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第 4 卷- 2016 年 12 月刊
疲劳失效分析、理论设计和修复的历史



图1:美国空军F-22猛禽战斗机


图2:周期式轧管机冲模


图3:Procudo®激光喷丸系统

  使用科学方法分析疲劳失效是一个新兴研究领域,其始于1842年对法国默东灾难性的凡尔赛铁路事故进行的调查。车头轮轴在运输过程中断裂,车头后面的车厢翻覆其上导致大火,逾55人丧生,机械工程师William Macquorn Rankine,负责调查了该次事故断裂的轮轴,以了解事故原因。他强调零部件中应力集中因素的重要性以及重复循环的应力对这些区域的影响,这些因素导致零部件故障。不幸的是,他和其他人当时提出的因重复荷载导致裂纹快速增长的想法被其他工程师忽略。在这不久之后,William Fairbairn论证了疲劳对大梁反复弯曲的影响。在一段时间里,疲劳一直是一个严重的、被误解的现象。
  19世纪50年代至20世纪10年代初,进一步的研究得以执行,以了解重复循环荷载的问题。在这段时间,“疲劳”一词最初是由John Braithwaite用来描述这些普遍服务故障。自1910年代开始,疲劳失效的起源被确定为微观裂纹的扩散。这个观察证明了循环应力和故障循环次数之间的关系。Olin Hanson Basquin根据August Wöhler得出的测试数据提出了应力(S)和故障周期数(N)之间的双对数关系。Wöhler得出结论,循环应力范围比峰值应力更重要,并提出了材料“疲劳极限”的概念。直到20世纪40年代中期,“疲劳极限”作为一种实用设计工具开始兴起,运用线性损伤假设来预测组件的疲劳寿命。
  1954年哈维兰彗星的两次坠机事件得到了极大的关注,并需要采取进一步的行动。这样便开始对疲劳失效,以及通过减少裂纹衍生和减缓裂纹增长的方法来减少疲劳失效方法的了解。运用于航空航天工业的金属结构的疲劳、应力上升、裂纹形核和增长的临界性预示着这些方面将在设计和测试实践领域获得高度关注。
  20世纪50年代后期,L.F. Coffin和S.S.Manson对疲劳过程的理解有了进一步的发展。他们就塑性应变论证解释了疲劳裂纹生长的能力,即在裂纹蔓延至材料中,裂纹尖端的塑性应变。塑性变形发生在裂纹尖端的前面,导致裂纹在每个负荷循环中的蔓延。
  预测疲劳寿命的真正基础始于20世纪60年代,当时P.C.Paris提出了预测单个疲劳裂纹生长速率的方法。他论证了裂纹长度相对于循环次数的变化率。他的成果就是被广泛提及的da/dN曲线。然而,自20世纪40年代中期以来,流行的M.A.Miner现象学方法让这一时期P.C.Paris的研究成果黯然失色。
  幸运的是,在过去几十年中,在理解材料循环荷载的影响和金属结构裂纹扩散原理方面取得了长足进展。这些信息加上Paris的方法,为现代预测裂纹增长、创建预测各种组件设计的疲劳寿命的分析工具奠定了基础。与灾难性事故相关的危险等级的持续增加导致了新的工程设计方法和理论。将这些知识与设计方法相结合,提高了材料的疲劳寿命。

设计方法

  这种知识,结合了最小化部件内应力集中点的新方法,以及与灾难性事故相关的危险等级持续增加,带来了关于应力和疲劳的新工程设计方法和理论。在组件的设计期间通常使用两种方法来确定其有用或可操作的疲劳寿命:安全寿命和损伤容限。
  安全寿命将组件设计为在一定时间内不发生故障,或给定操作条件下,在组件的工作寿命内几乎可以永久持续使用。该方法需要用测试和分析估计组件的工作寿命,但是,该方法添加了良好的安全系数以确保不会发生灾难性事故。这种方法会使组件比标准组件更大、更重和更低效。直升机叶片就是用这种方法设计其结构的一个范例。
  基于使用裂纹扩展预测方法,损伤容限设计特定寿命的组件。这种方法假定有一个裂纹,或在组件中已经存在裂纹。该方法设定由于特定裂纹尺寸而导致组件失效的断裂载荷,特定裂纹尺寸也被称为临界裂纹尺寸。然后假设现有裂纹的尺寸,使用多年来开发的各类设计工具预测裂纹生长到该临界裂纹尺寸的时间段。这种方法需要知道组件所用材料的da/dN曲线。
  裂纹可以从两个位置衍生。它们可以从缺陷处或裂缝内部开始,或者也可以从表面缺陷处或裂缝衍生并传播到组件中。随着对金属材料疲劳过程机理的理解,人们希望找到一些方法,可以控制和减轻疲劳裂纹衍生和蔓延的影响。通过了解合金成分、处理效果、随后的微观结构和材料清洁度的影响来获得一些控制力,从而增加组件的疲劳寿命。现已经开发了各种表面改性工艺以解决由表面引发的疲劳,从产生超光滑表面的超精加工到引进深表面残余压应力(例如来自激光喷丸)。

表面强化

  引入表面改性工艺以增强金属零部件的疲劳能力具有悠久的历史,可追溯到公元1100年至1400之间,它用于制造大马士革和托莱多叶片。手动/锤击喷丸强化工艺通过增加残余压应力来增加叶片的强度和耐久性,随着时间的推移,出现了有意引起有益的残余压应力的各种其它工艺。这些工艺包括从圧碾、抛光、抛喷丸强化到激光喷丸处理。
  喷丸处理最开始是作为清洁金属组件的工艺(喷砂清理),随后也被认为是一个有益于改善疲劳的工艺。20世纪30年代,John Almen(阿尔门试片以他命名)发现,在每一次的新喷丸处理后,气门弹簧的疲劳寿命会大大增加。Almen和Henry Fuchs开发了一种对喷丸清理工艺的粗糙适应性,最终演变为当前版本的喷丸处理。今天,已经增添了各种技术来控制各种工艺的应用,满足了工业应用的需求,并且为组件增加了额外的疲劳能力。
  激光喷丸被用于一系列组件,包括飞机涡轮发动机中叶片、汽车曲轴、机床,参见图1和图2。激光喷丸减轻了疲劳失效的影响,该疲劳失效可能是异物损坏、应力腐蚀裂痕和因疲劳寿命延长所造成的侵蚀所导致的。所引起的残余压缩应力的深度明显比常规喷丸工艺所产生的深度更深。疲劳寿命的提高与残余压应力的深度成正比,因此激光喷丸可以提供显著优于常规喷丸工艺的服务,特别是在防止裂纹衍生和蔓延方面。
  在过去20年中,其它的表面增强技术也已经开发出来。基于其各自的方法和减轻疲劳的益处,每种技术都已被应用:超声波喷丸、空化喷丸和激光喷丸处理工艺。超声波喷丸使用机电方法通过振动附接到超声换能器的冲头而产生压缩应力。空化喷丸使用高压水喷射冲击组件表面,以将应力引入组件表面。激光喷丸已经成为被广泛接受和使用的工业表面增强工艺,此工艺使用工业激光喷丸系统,如图3所示。

未来

  对疲劳失效了解的不断发展、设计方法的演变和发展以及减轻疲劳效应方法的发现,让我们期待着一个可将这些发展结合起来而生产高效可靠的结构。虽然传统喷丸处理和其它表面增强方法提高了疲劳寿命和疲劳强度,但是它们通常不被纳入任何设计方法的寿命预测模型中。
  建模肯定有助于确定组件寿命,并且这些表面增强工艺被用于各种应用中,以延长组件的疲劳寿命。不幸的是,目前,为延长寿命的工艺所带来的残余压应力的好处并没有用在预测组件寿命的计算中,不管是安全寿命方法还是损伤容限方法;它们主要用作故障的附加保险,增加安全系数。
  由于控制各种表面增强工艺的复杂程度增加,寿命预测模型的发展得以将这些工艺效果并入其中,这将有助于利用这些表面工艺的全部益处。然而,这只是对未来的构想。目前,这些表面增强工艺将用于提供额外的安全性和余裕,让我们每个人免于疲劳失效的伤害。



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