测风传感器用金属材料疲劳断裂的分析

螺旋桨式测风传感器用连接件疲劳断裂试验分析石彦平，成文（山东省海洋环境监测技术重点实验室山东省科学院海洋仪器仪表研究所山东青岛266001）摘要：螺旋桨式测风传感器通过风吹动螺旋桨转动，产生脉冲信号测定风速值，螺旋桨连接部分金属材料的可靠性不仅关系传感器测量的准确性，一旦连接件断裂脱落更会危机周围人员和物体。而疲劳断裂是其主要破坏形式，为此对其进行疲劳断裂试验事在必行。关键字：连接件；疲劳；断裂AbriefintroductiononfatiguefractureofshipboardmetallicmaterialShiYanping，Chengwen1.ShandongProvincialKeyLaboratoryofOceanEnvironmentMonitoringTechnology,2.ShandongAcademyofSciencesInstituteofOceanographicInstrumentation,Qingdao266001，china）Abstract:Withthedevelopmentofshipbuildingindustry,thecorrespondingtechnologiesarealsodevelopedtodifferentexcellent.Somenewmaterialsandtechnologiesarewidelyappliedintheshipbuildingindustry,whichalsobringssomeproblemssuchasfatiguefractureofmetallicmaterial.Howtofullyutilizethesenewmaterialsandtechnologiesandtimelyavoidthenegativeeffectsbroughtbythemhasbecomeakeyproblemthatwemustface.Inthispaper,abriefintroductiononfatiguefractureofshipboardmetallicmaterialwasclarified.KeyWord:Joining；Fatigue；Fracture中图分类号：文献标识码：A1引言测风传感器有杯式、螺旋桨式、超声式等类型。螺旋桨式测风传感器的外形类似飞机，其前端装有螺旋桨，螺旋桨的转速与风速成正比，通过测量螺旋桨转速即可得到风速值。通过测量飞机尾翼的位置，可以得到风向具体数值。疲劳是一种隐藏的破坏方式，但是又无时无刻在进行，并且几乎不可能完全避免。金属、塑料、木材、混凝土、有机玻璃、橡胶和复合材料等各种不同材料的结构，在载荷的反复作用下，都会产生疲劳现象[1]。由于疲劳破坏常常是在低应力状态下进行的，它没有明显的塑性变形，不容易被观察到，所以往往造成灾难性的事故，造成巨大的经济损失和影响人们的生命及财产的安全。因此，对螺旋桨式测风传感器用连接件进行疲劳断裂实验是十分必要的。2概述2.1金属材料疲劳断裂研究的重要性疲劳断裂发生在承受交变或波动应变的结构中，一般来说结构破坏时对应的最大应力要低于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此材料在疲劳断裂时往往没有明显的塑性变形[2]。资料统计显示，大约有50-90%的机械结构破坏属于疲劳破坏[3]。例如，在二战前后，约有20架英国“惠灵顿”号重型轰炸机连续失事，1951年英国“鸽式”飞机在澳大利亚失事，1952年美国“F-86”歼击机在空中爆炸，1953～1954年英国“维金”和“彗星”号喷气客机又接连发生机毁人亡的事故，1979年美国“DC-10”大型客机在芝加哥奥黑尔国际机场起飞不久后坠毁。这一系列航空事故经调查都是由于疲劳破坏造成的。疲劳破坏不仅威胁航空业，也给铁路运输、造船、动力机械、化工行业、工程机械等造成威胁。现代工业中的许多关键部件，如蒸汽机的涡轮转子和壳体，压力容器，燃气轮机的转子、叶片、和盘等都严重遭到疲劳的袭击。就电站设备来说，西德从1971～1974年蒸汽轮机设备共发生过1393起事故，法国和英国的核电站大型锅炉也都发生过爆炸事故。至于高压储罐、输送石油管道、阀门，机械中的曲轴、连杆、齿轮、轴承等发生的疲劳破坏事故，就更是无法统计了。2.2螺旋桨式测风传感器用连接件疲劳断裂实验XZC2-2G型测风传感器为定型产品，现在广泛用于海军各型舰船、海洋局各型浮标、海洋研究平台等。选择与连接件同型同批次的金属材料制成试样，进行试验与分析。图1试样的形状及尺寸（单位：mm）试验结束后,使用电子显微镜(SEM)详细观察试样的断口形貌,同时使用“Leika”金相分析系统对断口的裂纹萌生位置及裂纹初期的尺寸参数进行了测量。结果表明:疲劳裂纹的萌生机制可以分为两种,一种为表面裂纹萌生机制,发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶体滑移或表面夹杂引起的；另一种为内部裂纹萌生机制,发生在低应力幅长寿命区,是由试样内部的非金属夹杂物引起的。通过对试验结果的分析和处理,描绘出了它的S-N曲线。通过对裂纹萌生位置处尺寸参数的计算和评估,阐述了裂纹萌生于内部的破坏机理,提出了基于裂纹尺寸参数的超高周疲劳极限的推定方法。图2给出了GCr15钢在旋转弯曲疲劳加载下测得的S-N曲线,图中的空心圆符号(○)表示分布在高应力幅短寿命区的试验结果；实心圆符号(●)表示分布在低应力幅长寿命区的试验结果.两种裂纹萌生的试验数据分布于试验施加的全部应力幅范围,呈现混合分布的趋势.并根据后面描述的断口观察结果可知,它们对应于不同的裂纹萌生位置。从图2中可以看出,在超高周疲劳阶段(107~109),裂纹基本上都萌生于试样内部,这说明内部起裂是超高周疲劳的一个典型特征。图2S-N曲线图3试样断口观察疲劳试验后，使用SEM对试样断口上的疲劳裂纹萌生位置进行了观察。根据裂纹萌生位置的不同，试样疲劳破坏的模式可被分成两类,一类是表面破坏模式,是由试样表面加工伤痕诱发的晶体滑移或表面的夹杂引起的,见图3(a)和图3(b)；另一类是内部破坏模式,是由试样内部的非金属夹杂物引起的，并且在夹杂物的周围有“鱼眼”(Fish-eye)形貌特征的内部裂纹发生,见图3(c)。另外,在许多内部裂纹萌生位置的夹杂周围有一个颗粒状的白区被观察到,它和外部较平坦的裂纹区域有着明显不同的形貌,如图3(d)所示。3结束语本文对测风传感器连接件疲劳断裂试验的试验结果进行了初步分析。参考文献[1]程育仁，缪龙秀，侯炳麟.疲劳强度.北京：中国铁道出版社.1990[2]赵少汴，王忠保编著.抗疲劳设计-方法与数据.北京：机械工业出版社，1997[3]程育仁等，疲劳强度.北京：中国铁道出版社，1992[4]李伟,李强等.GCr15钢超高周的疲劳行为[J].北京：北京交通大学学报,2008,32(4)::24-27作者简介：石彦平，男，1965年2月生，山东胶南人，工程师，研究方向：海洋仪器仪表研制。电话：[phone]