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弹簧疲劳断裂定量分析方法1

  • 发布时间:2020-05-15

  • 编辑:弹簧寿命

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  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(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。

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  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。

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  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,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。

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  保护断裂的阶段相当复杂,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。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。

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  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弹簧疲劳裂纹扩展阶段的照片。通过对镍基高温合金和LUlimct700合金的研究发现,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。


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