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弹簧的疲劳失效
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文章来源:     添加人:     添加时间:2015-2-10 14:24:47

    金属材料的疲劳损伤过程,—般有以下几个阶段:滑移、裂纹萌生、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展、瞬时断裂。
    金属零件形成疲劳裂纹的方式很多,有的发生在金属晶体表面、晶界或金属内部非金属夹杂与基体交界处;有的发生在零件表面原有的缺陷处,如表面机械划伤、焊接裂纹、腐蚀小坑、锻造缺陷、脱碳等;有的是因零件的结构形状造成应力集中而形成疲劳裂纹萌生源,如零件上的内、外圆角、键槽、缺口等处。
    (1)变应力作用下金属的滑移及微观疲劳裂纹的产生  表面无缺陷的试件在变应力的作用下,金属表面开始滑移(图8-3),直到微观疲劳裂纹产生。这是疲劳失效的第一阶段(图8-4)。裂纹沿着与拉力轴向成45°角的最大切应力方向扩展,生长到一定的长度后,逐渐改变方向,最后沿着与拉应力成垂直的方向生长,进入裂纹扩展的第二阶段。
    在多晶金属的晶界上,也是初始疲劳裂纹易萌生的地区。金属中的非金属夹杂物与基体的交界处,往往是疲劳裂纹优先产生的地区。
(2)疲劳裂纹的扩展及材料的断裂  第一阶段的微观裂纹扩展进入到第二阶段的宏观裂纹时,扩展速度增加。裂纹尖端部分向前扩展的过程中,所承受的应力较大时,尖端附近部分形成塑性变形区。如果应力较小,则以弹性变形为主。因此,在宏观裂纹的扩展阶段中,有两种类型:裂纹在弹性区内扩展和裂纹在塑性区内扩展。前一种情况,裂纹长度远远超过裂纹顶端的塑性区尺寸,即塑性区很小,如图8—5所示。承受高循环次数、低应力、低裂纹扩展率的零件,其疲劳裂纹扩展属于这种情况。在这种条件下产生的破坏,称为应力疲劳破坏。而后一种情况,裂纹长度远远小于塑性区的尺寸。承受低循环次数、高应力、高裂纹扩展率的零件,属于这种情况。在这种条件下产生的破坏,称为应变疲劳破坏。
    微观裂纹扩展和宏观裂纹扩展两个阶段,统称为裂纹的亚临界扩展过程。工程断裂力学主要研究这个过程中裂纹扩展的规律。
如图8-6所示,裂纹在变应力作用下扩展的模型。
    在实际应用中,有相当一部分零件,即使出现宏观可见裂纹,但由于疲劳裂纹扩展缓慢,要经历一段相当长的时间后才达到临界尺寸而发生破坏。因此,这种裂纹的亚临界扩展特性为采用有限寿命设计提供了前提。
疲劳裂纹扩展到净截面的应力达到材料的拉伸强度时(对高韧性材料),或是疲劳裂纹的长度达到材料的临界裂纹长度时,便发生最终的瞬时断裂。在断口上往往留下清晰的疲劳条带,称为前沿线,这是因为裂纹尖端在向前扩展时所造成的。典型的疲劳破坏断面如图8—7。
    疲劳损伤与材料的种类、应力的类型、应力变化的幅度以及工作情况有关。因而,疲劳的断裂截面也受上述因素的影响,图8-8所示为在各种变应力作用下典型的疲劳破坏断面。
  圆柱螺旋拉伸和压缩弹簧材料在负荷作用下所受应力为带弯曲型的扭转切应力。圆柱螺旋扭转弹簧在负荷作用下所受应力为带扭转型的弯曲应力。板弹簧在负荷作用下所受应力为单向弯曲应力。
    图8-9为压缩螺旋弹簧受切应力时,疲劳失效的典型断面图。从断面可以看出,疲劳破坏是由于表面裂纹(图中箭头所指)形成的疲劳源而造成的。
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