貨車轉向架疲勞斷裂理論研究

夏祥春

（永城職業學院 機電工程系，河南 永城 476600）

1 疲勞破壞機理

當材料因承受循環載荷的多次反復作用而發生的破壞現象稱為疲勞破壞。材料承受的載荷值可能比較小，也可能遠小于強度極限，但是這種較小的載荷反復不斷作用在材料上，也會引起材料的破壞。

疲勞破壞的過程可以簡單描述為：材料的微觀結構區域的關鍵部分在循環載荷作用下，產生塑性變形，微裂紋開始出現，隨著循環荷載的延續，在這個關鍵領域形成薄弱點，然后微裂紋緩慢擴張為宏觀裂縫或工程裂縫，裂縫繼續擴大，直至最終斷裂。過程中對應著相應的疲勞源區，疲勞擴展區和快速斷裂區。可以歸納為疲勞裂紋的萌生階段和疲勞裂紋的擴展階段。疲勞破壞的微觀過程是一個極其復雜的過程，一般分為三個階段：裂紋萌生、裂紋穩定擴展和裂紋的不穩定增長。

（1）疲勞裂紋的萌生。材料開始逐漸形成裂紋的過程通常被稱為疲勞裂紋萌生。金屬材料的疲勞裂紋有可能起源于含缺陷或夾雜物的部位，也有可能起源于切口或應力集中部位。由于材料表面的應力水平往往較大，而且有時候表面還經常留有加工時的劃痕，所以裂紋也經常發生在材料的表面。當循環載荷多次反復作用在材料時，材料內部會出現滑移線，這些滑移線剛開始很短很細，呈臺階狀。滑移線出現后，在循環載荷的繼續作用下滑移加劇，從而在表面出現突起或缺口，導致應力集中的產生。載荷循環數繼續增加，在原來的滑移線附近又會出現新的滑移線，這樣導致多條滑移線合并成為滑移帶（駐留滑移帶），之后隨著循環載荷繼續作用在材料上，疲勞裂紋就會在這些較大的滑移帶處萌生。很多滑移帶中，部件表面有擠出和侵入槽形成，導致在部件表面出現裂紋起始點，在循環載荷的不斷作用下，會引起應力集中現象，進而導致疲勞裂紋擴大。

（2）疲勞裂紋的擴展。構件表面出現疲勞裂紋源之后，裂紋會首先沿最大剪應力方向擴展，最大剪應力的方向一般與施加載荷的方向呈45°夾角。最初微裂紋比較少，隨著循環載荷的不斷作用，微裂紋數量增加，而且少數微裂紋通過繼續擴展與其他微裂紋合并成為較大的裂紋。繼續在構件上施加循環載荷，這些較大的裂紋的擴展方向會發生變化，轉移到與載荷作用線垂直的方向，即最大拉應力面方向，在這個方向上裂紋繼續擴展。裂紋沿45°最大剪應力面的擴展是第一階段的擴展，在最大拉應力面內的擴展是第二階段的擴展。第一階段裂紋擴展的尺寸雖小，對壽命的貢獻卻很大，對于高強材料，尤其如此。

隨著循環應力的增加，裂紋逐步張開，裂紋尖端由于高度的應力集中，而沿最大剪應力方向滑移；應力進一步增大，裂紋充分張開，裂紋尖端鈍化呈半圓形，開創出新的表面；卸載時已張開的裂紋要收縮，但新開創的裂紋面卻不能消失，在卸載引入的壓應力作用下失穩而在裂尖形成凹槽形；最后，在最大循環壓應力作用下，又成為尖裂紋，但其長度增加了。下一循環，裂紋又張開、鈍化、擴展、銳化，重復上述過程。這樣，每一應力循環，將在裂紋面上留下一條疲勞痕跡，即疲勞條紋。

（3）疲勞裂紋的不穩定增長。疲勞裂紋的不穩定增長階段是構件壽命的最后階段，當材料的裂紋擴展到一定程度，就會變得沒有規律，裂紋會突然迅速增大，從而導致構件發生斷裂。這個過程是非常短暫的，計算構件疲勞壽命時往往將其忽略。

2 疲勞斷口分析

源于表面的裂紋，在循環載荷的作用下擴展，通常沿表面擴展較快，沿深度方向擴展較慢，呈半橢圓形。且宏觀裂紋一般發生在拉應力平面內。疲勞破壞斷裂失效涉及到擾動使用載荷的多次作用，相對靜載破壞而言，疲勞破壞有如下特點。

（1）作用應力水平較低。高應力作用下的部件，在靜載作用下破壞瞬時發生的；而疲勞破壞則是在較低應力的多次循環作用下發生的，相比靜載破壞的作用力，疲勞破壞的作用力可能很小。疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低。

（2）斷口光滑。靜載荷破壞的斷口比較粗糙，因為是瞬時發生的，所以斷口比較新鮮，而且斷口的表面無磨損或磨損痕跡；疲勞斷裂表面相對平穩，有裂紋源、裂紋擴展區，會出現海灘條帶或腐蝕的跡象。從斷口的形貌來看先在構件的高應力區的表面缺陷處形成疲勞源隨著應力循環次數的增加，裂紋逐漸擴展，在這一過程中，由于裂紋兩側表面的研磨，寫成了光滑區。隨著裂紋擴展，構件的截面逐漸削弱，直至不能承擔載荷而突然斷裂，形成斷口上的粗糙區。

（3）無明顯塑性變形。延性材料靜載破壞時塑性變形明顯；疲勞斷口則無明顯塑性變形。

3 結語

介紹了疲勞的基本概念，以及疲勞破壞的特點。疲勞破壞是在較低的交變應力作用下經過多次循環發生結構和構件的失效形式。為進一步研究材料應力與壽命的關系奠定了基礎。