貨車轉(zhuǎn)向架疲勞斷裂理論研究

夏祥春

（永城職業(yè)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(huán)載荷的多次反復作用而發(fā)生的破壞現(xiàn)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(jié)構(gòu)區(qū)域的關(guān)鍵部分在循環(huán)載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形，微裂紋開始出現(xiàn)，隨著循環(huán)荷載的延續(xù)，在這個關(guān)鍵領(lǐng)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(xù)擴大，直至最終斷裂。過程中對應(yīng)著相應(yīng)的疲勞源區(qū)，疲勞擴展區(qū)和快速斷裂區(qū)。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(wěn)定擴展和裂紋的不穩(wěn)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(yīng)力集中部位。由于材料表面的應(yīng)力水平往往較大，而且有時候表面還經(jīng)常留有加工時的劃痕，所以裂紋也經(jīng)常發(fā)生在材料的表面。當循環(huán)載荷多次反復作用在材料時，材料內(nèi)部會出現(xiàn)滑移線，這些滑移線剛開始很短很細，呈臺階狀。滑移線出現(xiàn)后，在循環(huán)載荷的繼續(xù)作用下滑移加劇，從而在表面出現(xiàn)突起或缺口，導致應(yīng)力集中的產(chǎn)生。載荷循環(huán)數(shù)繼續(xù)增加，在原來的滑移線附近又會出現(xiàn)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(huán)載荷繼續(xù)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(xiàn)裂紋起始點，在循環(huán)載荷的不斷作用下，會引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，進而導致疲勞裂紋擴大。

（2）疲勞裂紋的擴展。構(gòu)件表面出現(xiàn)疲勞裂紋源之后，裂紋會首先沿最大剪應(yīng)力方向擴展，最大剪應(yīng)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(huán)載荷的不斷作用，微裂紋數(shù)量增加，而且少數(shù)微裂紋通過繼續(xù)擴展與其他微裂紋合并成為較大的裂紋。繼續(xù)在構(gòu)件上施加循環(huán)載荷，這些較大的裂紋的擴展方向會發(fā)生變化，轉(zhuǎn)移到與載荷作用線垂直的方向，即最大拉應(yīng)力面方向，在這個方向上裂紋繼續(xù)擴展。裂紋沿45°最大剪應(yīng)力面的擴展是第一階段的擴展，在最大拉應(yīng)力面內(nèi)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(huán)應(yīng)力的增加，裂紋逐步張開，裂紋尖端由于高度的應(yīng)力集中，而沿最大剪應(yīng)力方向滑移；應(yīng)力進一步增大，裂紋充分張開，裂紋尖端鈍化呈半圓形，開創(chuàng)出新的表面；卸載時已張開的裂紋要收縮，但新開創(chuàng)的裂紋面卻不能消失，在卸載引入的壓應(yīng)力作用下失穩(wěn)而在裂尖形成凹槽形；最后，在最大循環(huán)壓應(yīng)力作用下，又成為尖裂紋，但其長度增加了。下一循環(huán)，裂紋又張開、鈍化、擴展、銳化，重復上述過程。這樣，每一應(yīng)力循環(huán)，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(wěn)定增長。疲勞裂紋的不穩(wěn)定增長階段是構(gòu)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(guī)律，裂紋會突然迅速增大，從而導致構(gòu)件發(fā)生斷裂。這個過程是非常短暫的，計算構(gòu)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(huán)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(fā)生在拉應(yīng)力平面內(nèi)。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(yīng)力水平較低。高應(yīng)力作用下的部件，在靜載作用下破壞瞬時發(fā)生的；而疲勞破壞則是在較低應(yīng)力的多次循環(huán)作用下發(fā)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(yīng)力遠比靜應(yīng)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(fā)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(wěn)，有裂紋源、裂紋擴展區(qū)，會出現(xiàn)海灘條帶或腐蝕的跡象。從斷口的形貌來看先在構(gòu)件的高應(yīng)力區(qū)的表面缺陷處形成疲勞源隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴展，在這一過程中，由于裂紋兩側(cè)表面的研磨，寫成了光滑區(qū)。隨著裂紋擴展，構(gòu)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(qū)。

（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(jié)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(yīng)力作用下經(jīng)過多次循環(huán)發(fā)生結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的失效形式。為進一步研究材料應(yīng)力與壽命的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。