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专业工程师告诉您如何提升金属构件疲劳寿命避免发生设备事故

金属疲劳是描述金属零件在使用过程中逐渐断裂的意外失效的常用名称。金属疲劳直接关系到零件承受的应力循环次数和施加在零件上的应力水平。研究表明,如果部件中的局部应力保持在定义良好的极限以下,则金属部件的无限寿命是可能的。如果零件有应力升高,或存在缺口、孔和键槽等应力集中的零件,疲劳失效就会增加。金属的极限拉伸强度和硬度之间也存在一种关系。拉伸强度和硬度越高,金属构件承受越高的波动载荷,越容易发生疲劳。

典型疲劳断口

金属疲劳机理的普遍解释是基于位错理论。理论上说,金属晶体中的原子排列是不完善的,并且含有许多缺失的原子。缺失的原子会产生间隙,从而造成大量的应力提升。当金属被加载时,应力升高的间隙通过晶粒剪切并聚集在一起。当足够的原子间隙聚集在一起时,萌生微观裂纹。如果载荷增加,则初始裂纹张开。如果负载在金属负载极限附近从最小值波动到最大值,则新的微观裂纹从第一微裂纹的位置扩展。每个裂纹都成为下一个裂纹的应力提升器。继续发展,直到剩下的金属不再承受负载,它突然失效。

应力集中

对很多金属已经进行了大量的疲劳试验。从这些试验中,已经开发出拉伸强度和循环次数的曲线图。锻钢的一个例子如图1所示。 在这个对数记录图上的垂直坐标标示出了施加的应力与钢的极限拉应力“SU”的比例,而横坐标是应力循环至失效的次数。SN曲线的左侧表明,在高循环载荷下的钢件产生的应力占了拉伸强度的较大比例,在一定数量的循环之后就会失效。SN曲线的右侧表明,如果循环应力保持在可定义的极限以下,则部件将具有无限的寿命。曲线还告诉我们,如果一个钢件只有一个加载周期,其应力大于其拉伸强度,则该钢件将失效(如当一个小螺栓如果拧紧时断开)。如果施加的应力是拉伸强度的90%或更多,它也会在小于一千个周期内失效。但如果应力保持在抗拉强度的一半以下,它就不会疲劳。

 

某种锻钢的寿命曲线

知道一部分将受到波动负载需要设计师设计的部分,为该条件。使用已知的极限拉伸应力和屈服应力(金属首先开始永久变形的应力,约8090%的拉伸应力),设计者构造一个应力限制包络,如图2所示。然后设计该部件以使施加到其上的循环载荷为控制在包络内的应力。

 

应力包络线

实际上,所有的疲劳失效都发生在应力集中点或应力集中处的零件的外表面上。例如,凹槽、圆角、孔、螺纹、键槽、花键、焊缝等。如果该部件提供长期无故障的服务,设计者必须考虑到这些应力提升器的影响。应力集中的作用直接与其半径小有关。与先前提到的促进疲劳失效的微裂纹一样,应力发生位置的半径越小,产生的应力越集中越大。有趣的是,应力集中对高延展性的金属影响很小。其解释是,由几何变化引起的应力集中被限制在屈服应力,止于塑性变形

3显示了一个带有孔的板。孔在板上的应力水平随着应力曲线接近孔而上升。每一个应力提升器都起到将应力集中在缺陷位置的作用。对不同几何形状零件的应力因素进行了确定和绘制。设计者使用应力因素来减小零件的允许载荷。如果计算结果表明零件会失效,设计者可以选择增加零件尺寸、选择较高拉伸强度的金属或经过表面处理的零件,以大大减少疲劳裂纹发展的机会。

表面光洁度与表面微结构处理。由于疲劳失效通常在施加载荷产生最大应力的部分表面开始,因此考虑表面光洁度和表面微观结构变得更为重要。我们知道拉应力促进/压缩应力阻碍疲劳失效。压表面应力增加了疲劳承载能力。如果零件表面能被压缩(残余压应力),则金属疲劳失效的可能性就更小。

当零件表面处于拉伸应力时,微观表面裂纹最有可能在应力升高位置发生。如果不存在应力集中,则部件可以承受更大的载荷。或者,如果金属的外层具有更高的拉伸性能,则需要更大的应力来对裂纹部位进行成核。通过加强表面材料的处理,可以大大提高零件的疲劳强度。

表面粗糙程度由表面粗糙度(槽的谷到峰的高度)来度量。粗糙度越小,沟槽的尺寸越小,沟槽半径越大。较大的半径减小了应力集中的影响,增加了导致部件疲劳失效的应力。抛光、研磨和机加工表面是最好的,锻造和铸造零件由于表面处理不良而最差。

金属表面粗糙度

表面微观结构可以以多种方式改变。一种方法是通过表面渗碳将碳添加到零件的外层以增加硬度。另一种技术是对表面进行冷加工以使其变形并将其压缩。两种最常用的表面压缩方法是表面喷丸和冷轧。在这两种情况下,外部金属层被迫屈服,并且由变形引起的残余应力导致表面进入压缩。滚子链上的滚子就是一个例子。第三种方法是通过热处理使合适的金属表面硬化,并将外层的微观结构转变为一种具有更好的抗疲劳性能的硬化层。

火焰淬火 

提高疲劳寿命的推荐方法。在设计和制造零件时,为了获得最大的疲劳寿命,需要考虑许多因素。避免尖角,使用寺的半径,以降低应力集中水平。避免横截面的突然变化。去除金属,因此在截面之间有平滑过渡。使加工表面尽可能光滑。垂直于所施加载荷的划痕成为应力提升器,用细砂布抛光表面。焊接必须是良好的质量,没有夹杂物,气孔(气孔)或虫洞。焊缝应具有良好的轮廓和完全填充。焊缝改变金属的冶金性能(快速冷却速率导致大晶粒长大),母材在热影响区(HAZ)中被削弱。焊接热影响区延伸到焊缝下方,疲劳裂纹可在表面下发展。如果零件被严重加载,就有必要对热影响区进行热处理以改变金属的微观结构。表面处理那些将在有应力提升器的地方循环加载的部件。选择具有良好抗疲劳冶金性能的材料。采用小颗粒、均匀的显微组织、高拉伸应力和一定的延展性。如果零件被划伤或有加工痕迹,需要将缺陷抛掉。 

Mike Sondalini -维修工程师


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