浅析金属材料疲劳断裂的影响因素及预防措施

浅析金属材料疲劳断裂的影响因素及预防措施

刘畅  付博  张一可

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司

黑龙江省哈尔滨市150060

摘要：金属材料是我们日常生活中使用最广泛的材料，据统计金属材料的断裂失效中80%是疲劳断裂，实际的疲劳断裂十分复杂，按照工作环境分有高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳；根据材料承受应力、应变的大小及达到破坏的循环次数的多少，可分为高周疲劳和低周疲劳；从应力状态分，有拉压、拉伸、扭转疲劳等；另外，还有常见的接触疲劳，它们都遵循疲劳断裂的基本过程，疲劳断裂是影响金属材料使用安全性的一个重要因素。

关键词：金属材料；疲劳断裂；措施

随着工业的快速发展，金属越来越广泛地应用于各行各业，特别是在现代工业的各个方面，例如飞机、工程机械、铁路桥梁、核反应堆和发电设备等。在实际工程中，各种设备的主要零件和构件大多都在循环变化的载荷下工作，因此，很多结构或构件，在低于设计许用应力下，常常会发生失效的情况。人们对一百多年来金属构件或结构的失效统计发现，金属疲劳是十分普遍的，有80%以上的失效归咎于疲劳。这往往给人们的生活和工作带来了麻烦，甚至危害到人们的生命安全。金属疲劳破坏具有在时间上的突发性，金属疲劳破坏常常不容易被及时发现，而且容易造成事故。

一、金属材料的疲劳

日常生活中使用的多数金属材料机械零部件承受的载荷都是随时间变化而变化的。材料在交变载荷作用下，发生的破损或断裂叫做疲劳破坏。疲劳破坏的特征和静力作用下的破坏有着本质的不同，主要有以下特征：在交变载荷作用下，材料所受的应力，即使低于材料的屈服强度，疲劳破坏也会发生，力的大小并不是决定疲劳发生与否的决定因素。而静载荷作用下的破坏，一般发生在力较大高于屈服强度时。不管脆性材料或者塑性材料，疲劳断裂时都不会表现出明显的塑性形变，而是突然断裂，这种突然性会更让人猝不及防，从而产生更大的危险。材料发生疲劳破坏时，一般是在局部发生。所以对于某些受力比较集中的部位，以及容易产生疲劳破坏的部位，通过定期的更换材料，可以改善疲劳情况，严重整体部件的使用寿命。材料发生疲劳破坏时，并不是一蹴而就的。疲劳破坏是一个由裂纹萌生、扩展、最终导致断裂的过程。过程时间的长短取决于疲劳发生的条件和所处的环境。

二、影响疲劳强度的因素与改善疲劳性能的途径

1、温度和环境影响。某些零件、构件是在高于或低于室温下工作，或在腐蚀介质中工作，或受载方式不是拉压和弯曲而是接触滚动等，这些不同的环境因素可使零件、构件产生不同的疲劳破坏。最常见的有接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。此外，还有微动磨损疲劳和声波疲劳等。有些材料的疲劳可以在高温振动应力的作用下发生，因此降低循环频率能够给蠕变空位的形成和长大提供有利条件，从而降低高温疲劳强度。相反，在室温下绝大多数金属的疲劳寿命与频率的关系不大。

2、应力集中的影响。从微观和宏观来说，塑性形变在局部区域的集中是疲劳破坏的特点，也是诱发疲劳裂纹的根本原因，因此，可以说对疲劳寿命影响最大的因素就是表面应力集中。材料或构件上的缺口、转角、键槽和表面加工的粗糙部分等应力集中区域都能显著降低疲劳寿命，因此，在抗疲劳设计中首先考虑的就是改善机器零件的几何形状设计和提高其表面加工质量，以求达到零件上合理的应力、应变分布。

4、材料静载断裂强度、塑性和抗疲劳性能的关系影响。在较低应力下，各种因素对抗拉强度、屈服强度的影响与对疲劳极限的影响大体上一致；但合金的晶体结构对疲劳强度与抗拉强度比值有很大影响。例如这个比值对于铁素体钢是0.6，珠光体钢是0.4，回火马氏体钢是0.55，奥氏体钢是0.35,而时效硬化铝合金仅为0.25～0.3.对于低应力高周疲劳，裂纹起始寿命占总寿命的大部分，影响裂纹萌生的因素起主导作用，这时裂纹尖端区材料对塑性形变的容纳能力成为控制裂纹扩展的因素，它对组织结构的类型不敏感，疲劳寿命由应变幅和材料的塑性来决定，因此，阻碍滑移的因素都会推迟驻留滑移带和微裂纹的形成，提高疲劳寿命。

5、变幅载荷及叠加静态载荷的作用影响。许多疲劳试验都是等幅的，但在实际使用中，零件载荷随时间的变化却往往是变幅的，在使用期内经历不同大小的应力的作用。载荷大小的次序，超载、欠载都有很大影响，例如，少量但又超过临界值的过载，可以加大原有裂纹前端的塑性区，阻碍裂纹进一步传播。

6、在疲劳载荷上叠加静载荷也会影响疲劳强度。平均拉应力降低疲劳强度，平均压应力提高疲劳强度。在工程上，平均应力有时以残余应力的形式出现，例如，由于机械加工方法不当，可以使零件形成很大的表面拉应力，降低其疲劳强度；而对零件采用喷丸强化后，则形成表面压应力，能十分有效地提高其疲劳强度。此外，疲劳破坏不仅在空气的环境中出现，真空、氢、水、海水、腐蚀介质、燃料与灰分等对疲劳寿命都有很大影响。甚至臭氧、电离层、噪音、核辐射等等都在研究的范围之内，腐蚀疲劳正在迅速发展成为一个重要的分支。

三、金属材料疲劳断裂的预防措施

1、结构设计与加工质量的改善。结构设计是零部件疲劳寿命的决定因素，结构如果设计得不合理，那将造成灾难性的后果。结构设计可以消除或增加应力集中，从而影响疲劳性能。表面加工质量对零部件疲劳性能也有显著的影响。这些因素都是影响疲劳寿命的关键因素，我们在设计、加工制造零部件时，就要遵循规则，将影响疲劳性能的因素降到最低，如合理设计零部件的结构外形，如采取圆角过渡；加大轴肩的圆角半径等措施，均可将这些区域的峰值应力降下来。且尽量减少关键部位的应力集中系数，可有效的防止应力集中,提高其疲劳强度。同时，尽量避免表面加工质量缺陷的出现，如表面粗糙度过大、表面刀痕、磨削裂纹、划伤等，并且在分析计算中考虑尺寸效应。

2、减小或避免环境的影响。环境对疲劳有重要的影响，尤其是腐蚀环境。当金属受到酸碱的腐蚀，一些部位的应力就比其他部位高得多，加速裂缝的形成，这叫“腐蚀疲劳”。对在腐蚀性环境下工作的机械零件要进行处理,避免产生腐蚀疲劳。如加入合金元素,防止产生晶间腐蚀，同时要对零件进行防护处理，如镀层或涂漆，减少腐蚀环境对零件疲劳的影响，提高零件寿命，避免事故的发生。

3、组织与性能的改善。材料是影响零件疲劳性能的关键因素之一，对于传统材料，可以通过加入一些新元素来提高其抗疲劳性能，改善疲劳寿命，同时，对于生产加工工艺中经常出现的组织缺陷，如夹杂，气孔，铸造裂纹等，经常作为疲劳裂纹的起源，严重影响疲劳寿命，要优化生产加工工艺，加强材料质量的检查与监控，尽可能避免组织缺陷的产生。

金属材料是我们日常生活、生产中使用最广的材料，金属材料的安全使用涉及到国民生产的各方面的利益与安全，而疲劳又是威胁金属材料安全性的最主要因素，因此，对金属材料的疲劳断裂的理性认知，科学预防，不但能够预防严重生产事故的发生，还可以延长零部件使用寿命，减少成产成本，造福人类。

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