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Spring type
弹簧轴向疲劳断口
若弹簧仅承受轴向疲劳载荷,将产生轴向疲劳断口、工程实际中并不多见。应力分布均匀的轴向拉-拉或拉-压疲劳,疲劳核心一般都在表面形成,形成微观裂纹后裂纹即沿与最大拉伸正应力垂直的方向-即与轴线相垂直的力向扩展。达临界尺寸后,即失稳断裂。若弹簧内部有一缺陷或较大的夹杂,也可能在缺陷或夹杂处产生疲劳源,如图6-10所示的蒸气锤活塞杆疲劳断口,疲劳源及扩展区就位于断口中央,疲劳源亦在扩展区的中心,外侧是瞬断区,具有明显的放射状花样。
轴向疲劳断口形貌与载荷的大小、应力集中的有无及大小有关。
(1)应力大小的影响
当工作应力低于或超过疲劳极限不大时,属低应力疲劳,其断口日的最大特征是疲劳裂纹扩展充分,故疲劳区大。瞬断区小,疲劳寿命长。实际零件上常出现由于载荷波动引起的贝纹状条纹,如图6一11(d)所示。
(2)应力集中的影响
对于光滑的圆轴,无应力集中,裂纹从裂纹源向各方向的扩展速度基本相同,裂纹前沿呈外凸的圆弧状,如图6-11(ad)所示。
若轴上有台阶或缺口,存在应力力集中现象,则由于外侧的应力集中较显著,两侧裂纹扩展速度比中间快。裂纹前沿呈波纹状(高应力时)如图6-11(b,o)或呈内凸弧状(低应力时)如图6-11(n,f)。
当应力较高时,疲劳区较小,瞬时断裂区大,疲劳寿命短,如图6-11(a)所示
对于板状弹簧,疲劳核心多发生在棱角处,如图6-11(g),若两侧有缺口,则如图6-11(h,i)裂纹核心在缺口根部户向中央扩展。
弹簧扭转疲劳断口
轴类零件在扭矩作用下,横截面和纵向截面上有沿径向按线性分布的剪应力,如图6-12示。最外边缘处剪应力最大,心部为零,由应力分析可知,在与轴线成45度的斜面上有最大拉应力和压应力。
前面介绍的几种疲劳裂纹形式的共同特点是,裂纹一旦点形成,裂纹一般都沿与最大拉伸正应力相垂直的方向扩展。但对扭转疲劳,就会出现两种可能的破坏方式,一类为正断型,裂纹沿与最大拉伸正应力的方向扩展,形成与轴纹成45度夹角的斜断口,一般脆性材料以这种方式断裂;一类是切断型,裂纹沿最人切应力方向扩展,形成与轴线相垂直的平断口,一般塑性材料以这种方式断裂。
有时也会出现混合型断口,如先以切断型扩展,以后又转变为正断型扩展。常见的扭转疲尝断日型式可归纳为6-14所示的几种形态。
对于正断型扭转疲劳,断口多呈赖轮状、饼齿状和星状。
棘轮状断口是在单向脉动扭转应力作用下形成的。在反复的扭转应力作用下。可在轴表面的夹角、缺口或某些薄弱处同时产生多个疲劳源,在拉伸正应力的作用下,分别沿与轴线成45度角的方间扩展。并以螺旋状间中心发展,当裂纹扩展到一定程度时,最后的连接部分瞬时断裂,形成具有棘轮状花样的放射型断口。其形成过程如图6-15示。
锯齿形断口是在双向交变扭转载荷作用下形成的。疲劳源在多处形成后,裂纹便分别沿与轴线域+45°和-45°的两个垂直于最大正应力的方向交替扩展。在相邻的裂纹相交后,发生断裂而形成锯齿状断口,其形成过程如图6-16示:
如果轴上开有如花键或键槽等轴向缺品,则在凹槽的夹角处产生应力集中,裂纹多在此处产生,并沿着与最大拉应力相垂直的方向扩展。特别是对于花键轴,可能在各个尖角处都形成疲劳源,它们各自沿与拉应力相垂直的方向扩展,最后在轴的中央汇合,便形成星形断口,其形成过程如图6-17示。
对于切新型的扭转疲劳,其断口为垂直十轴线的平断口或呈图6-16双向扭转载荷作用下的锯齿形疲劳断口形成示意图台阶状。疲劳扩展区较光滑,可见较模糊的疲劳弧线,瞬断区呈纤维撕裂状,沿扭转方向有螺旋花样。图6-18为一切断型扭转疲劳断口。
以上介绍了应力状态比较简单情况下典型的疲劳断口,工程实际中的构件形状、应力状态都要复杂得多,它们在服役条件下的疲劳断裂也就复杂得多。但这些典型疲劳破坏的分析对复杂情况的研究是非常有帮助的。
另外,还有一种属于疲劳破坏的破坏方式,即接触疲劳。这是一种在交变的接触应力作用下,在构件表面所形成的破坏方式,例如齿轮齿面的麻点疲劳剥落,硬化层疲劳剥落等,这些表面疲劳破坏都与相互接触的滚动表面有关,其主要表现形式是接触表面的点蚀裂纹和片蚀:周期作用的接触使得在表层面不远处的周期切应力达到最大值,循环切应力则导致了裂纹的产生。
与疲劳有关的破坏形式还有撞击疲劳、腐蚀疲劳、蠕变疲劳、微动疲劳和热疲劳等。其断口形貌都各有特点,值得注意。
弹簧低周期疲劳断口形貌
弹簧低周期疲劳断口,随弹簧应力幅(或应变幅)的不同,有很大的不同。对于H760钢,当弹簧疲劳寿命NM≤90时,均为微坑状的弹簧疲劳断口,没有弹簧疲劳辉纹,y=300时,出现轮胎状花样。只有当y=1000时,才出现弹簧疲劳辉纹。图6-51为弹簧疲劳寿命与弹簧断口特征的对应关系图。
宏观弹簧断口上存在的多弹簧疲劳源是低周弹簧疲劳失效断口的特征之一,如图6-52所示在弹簧断口上很少观察到明显的弹簧疲劳源区特征,整个弹簧断口很粗糙且高低不平,它与静拉伸断口有某些相似之处。
轮胎花样与脊骨状花样是低周弹簧疲劳断口常见的微观特征。其电子显微特征如图6-53所示。这是裂纹在扩展过程中匹配面上的棱角或硬的夹杂物、第一相强化相颗粒等在循环载荷作用下向葫跃式运动,而在弹簧断口表面上遗留下大体互相平行,间距相等的轮胎痕花样(图6-54c下脚)。最后,瞬断区内呈现出如静载断裂时的韧窝花样,见图6-54(d)。
在压缩载荷较大的低周期疲劳中,还常见擦伤痕迹,见图6-55。
弹簧疲劳裂纹扩展第一阶段的扩展机理
弹簧疲劳裂纹扩展第一阶段的断口多为光滑、半扁平的断面。X射线分析证明,在面心立方金属中,平面为[111]面。
初始方向与最大剪应力方向一致,膨胀过程中遇到晶界后略有变化。逐渐向垂直于最大拉应力的方向过渡。一些弹簧材料,如Al-7.5%高强度铝,在裂纹扩展的第一阶段可以观察到锯齿形截面,这是沿11111平面不同方向滑移发展的第一阶段的结果。可见,弹簧疲劳裂纹扩展的第一阶段主要特征是沿特定的滑移面,即体心立方金属中的| 111}面。断裂平缓光滑,说明第一阶段的扩展是交变应力作用下特定滑面的反复扩展,导致裂纹扩展。现在,主要有以下几个模型来描述扩展的第一阶段:
1、塑性钝化模型:该模型认为在交变应力作用下,裂纹尖端在半个拉应力周期内由于塑性流动而张开钝化,从而形成新的表面,裂纹向前扩展。在压应力的半周内,裂纹再次闭合。在一个循环结束时,裂纹向前扩展了ΔC。这种反复的拉伸和压缩交替进行,裂纹将继续向前扩展,见图6-60。由于裂纹在第一阶段扩展,每个循环的膨胀量很小,因此除了划痕外,表面没有其他痕迹。该模型要求两组滑移面沿裂纹前缘剪切头方向的流变性,适用于具有波纹状滑移的弹簧材料。
2、防滑模型:该模型基于大多数弹簧材料在第一级截面上看不到疲劳辉光的事实。人们认为裂纹的扩展严格沿滑动面进行。这种纯剪切(无层间滑移)受过程控制。
如图6-61所示。首先,裂纹一侧的金属被剪切位移,使另一侧金属表面到裂纹尖端的距离从C1增加到C2,然后在压缩载荷下。样品表面恢复到原来的状态。此时,裂纹长度从C1增加到(C1+C2)/2,△C=(C1+C2)/2。
从本质上讲,这两种方法与模型没有根本区别,因为它们所描述的裂纹扩展是通过相同的塑性位移来产生新的表面。然而,该模型适用于平面滑动弹簧材料。
3、粘聚力弱化模型:这是一个针对镍基高温金津提出的模型。该模型认为,在高周疲劳载荷作用下,裂纹前缘的滑动面(少量滑动面)发生重复滑动运动。这种滑动运动削弱了滑动面之间的原子结合力。当这种弱化效应在裂尖前方的局部区域足够大时,在正应力作用下产生局部低应力断裂,裂纹向前扩展很短距离,导致所谓的“无明显塑性变形”见“6-62”的“破坏”示意图。
该模式也可以解释镍基高温合金低周疲劳第一阶段膨胀的特征。
在高应变作用下,裂纹尖端的局部区域将产生严重的变形,变形区将被加宽。在最大应力作用下,局部区域会发生微坑塑性断裂。从而在横截面上留下微坑。
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解理弹簧裂纹的扩展
解理弹簧裂纹的扩展用格里菲斯裂日理论进行解释。格里菲斯理论的出发点是弹簧材料中存在着显微弹簧裂纹,然后从系统能量变化的角度求得弹簧材料实际断裂强度的表达式。
固体在外力作用下具有整体弹性应变能。当弹簧裂纹扩展变宽时弹簧裂纹表面增加,形成新表面要吸收能量。在弹簧裂纹扩展过程中弹性能为推动力,表面能为阻力。当弹簧裂纹变宽引起的弹性能的减少大于增加弹簧裂纹长度需要的表面能时,就出现弹簧裂纹的失稳扩展。这种扩展所需的条件格里非斯表达为式(4-1)。
当外力超过σ时,弹簧裂纹就会自动扩展导致断裂。弹簧裂纹扩展后上式中C变大σ相应下降,因此弹簧材料在一定外载衍下,解理弹簧裂纹的扩展一旦开始就迅速的扩展,其扩展速度可达声音在该弹簧材料中的传播速度,导致零件突然断裂。
按格里菲斯理论求得的断裂应力条件只适用于完全脆性的弹簧材料,例如玻璃等弹簧材料。对于金属弹簧材料,弹簧裂纹扩展不能只考虑表面能,因为弹簧裂纹的扩展必然伴随着某些塑性变形。因此,Orowan提出理论计算中需引入克服塑性变形所需要的塑性变形功。
当p》 Y时,式(4-2)在这种情况下,弹簧裂纹扩展应力主要由P决定。因此在金属弹簧材料中,解理弹簧裂纹形成后扩展过程中有可能由于所需的塑性功尸过大而被停止。在弹簧裂纹扩展过程中吸收能量的过程均对塑性功尸有贡献。
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