金属材料疲劳案例分析

在疲劳和设计情况下，疲劳失效时，材料在连续的重复载荷下，虽然其应力没有达到抗拉强度，甚至低于屈服强度，也可能发生突然的破坏，这种现象称为疲劳失效前的疲劳失效，没有明显的变形，是一种突然的脆性断裂，所以疲劳失效属于重复载荷下的脆性失效。疲劳失效只有在长时间的发展之后才会出现。失效过程可分为三个阶段：裂纹形成、缓慢裂纹扩展、最终快速断裂和失效。疲劳损伤首先是由内部结构不均匀和应力分布不均匀引起的。应力集中会迅速导致单个晶粒的塑性变形和硬化，从而大大降低零件的疲劳强度。对于承受连续重复载荷的结构，在设计中必须考虑疲劳。2002年5月25日，中国航空公司611航班，一架波音747-209B，在从桃园国际机场飞往香港国际机场的途中，因金属疲劳在澎湖海岸外10640米的高度坠毁。无人生还，206名乘客和19名机组人员。原因可以追溯到1980年2月7日，当时飞机在香港启德机场的一次迫降中尾部蒙皮受损。尾部受损后，中国航空公司仅用一块铝板覆盖该区域，铝板的面积与受损蒙皮的面积相似(根据波音公司的维护指南，新蒙皮的面积必须比受损蒙皮的面积至少大30%)。根据波音公司的维护指南，它没有更换整个蒙皮，导致金属疲劳在该区域累积。22年来，维护人员没有发现任何异常。分裂后，气压消失并瓦解。根据事故后发现的机身碎片，现场的裂纹至少约2.3米长，而研究表明，当飞机上的裂纹在高空超过约1.5米时，结构可能会倒塌。飞机金属疲劳和交变载荷。在服役期间，飞机反复起飞、飞行和降落。在每次起飞、飞行和着陆过程中，飞机的结构都要承受各种重复的疲劳载荷。这些疲劳载荷主要包括：1。跑道上颠簸的地面滑动载荷；2飞行中大气湍流(湍流)引起的“阵风载荷”;3.飞机倾斜、偏航和侧向时的操纵载荷。(4)飞机着陆时的冲击载荷；气密舱内所谓的“地空地”增压和减压循环载荷通常相对较小，不足以造成飞机结构的一次性断裂，但它们日复一日、年复一年地作用在飞机上，飞机结构的疲劳损伤会无意识地积累。一旦这种疲劳损伤累积到一定程度，飞机的结构就会破裂，造成损伤，并最终导致在空中解体。2005年2月25日，台湾“航空安全委员会”正式发布了中国航空公司CI611航班澎湖空难调查报告。根据在加强补片上发现的环形摩擦痕迹、断裂表面上规则的亮线和铝涂层的挤压变形，据信存在至少71英寸长的连续裂纹，足以在飞机解体前造成其结构故障。大多数疲劳裂纹扩展的起因是1980年2月7日在香港尾部接触地面造成的划痕。飞机金属疲劳和腐蚀疲劳，统计数据表明，飞机结构中一半以上的损伤形式与腐蚀或腐蚀疲劳有关。高强度铝合金因其重量轻、强度好等优越性能，已成为航空领域应用最广泛的金属材料。然而，根据目前高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果，铝合金对腐蚀造成的损伤十分敏感，腐蚀环境往往会大大缩短铝合金结构的疲劳寿命。以2:摩托车发动机连杆断裂分析为例，广东省某摩托车厂的一辆摩托车在行驶2000公里后出现机械故障，经拆机检查，发现发动机曲轴连杆断裂。据报道，连杆是由20铬锰钛制成的，其表面已被渗碳。连杆的工作原理如图1所示。连杆的往复运动带动两个传动曲轴转动。1宏观检查故障连杆有两处断裂。在连杆断裂端的轴承弧面上可以看到许多平行于断裂的裂纹图(A)；断裂端一侧有强烈的摩擦痕迹图(b)，磨损深度为0.5毫米；在靠近摩擦侧的轴承弧面端部可以看到蓝灰色高温氧化痕迹图(c)。断口1(图A左侧断口)相对光滑平整，断口边缘磨损，中间可见疲劳弧线图(D)；在断口2中没有发现疲劳弧(断口在图a的右侧)。断口1，2扫描电镜分析断口1显示扫描电镜下的疲劳曲线图(A)；根据弧线的走向可以找到疲劳源。疲劳源位于图(d)的左下角，并被局部放大。源区域的大多数精细组织都磨损了，但是可以看到辐射脊特征图(B)；在疲劳扩展区域可以看到疲劳条纹和二次裂纹图(C)；在断裂表面2上没有发现疲劳条纹，仅发现凹痕。可以看出，断裂面1是开始断裂的第一断裂面，而断裂面2是第二断裂面。从连杆体上取样分析疲劳源和化学成分(质量分数，%),结果符合GB/T3077-199920CrMnTi的化学成分要求，上述试验结果的分析和合成结果表明，失效零件材料的化学成分符合技术要求。连杆断裂端的一侧出现异常和严重的摩擦。轴承弧靠近摩擦面一端的蓝灰色氧化膜是黑色氧化铁(Fe3O4)和红色氧化铁(Fe2O3)的混合物，形成温度在400以上。这表明连杆和输出轴之间的摩擦导致该区域的温度过热。断口扫描电镜分析表明，断裂疲劳裂纹源在氧化膜附近的拐角处，处于高温区。表面氧化会增加裂纹产生的机会，而高温会增加蠕变损伤的可能性。另一方面，摩擦导致金属表面粗糙，容易形成表面应力集中，增加疲劳源的可能性。断裂的起源通常发生在拉伸应力最大的平面上。根据连杆的运动力分析，断口1处的拉应力最大，裂纹源易形成在靠近摩擦面的该处拐角处。同时，由于该区域粗大块状碳化物的存在，破坏了基体结构的连续性，加速了裂纹的形成和扩展，降低了疲劳强度，最终导致疲劳断裂。连杆渗碳表面碳化物过多与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由高碳浓度引起的，特别容易在工件的尖角处形成，导致零件的使用寿命显著降低。因此，在渗碳过程中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免碳势过大导致工件表面形成粗大碳化物。结论曲轴连杆断裂属于疲劳断裂。断裂的原因是连杆在使用过程中受到严重摩擦，导致局部区域应力集中和高温，从而降低材料的疲劳强度。连杆角部表面较大的块状碳化物加速了裂纹的萌发和扩展。6、改善设计时的摩擦粗糙度，可以减少应力集中，降低零件的疲劳强度。同时，降低了摩擦引起的高温，降低了蠕变损伤的可能性。改进