1、疲勞及設(shè)計案例,1,PPT學(xué)習(xí)交流,疲勞破壞,材料在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，其應(yīng)力雖然沒有達(dá)到抗拉強(qiáng)度，甚至還低于屈服強(qiáng)度時，也可能發(fā)生突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞 在疲勞破壞之前，沒有明顯的變形，是一種突然發(fā)生的脆性斷裂，所以疲勞破壞屬于反復(fù)荷載作用下的脆性破壞。 疲勞破壞是經(jīng)過長時間的發(fā)展過程才出現(xiàn)的，其破壞過程可分為三個階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴(kuò)展、最后迅速斷裂而破壞。疲勞破壞首先是由于機(jī)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力分布不均勻所引起的。應(yīng)力集中可以使個別晶粒很快出現(xiàn)塑性變形及硬化，從而大大降低機(jī)件的疲勞強(qiáng)度。對于承受連續(xù)反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)，設(shè)計時必須考慮疲勞問題。,2,PPT學(xué)習(xí)交流,波音747的

2、疲勞開裂,事件回顧 2002年5月25日，中華航空611號班機(jī)為一架波音747-209B型客機(jī)，由桃園國際機(jī)場前往香港國際機(jī)場途中，因金屬疲勞導(dǎo)致飛機(jī)在澎湖外海10640米高空解體墜毀。206名乘客及19名機(jī)組員無人生還。,3,PPT學(xué)習(xí)交流,4,PPT學(xué)習(xí)交流,原因追溯,1980年2月7日，該航機(jī)在香港啟德機(jī)場曾因重落地?fù)p傷到機(jī)尾蒙皮。 損傷到機(jī)尾后，華航僅用一塊面積與受損蒙皮相若的鋁板覆蓋該處（根據(jù)波音的維修指引，新蒙皮的面積須較受損的大最少30%），并沒有依波音所訂的維修指引把整塊蒙皮更換，造成該地方累積了金屬疲勞的現(xiàn)象。22年來，維修人員沒有察覺任何異常。 該處裂開后，造成空中失壓解體

3、。根據(jù)事故后回收的機(jī)身殘骸，該處裂痕至少長達(dá)約2.3米，而研究顯示在高空中飛機(jī)上的裂痕超過約1.5米時就會有結(jié)構(gòu)崩毀的可能。,5,PPT學(xué)習(xí)交流,飛機(jī)金屬疲勞與交變載荷,在服役期間，飛機(jī)不斷重復(fù)著起飛、飛行與降落這一過程，而在每次起飛、飛行與降落過程中，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)都承受著各種各樣反復(fù)作用的疲勞載荷。這些疲勞載荷主要包括： 1 跑道上顛簸的地面滑行載荷； 2 飛中大氣紊流(亂流)引起的“突風(fēng)載荷”； 3 飛機(jī)作仰俯、偏航以及側(cè)身等動作時的機(jī)動載荷； 4 飛機(jī)著陸時的撞擊載荷； 5 氣密座艙內(nèi)增壓一卸壓的所謂“地空地”循環(huán)載荷 這些載荷通常都比較小，不足以使飛機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生一次性斷裂，但它們?nèi)諒?fù)一日，

4、年復(fù)一年地作用在飛機(jī)上， 飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的疲勞損傷便會在不知不覺中累積。一旦這種疲勞損傷累積到一定程度，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)就會開裂，從而發(fā)生破壞，并最終誘發(fā)空中解體。,6,PPT學(xué)習(xí)交流,臺灣“飛航安全委員會”于2005年2月25日正式發(fā)布華航CI611班機(jī)澎湖空難事故調(diào)查報告：根據(jù)加強(qiáng)補(bǔ)片上所發(fā)現(xiàn)的環(huán)狀磨擦痕跡、斷裂面上的規(guī)則亮紋及鍍鋁層擠壓變形現(xiàn)象，相信該機(jī)于解體前，機(jī)身上存在一個至少71寸、長度足以造成機(jī)身結(jié)構(gòu)失效的連續(xù)裂紋。大部分的疲勞裂紋生長的起源點為1980年2月7日事故航機(jī)在香港發(fā)生機(jī)尾觸地事件造成的刮痕處。,7,PPT學(xué)習(xí)交流,飛機(jī)金屬疲勞與腐蝕疲勞,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中有半數(shù)以上的破

5、壞形式與腐蝕或腐蝕疲勞有關(guān)。 由于具有重量輕、強(qiáng)度好等優(yōu)越性能,高強(qiáng)度鋁合金已成為航空領(lǐng)域中使用最為廣泛的金屬材料。然而從目前對高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞的研究成果來看，鋁合金對腐蝕引起的破壞是敏感的，腐蝕環(huán)境往往會使鋁合金結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大大縮短。,8,PPT學(xué)習(xí)交流,例2:摩托車發(fā)動機(jī)連桿斷裂原因分析,廣東某摩托車廠一輛摩托車在運行了2000km后發(fā)生機(jī)械故障，經(jīng)拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)曲軸連桿斷裂。 據(jù)悉該連桿材料為20CrMnTi，表面經(jīng)過滲碳處理。 連桿工作原理見圖1，連桿的往返運動帶動兩傳動曲軸轉(zhuǎn)動。,9,PPT學(xué)習(xí)交流,1宏觀檢查 失效連桿件有兩個斷口在連桿斷裂端的軸承弧面可見許多與斷口平行

6、的裂紋圖(a)； 斷裂端一側(cè)面存在強(qiáng)烈磨擦痕跡圖(b)，磨損深度達(dá)0.5mm； 軸承弧面靠近磨擦側(cè)面一端可見藍(lán)灰色的高溫氧化痕跡圖(c) 。 斷口1(圖a左邊的斷口)較為光滑平整，斷口邊緣已磨損，中部可見疲勞弧線圖(d)； 斷口2(圖a右邊的斷口)未見疲勞弧線。,斷口1,10,PPT學(xué)習(xí)交流,2掃描電鏡分析 斷口1在掃描電鏡下顯示疲勞弧線圖(a)；根據(jù)弧線的走向可以找到疲勞源，疲勞源在圖(d)左下方拐角處，局部放大，源區(qū)的細(xì)微組織大部分已磨損，但能看到放射棱特征圖(b)；在疲勞擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條紋及二次裂紋圖(c)；斷口2未見疲勞條紋，只有韌窩，可見斷口1是最先開始斷裂的斷口，而斷口2是二次斷口

7、。,疲勞源,11,PPT學(xué)習(xí)交流,3化學(xué)成分 在連桿身部位取樣，進(jìn)行化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)分析，結(jié)果符合GB/T3077-1999 20CrMnTi的化學(xué)成分要求,12,PPT學(xué)習(xí)交流,4 結(jié)果分析 綜合上述檢驗結(jié)果，失效件材料化學(xué)成份符合技術(shù)條件要求。 連桿斷裂端一側(cè)面出現(xiàn)非正常嚴(yán)重磨擦現(xiàn)象，軸承弧面靠近磨擦面一端出現(xiàn)的藍(lán)灰色的氧化膜，是黑色氧化鐵(Fe3O4)及紅色氧化鐵(Fe2O3)的混合體，其形成溫度在400以上。表明該連桿與一輸出軸之間的磨擦導(dǎo)致該區(qū)域溫度過熱。 斷口掃描電鏡分析表明斷口疲勞裂紋源在氧化膜附近的拐角處，正處于高溫區(qū)域。表面氧化會使裂紋產(chǎn)生的機(jī)會增加，同時高溫提高了蠕

8、變損傷的可能性。另一方面磨擦導(dǎo)致金屬表面粗糙，容易形成表面應(yīng)力集中，增大疲勞源產(chǎn)生的可能性。,13,PPT學(xué)習(xí)交流,斷裂起源往往發(fā)生在拉應(yīng)力最大的層面上。從連桿運動受力情況分析，斷口1的斷面所受的拉應(yīng)力最大，容易在此斷面靠近磨擦面的拐角處形成裂紋源。同時由于該區(qū)域存在較粗大的塊狀碳化物，破壞了基體組織的連續(xù)性，加速了裂紋的形成和擴(kuò)展，降低了疲勞強(qiáng)度，最終導(dǎo)致了疲勞斷裂。 連桿滲碳表面的碳化物過大與滲碳工藝不當(dāng)有關(guān)。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度過高造成的，特別容易在工件尖角處形成，導(dǎo)致零件壽命顯著下降。因此在滲碳過程中應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕?，以免過高的碳勢引起工件表面形成粗大的碳化物。,14,PPT學(xué)習(xí)交流,5結(jié)論 曲軸連桿斷裂屬疲勞斷裂，引起斷裂的原因是在使用時連桿受到劇烈磨擦，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中及溫度過高，降低了材料的疲勞強(qiáng)度。連桿拐角處表面的較大塊狀碳化物加速了裂紋的萌發(fā)及擴(kuò)展。,15,PPT學(xué)習(xí)交流,6 改進(jìn),設(shè)計時減少摩擦處的粗糙度，可以減少應(yīng)力集中，降低零件的疲勞強(qiáng)度 。同時減少摩擦帶來的高溫，減少了蠕變損傷的可能性 。