solidworks simulation 弹簧疲劳分析

solidworks simulation 弹簧疲劳分析
solidworks simulation 弹簧疲劳分析

Simulation 优化设计挑战

设计目的:采用Solidworks Simulation 分析得出螺旋弹簧的压缩刚度,并对弹簧零件进行疲劳分析。

1. 打开名为“弹簧疲劳分析”的solidWorks 零件

提示:为方便起见,夹具和外部载荷已经事先添加到弹簧两端的圆盘。圆盘之间的距离对应于未压缩弹簧的当前长度。

2. 设定SolidWorks Simulation 的选项

设定【单位系统】未【公制(Ⅰ)(MKS )】,【长度】单位为毫米,【应力】单位为N/m 2(Pa )。

3. 创建一个名为“研究1”的【静态】算例。

4. 查看材料属性

材料属性(Alloy Steel )将直接从SolidWorks 转移过来。

5. 应用固定约束

在图1所示的1号圆盘端面应用【固定几何体】的夹具。

图1.1 添加约束和载荷

6. 应用径向约束

在2号圆盘的圆柱面上添加一个高级夹具,约束圆

盘的径向位移。

该约束只允许弹簧沿轴向压缩或伸长,且只能绕纵

向轴转动,如图1.1所示。

7. 施加压力

对采用径向约束的圆盘端面添加98.066N 的压力。

8. 划分网格并运行分析

使用【高】品质单元划分网格。保持默认的【单元

大小】为2.8826365mm ,【公差】为0.14413183mm 。

显示x 方向的位移。

9. 如图2所示,图解显示轴向位移结果为0.004mm 。

轴线方向为x 方向。 图1.2 添加夹具图解 1

2

图1.3 位移图解

计算得到的弹簧的轴向刚度为22.41N/m(k=f/x)

以下为对该弹簧零件的疲劳分析

首先生成一个新的疲劳算例,命名为“疲劳分析”。

1.定义S-N曲线

(1)在Simulation管理器中右键单击,在弹出的菜单中选择

“添加事件”,如图2.1所示。

图2.1 选择“添加事件”

(2)单击“添加事件”后,在弹出的管理器里根据图2.2添加事件。使所加载的

力值为98.066N,单击“确定”图标完成事件属性的设置。

图2-2 新添事件属性

(3)定义S-N曲线

1)在Simulation管理器中右键单击“spring copy”,在弹出的菜单中选择“应

用/编辑疲劳数据”,如图2.3所示。

图2.3 选择“应用/编辑疲劳数据”

2)右键单击“应用/编辑疲劳数据”后弹出“材料”属性管理器。在“材料”

管理器中的“疲劳SN曲线”栏中按图2-4所示设置。

图2-4 定义疲劳S-N曲线

3)单击图2-4中的“视图”按钮,系统显示出S-N曲线,图2-5所示。

如图2-5 S-N曲线

2.划分网格

(1)改变参数后需要重新生成网格。

在Simulation管理器中选择“弹簧疲劳分析”算例,右键单击“网格”文件,在弹出的菜单中选择“生成网格”,如图2-5所示。这时系统会弹出一个警告信息:“重新网格化将删除算例的结果:研究1”,如图2-6所示。单击“确定”按钮关闭信息窗。

图2.6 选择“生成”

图2.7 警告信息窗

(2)单击“确定”按钮后弹出“网格”属性管理器,在“高级”选项里设定“雅

可比点”为“4点”,其他采用默认设置,再单击“确定”图标按钮完成网格参数设定。系统进行网格化并显示网格化进展窗口。

3.运行分析

(1)重新网格化后需要重新运行分析。单击Simulation工具栏上的“运行”图标,

(2)单击“运行”图标后系统开始运行分析计算并弹出运行进度窗口。在成功的

运行静态分析之后,Simulation将在管理器中生成“应力”、“位移”、“应变”、“变形”和“设计检查”五个文件夹

4.进行疲劳分析

(1)定义“研究2”项目属性

在Simulation管理器中右键单击“研究2”,在弹出的菜单中选择“属性”,

如图2.8所示。选择“属性”后系统弹出“疲劳”属性管理器,在“选

项”标签中选择“恒定振幅事件交互作用”为“随意交互作用”,选择“计

算交替应力的手段”为“对等应力(von Mises)”。其他采用默认设置,

如图2.9所示。单击“确定”按钮完成属性定义。

图2.8 选择“属性”

图2.9 定义“疲劳”属性

(2)定义结果选项

1)在Simulation管理器中右键单击,在弹出的菜单中选择“定

义编辑”,如图2.10所示。

2)选择“定义编辑”后系统弹出“结果选项”属性管理器,选择“疲劳计

算”为“整个模型”,如图2.11所示。单击“确定”图标按钮完成结果选项定。

图2.10 选择“定义/编辑”图2.11 “结果选项”属性管理器

(3)运行疲劳研究分析

1)在Simulation管理器中右键单击“研究2”,在弹出的菜单中选择“运

行”。

2)单击“运行”图标有系统开始运行分析计算并弹出运行进度窗口。

在系统成功的运行疲劳分析之后,Simulation将在管理器中生成结果

图解,如图2.12所示。

图2.12 生成结果图解

5.生命图解和损坏图解

(1)定义生命结果图解

1)在Simulation管理器中右键单击图标,在弹出的菜单中

选择“定义疲劳图解”。

2)单击“定义疲劳图解”后系统弹出“疲劳图解”属性管理器,在“显

示”栏中选择“生命”,如图2.13所示。其他采用默认设置,单击“确

定”按钮完成生命图解定义。

图2.13 “疲劳图解”属性管理器

(2)显示生命图解

单击“确定”图标按钮后系统显示出生命图解,如图2.14所示。从图解

中可以看出,弹簧经过201310次拉伸后将出现疲劳。

图2.14 生命图解

(3)显示损坏图解

1)在Simulation管理器中右键单击“结果”文件夹内的“图解1”,在

弹出的菜单中选择“显示”,如图2.15所示。、

图2.15 选择“显示”

2)选择“显示”后系统显示出损坏图解,如图2.16所示。从图解中可

以看出,经过事件后图中箭头所指的位置将会产生2.04%的损坏。

图2.16 损坏图解

(4)定义安全系数结果图解

1)在Simulation管理器中右键单击“结果”图标,在弹出的菜单中选择

“定义疲劳图解”。

2)单击“定义疲劳图解”图标后系统弹出“疲劳图解”属性管理器,

在“显示”栏中选择“载荷因子”,如图2.17所示。其他采用默认设

置,单击“确定”图标按钮完成安全系数图解定义。

图2.17 “疲劳图解”属性管理器

(5)显示安全系数图解

单击“确定”图标按钮后系统显示出安全系数图解,如图2.18所示。从图解中可以看出,经过事件后的最小安全系数为2

图2.18 载荷因子图解

疲劳断裂行为High

超高频强度钢的疲劳断裂行为 J. Mater. Sci. Technol., Vol.24 No.5, 2008 1) 国家重点实验室的先进加工钢材和产品,北京100081,中国 2) 国家工程研究中心,北京100081钢铁技术先进,中国 3) ,燕山大学,秦皇岛,中国 ⑷对金属的中国社会,北京100711,中国 疲劳断裂行为的超高强度钢与不同熔化过程,研究了夹杂物尺寸不同通过用在旋转弯曲疲劳机上多达107循环加载。观察骨折面发射扫描电子显微镜(FESEM。当它被发现时已经尺寸的夹杂物对疲劳行为未清除。对钢在AISI 4340夹杂物尺寸小于5.5微米,所有的疲劳裂纹除的确做到了包含但不引发的地表和传统从标本的s - n曲线的存在。对65Si2MnW在100和Aermet钢平均12.2和14.9米,疲劳裂纹在较低的夹杂物引发的s - n曲线应力幅值和逐步进行观测。弯曲疲劳 强度的s - n曲线显示一个不断下降和疲劳失效的大型氧化物夹杂源于对60Si2CrVA 钢平均夹杂物的尺寸44.4米。在案件的内部骨折在周期超越约1X 106 65Si2MnWI?60Si2CrVA钢、夹杂物sh-eye经常发现里面和颗粒状明亮的方面(GBF)进行了观察附近约夹杂。GB尺寸的增加这个循环数的增加对失败的长寿命的政权。结构应力强度因子的价值范围内裂纹萌生施工现场对GBI与Nf几乎不变, 几乎是相等的表面夹杂物和内部包含在周期低于约1X 106。既不sh-eye GBF也 没有观察到100 Aermet钢在目前的研究中。 关键词:High-cycle超高强度钢疲劳,夹杂物s - n曲线,鱼眼骨折 1、介绍 High-cycle疲劳(HCF)失败是普通的实用的建筑工程项目的土石方作业。因此,广泛的研究已进行多年了令人满意的理解和解决方案尚未达成。众所周知,有一个很好的旋转弯曲疲劳强度之间的关系,如光滑的标本和抗拉强度、维氏 硬度、高压、或低或中等强度。对于低或中等强度钢如下 (T w 心 0.5Rm (T w 心 1.6HV (1) 在这种情况下,从疲劳裂纹倾向于表面,因此被称为表面的结构。然而,在较高 的拉伸强度范围或维氏硬度、线性相关性没发生,有了更多的散射或甚至星体疲劳强度值。疲劳断裂的起源的高强度钢的表面并不总是,但经常还有一定距离尤其是forhigh-cycle 疲劳,因此被称为内部断裂。断裂表面经常展现一个小光滑斑裂纹起

弹簧失效的原因分析

弹簧失效的原因分析 弹簧失效的原因分析 一、佛山弹簧分解弹簧永久变形及其影响因素 弹簧的永久变形是弹簧失效的主要原因之一 弹簧的永久变形,会使弹簧的变形或负荷超出公差范围,而影响机器设备的正常工作。 检查弹簧永久变形的方法 1.快速高温强压处理检查弹簧永久变形:是把弹簧压缩到一定高度或全部并紧,然后放在开水中或温箱保持10~60分钟,再拿出来卸载,检查其自由高度和给定工作高度下的工作载荷。 2.长时间的室温强压处理检查弹簧永久变形:是在室温下,将弹簧压缩或压并若干天,然后卸载,检查其自由高度和给定工作高度下的工作载荷。 二、弹簧断裂及其影响因素 弹簧的断裂破坏也是弹簧的主要失效形式之一 弹簧断裂形式可分为;疲劳断裂,环境破坏(氢脆或应力腐蚀断裂)及过载断裂。 弹簧的疲劳断裂: 弹簧的疲劳断裂原因:属于设计错误,材料缺陷,制造不当及工作环境恶劣等因素。 疲劳裂纹往往起源于弹簧的高应力区,如拉伸弹簧的钩环、压缩弹簧的内表面、压缩弹簧(两端面加工的压缩弹簧)的两端面。 受力状态对疲劳寿命的影响 (a)恒定载荷状态下工作的弹簧比恒定位移条件下工作的弹簧,其疲劳寿命短得多。 (b)受单向载荷的弹簧比受双向载荷的弹簧的疲劳寿命要长得多。 (c)载荷振幅较大的弹簧比载荷振幅较少的弹簧的疲劳寿命要短得多。 腐蚀疲劳和摩擦疲劳 腐蚀疲劳:在腐蚀条件下,弹簧材料的疲劳强度显著降低,弹簧的疲劳寿命也大大缩短。 摩擦疲劳:由于摩擦磨损产生细微的裂纹而导致破坏的现象叫摩擦疲劳。 弹簧过载断裂 弹簧的外加载荷超过弹簧危险截面所有承受的极限应力时,弹簧将发生断裂,这种断裂称为过载断裂。 过载断裂的形式 (a)强裂弯曲引起的断裂; (b)冲击载荷引起的断裂; (c)偏心载荷引起的断裂 佛山弹簧后处理的缺陷原因及防止措施 缺陷一:脱碳 对弹簧性能影响:疲劳寿命低 缺陷产生原因:1、空气炉加热淬火未保护气2、盐浴脱氧不彻底 防止措施:1、空气炉加热淬火应通保护气或滴有机溶液保护:盐浴炉加热时,盐浴应脱氧,杂质BAO质量分数小于0.2%。2、加强对原材料表面质量检查 缺陷二:淬火后硬度不足

螺栓断裂原因分析

螺栓断裂原因分析 螺栓的抗拉强度比想象中强得多,以一只M20×80的8.8级高强螺栓为例,它的重量只有0.2公斤,而它的最小拉力载荷是20吨,高达它自身重量的十万倍,一般情况下,我们只会用它紧固几十公斤的部件,只使用它最大能力的千分之一。即便是设备中其它力的作用,也不可能突破部件重量的千倍,因此螺栓的抗拉强度是足够的,不可能因为螺栓的强度不够而损坏。 很多螺栓断裂的最终分析认为是超过螺栓的疲劳强度而损坏,但是螺栓在横向振松实验中只需一百次即可松动,而在疲劳强度实验中需反复振动一百万次才会损坏。换句话说,螺栓在使用其疲劳强度的万分之一时即松动了,我们只使用了螺栓能力的万分之一,所以说螺栓的损坏也不是因为螺栓疲劳强度。 静态紧固用螺栓很少会自行松动,也很少出现断裂情况。但是在冲击,振动,变载荷情况下使用的螺栓就会出现松动和断裂的情况。 所以我认为螺栓损坏的真正原因是松动。螺栓松动后,螺纹和连接件之间产生微小间隙,冲击和振动会产生巨大的动能mv^2,这种巨大的动能直接作用于螺栓,受轴向力作用的螺栓可能会被拉断。受径向力作用的螺栓可能会被剪断。 因此设计时,对于关键的运动部位的连接紧固要注意防松设计。 自锁螺母尼龙锁紧螺母以上为两种形式的锁紧螺母。 对于弹簧垫片的放松效果,一直存在争议。 弹簧垫圈的放松原理是在把弹簧垫圈压平后,弹簧垫圈会产生一个持续的弹力,使螺母和螺栓连接副持续保持一个摩擦力,产生阻力矩,从而防止螺母松动。同时弹簧垫圈开口处的尖角分别嵌入螺栓和被连接件的表面,从而防止螺栓相对于被连接件回转。

以M16螺栓连接为例,实验显示用约10N.m的螺栓预紧力矩就可以将16弹簧垫圈完全压平。弹簧垫圈只能提供10N.m的弹力,而10N.m的弹力对于280N.m的螺栓预紧力矩来说可以忽略,其次,这么小的力,不足以使弹簧垫圈切口处的尖角嵌入螺栓和被连接件表面。折卸后观察,螺栓和被连接件表面都没有明显的嵌痕。所以,弹簧垫圈对螺栓的防松作用可以忽略。另外,在螺栓与被连接件之间增加一个垫圈,如果垫圈质量有问题,相当于给螺栓连接又增加了一个安全隐患。

钢锭_坯_在轧制过程中出现翘皮及断裂等常见缺陷的原因分析和防止途径

甘肃冶金 2001年3月 第1期钢锭(坯)在轧制过程中出现翘皮及断裂等常见缺陷的原因分析和防止途径 贾 静 (兰州钢铁公司 甘肃省 兰州市 730020) 摘 要 分析了钢锭(坯)轧制过程中出现翘皮、裂纹、断裂等常见缺陷的原因,并且提出了解决问题的途径。 关键词 分析解决 缺陷 途径 1 前言 钢锭(坯)在轧制过程中会出现翘皮、裂缝、断裂等多种缺陷而致废。由于种种原因,90年代初以来,特别是近几年里,钢锭(坯)轧裂和翘皮的数量骤然上升并有居高不下之势。为此,我们将近几年来发生的钢锭(坯)轧废情况统计分析结果列于表1(数据以每年退换钢锭的数量为依据)。 表1 钢锭(坯)轧裂退换统计表 年 份钢 种废品数量致 废 原 因小 时(t) 1995 1996 1997 1998 1999Q195—Q235沸钢258钢锭重接19.08t,翘皮、断裂Q235镇静钢—  Q195—Q235沸钢118翘皮、断裂 150220M nSi连铸坯70夹杂、断裂 20M nSi钢47断裂 Q195—Q235沸钢44翘皮、断裂 150220M nSi连铸坯80夹杂、断裂 1502Q235连铸坯40脱方 Q235镇静钢100纵裂纹、发纹 Q195—Q235沸钢220翘皮、断裂 Q235镇静钢110裂纹、断裂 Q195—Q235沸钢20断裂、裂口 Q235镇静钢240纵裂纹、裂口、断裂 258 235 264 330 260 9 收稿日期:2000-12-28

表1的统计结果表明: 早期镇静钢锭质量比沸腾钢锭的好,但近两年来质量有下滑趋势。 钢锭(坯)在轧制过程中退废的主要缺陷是翘皮、裂纹和断裂。平均每年退换钢锭293t ,由此造成的经济损失30余万元。 根据金属学和钢的热塑性变形原理,结合现场生产的实际情况,作者对这些缺陷的成因从炼钢工艺和轧钢工艺两方面进行分析。2 炼钢工艺对钢锭质量的影响2.1 化学成分的影响 对于碳素结构钢来讲,就元素影响而言造成轧制过程中出现裂纹、断裂极为有关的元素有S 、M n 、P 、Cu 。2.1.1 元素S 、M n 的影响及S 的“ 热脆”缺陷对大量轧裂钢锭化学成分的分析结果表明,元素S 的超标准上限及元素Mn 的低标准下限是钢锭轧裂的重要原因。 高硫钢锭经轧制后通身四面都有严重裂缝,有时只经过粗轧几道就断成碎块。其致废的机理是:S 是生铁或燃料中天然存在的杂质,由于S 在固态Fe 中的溶解度很小,几乎不能溶解。它在钢中以FeS 的形式存在,而FeS 和Fe 易形成熔点较低(仅有985℃)的共晶体,当钢在1100~1200℃进行热加工时,分布于晶界的低熔点共晶体固熔化而导致开裂,这就是通常所说的S 的“热脆”现象。在冶炼中为了清除S 的有害作用,必须增加钢中的含M n 量,使Mn 与S 优先形成高熔点的M nS,其熔点高达1620℃而且呈粒状分布于晶粒中,从而可以有效地防止或避免S 在钢中的“热脆”现象。2.1.2 元素P 的影响及P 的“冷脆”缺陷 通常,元素P 超标的钢锭在热轧过程中不出现裂纹或断裂,但成品坯(材)冷却至室温就会发生“冷脆”现象,在远远小于钢材力学指标力的作用下就发生脆断。 其机理是:室温下钢中的P 可全部溶于钢的铁素体中,使钢的强度、硬度增加,塑性、韧性显著降低。这种钢坯(材)的“冷脆”现象在我厂的生产中偶有发生。2.1.3 元素Cu 的影响及富Cu 轧制的网状裂纹 1997年10月,我厂轧制的Q 235镇静钢68方坯有两批总重量101.36t 成品钢坯表面出现了严重的裂纹,其症状如图1所示,可见钢坯通身有网状裂纹。经取样做成分分析发现Cu 含量在0.6%~0.8%,严重超标。 图1 富铜轧制的网状裂纹 元素Cu 超标造成钢锭热轧开裂的原因是:由于西域废钢资源的特点,含Cu 量有时较高。当钢中含Cu 量超过0.4%且它在加热炉中的氧化性气氛中较长时间加热时,由于选择性氧化的结果,在钢的表面氧化铁皮下会富集一薄层熔点低于1100℃的富Cu 合金,这层合金在约1100℃时熔化并浸蚀钢的表层,使钢在热加工时开裂并多形成网状裂纹。 因此,在技术标准中对碳素结构钢中残余铜元素的含量有明确规定,应该不高于0.3%。2.2 炼钢脱氧操作及浇注工艺的影响 我厂轧制钢锭从脱氧方式上分沸腾钢和镇静钢。由于钢液脱氧方式及结晶热力学的条件10

高强度紧固件失效实例分析

高强度紧固件失效实例分析 ⅰ疲劳断裂的实例 一.疲劳断裂的特征 1.疲劳与断裂的概念: 疲劳是机械零件常见的失效形式,据统计资料分析,在不同类型的零件失效中,有50%—80%是属于疲劳失效。疲劳断裂在破坏前,零件往往不会产生明显的变形和预先的征兆,但破坏却往往是致命的,会酿成重大事故。疲劳损坏产生及发展有其特点,最终形成为疲劳断裂。 疲劳问题的探索,最早是在1839年,法国人彭赛列提出材料和结构件的疲劳概念,德国人A·沃勒在1855年研究了代表疲劳性能的应力应变与震动次数的理论(S—N曲线),并且提出了疲劳极限的概念,因此,沃勒被称为材料疲劳理论的奠基人。 疲劳与断裂的力学理论经过一百多年的发展,各行业具体疲劳断裂事例不断涌现,经过科学家及工程师不间断地研究和探索,目前,疲劳断裂科学理论不断地充实和发展,从而在本质上了解了疲劳破坏的机理。 疲劳概念的论述:金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳; 疲劳断裂:材料承受交变循环应力或应变时,引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展,使材料的力学性能下降,最终导致产品或材料的完全断裂,这个过程称为疲劳断裂。也可简称为金属的疲劳。引起疲劳断裂的应力一般很低,疲劳断裂的发生,往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。 2.疲劳的分类: (1)高周疲劳与低周疲劳 10的疲劳,如果作用在零件或构件的应力水平较低,破坏的循环次数高于5 称为高周疲劳,弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。 10的疲作用在零件构件的应力水平较高,破坏的循环次数较低,一般低于4

劳,称为低周疲劳。例如压力容器,汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。 (2)应力和应变来分: 应变疲劳——高应力,循环次数较低,称为低周疲劳; 应力疲劳——低应力,循环次数较高,称为高周疲劳。 复合疲劳,但在实际中,往往很难区分应力与应变类型,一般情况下二种类 型兼而有之,这样称为复合疲劳。 (3)按照载荷类型 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉拉疲劳与拉压疲劳 接触疲劳 振动疲劳 随着断裂力学的不断发展,行业内广大的技术人员逐渐认识疲劳裂纹的产生 及其发展的规律,为控制和减少疲劳引起损害奠定了基础。 3.疲劳断裂的特征: 宏观:裂纹源—→扩展区—→瞬断区。 裂纹源:表面有凹槽、缺陷,或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。 疲劳扩展区:断面较平坦,疲劳扩展与应力方向相垂直,产生明显疲劳弧线,又 称为海滩纹或贝纹线。 瞬断区:是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域,断口有金属滑移痕迹,有些产 品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。 微观:疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。 一些微观试样中还会出现解理与准解理现象(晶体学上的名称,在微观显 象上出现的小平面),以及韧窝等微观区域特征。 4.疲劳断裂的特征: (1)断裂时没有明显的宏观塑性变形,断裂前没有明显的预兆,往往是突然性 的产生,使机械零件产生的破坏或断裂的现象,危害十分严重。 (2)引起疲劳断裂的应力很低,往往低于静载时屈服强度的应力负荷。 (3 )疲劳破坏后,一般能够在断口处能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后这前三种疲劳,往往二种或二种以上交错进行或出现。 前三种类型一般在机械运动中经常出现,是疲劳损坏的主要形式。

单趾弹簧扣件PR弹条断裂原因分析论文

单趾弹簧扣件PR弹条断裂原因分析摘要:采用化学分析、金相检验、硬度测定和受力分析方法,对单趾弹簧扣件pr弹条在使用过程中出现的断裂现象进行了分析。认为弹条断裂的原因是安装工艺不规范、导致弹条的工作弹程和应力超过设计状态引起的。 关键词:弹条断裂检验受力分析 abstract: the chemical analysis, metallographic examination, the hardness testing and stress analysis method, the single toe spring fastener pr play in use article appeared in the process of fracture is analyzed. think of the fracture reason is article installation process is not standard, lead to the work of the article cheng and stress caused by more than design state. key words: article the fracture inspection stress analysis 中图分类号:u213.2+1文献标识码:a文章编号: 1 前言 弹条是轨道结构的重要部件,其有效与否直接关系到行车的安全。它主要利用弹性变形时所储存的能量起到缓和机械上的震动和冲击作用,在动荷载下承受长期的、周期性的弯曲、扭转等交变应力。 某单位生产的弹条为单趾弹簧扣件pr弹条,其结构型式如图1

汽车中的板簧的断裂失效分析

材料断裂理论与失效分析汽车中的板簧的断裂失效分析 专业:材料工程(锻压) 类型:应用型 姓名:*** 学号: 15S******

汽车中的板簧的断裂失效分析 引言 汽车板簧是汽车悬架系统中最传统的弹性元件,由于其可靠性好、结构简单、制造工艺流程短、成本低而且结构能大大简化等优点,从而得到广泛的应用。汽车板簧一般是由若干片不等长的合金弹簧钢组合而成一组近似于等强度弹簧梁。在悬架系统中除了起缓冲作用而外,当它在汽车纵向安置,并且一端与车架作固定铰链连接时,即可担负起传递所有各向的力和力矩,以及决定车轮运动的轨迹,起导向的作用,因此就没有必要设置其它的导向机构,另外汽车板簧是多片叠加而成,当载荷作用下变形时,各片有相对的滑动而产生摩擦,产生一定的阻力,促使车身的振动衰减,但是板簧单位重量储存的能量最低,因些材料的利用率最差。 1.材质是什么?65Mn/低碳钢哪一类合适? 材质一般为硅锰钢。因为碳素弹簧钢因淬透性低,较少使用于汽车中;锰钢淬透性好,但易产生淬火裂纹,并有回火脆性。因此,硅锰钢在我国应用在汽车的板簧上较为广泛。 65Mn钢更为合适,因为: 低碳钢为碳含量低于0.25%的碳素钢,因其强度低、硬度低而软,又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢,大多不经热处理用于工程结构件,有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体,其强度和硬度较低,塑性和韧性较好。因此可以看出,低碳钢不符合板簧材料高强度和高硬度的要求。 65Mn弹簧钢,含有0.90%~1.2%的Mn元素,提高了材料的淬透性,φ12mm 的钢材油中可以淬透,表面脱碳倾向比硅钢小,经热处理后的综合力学性能优于碳钢,但有过热敏感性和回火脆性。Mn是弱碳化物形成元素,在钢中主要以固溶的形式存在于基体中。一部分固溶于铁素体(或奥氏体),另一部分形成含Mn的合金渗碳体(Fe、Mn)。Mn还能显著提高钢的淬透性,改善热处理性能,强化基体、降低珠光体的形成温度,细化珠光体的片间距离,从而提高钢的强度和硬度。总体上,钢中加入锰为0.9%~1.2%,使淬透性和综合性能有所提高,脱

某SUV车型螺旋弹簧断裂失效分析及优化

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/f811518661.html, 某SUV车型螺旋弹簧断裂失效分析及优化作者:李振杜阿雷刘超张树乾王猛 来源:《中小企业管理与科技·上旬刊》2015年第11期 摘要:某SUV车型在耐久试验过程中,螺旋弹簧上平端第一圈末处发生断裂。本文针对可能导致螺旋弹簧失效的机理逐一排查分析,找出螺旋弹簧断裂失效真因,进而对结构或者生产工艺进行优化提升。 关键词:螺旋弹簧;断裂;失效机理;优化提升 1 概述 某SUV车型在可靠性耐久试验中先后出现2次螺旋弹簧断裂(图1)的严重质量问题。 据对故障件分析,发生部位均出现上平端第一圈,现从螺旋弹簧材质检验、结构设计及工作角度、表面防腐处理工艺等方面进行分析,查明真因并进行优化。 2 原因排查 2.1 螺旋弹簧的材质问题 2.1.1 失效件的材料化验结果 2.1.2 硬度测试 用洛氏硬度计对断裂弹簧的硬度进行检验,其外层硬度为HRC49,中心处的洛氏硬度是HRC48,在技术要求的HRC47- HRC52范围内。 2.1.3 断口分析 由于弹簧断裂后又经历了一段氧化腐蚀时间,断面锈蚀严重,经高锰酸钾溶液清洗后的形貌如图2所示,由于锈蚀严重,清洗后仍有少量的氧化物附着,但仍可看出,裂纹起源 于弹簧内侧表面附近,断口与轴线呈45°螺旋状,无明显的塑形变形,断面上有粗大的裂纹扩展条棱,同时发现还有表面裂纹及内部裂纹。裂纹源表面的形貌如图3所示,裂纹源处的表面及其粗糙,有麻坑,而相邻其他地方较为平坦。由于清洗对断口真实面貌有一定的损伤,电镜下已分辨不出断裂机制,但仍留有有用的信息,图4为断裂源区形貌,断面分布有大量的氧化夹杂物,图5为瞬断区形貌,断口有夹杂物形成的孔洞。 2.1.4 金相分析

疲劳断裂失效分析

1 5.1疲劳断裂失效的基本形式和特征 5.2疲劳断口形貌及其特征 5.3疲劳断裂失效类型与鉴别 5.4疲劳断裂失效的原因与预防 第5章疲劳断裂失效分析 2?按应力循环次数 当Nf>105时为低应力高周疲劳(通常所指) 当Nf<10 4时为高应力低周疲劳?按服役的温度及介质条件 机械疲劳、高温疲劳、低温疲劳 冷热疲劳、腐蚀疲劳?基本形式 切断疲劳:面心立方在单向压缩、拉伸及扭转条件下多以切断形式破坏 正断疲劳:大多数的金属构件的疲劳失效都是以此形式进行的,特别是体心立方金属 3 ?疲劳断裂的突发性?疲劳断裂应力很低 ?疲劳断裂是一个损伤积累的过程?疲劳断裂对材料缺陷的敏感性?疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性 4 典型的疲劳断口一般有三个区,即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。疲劳断口的宏观特征与静载破坏的脆性断口相似,无明显的宏观塑性变形。 5 ?疲劳核心是疲劳破坏的起点,它总是位于零件强度最低或应力最高的地方。 ?零件承受弯曲、扭转疲劳负荷时,最大应力区是在零件的表面。 ?零件表面的加工刀痕、凹槽、尖角、台肩等处由于应力集中往往成为疲劳源。 ?如果零件内部存在缺陷,如脆性夹杂物、白点、空洞、化学成分的偏析等,则可能在零件内部产生疲劳源。 1、疲劳核心(或称疲劳源) 6 ù疲劳源的数目可以不止一个,在名义应力较高或是应力集中较为严重时,在高应力区域就可能产生几个疲劳源。 ù疲劳源的位置用肉眼或低倍放大镜就能判断,一般在疲劳区中磨得最光亮的地方。 ù在断口表面同时存在几个疲劳源的情况下,可按疲劳线的密度来确定疲劳源产生的次序,疲劳线的密度越大,表示起源的时间越早。

7 疲劳断口上最重要的特征区域 该区域上常有疲劳断裂独特的宏观标志,如贝纹状、蛤壳状、海滩波纹等。 贝纹线以疲劳源为中心,向四周推进呈弧形线条,垂直于 裂纹扩展方向。 对于光滑试样,疲劳弧线的圆心一般指向疲劳源区。扩展到一定程度时,也可能出现疲劳弧线的转向现象 当试样表面有尖锐缺口时,疲劳弧线的圆心指向疲劳源区的相反方向。 在低周疲劳断口上一般也不常能观察到贝壳状条纹线。 8 $疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断,它的特征与 静拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同,但有时仅出现剪切唇而无放射区。$对于非常脆的材料,此区为结晶状断口,即使是塑性良好的合金钢或铝合金,疲劳断件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。 9 10 6与静载拉伸断裂时不同,拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部。缺口试样由于缺口根部有应力集中故靠近表面裂纹扩展快,结果形成波浪形的疲劳弧线。高应力导致疲劳稳定扩展区较小,而最终断裂区所占比例较大。 6旋转弯曲的疲劳源区一般出现在表面,但无固定地点,疲劳源可 以为多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。而高应力集中时,最终撕裂面移向中心,呈现棘轮花样。交变扭转载荷也出现这种花样 6双向弯曲的疲劳源区可能在零件的两侧表面,最后断裂区在截面内部。在高名义应力下,光滑的和有缺口的零件瞬断区的面积都大于扩展区,且位于中心部位,形状似腰鼓形。随着载荷和应力程度的提高,瞬断区的形状逐渐变形成为椭圆形。在低名义应力下,两个疲劳核心并非同时产生,扩展速度也不一样,所以断口上的疲劳断裂区一般不完全对称,瞬断区偏离中心位置。 11 D第一阶段为切向扩展阶段。在交变应力作用下,使滑移形成的裂纹源扩展形成可观察的裂纹,裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°角方向的滑移面扩展。该阶段中裂纹扩展范围较 小,一般在2~5个晶粒之内。 D第二阶段为正向扩展阶段。裂纹从原来与拉伸轴呈45 °的滑移面,发展到与拉伸轴呈90 °,该阶段的断口具有引人注目的独特形态-疲劳辉纹。 D第三阶段是由于裂纹扩展到一定长度后,使构件的有效截面减少而造成的一次性快速断裂,断口特征常为韧窝型撕裂。 12疲劳辉纹的一般特点 (1)疲劳裂纹是一系列基本上相平行的条纹,略带弯曲呈波浪形,并与裂纹局部扩展方向相垂直,其凸弧面指向裂纹扩展方向。 (2)在疲劳裂纹稳定扩展阶段,所形成的每一条辉纹相当于一次载荷循环。辉纹确定了裂纹前沿线在前进时的位置。(3)疲劳辉纹的间距随应力场强度因子而变化,应力越大,间距越宽;反之应力越小,则间距越窄。 (4)疲劳断口的微观范围内,通常由许多大小不同、高低不一的小断块组成,每一小断块上的疲劳辉纹连续且平行,而相邻小断块上的疲劳辉纹不一定连续和平行。(5)断口的两匹配面上的辉纹基本对应。

弹簧疲劳断裂案例分析

弹簧疲劳断裂案例分析 一2引言 现代工业社会的不断进步,人类生活质量不断提高,对工业产品各项功能的“安全性”、“环保型”、“舒适性”程度要求越来越高。弹簧作为工业产品中不可缺少的基础元件,弹簧的性能直接关系到工业产品整体的质量水平的高低。关于弹簧的问题中,经常碰到和最终要解决的问题是“弹簧疲劳断裂及应力松弛”。这是弹簧工作过程中失效的两种主要形式。弹簧工作中后者更为普遍。应力松弛及弹性衰减的现象意味着弹簧弹性功能的部分丧失,甚至全部丧失。由此可见,提高弹簧疲劳寿命研究应力松弛和弹性衰退的规律及影响因素,对研制新的弹簧材料及抗应力处理技术,对不断提高企业和行业竞争力,对国民经济的发展,不断提高我国弹簧产品及弹性材料研制的科学技术水平,都有重大意义。 二2弹簧的疲劳断裂 通常疲劳断口是由疲劳源、裂纹扩展区、最后瞬时断裂区三部分组成。疲劳源有时非常清楚,有时则不清晰。裂纹扩展区和最后瞬时断裂区则是主要组成部分。 裂纹扩展区的特征:表面比较平滑,是裂纹缓慢扩展、裂纹面相互接触及摩擦造成的结果。它是一种脆性的断裂特征,裂纹扩展方向与最大拉应力方向垂直。通常可以用肉眼发现断口上呈现海滩状、贝壳状或年轮状的花样。可以根据裂纹扩展方向与海滩状条纹相垂直的现象及其曲率半径最小的特征来确定弹簧断裂的疲劳源。 瞬时断裂区特征:疲劳裂纹不断扩展到一定程度后,有效的承载面积不断减少,相应的工作应力逐渐增大,当该应力超过了弹簧的断裂应力时,弹簧就会瞬时断裂。其特征是断口比较粗糙、凹凸不平。 疲劳断裂的微观特征:疲劳裂纹大多数在晶粒边界、相界、夹杂物和脆性碳化物之间开始生成,然后逐渐向内扩展。疲劳断口的微观特征主要表现在裂纹扩展区上。扩展区的主要微观特征是疲劳条带。疲劳条带有以下特征:①条带的形态是起伏或涟波状;②每一条带代表一次循环载荷;③由条带可以断定裂纹前沿 线在前进时的位置;④条带有脆性和塑性的。 三2案例分析 (1)轿车气门弹簧断裂 ①事故描述:气门弹簧是汽车发动机的重要零部件,它不仅控制发动机气门的开闭,还是极为重要的安全部件,故各汽车厂商对发动机气门弹簧的质量都极为重视,内燃机气门弹簧技术条件JB/T 10591-2007要求其台架疲劳试验2300万次不断裂。某型号轿车在出厂后行驶199km时出现发动机异响、怠速抖动现象,经检查后发现一只气门弹簧断裂。

汽车钢板弹簧断裂分析方法

汽车钢板弹簧断裂分析方法 李 涛 (江西五十铃汽车有限公司) 摘要:汽车钢板弹簧在路试或使用中会偶发断裂现象,分析断裂原因的方法应从 断裂宏观、微观入手,对断裂件进行化学成分、低倍组织、夹杂物、硬度、金相、 脱碳层及喷丸检验,从而找出断裂的根本原因。 关键词:钢板弹簧;早期;断裂;分析;热处理;喷丸; Auto leaf spring fracture analysis method Li Tao (Jiang Xi ISUZU Motors Co., Ltd.) Abstract: Auto leaf spring in the road test or use will be accidental fracture phenomenon, this paper analyzes the reasons of fracture method from macro and micro fracture of the broken pieces of chemical composition, macrostructure, inclusions, hardness, metallographic, decarburization layer and shot peening inspection, so as to find out the root cause of the fracture. Key words:Leaf spring;Early;Fracture;Analysis;Heat treatment;Shot peening; 汽车钢板弹簧(下简称:板簧)是汽车关键的弹性元件,主要功能是当路面 对轮子传输冲击力时,钢板产生变形,起到缓冲、减振的作用,纵向布置时还具 有导向传力的作用[1]。 在路试和正常的使用中会偶发板簧断裂现象,在排除设计原因导致产品强度 不够导致断裂的前提下,为查找到断裂的根本原因对其分析过程进行详细诠释。 一、 断裂宏观微观分析 1.断裂位置 常规的板簧断裂位置为U型螺栓夹紧位置附近,此种断裂多为板簧寿命达 到极限,因板簧在设计过程中此区域为应力最大区(除等应力板簧)[2],见下图: 板簧中心孔发生断裂,此种断裂多为对板簧的夹紧出现松动,中心孔为U 型螺栓夹紧的范围内,此段通称为无效段,因U型螺栓夹紧后此段不受到任何 力的作用,但是当U型螺栓夹紧段发生松动后,此段将后受到外部传来的应力, 而中心孔位置本身就是“缺陷”位置,故会产生应力集中,从而导致板簧发生断 裂,此种断裂多数不为板簧本身质量问题。 板簧其他位置发生断裂,这种断裂通常为异常断裂,或因产品本身质量问题 导致断裂,或因外部原因导致板簧产生缺陷导致断裂。

载货汽车钢板弹簧断裂分析

载货汽车钢板弹簧断裂分析 张喆 长春一汽集团汽车材料研究所,长春市 130011 摘要:对工作中遇到的导致钢板弹簧断裂的多种原因进行了总结,探索了提高钢板弹簧疲劳寿命切实可行的有效方法。 关键词:钢板弹簧;失效分析 钢板弹簧是载货汽车悬架的重要组成部件,作为车轮运动轨迹的导向机构,使用底盘受力情况较好,是直接影响着汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性。在汽车行驶过程中,钢板弹簧承受交变应力的作用,疲劳断裂是常见的失效形式。我厂设计生产的J6、J5P 、L501等系列车型的前后悬架上都使用了钢板弹簧,其疲劳寿命对整车质量有着重要的影响。 作者承担了技术中心的钢板弹簧断裂分析工作,本文对工作中遇到的导致钢板弹簧断裂的多种原因进行了总结,探索了提高钢板弹簧疲劳寿命切实可行的有效方法。 1.钢板弹簧材料标准和断裂分析依据 我厂载货汽车使用的钢板弹簧材料主要有50CrMnVA 、50CrVA 、60Si2MnA 、55SiMnVB 等,具有高强度和高可靠性,其性能和工艺性能见表1。 表1 普通弹簧钢力学性能 热处理制度 力学性能 伸长率 δ% 钢材牌号 淬火温度 (℃) 回火温度 (℃) 屈服点 бS ( MPa) 抗拉强度бb ( MPa) δ5 δ10 收缩率ψ% 50CrV A 850 油 500 1150 1300 10 40 55SiMnVB 860 油 460 1250 1400 5 30 60Si2MnA 870 油 440 1400 1600 5 20 作者工作过程中接触到了许多种类的断裂情况,其中既有在台架试验过程发生断裂,也有在道路试验过程中以及用户使用过程中发生断裂。目前,我们主要采用化学分析、断口分析以及金相检验等方法对断裂的钢板弹簧进行失效分析。分析检验主要按照下列标准进行: GB/T 19844-2005《钢板弹簧》、GB/T 1222-1984《弹簧钢》、JB/T 3782-1984《钢板弹簧金相检验标准》以及一些我厂的内部标准。 2.钢板弹簧断裂分析 导致钢板弹簧断裂的因素有很多,由于篇幅的限制不能一一论述,下面将针对工作中遇到的一部分具体原因分别进行举例阐述。 2.1 部分钢板弹簧选材的原因 在进行断裂分析试样中发现少量存在着材料与图纸要求不符的情况。图1所示为我厂12米城市客车车型2912010C1T 钢板弹簧图纸要求的55SiMnVB ,在用户使用过程中发生断裂后的断口照片,该断口形式为类似脆性断裂断口。化学分析的结果显示该弹簧材料为60Si2MnA ,图纸要求的不符。由于材料不符合图纸要求,导致后续的热处理工艺出现问题,弹簧硬度过高,从而产生了图1中的类似脆性断裂断口。

汽车钢板弹簧断裂失效分析

汽车钢板弹簧断裂失效分析 钢板弹簧,又称叶片弹簧,是汽车悬架的重要组成部件,主要用于载重汽车及大客车的前后悬架上。汽车行驶的平顺及操纵稳定性均受到钢板弹簧的影响。钢板弹簧在汽车行驶时受交变应力的作用,疲劳断裂是常见的失效形式。断裂钢板弹簧材料为60CrMnA,经850~870°C加热淬火,440~460°C回火,喷水冷却,表面喷丸处理(采用?0.8~1.2mm铸钢丸,以4m/s速度喷射)。对成品进行疲劳试验,3万次后断裂,而设计寿命要求达6万次。 2试验方法及结果 2.1宏观分析 从断裂钢板弹簧的宏观形貌可知,断口具有疲劳断裂的特征,疲劳源位于受拉应力的一侧,裂源处有多条台阶条纹由表及里扩展。这种台阶条纹反映了疲劳源处存在应力集中。 2.2扫描电镜断口分析 用XL-30扫描电镜观察断口,低倍下可观察到裂纹源形成于弹簧表面的凹坑处,断口上有多个疲劳源,裂源处有多条放射状台阶条纹。在断口裂纹扩展区可观察到疲劳辉纹。 2.3化学分析 在失效钢板弹簧上取样进行化学成分分析,结果符合标准。 2.4硬度检验 由断口分析可知,钢板弹簧属疲劳断裂。从疲劳区和瞬断区的面积看,疲劳区面积大于50%,说明钢板弹簧在工作应力作用下裂纹扩展较深,名义应力并不高,但在裂源处却有多条台阶条纹。在疲劳断口上出现多条台阶条纹则表明有应力集中存在。当表面存在缺口、凹坑、尖角等缺陷时就可能产生应力集中而形成台阶条纹,且出现多个源疲劳。对弹簧表面观察的结果表明,弹簧表面存在较多喷丸形成的凹坑,有些凹坑呈尖角状。断口分析和金相剖面分析结果均表明疲劳裂纹起始于凹坑底部,并检测到多处疲劳源和裂纹。金属疲劳裂纹的形成主要是由于在交变载荷应力作用下(通常为拉应力),在金属表面产生不均匀的滑移,因此裂纹常产生在构件的表面,所以构件的表面状态对疲劳强度影响很大。表面质量包括表面残余应力和表面粗糙度。表面损伤如刀痕、凹坑、缺口等,这些缺陷处易产生应力集中,使疲劳强度下降。一般认为钢的强度越高,对缺口敏感性越大。对高强度钢的零件采用喷丸处理是提高疲劳强度的有效手段,其作用不仅使表面产生残余压应力,而且可以消除表面缺陷,降低缺口应力集中系数和材料对缺口的敏感度。喷丸处理对于提高承受弯曲载荷和扭转载荷的零件的疲劳抗力最为有利。但在不当的喷丸条件下,如喷丸过度,当丸粒变形严重和形状不圆整时,或在太高的喷射压力等不当的条件下就可能造成表面损伤,降低材料的疲劳极限。本例分析的失效弹簧,其表面质量较差,弹坑较大,说明喷丸处理未达到消除表面缺陷作用,相反由于喷射压力太大,使表面局部区域形成的弹坑过大,这种弹坑往往成为应力集中点。断口分析结果证明一处最大的疲劳源的凹坑尺寸长2mm,深0.5mm。金相剖面检查结果也证明疲劳裂纹起始于凹坑。根据试样中检测到的凹坑形状呈尖角状,其凹坑处的应力集中系数可达2~3,疲劳强度将明显降低。现场调查结果,正常采用的钢丸为?0.8~1.2mm小圆球,但实际上有许多弹丸不圆整和变形严重,并有很多长条状不圆整的丸粒夹在其中,图6中的裂纹其裂源处的凹坑实际上就是不规则形状的弹丸造成的弹坑。表面脱碳是引起疲劳断裂的另一原因,铁素体组织硬度低,强度也低,将显微硬度测量值换算成强度值,正常心部回火屈氏体440~464HV,强度可达1460~1600N/mm2,而脱碳区硬度为270~320HV,其强度为890~1005N/mm2。表面脱碳层区的强度下降约500N/mm2。 3结论 (1)汽车钢板弹簧断裂属于早期疲劳断裂失效。引起疲劳失效的主要原因是由于喷丸工艺控制不当,使弹簧表面留下的弹坑过大和过深,且形成呈尖角的弹坑,弹坑的底部成为应力集中区而形成疲劳源。 (2)弹簧表面局部有脱碳现象,脱碳层降低了材料的疲劳强度。 (3)根据分析结论,采取严格控制喷丸工艺,对弹丸的来料进行筛选和控制脱碳现象等措施,使弹簧的疲劳寿命得到明显提高,未产生类似的早期疲劳断裂现象

断裂失效分析(1)

您现在位置:失效分析 广告 断裂失效分析(1) 钟培道 (北京航空材料研究院,北京100095) 1引言 机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂失效两大类。非断裂失效一般包括 磨损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化失效等。 断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效,其分类比较复杂,一般有如下 几种: (1)按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶 断裂和疲劳断裂; (2)按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂; (3)按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。 在失效分析实践中大都采用这种分类法。 断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手,确定断裂失效模式,分析研 究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件(如温度、介质等) 等之间的关系,揭示断裂失效机理、原因与规律,进而采取改进措施与预防对策。 从本期起分期介绍韧性、脆性及疲劳三类断裂失效分析的基础知识及典型失效案 例分析。 2韧性断裂失效分析 2.1概述 韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂之前,在断裂部位出现较为明显 的塑性变形。在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受

的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。 在正常情况下,机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下,一般不会出现韧性断裂失效。但是,由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中,存在着众多环节和各种复杂因素,因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。 2.2韧性断裂机理与典型形貌 工程材料的显微结构复杂,特定的显微结构在特定的外界条件(如载荷类型与大小,环境温度与介质)下有特定的断裂机理和微观形貌特征。金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。 2.2.1滑移分离 韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形,而塑性变形的普遍机理是滑移,即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离,其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。因此有必要对滑移分离加以叙述。 (1)滑移带晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线,滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶称为滑移台阶。由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。确切地说,目前人们将在电镜下分辨出来的滑移痕迹称为滑移带。滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层,滑移层宽度在5~50nm之间。随着外力的增加,一方面滑移带不断加宽,另一方面,在原有的滑移之间还会出现新的滑移带。 金属材料滑移的一般规则是:①滑移方向总是原子的最密排方向;②滑移通常在最密排的晶面上发生;③滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生。 (2)滑移的形式晶体材料产生滑移的形式是多种多样的,主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波状滑移、滑移碎化和滑移扭折等。 (3)滑移分离断口形貌滑移分离的基本特征是:断面呈45°角倾斜;断口附近有明显的塑性变形;滑移分离是在平面应力状态下进行的。 滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样和延伸区。 图1为在电子显微镜下观察到的滑线形貌,是多系滑移留下的微观痕迹。

疲劳破坏的案例

调查项目:疲劳破坏的案例 1.航空发动机高压涡轮盘的裂纹 航空发动机高压涡轮盘在使用后进行大修,对涡轮盘进行荧光检查,显示在涡轮盘辐板与封严臂根部转接处存在裂纹。 下图为扫描电镜对裂纹断口的观察 理论分析 臂根部的转接处,分布约3/4圆周,裂纹不连续,各裂纹各自起源,且裂纹源区粗糙,为典型的大应力起源特征;裂纹断口可见疲劳特征。 对开裂涡轮盘各部位进行外观尺寸检查,各关键尺寸均符合设计要求;裂纹附近亦未见明显的加工缺陷。对涡轮盘材料进行了化学成分分结果表明,其化学成分符合标准要求;在故障件上取样进行了室温和高温下的力学性能测试,试验结果均满足标准要求。 涡轮盘在飞机飞行状态改变时所承受的离心力最大,此离心力为涡轮盘承受的主要应力。 从应力和寿命计算结果看,由于应力集中系数较大,涡轮盘辐板与后封严臂转接处为应力最大的位置,是涡轮盘最容易萌生裂纹的部位之一 根据以上分析可得结论:故障涡轮盘辐板与后封严臂转接处的裂纹性质为低周循环疲劳开裂,该位置的疲劳应力过大是开裂的主要原因。 改进方法 涡轮盘辐板与后封严臂转接处发生低周疲劳开裂,主要是应力水平较大,寿命储备低。

因此,一方面应在不影响涡轮盘功能的情况下增大该位置的R值,以降低该位置的应力集中系数,进而降低该位置的应力。 另一方面,在可能的情况下,提高涡轮盘的疲劳性能,增强其抗疲劳能力。 2.柴油机齿轮失效 齿轮材料为45号钢,齿轮制造工艺为锻造→正火→粗加工→调质→精加工→滚齿→齿面淬火→磨齿。 齿轮上掉块的断口形貌。在断口上能观察到贝壳状条纹,裂源区有许多宏观疲劳台阶条纹,裂源产生于齿根处,并有多个疲劳源。 理论分析 该柴油机齿轮断裂属多源疲劳断裂。引起疲劳的主要原因是由于热处理工艺控制不当,齿根及齿侧面未淬硬,因此造成齿根部材料的疲劳强度远低于设计要求,而齿根处所受工作应力较高,故导致在齿根处产生早期疲劳断裂。这是热处理不良照成的缺陷,属于塑性畸变失效。 3. 汽车变速箱齿轮失效 失效齿轮为载重汽车变速箱一挡齿轮,由渗碳钢制造,在进行台架试验时,未达到设计要求就发生断齿现象。

故障案例分析

靖边压气站压缩机组故障案例分析案例一:压缩机组因振动过高产生的故障 靖边压气站三台压缩机组均为往复式压缩机,往复式压缩机存在往复惯性力产生的机械振动和压缩气体产生的气流脉动,导致机组振动。如果压缩机各管区内的气流脉动频率和管道各区域的固有频率与压缩机的工作频率(转速)处在共振范围内,将产生共振现象,使机组振动大影响机组的安全运行。以下为几例因机组振动引发的故障: 故障一:C#压缩机组仪表气进气管压力表接头处断裂 1、基本情况 2004年11月7日22:00,正在值班的人员听见现场产生大的气流声,判断压缩机房发生天然气泄漏,在无法判断泄漏点时及时关闭工艺区进站球阀、关闭燃料气总供气阀,使机组停机,同时打开机房门窗保持通风状态,检查泄漏点。 2、原因分析 停机后经现场检查发现为C#机组燃料气总管引出的仪表气压力表引压管弯头处断掉,机组燃料气在此处大量泄漏。因压力表引压管管径较细且无支撑,压力表选取150mm,机组在运行时产生的振动使弯管处形成应力疲劳导致引压管弯头处发生裂管及断管现象。 3、处理结果 因仪表气的压力相对比较稳定,临时处理拆卸压力表,用丝堵封堵取压口运行机组。 4、经验总结 通过此次故障的发生及事后的经验总结: 1)、在发生气体大量泄漏时及时关闭工艺区进站球阀、关闭燃料气、工艺气阀门,使机组停机,同时打开机房门窗保持通风状态,检查泄漏点,故障处理的果断及时。 2)值班人员在无法确定具体泄漏点时,可通过值班室工控机燃料气及工艺气流量的变化判断哪个机组哪个系统泄漏量的大小,通过可燃气体报警仪数值的变化大小判断可燃气体浓度及哪台机组哪个部位泄漏。根据确定的泄漏系统、泄漏量及可燃气体浓度采取可行的处理措施。 5、预防措施 1)机组上燃料气、启动气、供油管线一般较细且弯管较多,应对这些管线振动较大的位置给予固定的支撑,同时能尽量减少弯管的路径。例行检查要认真到位;

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