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關于材料疲勞問題的分類及分析

點擊次數:1119 發布時間:2019-06-04

機械部件的失效,約有80%是由于疲勞引起的。而大多疲勞失效的研究方法都是經驗性的,本人在前人研究的基礎上,從疲勞的性質、疲勞破壞和提高疲勞強度的措施三個方面做一個簡單系統的陳述和分類,讓大家簡單的了解材料的疲勞問題。

首先,讓我們了解一下疲勞的定義。疲勞是指材料在低于拉伸強度極限的交變應力(或應變)的反復作用下,材質逐漸劣化,逐漸萌生出疲勞裂紋,引起材料的失效。
材料疲勞失效問題在材料的使用過程中是需要特別注意的,我們必須了解疲勞的性質以及疲勞破壞的具體過程,找到提高疲勞強度的方法,在材料的使用過程中不斷運用,盡量減少機械部件的疲勞失效,這是我們研究這個問題的終目標。下面將對疲勞的性質、疲勞破壞以及怎樣提高疲勞強度做一個簡單的描述:

1、疲勞的三個性質

1)疲勞中的損傷性
由于材料本身性質的不同,我們無法對每個材料都作出幾何學上的描述;而對于它們的演變,也由于微觀測量和宏觀力學量之間量級懸殊,也不能直接用于結構分析。
所以我們從熱力學出發,由于損傷變量是一種內部變量,物質性態對于外力、溫度、時間因素的依賴性隱含在內部變量對其他獨立熱力學變量的關系式演化方程中,所以這種內變量可用來描述損傷場的發展、演變。而對于唯象的損傷力學來說,可以認為應力、應變及其組合量如應變能密度等是控制損傷過程一級本質的物理量。

2)疲勞中的概率統計性
疲勞損傷動態過程是一個隨機過程,因而它的疲勞壽命或疲勞強度表現出概率統計性。
金屬材料組織本身的散亂是導致它損傷的散亂和疲勞壽命散亂的一個主要原因,組織的散亂又在于它的不均勻性,包括諸多的因素,作為近似可以將這些因素統一起來進行統計處理。

3)疲勞損傷中的局部性
疲勞損傷中的局部性現象,主要表現在疲勞失效首先在薄弱環節處產生,這一事實是和疲勞中的隨機概率性密切相關的;從疲勞壽命所遵從的Weibull分布來看,其本身的物理背景也充分體現了疲勞損傷的局部性。

2、疲勞破壞的三個階段

1)裂紋形成階段
在交變應力作用下,高應力區金屬晶體滑移帶開裂成微觀裂紋,形成疲勞源區。

2)裂紋擴展階段
在交變應力作用下,裂紋因應力集中而逐漸擴展,裂紋兩面不斷研磨形成光滑區,即裂紋擴展區。

3)瞬時斷裂階段
隨著裂紋的不斷擴展,截面削弱直至強度不足而突然斷裂,形成斷口的粗糙區,塑性材料表現為纖維狀,脆性材料表現為結晶狀。

3、提高金屬結構疲勞強度的措施

1)合理設計構件的外形
構件截面改變越激烈,應力集中系數就越大。工程上常采用改變構件外形尺寸的方法來減小應力集中。設計構件外形時,應盡量避免帶有尖角的孔和槽,在各類配合中采用緩和的方式。

2)提高構件的表面加工質量
一般構件表面的應力都很大,同時由于加工的原因,構件表層的刀痕或損傷處,又將引起應力集中。因此,對疲勞強度要求高的構件,應采用精加工方法,以獲得較高的表面質量。

3)提高構件表面強度
常用方法有表面熱處理和表面機械強化兩種方法。表面熱處理通常采用高頻淬火、滲碳、氰化、氮化等措施,以提高構件表層材料的抗疲勞強度能力。表面機械強化通常采用對構件表面進行滾壓、噴丸等,是使構件表面形成預壓應力層,以降低容易形成疲勞裂紋的拉應力,從而提高表層強度。
在對材料疲勞有了部分了解后,希望可以將此運用到材料的制作過程當中去,盡量減少由于材料疲勞而導致的失效問題。 

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