弹簧疲劳断裂定量分析方法

　　用构件的弹簧疲劳寿命Nf来描述构件断裂前的弹簧疲劳载荷循环次数。Nf包括弹簧疲劳裂纹形成寿命Nf和弹簧疲劳裂纹扩展寿命Np。实际上，Nt包括裂纹萌生期和微观裂纹扩展期（第一阶段扩展）Np。它包括宏观裂纹扩展期（第二阶段扩展）和瞬态断裂期，瞬态断裂期只有几个周期，非常短。裂纹形成寿命Nt和延伸寿命Np在弹簧总疲劳寿命中所占的比例将因材料、构件的形状和表面质量、加载方法和使用条件的不同而大不相同。一般来说，当应力较低（高周弹簧疲劳）时，无应力集中或应力集中不强烈，表面质量好，无不利环境条件，裂纹形成寿命Ni占总寿命Nf的很大比例，即使在总寿命的80%以上，当应力水平较高（低周弹簧疲劳）时，应力集中强烈，表面粗糙或有缺陷，环境恶劣，Nt的比例较小，Np也是主要的。裂纹体的Nt几乎为零。Nf几乎等于Np。

　　图6-21显示了低循环范围内裂纹扩展寿命Np与弹簧总疲劳寿命Nf之间的关系。

　　从曲线上可以看出，Nf越低，Np越接近Nf。在非常低的Nf下，Np和Nf几乎相等。

　　由于裂纹扩展过程在弹簧疲劳失效过程中占有重要的地位，因此它具有大量的信息，对弹簧的失效分析和设计指导非常有用。人们对弹簧疲劳裂纹扩展的两个阶段的特性进行了深入的研究。本章主要介绍这两个阶段断裂的微观特征，并简要介绍弹簧疲劳断裂的定量分析方法。

　　瞬时断裂带的微观特征与静态载荷下尖锐缺口试样的断裂相似，既有穿晶解理，也有微点蚀剪切断裂，也有沿晶断裂或混合新裂纹。

　　一。如上所述，弹簧疲劳裂纹扩展的第一阶段断口的电子显微镜形貌，对于大多数实际工程材料来说，第一阶段扩展区的尺寸和断口所占的比例都非常小，只有铝、单晶铜，弥散强化镍（TD-Ni）等材料具有较大的一级膨胀区。因此，对第一阶段延伸断裂形态的微观特征研究相对较少，现有的研究大多局限于上述材料和镍基高温合金。

　　保护断裂的第一阶段相当复杂，取决于不同的微裂纹扩展机制。在不同的材料组织结构、不同的平均应力水平、不同的环境条件下，其断裂的微观特征会有很大的差异。从宏观上看，大致有两种类型的平面截面和平行之字形截面：

　　一。平截面。这种截面形状平坦，宏观上变化不大，往往具有较强的反射能力。图6-22是铝合金和镍基铸造高温合金的第一级平面和断裂照片。裂纹严格沿晶粒中的滑动面扩展，从而形成一个非常平坦光滑的表面。当它遇到晶界时，可能会稍微改变它的取向。

　　X射线分析证明，图6-22中的平截面，无论是铝合金还是高温合金，都是（111）面，即面心立方金属的滑移。第一阶段的膨胀主要是由滑移引起的。它可能是连续滑动，也可能是沿滑动面的滑动方向的不连续延伸。此时，弹簧疲劳裂纹只有2～5个晶体。晶粒的长度，与主拉伸轴成45°角。

　　不同的材料，在不同的条件下，平面截面的微观特征是不同的。除了划痕，许多材料的扁平部分几乎看不到任何特殊的特征。β黄铜、TD-Ni等材料的扁平截面有时会留下一些弹簧疲劳条纹，作为第二阶段膨胀的微观特征，只有少数材料在第一阶段扁平截面上表现出显著的微观特征。

　　图6-23是典型的Mar-M200弹簧疲劳裂纹扩展第一阶段的照片。通过对镍基高温合金和LUlimct700合金的研究发现，第一阶段的平截面不仅面积大，而且具有微观断口形貌。主要有以下特点:

　　(1)有类似于解理裂隙的河流和台阶。此解理面约占总骨折的3/4。不平行于“卵裂面”的两组111个;平面上的二次裂纹形成了阶梯状形貌。

　　(2)存在滑移线和弹簧疲劳形态。“劈理”面另一个重要特征是有许多与台阶成60°角的平行小滑移线。如图6-24 (a)所示，有时这条滑移线也会呈现人字形，如图6-24 (b)中AB线所示。

　　除了滑移线外，在离裂缝源较近的站立区域稍远的城市，往往存在明显的弹簧疲劳痕迹，如图6-25所示。其宽度约为0.1 ~ 0.4um。当穿过脆性包裹体时，弹簧疲劳条纹宽度增加，裂纹条纹族(平行条纹族为一组)具有不同的方向。弹簧疲劳辉光的存在表明，在弹簧的疲劳载荷作用下，弹簧疲劳裂纹第一阶段的扩展速度较慢，而不是突然快速扩展。

　　(3)有舌状花纹。在平面剖面上，可以看到类似于体心立方解理的“舌”，如图6-24 (b)所示，这种“舌”是裂纹从主裂纹面111}向外扩展的结果。它的形状通常是等腰三角形。