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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(jié)構(gòu)失效的主要形式,指材料、零件和構(gòu)件在交變載荷的作用下,在某點或某些點產(chǎn)生局部的永久性損傷,并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、并使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,直到完全斷裂的現(xiàn)象。


        早在 19 世紀(jì)中葉,隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明和鐵路建設(shè)的發(fā)展,研究人員發(fā)現(xiàn)機(jī)車車輪結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)小于其靜強(qiáng)度極限載荷時發(fā)生交變應(yīng)力破壞現(xiàn)象,由此提出并發(fā)展了不同于結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度破壞的結(jié)構(gòu)疲勞破壞問題。



         





        靜態(tài)疲勞和振動疲勞


        上世紀(jì) 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(chǎn)生的具有不可逆且累積性的結(jié)構(gòu)損傷或破壞?!?/span>


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


        在工程實際中,結(jié)構(gòu)受到外部激勵總會產(chǎn)生不同的振動響應(yīng),因此,絕大部分結(jié)構(gòu)的疲勞失效都與振動有關(guān),實際上可以歸結(jié)為振動疲勞問題。振動疲勞是結(jié)構(gòu)所受動態(tài)交變載荷(如振動、沖擊、噪聲載荷等)的頻率分布與結(jié)構(gòu)固有頻率分布具有交集或相接近,從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振所導(dǎo)致的疲勞破壞現(xiàn)象,也可以直接說成是結(jié)構(gòu)受到重復(fù)載荷作用激起結(jié)構(gòu)共振所導(dǎo)致的疲勞破壞。


        表 1 靜態(tài)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(xí)慣按照結(jié)構(gòu)固有頻率f0 和交變載荷f的變化頻率進(jìn)行分類,它可以把振動疲勞分為三類:

        1)低頻振動疲勞,指結(jié)構(gòu)所受的交變載荷的變化頻率遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)所受的交變載荷的變化頻率接近于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)所受的交變載荷的變化頻率遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)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(jìn)行研究,分析其振動疲勞特性,提出不同的預(yù)測結(jié)構(gòu)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(yīng)力應(yīng)變與振動頻率的影響,共振頻率載荷下,一般主要研究結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時的振幅對結(jié)構(gòu)的破壞,而高頻主要研究每次振動損傷產(chǎn)生的累積效果。


        有的時候,我們也可以根據(jù)交變載荷的變化規(guī)律進(jìn)行分類,它包括:

        1)確定性載荷振動疲勞,指能夠預(yù)期知道交變載荷的變化規(guī)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(jī)載荷振動疲勞,指作用于結(jié)構(gòu)的交變載荷是隨機(jī)變化的,這種載荷作用引起的疲勞稱為隨機(jī)載荷振動疲勞。








        疲勞破壞的過程


        結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造、連接型式、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、最大應(yīng)力值和應(yīng)力變化幅度(應(yīng)力幅)是影響結(jié)構(gòu)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(kuò)展過程、斷裂過程。

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

        擴(kuò)展過程:已形成的宏觀裂紋在交變應(yīng)力下逐漸擴(kuò)展。擴(kuò)展過程相對緩慢且并不連續(xù),因應(yīng)力高低時而持續(xù)時而停滯;

        斷裂過程:隨著裂紋的擴(kuò)展,構(gòu)件截面逐步消弱,消弱到一定極限時,構(gòu)件便突然斷裂;


        根據(jù)金屬疲勞的斷口形態(tài)可以判別:裂紋源→萌生過程、光滑區(qū)→擴(kuò)展過程、粗糙區(qū)→斷裂過程。

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        疲勞破壞特征


        擾動應(yīng)力是指隨著時間發(fā)生變化的應(yīng)力,也稱為擾動載荷,載荷可以是力、應(yīng)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(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的、相等幅頻的重復(fù)稱為周期,此類具有周期性交變特征的載荷稱作循環(huán)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(yù)兆,而是突然地破壞;

        低應(yīng)力:疲勞破壞在循環(huán)應(yīng)力的最大值,遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度的情況下就可以發(fā)生;

        重復(fù)載荷:疲勞破壞是多次重復(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞,它是較長期的交變應(yīng)力作用的結(jié)果,疲勞破壞往往要經(jīng)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(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個組成部份。


        疲勞破壞是一個發(fā)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(chǎn)生到疲勞裂紋擴(kuò)展,直至最后發(fā)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(jīng)歷的時間,或者說載荷循環(huán)次數(shù)。


         





        影響疲勞極限的因素


        疲勞破壞往往產(chǎn)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(xì)節(jié),尤其是應(yīng)力應(yīng)變集中處,盡力減小應(yīng)力集中的發(fā)生,對提高零部件工作質(zhì)量,延長構(gòu)件壽命具有積極意義。


        循環(huán)應(yīng)力只要不超過某個“最大限度”,構(gòu)件就可以經(jīng)歷無數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞,這個限度值稱為“疲勞極限”。應(yīng)力越小次數(shù)越大壽命越長,應(yīng)力越大次數(shù)越小壽命越短。


        影響構(gòu)件疲勞極限的主要因素包括:

        構(gòu)件外形的影響(應(yīng)力集中會顯著降低構(gòu)件的疲勞極限)

        構(gòu)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(yīng)的降低)構(gòu)件表面光潔度質(zhì)量的影響(表面質(zhì)量越高,疲勞極限越高)

        應(yīng)力集中對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響顯著,而構(gòu)造細(xì)節(jié)是應(yīng)力集中產(chǎn)生的根源。


        構(gòu)造細(xì)節(jié)常見的不利因素:

        ①鋼材的內(nèi)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(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽等;

        ⑥構(gòu)件的截面突變;

        ⑦結(jié)構(gòu)由于安裝、溫度應(yīng)力、不均勻沉降等產(chǎn)生的附加應(yīng)力集中。

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        提高疲勞強(qiáng)度的措施


        疲勞破壞的預(yù)防方法包括:

        1)設(shè)計合理結(jié)構(gòu)避免焊接應(yīng)力集中。

        2)設(shè)計時計算各部位材料是否能長時間承受工作環(huán)境中的載荷。

        3)充分考慮材料在使用環(huán)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(huán)境中共振對材料的影響。

        5)經(jīng)常檢查設(shè)備各部位螺栓是否有松動現(xiàn)象。

        6)及時更換正常磨損的零配件。

        7)使用優(yōu)質(zhì)原材料減少細(xì)小裂紋的發(fā)生,提高抗疲勞破壞系數(shù)。

        8)優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu),改變加工工藝,減少內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。例如焊接工藝等。

        9)采取消除內(nèi)應(yīng)力措施。例如加熱,保溫等方法。

        10)減緩應(yīng)力集中:設(shè)計外形時,避免出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yīng)力集中有明顯減弱。

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

        12)增加表層強(qiáng)度:為了強(qiáng)化構(gòu)件的表層,可采用熱處理和化學(xué)處理,如表面高頻淬火、滲碳、氮化等,皆可使構(gòu)件疲勞強(qiáng)度有顯著提高。也可以用機(jī)械的方法強(qiáng)化表層,如滾壓、噴丸等,以提高疲勞強(qiáng)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(yīng)力集中程度、消除切口,或是在表層形成壓縮殘余應(yīng)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(jīng)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(hù)也很重要。


        疲勞破壞往往產(chǎn)生在局部,因此,在設(shè)計時,注意研究零部件的細(xì)節(jié),尤其是應(yīng)力應(yīng)變集中處,所以,盡量減少應(yīng)力集中,是減少疲勞破壞的根本因素。








        總結(jié)


        任何材料都會發(fā)生疲勞破壞,因此在設(shè)計零部件及工程結(jié)構(gòu)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(chǎn)損失和人身傷亡事故。

        兆豐公司生產(chǎn)的振動類設(shè)備,在用戶安裝使用及維護(hù)時,個別用戶操作維護(hù)不當(dāng)會造成設(shè)備局部疲勞破壞。


        例如:

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


        各類設(shè)備的篩格,如果未有效壓緊,會在篩體內(nèi)產(chǎn)生不規(guī)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(zhuǎn),吊掛機(jī)構(gòu)抖動,會對相關(guān)零部件產(chǎn)生破壞;


        設(shè)備安裝基礎(chǔ)與設(shè)備產(chǎn)生共振而引起的振動疲勞,會影響正常的規(guī)則運動,產(chǎn)生疲勞破壞而導(dǎo)致的零部件損傷等等。


        在設(shè)計、制作工藝、原材料、安裝、維護(hù)等各個環(huán)節(jié),均會因疲勞破壞對設(shè)備的正常使用產(chǎn)生破壞。因此,需要從各環(huán)節(jié)入手,分析疲勞破壞的來源,采取相應(yīng)的對策,減少設(shè)備因疲勞破壞導(dǎo)致的故障和事故。


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