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弹簧的疲劳断裂分析
来源:卡塔罗   发布时间:2020/7/30 16:17:25   浏览次数:

弹簧的疲劳断裂过程,一般有以下几个阶段:滑移,成核,微观裂纹扩展,宏观裂纹扩展,瞬时断裂。
弹簧因金属材料产生疲劳裂纹的方式很多。有的产生在金属晶体表面、晶界或金属内部非金属夹杂物与基体交界处;有的产生在金属的“先天”缺陷处,如表面的机械划伤、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成为疲劳裂纹源,如零件上的内、外圆角、键槽、缺口等处。后两种容易产生疲劳裂纹的原因是明显的,因此,以下着重讨论第一种无宏观疵病的光滑表面上,疲劳裂纹形成的机理。
弹簧断裂
图1  纯铝第一、二阶S疲劳裂纹扩展示意图
    1.变应力作用下金属的滑移及疲劳裂纹成核  表面无缺陷的试件,在变应力的作用下金属产生了滑移,造成了晶格的扭曲、晶粒的破裂,若变应力继续作用,上述现象将不断出现,直至金属材料表面某处失去塑性变形的能力而形成疲劳裂纹源,即疲劳裂纹成核。金属表面开始滑移直到疲劳裂纹成核,这是疲劳过程的第一阶段(图1)。裂纹生长到一定的长度以后,逐渐改变方向,最后沿着与拉伸应力成垂直的方向生长,这是裂纹扩展阶段即疲劳过程的第二阶段。
    关于疲劳裂纹成核的定义,始终还是一个有争论而难以统一的问题,从工程的实际出发,一般规定裂纹长度为0.05~0.08mm,即利用一般显微放大镜可以看到的裂纹,称为成核。
     多晶体金属的界面,也是疲劳裂纹成核地区。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成核地区。
    2.疲劳裂纹的扩展及材料的断裂  金属在表面的滑移带、晶界、相界、切口等处一旦形成了疲劳裂纹核以后,如果继续承受变应力,则裂纹继续扩展。裂纹d小于0.05mm,即成核以前的阶段,称为微观裂纹扩展阶段,也就是疲劳过程的第一阶段。此时疲劳裂纹的扩展速率是缓慢的, /周, 为裂纹长度,N为循环次数,称为裂纹扩展速率。裂纹 大于0.05mm,进入到宏观裂纹扩展阶段即疲劳过程的第二阶段时,扩展速率增加,一般mm/周范围以内。
    随着疲劳裂纹的扩展,当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,这是因为裂纹尖端向前扩展时造成的。典型的疲劳破坏断面见图2。
弹簧断裂
图2  金属的疲劳破坏断面

  图3为压缩螺旋弹簧受切应力时,疲劳失效的典型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。

弹簧断裂 

图3  弹簧疲劳失效的典型断面图

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