等就反應(yīng)了應(yīng)力水平、循環(huán)數(shù)量、壽命、裂紋的擴(kuò)展速率等。

工作載荷與斷口特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

1）顏色、成分與工作歷程、時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系斷口暴露的時(shí)間越長(zhǎng)，顏色上的差異越大。

在化學(xué)處理過程的前后，斷口上顏色出現(xiàn)突變。裂紋不同長(zhǎng)度部位暴露的時(shí)間不同，其表面的化學(xué)成分也會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異。從斷口顏色、成分的差異來判斷裂紋萌生的時(shí)間應(yīng)該與使用歷程、使用條件聯(lián)系起來。

2）宏觀上的對(duì)應(yīng)關(guān)系

擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界線對(duì)應(yīng)構(gòu)件瞬時(shí)斷裂時(shí)的壽命點(diǎn)。每一條宏觀疲勞弧線對(duì)應(yīng)裂紋擴(kuò)展中載荷或應(yīng)變的一次大的改變（如載荷譜的加載、環(huán)境條件等的改變）。對(duì)載荷譜試驗(yàn)，分析對(duì)比載荷譜特點(diǎn)及斷口特征，也可確定相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)量疲勞弧線的數(shù)量、間距就可以確定載荷的變化次數(shù)和大小。

3）微觀上的對(duì)應(yīng)關(guān)系

疲勞斷口的微觀特征主要是疲勞條帶。

理論依據(jù)：每一疲勞條帶相當(dāng)于載荷或應(yīng)變的一次循環(huán)。

從微觀上反推疲勞裂紋擴(kuò)展壽命可利用的主要數(shù)據(jù)是疲勞條帶間距。

疲勞弧線或疲勞條帶間距的測(cè)定方法：

一般采用實(shí)體光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡，沿著主裂紋擴(kuò)展的方向，在一定放大倍數(shù)下測(cè)量。

疲勞條帶間距存在一定的分散性，測(cè)量時(shí)應(yīng)取一定范圍內(nèi)的平均值作為某一點(diǎn)的間距。

用掃描電鏡測(cè)量條帶間距時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的角度修正和投影修正。透射電子顯微鏡測(cè)出的條帶間距一般與真實(shí)疲勞條帶的平均間距較為接近，一般不需修正。

斷口反推疲勞裂紋擴(kuò)展速率的基本方法：若令每一載荷循環(huán)下的疲勞裂紋擴(kuò)展量為u，則u=da/dN或dN=da/u；式中：a-裂紋長(zhǎng)度；N-循環(huán)次數(shù)。

在斷口上測(cè)得若干離源區(qū)不同距離的裂紋ai處的疲勞弧線、條帶間距間距，作出每一載荷循環(huán)下的裂紋擴(kuò)展量與裂紋長(zhǎng)度相互關(guān)系的曲線，就可求得疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np。

利用斷口反推計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的關(guān)鍵是得出疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN的數(shù)學(xué)表達(dá)式。當(dāng)構(gòu)件承受一穩(wěn)定的交變載荷時(shí)：

da/dN=c（△K）m

da/dN=0 （ △K < △Kth ）

對(duì)于隨機(jī)載荷目前尚未有描述裂紋擴(kuò)展速率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況分析隨機(jī)載荷的一般規(guī)律，進(jìn)而建立相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率的數(shù)學(xué)模型。

斷口反推疲勞壽命中，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行。① 斷口分析② 載荷、歷程分析③ 確定載荷與斷口特征的關(guān)系④ 數(shù)據(jù)獲?、?對(duì)數(shù)據(jù)的擬合、估算

小結(jié)：利用疲勞斷口形貌反推失效件裂紋擴(kuò)展壽命，首先應(yīng)通過對(duì)失效件斷口和履歷、載荷分析，確定斷口形貌與載荷譜間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并從斷口上實(shí)測(cè)出不同裂紋長(zhǎng)度處對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率da/dN；然后根據(jù)測(cè)得的一組數(shù)據(jù)繪制裂紋長(zhǎng)度與譜循環(huán)數(shù)（或與循環(huán)次數(shù)）的關(guān)系曲線，即疲勞裂紋擴(kuò)展曲線；最后，對(duì)實(shí)測(cè)曲線擬合，將其反推至整個(gè)裂紋擴(kuò)展區(qū)，并以此求得整個(gè)斷口的裂紋擴(kuò)展速率、擴(kuò)展壽命。

在反推過程中應(yīng)以分析確定的特征壽命點(diǎn)來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，以提高反推的準(zhǔn)確性。

斷口反推疲勞原始質(zhì)量

按照損傷容限理論，結(jié)構(gòu)件在服役前均帶有初始裂紋或缺陷，由該裂紋或缺陷擴(kuò)展達(dá)到臨界裂紋的壽命即為結(jié)構(gòu)的總壽命；這些存在于零件中的初始缺陷對(duì)疲勞壽命的影響可等效為一當(dāng)量裂紋長(zhǎng)度，稱為當(dāng)量初始裂紋a0，可作為表征零件質(zhì)量的參量（當(dāng)量初始質(zhì)量），對(duì)疲勞斷裂失效，則稱為原始疲勞質(zhì)量a0i。

利用斷口形貌反推零件當(dāng)量初始質(zhì)量的原理、方法和步驟：

① 斷口分析，確定斷口形貌與載荷譜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從斷口上實(shí)測(cè)出對(duì)應(yīng)于每次載荷循環(huán)數(shù)的裂紋長(zhǎng)度。

② 根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制疲勞裂紋擴(kuò)展曲線。

③ 擬合實(shí)測(cè)曲線，并將與其相吻合的裂紋擴(kuò)展規(guī)律反推至?xí)r間為零，即N=0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度即為該零件的a0i。

④ 對(duì)同類零件的a0i進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)a0i的分布密度確定規(guī)定概率下同類零件的a0i。

需要說明的是，a0i僅是損傷容限設(shè)計(jì)中使用的一個(gè)參考值，是零件在服役前的內(nèi)部各種缺陷、表面加工缺陷及表面非完整性因素等對(duì)疲勞壽命影響的一個(gè)綜合反映參考量。

疲勞斷口反推失效構(gòu)件的應(yīng)力

（1）從裂紋長(zhǎng)度及瞬斷區(qū)大小反推構(gòu)件疲勞應(yīng)力水平

構(gòu)件疲勞裂紋臨界長(zhǎng)度ac與最大交變應(yīng)力σmax關(guān)系：KⅠ＝σmax Y（πa）1/2

當(dāng)發(fā)生快速斷裂時(shí)，KⅠ＝KⅠc，a＝a c，σ＝σc，則有KⅠc＝σc Y（πa）1/2

由試驗(yàn)測(cè)得一系列ac-σc數(shù)據(jù)，擬合求得關(guān)系式，將失效件的值代入即可估算出失效件所承受的疲勞應(yīng)力水平。

疲勞瞬斷區(qū)是疲勞裂紋達(dá)到臨界尺寸后發(fā)生的快速破斷區(qū)，其面積大小一般認(rèn)為受材料的斷裂韌性 KⅠc控制。因?yàn)閍c與瞬斷區(qū)面積是相關(guān)的，因此通過試驗(yàn)測(cè)得一系列的A-σc數(shù)據(jù)，擬合求得關(guān)系式，將失效件的值代入也可估算出失效件所承受的疲勞應(yīng)力水平。

必須注意的是，以上方法只能求得疲勞載荷的最大應(yīng)力水平，但不能推算疲勞載荷的范圍。

（2）利用疲勞條帶間距反推失效件的疲勞應(yīng)力

疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段的速率可用Paris公式表達(dá)：da/dN = c（ Y△σπ0.5 ）m×am/2；由斷口反推求得疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）sx~a ，用試樣模擬同材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）sy ～△K ，求得材料常數(shù)c、m，在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，則有：

若已知Ysx的表達(dá)式或數(shù)值解，則可求得△σsx。

對(duì)一些形狀及受力均復(fù)雜的大型構(gòu)件， Ysx難以用表達(dá)式來表達(dá)，則可用與失效件等同的模擬試驗(yàn)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，求得（da/dN）sy ～ a，則有：

若知道實(shí)際構(gòu)件所承受的應(yīng)力比R＝σmin/σmax，則可求得：σmax＝△σmax / （1-R）。

廣義地講，失效是零件（材料）不能抵抗外來載荷作用的結(jié)果，即抗力小于外力的結(jié)果。疲勞斷裂失效是零件（材料）的疲勞強(qiáng)度小于交變載荷的結(jié)果。

預(yù)防疲勞斷裂失效只能從兩方面入手，一方面要提高零件（材料）的疲勞強(qiáng)度，另一方面要降低交變載荷。具體來說，應(yīng)從設(shè)計(jì)、材質(zhì)、制造工藝和使用等四個(gè)環(huán)節(jié)來采取措施。

疲勞設(shè)計(jì)

從設(shè)計(jì)上預(yù)防疲勞斷裂失效的主要方法就是要盡量降低設(shè)計(jì)載荷，避免產(chǎn)生異常應(yīng)力。從零件的各種結(jié)構(gòu)因素來看，結(jié)構(gòu)布局引起的應(yīng)力集中對(duì)局部疲勞載荷的影響最大。

危險(xiǎn)截面的應(yīng)力集中往往可導(dǎo)致零件的提前疲勞失效。通過合理的布局來降低或改善上述部位的應(yīng)力集中。

通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使零件上某些部位的應(yīng)力集中得到緩和，零件的疲勞抗力得以提高。

零件選材

機(jī)械零件的功能都是靠材料來保證的，零件的失效歸根到底都是材料的失效。

設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)零件承受的循環(huán)載荷方式、載荷水平、工作環(huán)境以及服役壽命等來選擇適宜的材料。

選擇的材料應(yīng)在服役條件下具有較好的性能。

制造工藝

制造工藝是決定零件是否發(fā)生疲勞失效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。制造工藝改變是預(yù)防疲勞失效最易實(shí)現(xiàn)、最經(jīng)濟(jì)、途徑最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。任何改善表面完整性的工藝，一般都可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。

（1）提高表面光潔度

（2）表面淬火

（3）表面化學(xué)熱處理

（4）表面形變強(qiáng)化

使用維護(hù)

盡量降低作用于零件上的載荷；盡量保持零件表面的完整性，不降低零件本身的疲勞抗力。

（1）控制使用載荷，降低零件承受的應(yīng)力水平和應(yīng)力循環(huán)數(shù)

（2）保持表面的完整性，防止意外損傷

（3）改善使用環(huán)境，盡量減少環(huán)境的侵蝕

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。