弹簧的疲劳强度,寿命预测与损伤容限

1、| 维普资讯 h ttp:/厂十.十+ - * 尊1工艺工叢,#| 维普资讯 h ttp:/弹簧的疲劳强度、寿命预测与损伤容限天津大学材料科学与工程系 苏德达U摘要TH防札无主姿讨论了弹長我勞强度、绘勞弄命及其衫响阻素*我蒂斷裂是疲帝靈扯萌生、扩麗的曲熊姑凝。疫劳券命一艇色括羲勞显扯萌主寿命机裂抚扩展存命两部令，疑君寻致斷裂以断製力 da/JN-AK方程伞预测弹餐的就劳奉命.重点分析了弹籍主产过程中的播旃容限避后提出了一些廷寿扯术措施*0觎词 奩蒂强廃券命预册福饬舞限廷寿披术一1 #| 维普资讯 h ttp:/#| 维普资讯 h ttp:/1引言弹簧或弹性元件是相当重要的基础件由于它 有许多可

2、琦的持殊性能柱汽车、拖拉机仪器仪表 及轻纺机械中获得广迂应用有些重要弹簧在T 作过程中一旦发主疲劳断裂爭故可能造成重大经 祥损矢.甚至是机敗人亡的严重后果。为了保证构件或整机运转时抵全可靠,对一些 非常莹要的弹竇要求很长的使用寿命，或昔说其失 效珞极低a例输汽车弹後的夫效率要求在12 R /百万.所以.预测弹番的疲劳寿命寻求延寿技 术始终是工程界追求的一顼长期的战略任.务*它具 有探远的技术经济意文，弹簧使用菇命氏或可寡度大足与系列因素 右羌即与设计平*村质*制造工艺水平及僅用工 况竽密切相关"和国外先进水平相比'我国目前弹 簧的便用寿师要低几倍到JL 1倍（即先致率要高几

3、倍到十几倍儿 为了改变这种状况*主要应从提高 对产品质it水平的认识入手-主产中要加强全面质 疑管理，从设计到材质选择.从各逍制适丁一序到质 量检测技术，从产品捎售到用户信息反惯，处处严 箱把关，从苦种失效事故中找到影响弹竇寿命的 上、次要原因提岀改进或预防的有效技术措施。 另一方1ST要深人分析和研究疲劳断舉机理.从弹 赞的表面到材料内部.从宏观到遨观.定性宦量地 了解应挺制的主要参数级其中-要理论问题* 就是应用断裂力学来君待弹斎表甌及內部存住的 各种损伤*它的危害性芋从裂纹的前生与扩展来理 解疲劳断裂过程提出对弹簧或材料中允许存在的 播伤客限，从而为提高弹簧产品质量及延托具便用 君命拒出

4、努力的方向.2弹竇（材料的疲劳曹度与疲劳寿命佥所周知、疲劳断裂是弹簧夬效的主要模式、 嵐讣，它约占断裂失效的30-0%,为了提高它 的侵劳寿诵.从根本上来说*就是要不断提高弹簧 I材料的疲劳强度通常用疲劳极限的高低来表示 廬劳性能的好坏.为了评估禅贊（材料）疲劳性能的好坏和寿命 高低*比鞍普遍的做法就是针对具怵的弹簧【材料 进行大量的疲劳试验绘出相应的S-N曲线簇） 或P-S-N曲线$如采用半对数坐标、这些SN 曲绞一艇分成两部分，即有限寺命、向右下倾斜的 直线段利无限夺命的水平线段，前者由直缄的斜字 能反映疲劳损伤的严重程度，后音可利定疲劳极眼 的高低S-N曲线只是增加破坏机事（厂的 誓虑，

5、例如P为10%，別及00%的三条S 曲线可供选择"为了更苻合弹賛工作时实际的受力状况或梭 拟乞门弹賞的霍际工况*采用crJ平均应丈） 或叽一叽为坐标绘制疲劳图，这种圏一册称为 Goodman 利用这些曲线或圈都可以判断不 同材料或弹竇疲劳强度的高低。目前已知的试验规律有：U）不同材斜种类有不同的疲劳援限.材蚪 的静强度（、%、HRC零越高*则武疲劳擾限越 高*两者有良好的线性关系；材料的纯净度越高'材 斛中夹杂物质点越细、匀.圆时.则耳疲劳寿命越 材料的晶粒度和显啟组织越就细.则具疲劳强 度越好"<2）弹簧材料、的表面质最越好即表面粗 曬度小、无表血徴裂纹或类

6、裂纹等儿 其疲劳极限 越高，表面脱碳将显著降低其疲劳性能；如在弹賛 的表面层引入有益的我余压应力T将显著提高艮疲 劳尊命._L况茶件苛刻如应力幅过高、环境膽竝 性强或温度过髙等将降低弾簧的使用耆命"U）油回火低合金钢丝比碳素钢丝制篝有较 高疲劳寿命*形变热处理钢丝的疲劳性餡优于普 通油回火钢丝簧5） 超细晶JtASTMll级以上）油回火钢丝 有更高的6和屈强比（/。話和通用油回火钢丝 卷制的董比较时，前者有更高的疲劳寿潇.<越弹簧表面经适当的喷丸处理后比未喷九 者具有更氏的疲劳寿命（心 油回火钢丝比冷拔硬钢鱼或琴钢丝绕制 的馈有较高的疲劳荐命和抗应力松驰性能©各 弹賀

7、玻劳寿命预测与损伤容限预测或估算弾箕的疲劳寿谢不是-件容易的 班情尤取是要精确计算则更为困难。最常用的方 法是通过大蜀工程性实验来琴袪或验证弹簧的便 用奇命是否能达到设计要求，使梵光效率降低到允 许的程度"从理论上预消或估算鼻赞的疲劳寿命. 早期依据Miner* M. A的累积疲劳損怖线性方程 匚或用其它参考赛料冋，Miner- M . A是理如下式：它是一个近似表迖式。认为弹董在SN曲线 上任一应力幅F所经历的循环次数"由此引起 的疲劳损伤度与该循环数叫在硏F境生断裂时的 N|的比值w/WJ成正比若已知 g_i-N,_r 则可根据d）式算出叫即K nl-lBquin的疲劳

8、寿命与应力振幅之间的关系 式是依据用双对数坐标绘出的曲线上有限 尉命部分为一淅斜的直线该方程；lg 忖十 ml#<j = L£C或dN=C'式中m为直线的斜率为常数经灯一D级加载后的剩余寿命5剧）为 n* = N| i N： < Mz <i I °厂'】叮口 1*上述两种预测寿命的方忠都是从实践中导出 的*它考虑了疲劳损伤过程的积累但没有和裂纹、 缺陷的存在及具尺寸大小的影响联系起来”故有它 的局限性。随着科学的进歩利研究方法的发展和 S闯曲线相类似，疲劳裂纹扩展速率（dfi/dNJ 应力强度因子扳幅也K >关系曲线亦已大就测 出.由

9、这些曲线可获得两牛重要数据匸一亍泉瘻劳 裂纹扩展的门槛值（AKth 一个>da/dN,弹 簧的磯劳寿命为裂纹萌生寿命与裂纹旷展春命两 部分之和，則可根据Faria公式*da/dW -A <AK）"IQ）拈算其疲劳寿命*式中A. n是决楚于材料的 常数细一般为24*众所周知，弹簧并非那么理想.在体表面和内 部总是有这样那样的缺陷+例如各种形态的表面损 伤、裂纹或类裂纹，内部存在尺寸较大的夹杂物"施 性第二相和组织翹大專。可以认为*和大多数工程 构件一样弹簧世是裂纹体.对于裂纹体的应力分 析和损曲容限”必须进行认真研究。由断裂力学可知"应力帽和裂纹尺寸存在

10、如下 关系式*AK =Yg/ na（6）式中t14|维普贽讯 nu:p:/空一裂纹形狀因子M应力振幅3 一裂纹氏度则弹簧的有效荐命A fAK> n I *血 J v ccfV式中；g从饥扩,展到业时的毒命; 花一初始裂纹尺寸 叫一临界裂纹尺寸Furman的倏正公式为12 r> Kc AK -|式中：1 =%“/叽、f应力比IK村斡的斷裂讨性上述公式中.如已知nJ、恥等.就町求得 Nr<rk 2°苛于在高应力与高频率等条件下工作的阀门 彈簽、上述公式中昂工要的琴数圧叽和应力幅逍 （右八曲3K训值“为了保证它工作时安全可靠使 用寿命（叽或闯J长*力求其表面或内部有最小的

11、 a .最高的Km即與纹不场在自也表面【表层、萌 主，戌者虽育锻裂纹、工作时iK应小于AKlh.不 辻裂汶扩展=但是*自然萌生裂纹尺寸一般在1 ligm数就缁，它相当于金属材料中非金属奕杂 功戒第二相斷点的弋寸.而弹贽制造工艺过程中 芾来的某些损伤（或缺陷几我尺寸要大几级 （Inimi.立钉便成了“天然”的疲劳源.这将显苦 降低弹黄的便用存命.疲劳裂纯的扩展一般分为 三阶段对于高述、高应力运转的阀门弹番来说.因为第IT、皿阶段时.dti zdN 我快（心1旷： 1C_: 】nm/vycL3、听占的碱劳寿命白分数彳艮小*故 H考虑疲劳裂纹扩展的第t阶段.即只考虑亦 位 错亚结掏徒展岳的裂纹萌生过

12、程此阶段的力, dN很<1、（/cycle' （却占有绝大 部分409Q?的弹簧疲劳寿命。据诜料-介绍瑞典«inptiytran师黄分厂汽门 弹黄年看的夫效率为1H/百万.而二汽标准 件厂90年断裂失效率为23件/百万°找国弋门弹 簽失效率最低为汕件/白万。这表明我国汽门普 的断裂奘效率远高于国外先进水平"对于某些厂宋 不进行表面探伤“不进行疲劳式超的弹簧.其棗效 率还要商得厂 据统计二汽不同年份主产的弾资 总量中裂纹深度超过10ti者分别为,9年为人7 %*恥年为6. 7? ,91年【但5个月为 W 这表 明有严重裂纹的弹簧比率还是相当高的。如前所

13、 述仏控制在-10p以内.很显然我国生产的气门 簧的疲劳寿命比国际先进水平短潯多、这可以从理 论上证明 曲.如果把肌由1皿 扩大£由于各种原 因）到lrrim （1 OOOp.）设最终裂纹扩展都是10m m, 讣算两者的昔命比CMO/LNlOOO分别为35 = 2 时 1 ifn = 3时）*1115 = 1时打 由此可电"禅董 疲劳奇命缩短了几倍到两卜数址级。所PUrlim或 控制足非常車要的任务。%值-般由无扭检测CNDEi.即用超禹波或 涡流探伤等方法测迫*柜灵議度很高时方能显示 出忙牛微米级（甚至-Jun：的缺陷<M<th可机del /dN K曲般中直接

14、测出 影响它的主要因索有：材料的显徴组织、应力比叩 及腐蚀环境爭。细化晶魏尺寸使AKrh升高、村料 的强度越高.则要求损怖容限兄寸就越小：r烟志 时AKth下降；工作环境的腐蚀性增强导藏 AKth降低.4 預防疲劳断裂失效的技术措施L 1改变设计思想*从泾典的疲劳设计过渡到损 伤容限设计.对疲劳裂纹扩展规律中认真选择A 和n值.更要规定原始裂纹尺寸和应力幅谊 5沖等主要参数“U2由于叽足一，极其重要的多數对弹黄村料 表面和内柱质曲提出了更高要求主要技术措施是 采用双其空熔炼*毛坯剥皮”提高钢质纯浄度严格 控制各种非金属夹杂物级别f r级以Pn改进轧制 技术、防止严生微裂纹或其他缺陷！对成品村料

15、进 行祸流探伤便仏控制在几卜微米范田内.1 3 采用多元懺合金化原理和趙细晶粒技术不 断提高弹簧材料的八迅/山及 北“值使它不兮 两生疲劳裂纹。这些技术是，15| 维普资讯 h ttp:/（1）除C.Mn.Si.O等元索外*适当加入#、 Ti. Zr等黴合金化元素.获得翅细晶粒弹賛的材 料【化（2J采用多次循环快速加热技术我得超细晶 粒材料的棒材同或板材.<3）采用适当的冷塑性变形的快逮加热技术 获得超细品粒的丝材或带材让（4）采用高温或低温形变热处理拉术获得超 高强度，高屈强比和趙细晶粒的弹賛材料皿叭 4.4弹董制造工序中尽董采用自动化生产，防止 其表面产生新的縱陷°4.5对

16、彈K表面进行良好的喷丸获得必要的我 留压应力展，从而提高它的疲劳寿命.5结束语卓劳断裂是弹賞尖效的主要靈式.对于不少重 要用途的彈竇来说、这种斷裂的危害性扱大.为了 确保组件或螯机工作时安全可靠往往要求它彷有 狼民的疲劳寿命，同时应力松驰量要小弾黄的疲劳性能数据、寿命预测和预防技术皆 来源于尢盘的工程洼试籤曆基础性研究-前者是建 立在对弹贪断裂規津有探刻认识的基础上为预测 或估算寿命摘明了方向扌旦是'由于何题的境樂性 具怵应用仍然有限后考着狼于工程应用中的预防 对第的研究希望获得较高的技术经祈效益”总之、 单纯预测弹董的疲劳寿命长短不是唯 目的而是 探求斷裂的本质及发生的根源*找到有效

17、的预防措 施，防患于未然-从主要的研究方向看来有：（1> 采用先进的冶金及热处理技术.从抿衣 上改进彈黄材料的表面及内部质曇。（2）采用灵敏度高的NM 技术控制并减少 彈賛的表面缺陷使值最小*（3J采用文明及自动化生产对于我国弹黄行 业仍有蚩要意义.CO 采用有效的喷丸等技术获得有益的表层 残留压应力。| 维普资讯 h ttp:/| 维普资讯 h ttp:/舂考文献1 Miner, M - A A ppi，M cch ASM E T rang- 10A 145 p 1592 钟群鹏零-失效分析基础知识机械工业出版社J990 P148-1593 王仁智等疲劳矢效分析机披工业出版社：17 P33-644 Paris, Pr C T