货车转向架疲劳断裂理论研究

2018-02-01夏祥春

时代农机 2018年3期

夏祥春

（永城职业学院机电工程系，河南永城 476600）

1 疲劳破坏机理

当材料因承受循环载荷的多次反复作用而发生的破坏现象称为疲劳破坏。材料承受的载荷值可能比较小，也可能远小于强度极限，但是这种较小的载荷反复不断作用在材料上，也会引起材料的破坏。

疲劳破坏的过程可以简单描述为：材料的微观结构区域的关键部分在循环载荷作用下，产生塑性变形，微裂纹开始出现，随着循环荷载的延续，在这个关键领域形成薄弱点，然后微裂纹缓慢扩张为宏观裂缝或工程裂缝，裂缝继续扩大，直至最终断裂。过程中对应着相应的疲劳源区，疲劳扩展区和快速断裂区。可以归纳为疲劳裂纹的萌生阶段和疲劳裂纹的扩展阶段。疲劳破坏的微观过程是一个极其复杂的过程，一般分为三个阶段：裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹的不稳定增长。

（1）疲劳裂纹的萌生。材料开始逐渐形成裂纹的过程通常被称为疲劳裂纹萌生。金属材料的疲劳裂纹有可能起源于含缺陷或夹杂物的部位，也有可能起源于切口或应力集中部位。由于材料表面的应力水平往往较大，而且有时候表面还经常留有加工时的划痕，所以裂纹也经常发生在材料的表面。当循环载荷多次反复作用在材料时，材料内部会出现滑移线，这些滑移线刚开始很短很细，呈台阶状。滑移线出现后，在循环载荷的继续作用下滑移加剧，从而在表面出现突起或缺口，导致应力集中的产生。载荷循环数继续增加，在原来的滑移线附近又会出现新的滑移线，这样导致多条滑移线合并成为滑移带（驻留滑移带），之后随着循环载荷继续作用在材料上，疲劳裂纹就会在这些较大的滑移带处萌生。很多滑移带中，部件表面有挤出和侵入槽形成，导致在部件表面出现裂纹起始点，在循环载荷的不断作用下，会引起应力集中现象，进而导致疲劳裂纹扩大。

（2）疲劳裂纹的扩展。构件表面出现疲劳裂纹源之后，裂纹会首先沿最大剪应力方向扩展，最大剪应力的方向一般与施加载荷的方向呈45°夹角。最初微裂纹比较少，随着循环载荷的不断作用，微裂纹数量增加，而且少数微裂纹通过继续扩展与其他微裂纹合并成为较大的裂纹。继续在构件上施加循环载荷，这些较大的裂纹的扩展方向会发生变化，转移到与载荷作用线垂直的方向，即最大拉应力面方向，在这个方向上裂纹继续扩展。裂纹沿45°最大剪应力面的扩展是第一阶段的扩展，在最大拉应力面内的扩展是第二阶段的扩展。第一阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献却很大，对于高强材料，尤其如此。

随着循环应力的增加，裂纹逐步张开，裂纹尖端由于高度的应力集中，而沿最大剪应力方向滑移；应力进一步增大，裂纹充分张开，裂纹尖端钝化呈半圆形，开创出新的表面；卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失，在卸载引入的压应力作用下失稳而在裂尖形成凹槽形；最后，在最大循环压应力作用下，又成为尖裂纹，但其长度增加了。下一循环，裂纹又张开、钝化、扩展、锐化，重复上述过程。这样，每一应力循环，将在裂纹面上留下一条疲劳痕迹，即疲劳条纹。

（3）疲劳裂纹的不稳定增长。疲劳裂纹的不稳定增长阶段是构件寿命的最后阶段，当材料的裂纹扩展到一定程度，就会变得没有规律，裂纹会突然迅速增大，从而导致构件发生断裂。这个过程是非常短暂的，计算构件疲劳寿命时往往将其忽略。

2 疲劳断口分析

源于表面的裂纹，在循环载荷的作用下扩展，通常沿表面扩展较快，沿深度方向扩展较慢，呈半椭圆形。且宏观裂纹一般发生在拉应力平面内。疲劳破坏断裂失效涉及到扰动使用载荷的多次作用，相对静载破坏而言，疲劳破坏有如下特点。

（1）作用应力水平较低。高应力作用下的部件，在静载作用下破坏瞬时发生的；而疲劳破坏则是在较低应力的多次循环作用下发生的，相比静载破坏的作用力，疲劳破坏的作用力可能很小。疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低。

（2）断口光滑。静载荷破坏的断口比较粗糙，因为是瞬时发生的，所以断口比较新鲜，而且断口的表面无磨损或磨损痕迹；疲劳断裂表面相对平稳，有裂纹源、裂纹扩展区，会出现海滩条带或腐蚀的迹象。从断口的形貌来看先在构件的高应力区的表面缺陷处形成疲劳源随着应力循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，在这一过程中，由于裂纹两侧表面的研磨，写成了光滑区。随着裂纹扩展，构件的截面逐渐削弱，直至不能承担载荷而突然断裂，形成断口上的粗糙区。

（3）无明显塑性变形。延性材料静载破坏时塑性变形明显；疲劳断口则无明显塑性变形。