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彈簧的疲勞斷裂分析
來源:卡塔羅   發布時間:2020/7/30 16:17:25   瀏覽次數:

彈簧的疲勞斷裂過程,一般有以下幾個階段:滑移,成核,微觀裂紋擴展,宏觀裂紋擴展,瞬時斷裂。
彈簧因金屬材料產生疲勞裂紋的方式很多。有的產生在金屬晶體表面、晶界或金屬內部非金屬夾雜物與基體交界處;有的產生在金屬的“先天”缺陷處,如表面的機械劃傷、焊接裂紋、腐蝕小坑、鍛造缺陷、脫碳等;有的是因零件的結構形狀造成應力集中而成為疲勞裂紋源,如零件上的內、外圓角、鍵槽、缺口等處。后兩種容易產生疲勞裂紋的原因是明顯的,因此,以下著重討論第一種無宏觀疵病的光滑表面上,疲勞裂紋形成的機理。
彈簧斷裂
圖1  純鋁第一、二階S疲勞裂紋擴展示意圖
    1.變應力作用下金屬的滑移及疲勞裂紋成核  表面無缺陷的試件,在變應力的作用下金屬產生了滑移,造成了晶格的扭曲、晶粒的破裂,若變應力繼續作用,上述現象將不斷出現,直至金屬材料表面某處失去塑性變形的能力而形成疲勞裂紋源,即疲勞裂紋成核。金屬表面開始滑移直到疲勞裂紋成核,這是疲勞過程的第一階段(圖1)。裂紋生長到一定的長度以后,逐漸改變方向,最后沿著與拉伸應力成垂直的方向生長,這是裂紋擴展階段即疲勞過程的第二階段。
    關于疲勞裂紋成核的定義,始終還是一個有爭論而難以統一的問題,從工程的實際出發,一般規定裂紋長度為0.05~0.08mm,即利用一般顯微放大鏡可以看到的裂紋,稱為成核。
     多晶體金屬的界面,也是疲勞裂紋成核地區。金屬中的非金屬夾雜物與基體的交界處,往往是疲勞裂紋優先成核地區。
    2.疲勞裂紋的擴展及材料的斷裂  金屬在表面的滑移帶、晶界、相界、切口等處一旦形成了疲勞裂紋核以后,如果繼續承受變應力,則裂紋繼續擴展。裂紋d小于0.05mm,即成核以前的階段,稱為微觀裂紋擴展階段,也就是疲勞過程的第一階段。此時疲勞裂紋的擴展速率是緩慢的, /周, 為裂紋長度,N為循環次數,稱為裂紋擴展速率。裂紋 大于0.05mm,進入到宏觀裂紋擴展階段即疲勞過程的第二階段時,擴展速率增加,一般mm/周范圍以內。
    隨著疲勞裂紋的擴展,當凈截面的應力達到材料的拉伸強度時(對高韌性材料)、或是疲勞裂紋的長度達到材料的臨界裂紋長度時,便發生最終的瞬時斷裂。在斷口上往往留下清晰的疲勞條帶,稱為前沿線,這是因為裂紋尖端向前擴展時造成的。典型的疲勞破壞斷面見圖2。
彈簧斷裂
圖2  金屬的疲勞破壞斷面

  圖3為壓縮螺旋彈簧受切應力時,疲勞失效的典型疲勞失效的典型斷面圖。從斷面可以看出,疲勞破壞是由于表面裂紋(圖中箭頭所指)形成的疲勞源而造成的。

彈簧斷裂 

圖3  彈簧疲勞失效的典型斷面圖

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