金属结构的疲劳现象及提高疲劳强度的措施

1、金属结构的疲劳现象及提高疲劳强度的措施2010年第23期science&technologyinformationo机械与电子0科技信息金属结构的疲劳现象及提高疲劳强度的措施田志红(南阳市高级技工学校河南南阳473000)【摘要】疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一.据统计,在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏,而且疲劳破坏前没有明显的变形,所以疲劳破坏经常造成重大事故,所以对于轴,齿轮,轴承,叶片,弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造.只有了解影响金属结构疲劳强度的主要因素,才能有效,有针对性的找出提高金属结构疲劳强度的措施,确保金属结构的质量.【关键词】金

2、属结构;疲劳;影响因素;提高措施1金属结构的疲劳现象许多机械零件,如轴,齿轮,轴承,叶片,弹簧等,在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化.这种随时问作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力).在交变应力的作用下,虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点,但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳.疲劳断裂是金属结构断裂的一种主要形式.大量的统计资料表明工程结构失效约80%以上是由疲劳引起的.在循环应力作用下,由疲劳源慢慢形成微裂纹以及随后裂纹扩展,当裂纹达到临界尺寸,构件剩余断面不足以承受外载荷时,裂纹失稳扩展至断裂.金属构件的疲劳破坏可分为3个阶段:(1)微观裂

3、纹阶段.在循环加载下,由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区,该区存在的驻留滑移带,晶界和夹杂,发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹.此后,裂纹沿着与主应力约成45.角的最大剪应力方向扩展,裂纹长度大致在0.05毫米以内,发展成为宏观裂纹.(2)宏观裂纹扩展阶段.裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展.(3)瞬时断裂阶段.当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时,物体就会在某一次加载下突然断裂.对应于疲劳破坏的3个阶段,在疲劳宏观断口上出现有疲劳源,疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区.疲劳源区通常面积很小,色泽光亮,是两个断裂面对磨造成的;疲劳裂纹扩展区通常比较平整.具有表征间隙加载,应

4、力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样:瞬断区则具有静载断口的形貌.表面呈现较粗糙的颗粒状.扫描和透射电子显微术揭示了疲劳断口的微观特征.可观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳辉纹.一般根据破坏时循环次数高低,疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳.高周疲劳是材料在低于屈服点的循环应力作用下,经l0的五次方以上循环次数而产生的疲劳.低周疲劳是材料在接近或超出屈服点的循环应力作用下,经102105次塑性应变循环次数而产生的疲劳.因为疲劳裂纹发展的最后阶段一一瞬时断裂是突然发生的,没有预兆.无明显的塑性变形.难以采取预防措施.所以疲劳裂纹对于结构的安全性具有严重威胁.2影响金属

5、结构疲劳强度的主要因素2.1应力集中对疲劳强度的影响在零件的截面几何形状突然变化处(如孔,圆角,键槽,螺纹等),局部应力远远大于名义应力,这种现象叫应力集中.最大局部应力与名义应力的比值,称为理论应力集中系数,但不能直接判断局部应力使零件的疲劳强度降低多少.实际上常以有效应力集中系数k来表征疲劳强度的真正降低程度.所谓有效应力集中系数是指材料,尺寸和受载情况都相同的一个无应力集中试件和有应力集中试件的疲劳强度的比值.即,k,一l丁一1式中f一分别为弯曲,扭转时无应力集中试件的对称疲劳极限;,分别为弯曲,扭转时有应力集中试件的对称疲劳极限.如果计算截面上有几个不同的应力集中源,则零件的疲劳强度由

6、各或k)中的最大值决定.1022.2绝对尺寸对疲劳强度的影响零件的绝对尺寸愈大,材料包含的缺陷相应增多,使疲劳强度降低.其对疲劳强度的影响可用绝对尺寸系数8表示.即,8,.r.式中.,r直径6-10ram的标准试件的疲劳极限;t_ld直径为d的大尺寸试件的疲劳极限.当计算资料不足时,可近似取8.2.3表面状态对疲劳强度的影响由于疲劳裂纹多发生于表面.不同的表面状态(表面粗糙度,强化方法等)对疲劳强度的影响,通常用表面状态系数b表示.即式中.精抛光试件的疲劳极限:某种表面状态下试件的疲劳极限.由实验得知,有效应力集中系数,绝对尺寸和表面状态只对应力幅有影响.一般用().和(k)表示这些因素的综合

7、影响.通常称为综合影响系数.即庐苦号当其他条件相同时,钢的强度愈高,().或(k).值愈大,因此,用高强度钢制造的零件,为了得到较高强度的效果,必须特别注意减少应力集中和提高表面质量.3提高金属结构疲劳强度的措施3.1合理设计构件的外形构件截面改变越激烈.应力集中系数就越大.因此工程上常采用改变构件外形尺寸的方法来减小应力集中.如采用较大的过渡圆角半径,使截面的改变尽量缓慢,如果圆角半径太大而影响装配时,可采用问隔环.如下图所示,这样既降低了应力集中又不影响轴与轴承的装配.此外还可采用凹圆角或卸载槽以达到应力平缓过渡.(a)间隔环(b)凹圆角(c)卸栽槽图1设计构件外形时,应尽量避免带有尖角的

8、孔和槽.在截面尺寸突然变化处(阶梯轴),当结构需要直角时,可在直径较大的轴段上开卸载槽或退刀槽减小应力集中;当轴与轮毂采用静配合时,可在轮毂上开减荷槽或增大配合部分轴的直径,并采用圆角过渡,从而可缩小轮毂与轴的刚度差距.减缓配合面边缘处的应力集中.3.2提高构件的表面加工质量一般说.构件表层的应力都很大,例如在承受弯曲和扭转的构件中,其最大应力均发生在构件的表层.同时由于加工的原因,构件表层的刀痕或损伤处,又将引起应力集中.因此.对疲劳强度要求高的构件,应采用精加工方法,以获得较高的表面质量.特别是对高强度钢这类对应力集中比较敏感的材料,其加工更需要精细.3_3提高构件表面强度(下转第123页

9、)科技信息.机械与电子oscience&technologyinformation2010年第23期在生产过程中,一些简单的故障,诸如电容或者二极管正负反接,虚焊,误焊短路等可通过观察发现并予以纠正.经过一段时间使用后发生的常见问题,一般有两种,无输出电压,输出电压数值偏差大,故障的维修遵照电路的组成,可以按流程检测如下.4.1检查有无交流电输入,如无输入,检查进线是否断路,进线线路是否磨损,观察熔断丝是否异常,是否有明显损坏元件,电容是否鼓包,发黑异常.如是此类问题,更换恢复,检测是否有输出电压.如不能解决,进入下一环节.4.2整流滤波电路检修:是否有310v的直流电压输出,如无输出

10、,用电阻法检查熔断丝是否开路,开路则更换;用电阻法检测滤波电容c1是否损坏,接近无穷大正常,如较小或断路,则说明损坏需更换.同样以电阻法检测整流桥中二极管是否正常,异常则更换.有310v电压输出,进入下一环节.4.3启动电路检修:检测启动电阻是否开路,开路更换,进入下一环节.4.4反馈与振荡电路检修:常见故障为电路不起振.在断电情况下,对滤波电容进行放电,用电阻法检查反馈绕组电阻,反馈绕组工作电流小,一般不会开路,常见的是开关变压器反馈绕组脱焊.检查反馈电阻r4,r11,二极管d6是否开路,对反馈电容c3先观察其外形是否正常,开路测量电阻,损坏或不能确定时更换.开关芯片cr6229是否正常检测

11、比较麻烦,而芯片价格低廉,一般采取代换法较简便.有开关电源使用芯片比较高价,可以考虑通过芯片正常运行状态说明进行检测.4.5脉冲整流输出电路:这部分由电阻电容二极管构成,检测是否损坏比较简便,方法前文可追考,在此不行赘述.4.6稳压控制电路检修:常见故障为输出电压不符合要求.光电耦合器pc817光敏管或者发光管异常,精密稳压管tia31导通不正常,取样电路中电阻r9或者r10阻值出现偏差,剩余的c7,r7,r8出现问题,都有可能导致输出电压偏差.如电容电阻,可以上述的电阻法进行测量.如光电耦合器和稳压二极管等特殊元器件,可遵照方法如下:4.6.1pc817光电耦合器的检测,可以用电阻法估测.正

12、常情况下,正向测量12脚,即发光管两端,电阻约为1.1k左右,反向为无穷大;34脚.即光敏管两端.正反向均为无穷大,若测得12脚和3_4脚有短路.表明已坏.需更换.4.6.2tl431内部为集成电路,用万用表不能直接测出其好坏,只能对其进行大致判断.只要任两脚间没有短路,便可在电路中试用,然后通过电压法进行确证,其稳压值在2.5v一36v之间可变.4.7保护电路的检修:r3,c2,d5,c6,常规元件,检测方法遵前文.综上所述,pcb板检测的方法主要有:静态观察,测电阻法,测电压法.维修工作必须在吃透原理和电路功能的基础上,这些并不是一蹴而就的,需要时间学习理论知识,练就较强的动手能力.总之,

13、熟方能生巧,与各路技术人员共勉.【参考文献】1日长谷川彰.开关稳压电源的设计与应用.何希才,译.科学出版社.f2张新德,刘淑华,等,编着.开关电源维修一线资料速查速用,机械工业出版社.3老虎工作室,王力,张伟,编着.protel99se典型实例.人民邮电出版社.4芯片资料网络查询网站./.责任编辑:常鹏飞(上接第102页)常用的方法有表面热处理和表面机械强化两种方法.表面热处理通常采用高频淬火,渗碳,氰化,氮化等措施,以提高构件表层材料的抗疲劳强度能力.表面机械强化通常采用对构件表面进行滚压,喷丸等,使构件表面形成预压应力层,以降低最容易形成疲劳裂纹的拉应力,从而提高

14、表层强度.e【参考文献】1机械零件设计.劳动人事出版社,1988.作.作者简介:田志红,河南省南阳市高级技i学校,讲师,从事机械加工教学工责任编辑:曹明明(上接第107页)据1)知,图1中继电器辅助触点闭合,p1,p2之间水介质仍然形成通路.电容c1放电,继电器zj线圈不带电,图2中低水位信号回路为断路,电动阀不启动阀门继续保持关闭.2.i.4手动状态:如自动运行系统出现故障,可通过sa转换成手动控制,采用人工启动电动阀的正转和反转.2.2水温自动控制在水箱的蒸汽管上安装温控阀,同时在水箱上安装一个温度传感器.温控器采集温度信号.控制温控阀的打开或关闭.温控器设置一个合适的温度,当水温低于设定

15、温度时,温控阀打开,进行加热;当水温达到设定温度时.温控阀关闭,停止加热.3水箱自动控制系统成效板集煤矿联合福利楼淋浴室是全矿重要的洗浴场所,能否保障供水且提供适宜人体的温度非常重要.因此,建立自动控制系统解决了稳定供水且保证水温保持恒温.此外,自动控制系统节省了人员配置和人力操作,大大降低了人工工作量和管理费用.总之,自动控制系统的建立取得安全和效益的双重效果.e责任编辑:曹明明(上接第110页)花的幼苗期和生长期间,当棉花处于幼苗期时,棉苗分散,对靶容易.当处于生长期时,棉花的茎部有一定的高度,此时采用红外线照射茎部,通过反射,确定目标.考虑到棉农十分注重田间管理,棉田杂草很少,所以红外光电探测器受到的干扰很小,可以忽略.该电路的最大特点是实现了红外线发射与接收工作频率的同步自动跟踪,即红外发射部分不设专门的脉冲发生电路,而直接从接收部分的检测电路引入脉冲(实为lm567的锁相中心频率信号),既简化了线路和调试工作.