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第 2 卷
2014 年
9 月刊
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培训专栏


第 2 卷- 2014 年 9 月刊
关于疲劳的几点考虑



Jesus Ruiz-Hervias

  疲劳可定义为承受循环载荷的材料或组件的开裂。主要问题是裂纹萌生和扩展需要的负载通常较低。因此,裂纹开始时扩展较慢,大多数时候不易发现。裂纹一旦变大,扩展速度就会加快,并且大多在毫无征兆的情况下导致灾难性故障。

  组件的疲劳寿命可分为两个阶段:裂纹萌生和裂纹扩展。

裂纹萌生

  通常,组件在承受循环负载时,表面萌生裂纹。萌生位置通常与应力集中相关,例如,一般的表面缺陷,如凹痕,坑,孔等…此外,疲劳循环也可能使持久的滑移带上萌生裂纹。任何萌生裂纹的机制都是一个随机的过程。很难预测裂纹将从何处开始产生,因为即使微小的缺陷也能产生较大的破坏力。组件的大多数疲劳寿命都消耗在这一阶段。有时,萌生阶段占据了90%的疲劳寿命。

裂纹扩展

  本阶段包括组件承受循环负载时预先存在的裂纹的扩展。有时很难划分两个阶段的界限,即:萌生何时结束而扩展何时开始。通常,我们认为“长”裂纹形成时,萌生阶段结束。然而,该术语的定义方法不止一种。在冶金学家看来,大于材料典型的结构特征(例如,粒度)便能称为“长”裂纹,另一当面,工程师可能认为长度至少应该达到1mm的裂纹才能称为“长”裂纹。

  可应用断裂力学技术研究裂纹扩展。事实上,根据帕里斯定律的规定,由于高循环疲劳裂纹尖端的塑性区通常较小,因此使用线性弹性断裂力学表征裂纹扩展。其中一个优点是标准化的测试程序可用于恒定的振幅负载。正如前面指出的,疲劳寿命在这一阶段的消耗比例通常比在萌生阶段小的多。

  抛喷丸强化被应用于改善组件的疲劳行为。通常认为,这种改善源于压缩残余应力和表面硬化。这两种效应结合在一起,可阻碍裂纹的萌生。例如,次表面区域扩展的压缩残余应力(通常高达400-500微米)会减少应用在组件表面层的局部应力范围。因此,便推迟了裂纹萌生。对于表面硬化,如果表面较硬,裂纹便会在次表面萌生,但是,次表面的压缩应力会成为障碍。

  扩展阶段抛喷丸强化的益处不太明显。对于“长”裂纹,裂纹侧面没有应力,而裂纹尖端的应力较为集中。因此,组件上的裂纹扩展时,现有的残余应力场放松下来,应力重新分布。

如有疑问,请联系jesus@mfn.li



培训专栏
作者:Jesus Ruiz-Hervias,MFN官方培训师
更多信息,请参见 www.mfn.li/cn/trainers
 
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