（机械电子工程专业论文）门座起重机金属结构疲劳强度研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 门座起重机 在国民经济许多部门得到了广泛的应用 由于其工作环境恶劣 载荷复杂 致使其主要受力构件常出现意想不到的开裂 造成巨大的经济损失和 人员伤亡事件 在对多起门座起重机金属结构事故事后分析中 可以看到 裂纹总是在事故 发生之前就产生了 并且随着时间的推移 裂纹不断扩展 当裂纹扩展到一定程 度 便使得金属结构发生致命性的破坏 而伴随金属结构故障的发生 我们总是 可以看到疲劳破坏在这一过程中的重大影响 金属结构的疲劳与裂纹之间是否存 在着一定程度的对应关系呢 本文以门座起重机金属结构为研究对象 对此问题 加以探讨 本文运用参数化技术对门座起重机的运行过程加以参数化建模 并对整机结 构进行疲劳分析 利用v i s u a lc 软件绘制整机的疲劳云图 并将疲劳计算结果 与裂纹的调查统计数据加以比较 找出它们之间存在的关系 具体工作如下 1 用a n s y s 的内部命令和a p d l 语言建立门座起重机金属结构有限元模型 这是最为基础也是至关重要的一个环节 2 分析结构的强度 以确定裂纹的产生以及构件的断裂并不是由于结构的强 度不够而产生的 3 确定疲劳载荷以及疲劳分析方法 4 分析门座起重机结构的疲劳计算结果 以计算出来的疲劳数据为基础 绘 制疲劳云图 将疲劳计算结果与裂纹的调查统计数据加以比较 找出它们之间存 在的关系 5 在以上基础上 提出提高金属结构疲劳强度的建议和方法 防止结构过快 疲劳 延缓裂纹的扩展速度 从而延长门座起重机的使用寿命 关键词 门座起重机 金属结构 疲劳 裂纹 云图 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o r t a lc r a n ei sw i d e l yu s e di nm a n yd e p a r t m e n t so fn a t i o n a le c o n o m y b u tt h e a b o m i n a b l ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dc o m p l e xl o a d sc a u s et h em a i n l yl o a d c a r r y i n g c o m p o n e n t so ft h e 灿c n h eo f t e no c c u r e df r a c t u r eu n e x p e c t e d a n dt h e s ea c c i d e n t s l e a dt ot h ee n o r m o u se c o n o m i cl o s sa n dc a s u a l t yi n c i d e n t b ya n a l y z i n ga l o to fm e t a ls 缸1 l d 胍a c c i d e n t so fp o r t a lc r a n e w ec a l ls e e t h e c r a c k l eh a sb e e na l w a y sp r o d u c e db e f o r ea c c i d e n tt a k i n gp l a c e a n dt h ec r a c k l ei s e x p a n d i n gc o n s t a n t l ya st i m eg o e so n w h e n t h ec r a c k l ee x p a n d i n gt oac e r t a i nd e g r e e i tm a k em e t a ls l m c t i l r et a k ep l a c ef a t e f u ld e s t r o y a c c o m p a n yb yt h et r o u b l eo fm e t a l s t m c t u r ee m e r g e n c ew ea l w a y sc a l ls e et h eg r e a ti n f l u e n c eo ff a t i g u ei nt h i sc o u r s e i s t h e r ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i po fac e r t a i nd e g r e eb e t w e e nt h ef a t i g u ea n dc r a c k l eo f m e t a ls n l j c t i l l e t h i st e x tt a k e st h em e t a ls n l j c n i i eo fp o r t a lc r a n ea sa ne x a m p l et o d i s c u s st h i sq u e s t i o n t h i st e x tu s e sp a r a m e t e r i z e dt e c h n o l o g yt om o d e l i n gt h eo p e r a t i n gp r o c e s so ft h e p o r t a lc r a n e a n da n a l y s i st h ef a t i g u eo fw h o l e 蛐m c t u 旧 d r a wt h ef a t i g u en e p h o g r a m o ft h ec r a n eb yu s i n gv i s u a lc s o f t w a r e a n dc o m p a r et h er e s u l to ff a t i g u e c a l c u l a t i o nw i lt h ei n v e s t i g a t i o ns t a t i s t i c so ft h ec r a c k l e f i n do u tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf e l l o w s 1 t ob u i l da p o r t a l c r a n e sf e mm o d e l b yu s i n g a n s y si n t e r n a l c o m m a n d a p d l t h i si st h em o s tb a s i ca n di m p o r t a n ts t e po f t h et e x t 2 a n a l y s i st h es t r e n g t ho fs 咖鲍l r e 3 c o n f m nt h el o a d sa n dm e t h o do ff a t i g u ec a l c u l a t i o n 4 s t u d yt h ef a t i g u ec a l c u l a t i o nr e s u l to ft h ec r a n es 扛u c t l l r e d r a wt h ef a t i g u e n e p h o g r a mo ft h ec r a n eb a s i co nt h ed a t u mb yc a l c u l a t i n go u t c o m p a r et h ef a t i g u e c a l c u l a t i o nr e s u l t i mt h ei n v e s t i g a t ed a t eo ft h ec r a c k l e f i n do u tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m 5 p r o p o s es o m es u g g e s t i o n sa n dm e t h o d so nt h eb a s i so ft h ea b o v e d e l a yt h e s p e e do ff a t i g u ea n dt h es p e e do ft h ec r a c k l ee x p a n s i o n e x t e n dt h es e r v i c el i f eo ft h e p o r t a lc r a n e k e yw o r d s t h ep o r t a lc r a n e m e t a ls t r u c t u r e f a t i g u e c r a c k l e n e p h o g r a m i i 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名期 关于论文使用授权的说明 驴9 豸 o t 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生签名歪量二兰蠡师签名日期世n 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 在现代工业各个领域中 大约5 0 9 0 以上的结构强度破坏都是由于疲劳 破坏造成的 l 特别是随着机械向高温 高速和大型复杂化方向发展 使用环境 恶劣 随机因素增加 疲劳破坏更是层出不穷 如轴 曲轴 连杆 齿轮 弹簧 螺栓 压力容器 海洋平台 汽轮机叶片和焊接结构等 很多机械零部件的结构 件的主要破坏方式都是疲劳 而且遍布在工业 交通 军事等要害部门 给航空 造船 交通运输 动力机械 化工机械 工程机械等工业造成严重威胁 因此 认识疲劳 了解疲劳破坏的机理 探求抗疲劳的方法并去指导现代工业技术的发 展 已经成为现代工业生产中的重要课题 门座起重机 简称门机 是港口装卸作业的主要起重设备 它是一种间歇动 作机械 它具有短暂 重复 周期性循环 起制动频繁 冲击载荷大等工作特点 从而导致在设计使用期限内 其多个受力构件常出现意想不到的开裂故障 对安 全生产造成严重威胁 从调查结果来看 2 对所使用的门机金属结构使用安全的潜在威胁主要是裂 纹 由此引起的故障约占全部故障的8 0 强 门机结构的所有重要部位都有裂纹 裂纹的长度从几十毫米到几千毫米不等 另一方面 门机投入运行1 0 1 2 年 其 金属结构就会产生明显的宏观裂纹 另有资料显示 3 深圳港现有门机5 4 台 其中有2 3 台转柱式结构的上回转 支承滚道与门腿的连接焊缝下侧存在不同程度的裂纹 最长的裂纹有7 0 0 r a m 长 有1 0 台门机的臂架 人字架 平衡梁等重要承载部位开裂 7 0 台流动式轮胎起 重机支腿有裂纹 有2 7 台主臂腹杆弯折断裂 这些情况显示裂纹是机械承载结构 中的最主要故障 裂纹是影响金属结构安全工作的重要隐患之一 长期以来 门机金属结构的 裂纹问题 直为从事港口相关工作各方人员所关注 是影响港口装卸作业效率的 基本因素之一 通过对全国各主要港口门机金属结构故障的调查和归纳总结1 4 1 各港口门机 武汉理工大学硕士学位论文 金属结构故障状况及综合所有被调查港口门机裂纹所在部位分布情况分别如表 1 1 和表1 2 所示 表1 1 门机金属结构故障情况调查 港口名称调查台数 金属结构主要故障 裂纹所占比重 广州港 6 8 折断 裂纹 变形 9 0 厦门港 9 折断 裂纹 变形 腐蚀 7 0 9 6 汉阳港 1 4 裂纹 变形 锈蚀 7 3 5 上海港6 3折断 裂纹 变形 天津港 2 6裂纹 变形 锈蚀 大连港 6 9 裂纹 变形 锈蚀 注 上海港 天津港 大连港对结构裂纹比重虽未作具体统计 裂纹仍然是最主要的故 表l 一2 门机裂纹所在部位分布情况 裂纹部位所占比例 机房与转柱连接处 2 4 1 1 法兰盘与支腿连接处 2 4 8 2 配重 平衡重 支撑铰 1 6 3 1 人字架 1 4 小拉杆 6 3 大拉杆 4 9 6 象鼻梁 3 5 臂架 1 2 7 6 其它5 6 由上表可知 港口门机金属结构在正常运营一段时期后 一般为1 0 年左右 金属结构就会出现不同形式的故障 常见的故障形式有结构变形 裂纹 锈蚀 断裂等 其中裂纹是金属结构的最主要故障 它是影响门机安全运行的最大隐患 也是有关各方关注的焦点 从裂纹发生的部位来看 裂纹一般在重要的承载构件 上 这些地方受力比较复杂 有些裂纹发生在焊缝上 然后向母材扩展 在对多起门机金属结构事故分析中 可以看到 裂纹总是在事故发生之前就 产生了 并且随着时间的推移 裂纹不断扩大 当裂纹扩展到一定程度 便使得 金属结构发生致命性的破坏 而伴随金属结构故障的发生 我们总是可以看到疲 劳破坏在这一过程中的重大影响 金属结构的疲劳与裂纹之间是否存在着一定程 度的对应关系呢 本文以门机金属结构为研究对象 对此问题加以探讨 在以往的设计中 我们仅仅是考虑了门机结构强度方面的问题 而对门机的 2 武汉理工大学硕士学位论文 疲劳没有分析过 为了保证门机正常安全地运行 延长其使用寿命 提高其完好 率和使用率 预防金属故障带来的事故 降低维修成本 减少经济损失 有必要 对门机的疲劳与裂纹之间的关系进行深入研究 并在此基础上提出提高金属结构 疲劳强度的建议和方法 延缓裂纹的扩展速度 从而延长门机的使用寿命 1 2 国内外疲劳研究最新概况 近年来 随着疲劳理论研究的进步和计算机软硬件技术的迅猛发展 在发达 国家的铁路行业 产品的强度设计由原来的主要依据静强度指标和无限寿命设计 发展到定量寿命设计 大大提高了产品的使用可靠性 并且降低了产品的生产成 本 现代的抗疲劳设计中使用了 一体化耐久管理 i d m i n t e g r a t e dd u r a b i l i t y m a n a g e m e n t 的方法 该方法包括虚拟分析和疲劳试验2 个方面 5 j 下面将从这 2 个方面分别叙述疲劳研究和应用的新发展 1 2 1 理论分析方法的发展 虚拟计算 所谓的 虚拟 计算就是在产品的设计阶段 使用软件建立产品有关承载构 件的有限元模型 使用软件在虚拟的 新产品构件 上施加载荷进行寿命的计算 并可反复调整设计方案 做 假如 将会怎样 的优化计算 这种计算所需时 间短 费用低 降低了产品的开发周期和成本 由于疲劳理论的发展结合计算机技术的进步 虚拟计算作为一种分析手段 也有很多新而且方便实用的方法 主要包括3 个方面 它们分别是用s n 方法估 算全寿命 用局部应力 应变估算裂纹起始寿命 用p a r i s 公式估算裂纹扩展寿命 1 2 2 疲劳试验 使用软件来仿真计算虚拟 新产品 作为抗疲劳设计的一个手段 并不能代 替疲劳试验 虚拟计算的目的是为了尽可能地减少疲劳试验的次数 新产品的疲 劳可靠性最终要通过疲劳试验来检验 近十几年来 国际上疲劳强度试验及设计发展很快 疲劳设计已从许用应力 法发展到半概率法及概率设计方法 6 1 疲劳试验已从最大应力法发展到应力幅法 即以应力幅作为疲劳的主要影响因素 从许用应力法 半概率法直至概率法设计 3 武汉理工大学硕士学位论文 起重机钢结构疲劳强度是当前的最新观点和发展趋势 在8 0 年代初 美国研究 委员会运输研究局 对 带有筋板和附件的钢梁 应用应力幅法进行了疲劳试 验研究 试验结果被美国起重机制作商协会制定的电动桥式起重机规范 c m a a 中引用 8 0 年代中期 欧洲钢结构协会曾对各种钢结构接头进行了疲劳试验 用 得到的载荷一应力 寿命 p s n 曲线 制定了基于半概率设计钢结构疲劳强度 的 欧洲钢结构疲劳强度设计规范 e c c s 在国内 北京起重机研究所 大连 起重机厂及武汉钢铁学院等 在8 0 年代末9 0 年代初均对起重机梁进行了疲劳试 验研究 由于当时对疲劳破坏认识不够 尚未接受应力幅试验法 而应用常幅疲 劳试验所得到的实验数据尚与实际有差距 未应用到可靠性设计中去 太原重型 机械学院于9 0 年代初期应用了应力幅法对1 6 根焊接箱形梁进行了疲劳试验研 究 初步了解了疲劳破坏的分布规律 明确了试验步骤和方法 积累了经验 为 该项目研究打下了良好的基础 目前 国内对铁道车辆零部件的疲劳试验 只能够做程序加载的疲劳试验 如t b l 9 5 9 和1 1 3 1 9 6 0 所规定的试验标准 用程序载荷谱加载的疲劳试验一般只 能够对产品进行合格检验或产品的性能对比 不能够真正用于研究产品的寿命 在国外 主要采用随机载荷谱加载进行疲劳试验来研究产品的寿命 这样就彻底 消除了程序载荷谱时高低载荷的加载次序和各加载位置载荷相位差对构件寿命的 影响 这种加载方法能够较为真实地模拟构件所承受的载荷 使所得的试验寿命 能够真实地反映运用寿命 1 2 3 国内外发展水平 对于机械结构用金属材料 近年来研究工作的重点是 高温环境中循环载荷 作用下材料的蠕变和塑性变形的相互作用 疲劳裂纹的萌生和扩展规律 各种腐 蚀介质中 金属材料的应力腐蚀疲劳和断裂特性等问题 其发展趋势是 将材料的研究和结构的研究相结合 把蠕变 塑性 疲劳 断裂 腐蚀和磨损等方面的研究结合起来 目的在于掌握在载荷和环境综合作用 下 材料和结构的强度 疲劳断裂特性以及损伤的规律 以此为电缆 核能 石 油和化工行业大量重要机械设备的结构设计和运行安全性分析 建立更加科学的 理论基础 国内外防疲劳断裂设计技术的发展具有以下几个特点 9 j 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 研究对象所处的环境不再是以往简单的环境 而是包括电 力 磁 热 声 光 核 化学等复杂的环境系统 2 研究的层次已从宏观 细观 发展到微观 乃至纳观 3 研究已不仅由当前状态去预测未来 而且要追溯到形成材料 构件和结构 的工艺过程中去 4 研究方法已从线性发展到非线性理论 并需引入近代数学的非线性科研的 最新成果 3 本文所作的主要研究工作 综上所述 本文以门机金属结构为研究对象 以有限元法 结构力学和断裂 力学为理论基础和分析手段 运用参数化技术和有限元分析软件a n s y s 对门机 的运行过程加以参数化建模 并对整机结构进行疲劳分析 利用v i s u a lc 软件 绘制整机的疲劳云图 并将疲劳计算结果与裂纹的调查统计数据加以比较 找出 它们之间存在的关系 具体工作如下 1 用a n s y s 的内部命令和a p d l 语言建立门机金属结构有限元模型 这是 最为基础也是至关重要的一个环节 2 分析结构的强度 以确定裂纹的产生以及构件的断裂并不是由于结构的强 度不够而产生的 3 确定疲劳载荷以及疲劳分析方法 4 分析门机结构的疲劳计算结果 以计算出来的疲劳数据为基础 绘制疲劳 云图 将疲劳计算结果与裂纹的调查统计数据加以比较 找出它们之间存在的关 系 5 在以上基础上 提出提高金属结构疲劳强度的建议和方法 防止结构过快 疲劳 延缓裂纹的扩展速度 从而延长门机的使用寿命 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章疲劳特征及疲劳强度 2 1 疲劳的基本概念及分类 2 1 1 疲劳的基本概念 人们认识和研究疲劳问题 已经有1 5 0 多年的历史 在不懈地探究材料与结 构疲劳奥秘的实践中 对疲劳的认识不断地得到修正和深化 美国试验与材料协会 a s t m 在 疲劳试验与数据统计分析之有关术语的 标准定义 a s t me 2 0 6 7 2 中对疲劳是这样定义的 3 5 j 在某点或某些点承受扰动应力 且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或 完全断裂的材料中所发生的局部的 永久结构变化的发展过程 称为疲劳 上述定义清楚地指出疲劳问题具有下述特点 1 只有在承受扰动应力作用的条件下 疲劳才会发生 2 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部 3 疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后 形成裂纹或完全断裂 4 疲劳是一个发展过程 2 1 2 疲劳的分类 根据研究对象 载荷条件 环境和介质情况 疲劳有很多种分类方法m 1 按研究对象可分为材料疲劳和结构疲劳 材料疲劳 通过标准试样研究材料的失效机理 化学成分和微观组织对疲劳 强度的影响 疲劳试验方法和数据处理方法 材料的基本疲劳特性 环境和工况 的影响 疲劳断口的宏观和微观形貌等 结构疲劳 以零部件 接头以至整机为研究对象 研究其疲劳特性 抗疲劳 设计方法 寿命估算方法 疲劳试验方法 以及形状 尺寸 表面状态和工艺因 素的影响 提高其疲劳强度的方法等 2 按失效周次可分为高周疲劳和低周疲劳 高周疲劳 材料或结构在低于其屈服强度的循环应力作用下 经过1 0 4 1 0 5 6 武汉理工大学硕士学位论文 次以上的循环产生的失效 高周疲劳一般应力较低 材料处于弹性范围内 其应 力应变是成比例的 也称应力疲劳 它是机械中最常见的疲劳 如弹簧 轴等 低周疲劳 材料或结构在接近或超过其屈服强度的循环应力作用下 在低于 1 0 4 1 0 5 次塑性应变循环产生的失效 由于其应力超过弹性极限 产生较大的塑 性变形 应力应变不成比例 其主要参数是应变 也常称应变疲劳 如高压容器 汽轮机转子 飞机起落架等 3 按载荷条件分随机疲劳 冲击疲劳 接触疲劳 微动摩损疲劳和声疲劳 随机疲劳 应力幅和频率都随时间变化的疲劳 如汽车底盘 半轴悬挂系统 等零件 冲击疲劳 小能量多次冲击引起的疲劳 如内燃机阀杆等 接触疲劳 零件接触疲劳在接触压力循环作用下出现麻点 剥落或表层压碎 剥落 从而造成零件失效的疲劳 如齿轮传动 滚动轴承 车轮等 微动摩损疲劳 当两零件表面相接触 并作小幅度的往复相对运动时 在接 触表面上产生的疲劳 经过附着 氧化 疲劳三个阶段 是机械过程和化学过程 综合的结果 如铆钉联接件 螺栓联接件 紧配合件 销钉 花键 键联接等 声疲劳 由气体动力噪声 结构噪声或电磁噪声等噪声使结构件产生的疲劳 只有当作为激振力的噪声使结构产生的应力 应变响应足够大 足以对结构材料造 成疲劳损伤时才可能产生声疲劳 如火箭和飞机的涡轮发动机作为噪声源 使飞 行器和机翼表面产生高声压水平的噪声场 足以对其结构的局部危险区造成声疲 劳 4 按温度环境分为高温疲劳 低温疲劳 热疲劳和腐蚀疲劳 高温疲劳 在高温环境下零件承受循环载荷发生的疲劳 高温指约在0 5 t m 或再结晶温度以上 t m 为以热力学温度表示金属熔点 高温疲劳时疲劳与蠕变共 同作用结果 如燃气轮机的叶片由机械振动产生的高温高周疲劳 燃气轮机转子 由装置的起动和停车而发生的高温低周疲劳等 低温疲劳 在低于室温环境下零件承受循环应力作用发生的疲劳 如寒冷地 区露天机械结构产生的疲劳 热疲劳 由温度循环变化而引起应变循环变化产生的疲劳 如锅炉水冷壁管 子因冷水分层现象使管子产生的疲劳 腐蚀疲劳 在腐蚀介质 如酸 碱 海水 淡水 活性气体等 和循环载荷 联合作用下产生的疲劳 如化工机械 石油机械某些零件 在酸 碱液体和气体 中工作等 7 武汉理t 人学硕 学位论文 22 疲劳断口形貌特征 与其他类型的断口一样 疲劳断f i 记录了断裂过程的许多信息 山于应力条 件的差异 疲劳断r 1 有其独特的特征 而这些特征义因材料本身的性质 应力大 小及状态 环境因素的影响而变化 所以疲劳断 的分析是研究疲劳断裂机理 分析断裂原因的重要手段之一 3 0 1 221 疲劳断口的宏观特征 根据疲劳裂纹的形成及扩展过程 媳型的疲劳宏观斯 i 可分为三个区域 即 疲劳源区 裂纹扩展区及瞬断区 如图2 1 所示 1 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地 该区一般在构件的表面 构件表面的组织 缺陷 不恰当的形状如拐角 缺l 或直径的剧烈变化 工艺缺陷如切削刀痕等均 柯可能引起局部的应力集巾而诱发疲劳裂纹的萌牛 在这些情况下 若在材料的 次表面存在严重的冶金缺陷如央清 疏松 偏析时 按裂纹形成及扩展的强度原 则 疲劳裂纹也可能在构件的次表嘶产生 疲劳裂纹萌生后 构件并不会 c z u p 断 裂 此后还会发生裂纹的缓慢扩展过程 在这个过程中构件还会经受很多次数的 应力循环 产生的断裂面还会经受反复的骶合 张开及摩擦 所以在很多情况下 裂纹萌生区常被破坏以至于无法在断口上明显地看清裂纹萌生的许多细节 但是 由疲劳断裂的整体形貌特征仍可确定疲劳源的大体位置 有些条什卜 如构件的受力状态 构件的形状或材料本身性质影响的原因 在一个疲劳断口中还可以出现一个以上的疲劳源区 如在承受双向压弯的构件中 可能有两个疲劳源 名义 衄力较高时 可能出现多个疲劳源 一般柬说 可以根 据疲劳源区及裂纹扩艘区的形貌特征确定疲劳源的先后产生次序 图2 1 疲劳破坏断口形貌 武汉理工大学硕士学位论文 2 贝纹线 海滩条带 是疲劳裂纹扩展区的重要特征 也是疲劳断裂的主要 证据 所谓贝纹线是指以疲劳源区为出发点向外凸出的一层一层的波纹线 因其 外貌像贝壳的表面花纹而得名 其凹侧指向疲劳源 凸侧指向裂纹扩展方向 由 此特征很容易分辨出疲劳裂纹扩展途径 贝纹线之间的间距一般不同 在靠近疲 劳源区附近其间距较密 表示在此期间裂纹扩展比较缓慢 远离疲劳源区贝纹线 间距较大 表示裂纹扩展速度较快 贝纹线的产生是由于在疲劳裂纹扩展过程中构件承受载荷的剧烈变动所引起 的 这种变动不同于构件运行中正常的载荷的循环变动 机器在运行时的启动 或在运动过程中的突然过载等均可能使裂纹前沿产生较大应力而留下塑性变形的 痕迹 所以贝纹线的间距与机件过载的频率有关 若过载频率较高 则贝纹线间 距较密 反之则较疏 贝纹线的粗细也与材料的性质有关 若材料的塑性较好 则贝纹线较粗而明 显 反之 若材料塑性很差 贝纹线则较细 甚至不具有明显的贝纹线 疲劳裂纹扩展区也称为疲劳裂纹的亚临界扩展区 3 瞬断区是裂纹最后失稳扩展所形成的断口区域 在疲劳裂纹缓慢扩散阶段 随着应力循环次数的增加 裂纹尺寸不断扩大 当裂纹长度达到临界尺寸时 由 于裂纹顶端的应力场强度因子墨达到材料的断裂韧性k 或裂纹顶端由于应力 集中达到材料的断裂强度盯 时 则裂纹会发生快速扩展导致构件最后瞬时断裂 表2 1 各类疲劳断口宏观形貌示意图 加载 较高应力较低玻力 力飙 无应力集巾强应力綮中无应力集中强应力集中 拉 伸 旋 转 弯 越 9 武汉理工大学硕士学位论文 瞬断区断口的宏观特征同静载断裂的断口一样 对于脆性材料 其断口为结 晶状断口 若为延性材料 在构件中部的三向应力区 其断口为放射性或人字纹 花样 在构件边缘形成剪切唇 疲劳断口的总体形貌受许多因素所控制 在不同的情况下起各区所占的比例 也不相同 各类疲劳断口宏观形貌示意图如表2 1 所示 4 与静载破坏相比 即使是延性材料 也没有明显的塑性变形 3 5 j 若将疲劳断裂破坏后的断口对合在一起 一般都能吻合得很好 这表明疲劳 破坏之前构件并未发生大的塑性变形 即使延性很好的材料 也是如此 这是与 单调载荷下的破坏不同的显著特点 5 工程实际中的表面裂纹 一般呈半椭圆形 如图2 1 所示 起源于表面的裂纹 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 且宏观裂纹一般在最大拉应力平 面内扩展 疲劳破坏与静载破坏相比较 有着不同的特点 如表2 2 所示 静载破坏是 在高应力作用下构件整体强度不足时瞬间发生的 疲劳破坏则是在满足静强度条 件的较低应力多次作用下 构件局部损伤累计的结果 s 为实际应力 s u 为允许 应力 静载破坏断口粗糙 新鲜 无表面腐蚀或腐蚀痕迹 疲劳破坏断口则比 较光滑 有裂纹源 裂纹扩展区 瞬断区 有海滩条带或腐蚀痕迹 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 局部应力集中对结构极限 承载能力影响不大 但对疲劳寿命影响很大 表2 2 疲劳破坏与静载破坏的比较 疲劳破坏静载破坏 s s 破坏是局部损伤累积的结果破坏是瞬问发生的 断口光滑 有海滩条带或腐蚀痕迹 断口粗糙 新鲜 无表面腐蚀及腐蚀痕迹 有裂纹源 裂纹扩展区 瞬断区 无明显塑性变形韧性材料塑性变形明显 应力集中对寿命影响大应力集中对极限承载能力影响不大 2 2 2 疲劳断口的微观特征 疲劳纹是疲劳断口最典型的微观特征p o 该特征出现于疲劳断口中裂纹缓慢 扩展的区域 在高倍电子显微镜下观察 疲劳纹具有略呈弯曲并且互相平行的沟 1 0 武汉理上大学硕士学位论文 槽花样 如图2 2 这是裂纹扩展时留下的微观痕迹 每一条疲劳纹可以看作是 一次应力循环裂纹扩展的距离 裂纹扩展的方向与纹带垂直 在疲劳断裂的断口 分析中常利用疲劳纹之 l l j 的距离分析疲劳裂纹的扩展速率 应当注意的是虽然疲 劳纹是疲劳断口屉典型的微观特征 但并不是在每种疲劳断口上均可观察到明显 的疲劳纹 一般来i 兑 塑性较好 如滑移系较多的面心立方金属a l c u 发其合 金巾 其疲劳纹往往比较明显 而滑移系较少或组织状态比较复杂的钢铁材料其 疲劳纹往往比较短 小 甚至看不i h 疲劳纹 图2 2 疲劳纹形貌图2 3 脆性疲劳纹形貌 在塑性较差的金属材料中 其疲劳断口上常产生脆性疲劳纹 也称为解理疲 劳纹 与韧性疲劳纹桐比 脆性疲劳纹的特征在 丁二把解理台阶和疲劳纹两种特征 结合存一起 如图2 3 裂纹扩展的特点不是由于塑性变形 而主要是由于解理 开裂 所以断 上有细小的品而 它是裂纹顶端发生解理断裂时形成的解理平面 解理平面的形成方向与裂纹扩展方向一致而与疲劳纹垂直 这些解理平而常有解 理断口的特点 存在河流状花样 同时裂纹顶端又有塑性钝化 因而又具有疲劳 纹的特征 河流状花样的放射线与纹带近似垂直 脆性疲劳纹还常发生于腐蚀介质 含氢介质及低高应力的疲劳断口上 疲劳纹也称为疲劳条纹或疲劳条带 应该指u j 这里所述的疲劳纹与前面所提到的贝纹线是两个不州的概念 贝 纹线是疲劳断l 1 的宏观特征 而疲劳纹则是指断口的微观特征 贝纹线是t h 丁构 件运行时载荷的剧烈变化所引起的 在实验室进行疲劳实验时 l j 于载荷平稳 可能不出现贝纹线 而疲劳纹则是每 次应力循环裂纹扩展留下的痕迹 它们都 j 现f 疲劳裂纹扩展区 在相邻的贝纹线之问可能有成千j 万条疲劳纹 还应当指出 疲劳纹与儿纹线l 能在断口上同时出现 即既可在宏观上看到 贝纹线 又可在同一断门上从微观上看到疲劳纹 两者也可以不同是出现 即在 武汉理工大学硕士学位论文 宏观上有贝纹线而微观上却看不到疲劳纹 或在微观上看到疲劳纹却在宏观上看 不到贝纹线 2 3 疲劳破坏机理 2 3 1 疲劳裂纹萌生机理 材料中疲劳裂纹的起始或萌生 也称为疲劳裂纹成核 疲劳裂纹形成后 将 在使用载荷的作用下继续扩展 直至断裂发生 疲劳裂纹成核处 称为 裂纹源 裂纹起源于何处 起源于高应力处 一般来说 有两种部位将会出现高应力 3 5 j 1 应力集中处 材料中含有缺陷 夹杂 或构件中有孔 切口 台阶等 则 这类几何不连续处将引起应力集中 成为 裂纹源 2 构件表面 在大多数情况下 构件中高应力区域总是在表面 或近表面 处 如承受弯曲或扭矩的圆轴 其最大正应力或最大剪应力在截面半径最大的表 面处 表面还难免有加工痕迹 如切削刀痕 的影响 环境腐蚀的影响 同时 表面处于平面应力状态 有利于塑性滑移的进行 而滑移是材料中裂纹成核的重 要过程 金属大多是多晶体 各晶粒有各自不同的排列方位 在高应力作用下 材料 晶粒中易滑移平面的方位若与最大作用剪应力一致 则将发生滑移 滑移可以在单调载荷下发生 也可以在循环载荷下发生 如图2 4 所示 在 较大载荷作用下发生的粗滑移和在较小的循环载荷作用下发生的细滑移 a 粗滑移 b 细滑移 图2 4 延性金属中的滑移 在循环载荷作用下 材料表面发生滑移带 挤出 和 凹入刀 进一步形成 应力集中 导致微裂纹产生 滑移的发展过程与施加的载荷及循环的次数有关 1 2 武汉理上大学硕士学位论文 图2 5 所示是多晶体镍中同一位置在不同循环次数时的金相照片 其中的黑色围 线是晶粒边界 山圈2 5 可见 经历了l o 次循环后 只有少数几处出现滑移 滑 移线细 表示其深度较浅 用电解抛光将表面去除几个微米 这些浅滑移线可以 消除 随着循环次数的增加 滑移线 或滑移带 越来越密集 越来越粗 深 如图2 5 c 中到2 7 x1 0 4 次循环时所示 a 1 0 4 次循环 b 5 1 0 4 次循环 c 2 7 x 1 0 4 次循环 阁2 5 循环载荷作用下多晶体镍中滑移的发展 应当注意 滑移主要是在晶粒内进行的 深度大于几个微米的少数几条滑移 带穿过品粒 成为 持久滑移带 或称 驻留滑移带 微裂纹j f 是由这些持久 滑移带发展而成的 滑移只在局部高应力区发生 在其余大部分材料处 甚至直 至断裂都没有什么滑移 表而光洁可延缓滑移 延长裂纹情生寿命 2 32 疲劳裂纹扩展机理 疲劳裂纹在高应力处由持久滑移带成核 是 e h 晟大剪应力控制的 形成的微裂纹与最大剪应 力方向一致 如图2 6 所示 在循环载荷作用下 由持久滑移带形成的微 裂纹沿4 5 0 最大剪应力作用面继续扩展或相互连 接 此后 有少数几条微裂纹达到几十微米的长 度 逐步汇聚成一条主裂纹 并由沿最大剪应力 面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉 应力面扩展 裂纹沿4 5 蛀大剪应力面的扩展是 第1 阶段的扩展 在最大拉应力面内的扩展是第 2 阶段的扩展 从第1 阶段向第2 阶段转变所对 应的裂纹尺寸主要取决二f 材料和作用力的水平 3 图2 6 裂纹扩展第2 阶段 但通常都在0 0 5 r a m 内 只有几 武汉理1 人学硕士学f 廿论文 个晶粒的尺寸 第1 阶段裂纹扩展的尺寸虽小 对寿命的贡献却很大 对于高温 材料 尤其如此 与第1 阶段相比 第2 阶段的裂纹扩展较便 j 观察 c l a i r d 1 9 6 7 直接观 察了循环应力作用下延性材料中裂纹尖端几何形状的改变 提出了描述疲劳裂纹 扩展的 塑性钝化模型 如图2 7 所示 图2 7 a 示出了循环 r 始时的裂纹 尖端形状 随着循环应力的增加 裂纹逐步张开 裂尖材料山于高度的应力集一扣 而沿晟大剪应力方向滑移 图2 7 b 应力进一步增大 裂纹充分张开 裂 尖钝化成半圆形 开创出新的表而 图2 7 c 卸载时已张丌的裂纹要收缩 但新开创的裂纹嘶却不能消失 它将在卸载引入的压应力作用f 失稳m 在裂尖形 成川褙形 最后 在最大循环压应力作用f 又成为尖裂纹 但其长度已增加了a a f 循环 裂纹又张 f 钝化 扩展 锐化 重复上述过程 这样 每一个应力 循环 将在裂纹而卜留下一条裂痕 称之为疲劳条纹 s t r i a t i o n c e n r 4 u a o g 舶 憾 d e 图2 7 塑性钝化过程图2 8 孔边疲劳断r 的海滩条带 疲劳条纹爿i 同于前述之海滩条带 断口上的海滩条带一般是肉眼 或用低倍 放大镜 可见的 疲劳条纹在晶粒级 现 必须借助丁高倍电子显微镜才能观察 到 故一条海滩条带c 叮以包含几千条甚至上万条疲劳条纹 图2 8 2 9 示h 了若 干典型疲劳断厂 的观察照片 图2 8 所示为铝合金板中埋头铆钉孔边裂纹的海滩 条带 放大1 0 倍 罔2 9 所示为c r l 2 n i 2 w m o v 钢的疲劳条纹照片 放大2 3 万倍 4 武汉理r 人学硕士学位论文 豳辫毒黪缝黧溯 图2 9c r l 2 n i 2 w m o v 钢疲劳条纹 24 影响疲劳强度的因素 241 应力集中的影响 241 1 理论应力集中系数 在零件的截面几何形状突然变化处 如轴肩圆角 沟槽 横孔等 局部应 力远大于名义应力 这种现象称为应力集中 在材料的弹性极限范围内 最大局 部应力 高与名义应力吒的比值 称为理论应力集中系数 即 旷等 2 1 2 一1 上式中所定义的理论应力集中系数 是几何参数 仅由零件的几何形状决 对于扭转的理论应力集中系数 定义为 口一 超 2 2 武汉理工大学硕士学位论文 假设材料是各向同性的且均匀的 在材料的弹性极限范围内 局部最大应力 f 一 可以用弹性力学解析法 光弹法或有限元法求得 从而得到各种几何形 状的试样在各种载荷下的理论应力集中系数 2 4 1 2 有效应力集中系数 理论应力集中系数的大小 不能作为由于存在局部峰值应力而使疲劳强度降 低的标准 而真实材料的内部是存在各种各样的缺陷和不同的晶粒分布情况的 同时在应力集中区的局部峰值应力常超过屈服点 使部分材料产生塑性变形 从 而使应力重新分配 这就使得零件的疲劳强度不仅要由零件的几何形状所决定 而且还与零件的材料性质以及载荷类型等因素有关 因此 在循环应力条件下 把实际衡量应力集中对疲劳强度影响的系数 称 为有效应力集中系数群或疋 在载荷条件和绝对尺寸相同时 循环应力下的有 效应力集中系数 等于光滑试样与有效应力集中试样的疲劳极限之比 即 k 2 惫或k 南 2 3 式中疋 和f 一 光滑试样对称循环弯曲 或拉压 的疲劳极限和对称循环 扭转的疲劳极限 正 f 和 t r 有应力集中试样对称循环弯曲 或拉压 的疲劳极限和对 称循环扭转的疲劳极限 有效应力集中系数k 总是小于理论应力集中系数口 为了在数量上估计k 和 口之间的差别 引入材料对应力集中系数的敏性系数g 它们之间的关系为 对弯曲或拉压 口 k a 1 一1 对扭转 g k t 1 一 a 一1 或写成 巧 l q a 一1 1 2 4 群 1 叼 一1 j 求有效应力集中系数有两种方法 一是直接用零部件在特定材料及形状下实 验求得 另一种按照式 2 4 的关系 由零件的几何形状查得相应的理论应力集 中系数口 当该材料与有关的尺寸确定的敏性系数g 已知时 即可求得有效应力 集中系数 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 尺寸的影响 在疲劳实验机上实验所用的试样直径通常为6 l o m m 而一般零件的尺寸与 试样有很大差别 1 尺寸增大时 材料的疲劳极限降低 2 强度高的合金钢比强度低的合金钢尺寸影响大 3 应力分布不均匀性增大时 尺寸影响大 为在设计中记入这种影响 引入尺寸系数 尺寸系数的定义为当应力集中情况相同时 尺寸为d 的零件的疲劳极限与标 糊瓣赧鼬雌一p 铲等1 弯曲时 5 l 铲丛l q 5 扭转时 f 一 j 式中 t d 和 t d 相应是尺寸为d 的零件对称循环弯曲疲劳极限和对 称循环扭转疲劳极限 疋 和t 相应是标准直径试样的对称循环弯曲疲劳极限和对称循环扭 转疲劳极限 2 4 3 表面状况影响 2 4 3 1 表面加工状况 疲劳试验的标准试样表面都是经过磨光 而实际零件的表面加工方法则多种 多样 表面加工粗糙相当于存在很多微缺口 在零件承受载荷时就产生应力集中 不管零件承受弯曲或扭转或二者联合作用的载荷 都是零件表面应力最大 所以 疲劳源多从表面开始 因此表面质量不同 其抗疲劳强度也不同 粗糙表面导致 疲劳强度降低 为了计入这一影响 在疲劳计算中引入了表面加工系数届 其定 义为 屈 o 1 p 以l 2 6 式中 t 口 某种表面加工情况下试样的疲劳极限 虻 磨光试样的疲劳极限 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 2 表面腐蚀状况 腐蚀环境对材料疲劳极限的影响 用腐蚀系数厦表示 即 殷 警 2 7 式中 疋 腐蚀环境中材料的疲劳极限 以 空气中光滑试样的疲劳极限 2 4 3 3 表面强化状况 由于机械零件的疲劳裂纹常开始于表层 所以强化表层是提高零件疲劳强度 的有效方法 表面强化工艺可以分为三类 1 机械方法 如喷丸及辊压等 2 化学方法 如渗碳及氮化等 3 热处理 如高频 中频及工频电表层淬火 火焰淬火等 由此引入表面强化系数压 即 屈 0 i i 一 以l 2 8 式中 疋 经强化工艺试样的疲劳极限 c y 未经强化工艺试样的疲劳极限 上述的表面加工系数届 表面腐蚀系数履和表面强化系数屈 总称为表面系 数 在疲劳强度计算中 应根据具体情况选取相应的 值 例如 零件如只经过 切削加工 则 届 如零件又经过强化 则 屈 如零件在腐蚀介质中工作 则 屈 不必将各 值相乘 2 4 4 载荷状况影响 载荷状况影响包括载荷类型 载荷频率 载荷变化情况及平均应力等 2 4 4 1 载荷类型影响 机械零件承受载荷类型有拉 压 弯 扭及上4 种的组合作用 疲劳数据中 多用旋转弯曲疲劳试验获得的 在缺少其它加载方式的实验数据时 用载荷系数 c 来修正 一般取拉 压的载荷系数c o 8 5 扭转的载荷系数c o 5 8 对于重要零构件 应该用相同载荷类型下实验得到的数据来进行计算或设计 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 4 2 载荷频率影响 对于高周疲劳 在空气中 室温下进行试验 频率对疲劳极限影响很小 只 有腐蚀环境或高温条件下实验时 频率对疲劳极限影响很大 当频率小于1 0 0 0 h z 时 疲劳极限随着频率的增加稍有增加 其后出现最大值 当频率再增加时 疲 劳极限下降 因此 在室温下工作的机械 一般不考虑频率的影响 但是 在腐蚀及高温 环境下工作的机械必须考虑频率的影响 2 4 4 3 载荷峰值影响 在随机载荷中的工作应力 有时偶然连续超过材料的疲劳极限 这种情况称 为过载 少量次数的过载应力 可使材料应变强化和产生残余压应力 使疲劳极 限提高 但循环次数超过一临界值后 因造成损伤而使疲劳极限明显降低 低于 该临界值 则不造成疲劳损伤 在低于材料疲劳极限某些应力水平运转一定循环次数后 可使疲劳极限明显 提高 这种现象称为低载锻炼 低载锻炼的效果 决定于材料的机械性能 锻炼 的应力水平和循环次数 应力越接近疲劳极限 锻炼的效果越明显 在随机载荷 中 每一应力循环的应力峰值和谷值是随机变化的 这时不仅存在过载和低载应 力大小的影响 而且受到加载顺序的影响 2 4 4 4 平均应力影响 不同的平均应力可用应力比r 反映出来 对于有平均应力时的载荷称不对称载荷 其相应的应力称不对称循环应力 在进行强度计算时 常将不对称循环应力折算成等效的对称循环应力 等效应力 幅仃 仃 妒 y 称不对称循环度系数或平均应力影响系数 在缺少数据情况下 用光滑试样的y 值来代替有应力集中条件下的y 对 于设计来说是偏于安全的 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先对疲劳的基本概念及分类作了论述 让读者可以清楚地知道什么是 疲劳及在现实中发生的疲劳应该归为哪一类 其次 本章对疲劳断口形貌特征以 及对疲劳裂纹的萌生和扩展机理作了描述 让读者可以了解到由疲劳所引起的断 口特征以及由疲劳导致裂纹