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疲勞破壞的基本知識及實踐中的運用
 日期:2022/1/24 16:17:28    來源:


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疲勞破壞的基本概念


金屬的疲勞破壞作為結構失效的主要形式,指材料、零件和構件在交變載荷的作用下,在某點或某些點產生局部的永久性損傷,并在一定循環次數后形成裂紋、并使裂紋進一步擴展,直到完全斷裂的現象。


早在 19 世紀中葉,隨著蒸汽機的發明和鐵路建設的發展,研究人員發現機車車輪結構在遠小于其靜強度極限載荷時發生交變應力破壞現象,由此提出并發展了不同于結構靜強度破壞的結構疲勞破壞問題。



 





靜態疲勞和振動疲勞


上世紀 60 年代,S.H.Crandall 首先提出了振動疲勞的定義,它指出:“振動疲勞是指振動載荷作用下產生的具有不可逆且累積性的結構損傷或破壞?!?/span>


我們很容易發現,在結構疲勞破壞問題中包含了一類重要的現象,那就是當交變載荷的頻率與結構的某一階(甚至某幾階段)固有頻率一致或比較接近時, 結構將會發生共振,這時一定的激勵將會產生更大的響應,使結構更加易于產生破壞。這類振動疲勞問題,說明結構的疲勞失效與結構的振動響應密切相關。


在工程實際中,結構受到外部激勵總會產生不同的振動響應,因此,絕大部分結構的疲勞失效都與振動有關,實際上可以歸結為振動疲勞問題。振動疲勞是結構所受動態交變載荷(如振動、沖擊、噪聲載荷等)的頻率分布與結構固有頻率分布具有交集或相接近,從而使結構產生共振所導致的疲勞破壞現象,也可以直接說成是結構受到重復載荷作用激起結構共振所導致的疲勞破壞。


表 1 靜態疲勞與振動疲勞的差異

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振動疲勞分為三類


通常,我們比較習慣按照結構固有頻率f0 和交變載荷f的變化頻率進行分類,它可以把振動疲勞分為三類:

1)低頻振動疲勞,指結構所受的交變載荷的變化頻率遠低于結構的固有頻率,一般而言 f<0.8f0,這種載荷作用下引起的振動疲勞通常稱為低頻振動疲勞。

2)共振振動疲勞,指結構所受的交變載荷的變化頻率接近于結構的固有頻率,一般而言 0.8f0< f<1.2 f0,這種載荷作用下的振動疲勞通常稱為共振振動疲勞。

3)高頻振動疲勞,指結構所受的交變載荷的變化頻率遠高于結構的固有頻率,一般而言f>1.2f0,這種載荷作用下的振動疲勞通常稱為高頻振動疲勞。


不同類型的振動疲勞具有不同的振動疲勞特性,分類有利于研究工作的簡化。研究過程中,我們可以對高頻振動疲勞、共振振動疲勞和低頻振動疲勞分別進行研究,分析其振動疲勞特性,提出不同的預測結構壽命的方法及控制振動疲勞的措施。低頻載荷下,一般可以按照分析載荷的應力應變與振動頻率的影響,共振頻率載荷下,一般主要研究結構發生共振時的振幅對結構的破壞,而高頻主要研究每次振動損傷產生的累積效果。


有的時候,我們也可以根據交變載荷的變化規律進行分類,它包括:

1)確定性載荷振動疲勞,指能夠預期知道交變載荷的變化規律,這種載荷所引起的振動疲勞稱為確定性振動疲勞。

2)隨機載荷振動疲勞,指作用于結構的交變載荷是隨機變化的,這種載荷作用引起的疲勞稱為隨機載荷振動疲勞。








疲勞破壞的過程


結構細部構造、連接型式、應力循環次數、最大應力值和應力變化幅度(應力幅)是影響結構疲勞破壞的主要因素。


金屬疲勞破壞的過程分為:萌生過程、擴展過程、斷裂過程。

萌生過程:在足夠大的交變應力下,金屬中位置最不利或較弱的晶體,沿最大切應力作用面形成滑移帶,滑移帶開裂成微觀裂紋。在構件外形突變(如圓角、切口、溝槽等)或表面刻痕或材料內部缺陷等部位,都可能因較大的應力集中引起微觀裂紋。分散的微觀裂紋經過集結溝通,形成宏觀裂紋;

擴展過程:已形成的宏觀裂紋在交變應力下逐漸擴展。擴展過程相對緩慢且并不連續,因應力高低時而持續時而停滯;

斷裂過程:隨著裂紋的擴展,構件截面逐步消弱,消弱到一定極限時,構件便突然斷裂;


根據金屬疲勞的斷口形態可以判別:裂紋源→萌生過程、光滑區→擴展過程、粗糙區→斷裂過程。

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疲勞破壞特征


擾動應力是指隨著時間發生變化的應力,也稱為擾動載荷,載荷可以是力、應變、位移等等。


疲勞載荷的分類如圖1所示。一個載荷譜在一個確定的時間間隔內呈現規律性的、相等幅頻的重復稱為周期,此類具有周期性交變特征的載荷稱作循環載荷。


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疲勞破壞具有下列幾個方面的特點:

突然性:斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形,斷裂前沒有明顯的預兆,而是突然地破壞;

低應力:疲勞破壞在循環應力的最大值,遠低于材料的抗拉強度或屈服強度的情況下就可以發生;

重復載荷:疲勞破壞是多次重復載荷作用下產生的破壞,它是較長期的交變應力作用的結果,疲勞破壞往往要經歷一定時間,與靜載下的一次破壞不同;

缺陷敏感:疲勞對缺陷(例如缺口、裂紋及組織缺陷)十分敏感,由于疲勞破壞是從局部開始的,所以它對缺陷具有高度的選擇性;

疲勞斷口:疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發生、擴展和最后斷裂三個組成部份。


疲勞破壞是一個發展的過程。單就零部件疲勞破壞形式之一的斷裂來講,由疲勞裂紋產生到疲勞裂紋擴展,直至最后發生斷裂,這是一個疲勞損傷逐步累積的過程。由此可引出疲勞壽命的概念,疲勞壽命指的是疲累損傷累積過程中零部件所經歷的時間,或者說載荷循環次數。


 





影響疲勞極限的因素


疲勞破壞往往產生于局部,局部性是疲勞失效的重要特征。因此,注意研究零部件的細節,尤其是應力應變集中處,盡力減小應力集中的發生,對提高零部件工作質量,延長構件壽命具有積極意義。


循環應力只要不超過某個“最大限度”,構件就可以經歷無數次循環而不發生疲勞破壞,這個限度值稱為“疲勞極限”。應力越小次數越大壽命越長,應力越大次數越小壽命越短。


影響構件疲勞極限的主要因素包括:

構件外形的影響(應力集中會顯著降低構件的疲勞極限)

構件的尺寸的影響(隨著試件橫截面尺寸增大,疲勞極限會相應的降低)構件表面光潔度質量的影響(表面質量越高,疲勞極限越高)

應力集中對鋼結構的疲勞性能影響顯著,而構造細節是應力集中產生的根源。


構造細節常見的不利因素:

①鋼材的內部缺陷,如偏析、夾渣、分層、裂紋等;

②制作過程中剪切、沖孔、切割;

③焊接結構中產生的殘余應力;

④焊接缺陷的存在,如:氣孔、夾渣、咬肉、未焊透等;

⑤非焊接結構的孔洞、刻槽等;

⑥構件的截面突變;

⑦結構由于安裝、溫度應力、不均勻沉降等產生的附加應力集中。

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提高疲勞強度的措施


疲勞破壞的預防方法包括:

1)設計合理結構避免焊接應力集中。

2)設計時計算各部位材料是否能長時間承受工作環境中的載荷。

3)充分考慮材料在使用環境中溫度、濕度等因素對材料的影響。

4)采取措施消除使用環境中共振對材料的影響。

5)經常檢查設備各部位螺栓是否有松動現象。

6)及時更換正常磨損的零配件。

7)使用優質原材料減少細小裂紋的發生,提高抗疲勞破壞系數。

8)優化設備結構,改變加工工藝,減少內應力產生。例如焊接工藝等。

9)采取消除內應力措施。例如加熱,保溫等方法。

10)減緩應力集中:設計外形時,避免出現方形或帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然改變處(如階梯軸的軸肩)要采用半徑足夠大的過渡圓角,若因結構上難加大過渡圓角半徑,可在直徑較大的部分軸上開減荷槽或退刀槽,都可使應力集中有明顯減弱。

11)降低表面粗糙度:構件表面加工質量對疲勞強度影響很大,疲勞強度要求較高的構件,應有較低的表面粗糙度。高強度鋼對表面粗糙度更為敏感,只有經過精加工,才有利于發揮其高強度性能。否則將會使持久極限大幅度下降,失去采用高強度鋼的意義。在使用中也應盡量避免使構件表面受到機械損傷(如劃傷、打印等)或化學損傷(如腐蝕、生銹等)。

12)增加表層強度:為了強化構件的表層,可采用熱處理和化學處理,如表面高頻淬火、滲碳、氮化等,皆可使構件疲勞強度有顯著提高。也可以用機械的方法強化表層,如滾壓、噴丸等,以提高疲勞強度。

13)對于板材型材的焊接處理,焊接之后采取一些工藝措施來提高疲勞性能,目的是緩和應力集中程度、消除切口,或是在表層形成壓縮殘余應力??赡ㄈズ缚p的表面部分。角焊縫連接的疲勞性能比較差,對角焊縫可以打磨焊趾,焊縫的趾部經常存在咬邊形成的切口,并且還有焊渣侵入,磨去切口和焊渣。對于角焊縫的趾部用氣體保護也很重要。


疲勞破壞往往產生在局部,因此,在設計時,注意研究零部件的細節,尤其是應力應變集中處,所以,盡量減少應力集中,是減少疲勞破壞的根本因素。








總結


任何材料都會發生疲勞破壞,因此在設計零部件及工程結構等時必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時限,以免造成不必要的財產損失和人身傷亡事故。

兆豐公司生產的振動類設備,在用戶安裝使用及維護時,個別用戶操作維護不當會造成設備局部疲勞破壞。


例如:

振動篩電機板的固定螺栓如果松動,對螺栓及電機板造成高頻微幅沖擊力,易產生疲勞破壞;


各類設備的篩格,如果未有效壓緊,會在篩體內產生不規則的游動,頻繁的交變載荷,易造成疲勞破壞,損壞零部件;


篩體安裝不水平或者四處吊掛受力不均勻,長時間運轉,吊掛機構抖動,會對相關零部件產生破壞;


設備安裝基礎與設備產生共振而引起的振動疲勞,會影響正常的規則運動,產生疲勞破壞而導致的零部件損傷等等。


在設計、制作工藝、原材料、安裝、維護等各個環節,均會因疲勞破壞對設備的正常使用產生破壞。因此,需要從各環節入手,分析疲勞破壞的來源,采取相應的對策,減少設備因疲勞破壞導致的故障和事故。


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