金属疲劳检测

人们所见到的金属，看起来熠光闪闪、铮铮筋骨，被广泛用来制作机器、兵刃、舰船、飞机等等。其实，金属也有它的短处。在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳状态，而且，一旦产生疲劳就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。 为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。 　　早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。　　在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。　　金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而，也有另外的用处。现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要1―2秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需要。

金属零件产生疲劳断裂的原因各不相同，归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。1、表面状态 表面的粗糙度对材料的静强度影响不大，但对疲劳强度则有非常明显的影响。承受弯曲疲劳及扭转疲劳负荷的构件，其表面应力最高。大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂绝大多数起源于构件的表面。因此，凡是制造工艺过程中产生各类裂纹（如淬火裂纹），尖锐缺口（如表面粗糙度不符合要求、加工刀痕等）都将导致疲劳裂纹的形成并降低构件的疲劳寿命。表面粗糙度值越低，材料的疲劳极限越高，材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。2、零件的几何形状及尺寸 零件的几何形状不合理，如存在槽、孔、圆角、缺口和螺纹等常见的外形不连续形式。由于外形不连续，就会产生应力集中。大的应力集中对疲劳裂纹形成和扩展有很大作用。 零件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。一般来说，随着零件尺寸的增大，其疲劳极限下降。而且缺口试样比光滑试样的尺寸效应更为显著。 疲劳强度尺寸效应的原因，其一是尺寸增大会增加表面的各种缺陷，增大疲劳裂纹的萌生概率；其二是零件尺寸增大会降低弯曲、扭转零件截面的应力梯度，增大表层高应力的体积，增加萌生疲劳裂纹的概率，因而其疲劳强度就降低。3、装配与连接效应 装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很大影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上，过大的拧紧力并非对提高连接的可靠性有利。4、载荷特性 零件所受的载荷应力超过材料的疲劳极限时。定义为“超载”，低于疲劳极限的应力称为“次载”。对于高周疲劳，增大应力则会出现：a容易产生多个裂纹；b疲劳条带之间的距离增大；c最终瞬断区的面积增大。而金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。这种现象可能是应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。 不同零件在工作时具有不同的载荷频率，载荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度，这可能是和每一周次的塑性应变累积损伤量不同有关。 实际零件在工作时都是非连续（有间歇）运行的，当加载应力低于并接近于疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇超载加载则会降低疲劳强度。因为在次载时有疲劳强化，间歇可进一步应变时效强化，故能提高疲劳强度；而在超载时因其损伤积累有疲劳弱化，间歇也不起作用。5、材料的组织和性能 抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感性小，循环韧性大。 在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，碳具有固溶强化及与碳化物元素有弥散强化的作用，可提高材料的形变抗力；而合金元素主要是通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响疲劳强度，细化晶粒可提高疲劳强度。钢的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体较珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体混合组织具有更佳的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织含量的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。铸铁，特别是球墨铸铁，具有足够的强度和极小的缺口敏感性，因此具有较好的疲劳性能。而非金属夹杂物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲劳抗力降低。因此，金属材料的组织不均匀性及其组织状态不良，材料选用不当或在生产过程中由于管理不善而错用材料是造成疲劳断裂的重要原因。6、使用环境 环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，会使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。 一般来说，温度降低、疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。这是因为金属的变形抗力下降，使疲劳裂纹容易形成。高温下金属通常不存在疲劳极限。 腐蚀性环境对材料的静强度虽然有一定的影响，但其影响程度远不如它对疲劳极限的影响。通常，对腐蚀环境敏感的材料，其疲劳性能降低比较显著。如对于一般中等强度的合金结构钢，腐蚀环境可使其疲劳极限下降l/3~l/2。因此，腐蚀与疲劳叠加在一起，发生交互作用，于是腐蚀疲劳极限比在无腐蚀条件下的疲劳极限低。

许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环作用以后，也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳。金属材料疲劳断裂的特点是：（1）载荷应力是交变的；（2）载荷的作用时间较长；（3）断裂是瞬时发生的；（4）无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：（1）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。（2）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在10000~100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。（3）热疲劳：指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳破坏。（4）腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活性气体等）的共同作用下，所产生的疲劳破坏。（5）接触疲劳：这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。