材料疲劳案例分析及设计

材料疲劳破坏案例波音747的疲劳开裂报告内容摩托车发动机连杆断裂原因分析波音747的主要尺寸波音747的疲劳开裂波音747外表皮的成分分析：•设计师为了减轻飞机自身重量，使得飞机能减少耗油量能飞得更远，表皮采用的是铝合金。波音747飞行速度与常识：•波音747一经问世，便赢得了全世界乘客的青睐。747集先进技术于一体，是世界上最先进、燃油效率最高的飞机。747-400是目前生产的唯一747机型，在气动性能方面有了许多重要的改进。波音747是目前世界上运用最广泛的客运飞机，也是最快的亚音速飞机，其速度能达到音速的85%，即900km/h。波音747的疲劳开裂波音747主要疲劳断裂的部位：•轴类、连杆、轴承类零件由于需要长时间在应力下工作，所以是疲劳失效主要发生的部位。因此需要选择疲劳强度比较高的材料来制造这部分零件，这样可以提高零件的使用寿命，以及机身整体的使用寿命和安全性。波音747的疲劳开裂•事件回顾•2002年5月25日，中华航空611号班机为一架波音747-209B型客机，由桃园国际机场前往香港国际机场途中，因金属疲劳导致飞机在澎湖外海35,000呎高空解体坠毁。206名乘客及19名机组员无人生还。原因追溯•1980年2月7日，该航机在香港启德机场曾因重落地损伤到机尾蒙皮。•损伤到机尾后，华航仅用一块面积与受损蒙皮相当的铝板覆盖该处（根据波音的维修指引，新蒙皮的面积须较受损的大最少30%），并没有依波音所订的维修指引把整块蒙皮更换，造成该地方累积了金属疲劳的现象。22年来，维修人员没有察觉任何异常。•该处裂开后，造成空中失压解体。根据事故后回收的机身残骸，该处裂痕至少长达90.5吋（约2.3米），而研究显示在高空中飞机上的裂痕超过58吋（约1.5米）时就会有结构崩毁的可能。飞机金属疲劳与交变载荷在服役期间，飞机不断重复着起飞、飞行与降落这一过程，而在每次起飞、飞行与降落过程中，飞机的结构都承受着各种各样反复作用的疲劳载荷。这些疲劳载荷主要包括：跑道上颠簸的地面滑行载荷；飞行中大气紊流(乱流)引起的“突风载荷”；飞机作俯仰、偏航以及侧身等动作时的机动载荷；飞机着陆时的撞击载荷；气密座舱飞机舱内增压一卸压的所谓“地—空—地”循环载荷。这些载荷通常都比较小，不足以使飞机结构发生一次性断裂，但它们日复一日，年复一年地作用在飞机上，飞机结构中的疲劳损伤便会在不知不觉中累积。一旦这种疲劳损伤累积到一定程度，飞机的结构就会开裂，从而发生破坏，并最终诱发空中解体。飞机金属疲劳与腐蚀疲劳•统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与腐蚀或腐蚀疲劳有关。•由于具有重量轻、强度好等优越性能的高强度铝合金已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从目前对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合金对腐蚀引起的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝合金结构的疲劳寿命大大缩短。飞机金属疲劳与声疲劳•噪声源以压力波的形式带动周围的空气振动，将声波向四周传播，当声波遇到飞机结构时，便会在结构上形成声压。现代飞机的噪声源除了发动机外，还包括飞机的辅助动力装置、航炮或火箭发射，以及机体附面层气流起伏引起的飞行器结构振动等。•声疲劳同其他由于随机载荷而产生的疲劳破坏没有本质上的区别。它同样可以使飞机的薄板结构因声致振动而产生破坏；或引起铆钉松动、断裂、甚至飞掉；有时还会引起蒙皮撕裂。这些故障都会影响飞机结构的完整性与安全性。预防疲劳开裂的措施：•设计飞机要考虑降低作用于零件危险部位上的实际应力，当零件表面存在缺陷、表面粗糙及表面有应力集中时，都会加速裂纹的萌生。因此，设计中应尽量避免应力集中，如避免复杂的型面、注意截面尺寸的圆滑过渡，提高表面光洁度、防止表面划伤以及避免表面缺陷和软点等。•机身的制造制造飞机时，机身的设计一定要均匀，若受力不平均将很容易出现疲劳断裂，制造工艺要确保缺口质量，有缺口的零件应避免选用缺口敏感的材料。预防疲劳开裂的措施：•材料的选择在保障飞机安全的情况下，尽可能地选择综合机械性能较好的材料作为飞机结构中的关键构件，减少材料内部缺陷；减小零件表面粗糙度数值以及采取各种表面强化方法。•定期的维护和保养定期为飞机做全方位仔细的检查，主要查看飞机外表皮的焊接位置有无裂缝，或者铆钉有无断裂。实例:摩托车发动机连杆断裂原因分析•广东某摩托车厂一辆摩托车在运行了2000km后发生机械故障，经拆机检查，发现发动机曲轴连杆断裂。•据悉该连杆材料为20CrMnTi，表面经过渗碳处理。•连杆工作原理见图1，连杆的往返运动带动两传动曲轴转动。•1宏观检查•失效连杆件有两个断口在连杆断裂端的轴承弧面可见许多与断口平行的裂纹[图3(a)]；•断裂端一侧面存在强烈磨擦痕迹[图3(b)]，磨损深度达0.5mm；•轴承弧面靠近磨擦侧面一端可见蓝灰色的高温氧化痕迹[图3(c)]。•1宏观检查•断口1较为光滑平整，断口边缘已磨损，中部可见疲劳弧线[图3(d)]；•断口2未见疲劳弧线。•2扫描电镜分析•断口1在扫描电镜下显示疲劳弧线图(a)；根据弧线的走向可以找到疲劳源，疲劳源在图(d)右下方拐角处，局部放大，源区的细微组织大部分已磨损，但能看到放射棱特征图(b)；在疲劳扩展区可见疲劳条纹及二次裂纹图(c)；断口2未见疲劳条纹，只有韧窝，可见断口1是最先开始断裂的断口，而断口2是二次断口。•3化学成分•在连杆身部位取样，进行化学成分(质量分数，%)分析，结果符合GB/T3077-199920CrMnTi的化学成分要求4结果分析•综合上述检验结果，失效件材料化学成份符合技术条件要求。•连杆断裂端一侧面出现非正常严重磨擦现象，轴承弧面靠近磨擦面一端出现的蓝灰色的氧化膜，是黑色氧化铁(Fe3O4)及红色氧化铁(Fe2O3)的混合体，其形成温度在400℃以上。表明该连杆与一输出轴之间的磨擦导致该区域温度过热。•断口扫描电镜分析表明断口疲劳裂纹源在氧化膜附近的拐角处，正处于高温区域。表面氧化会使裂纹产生的机会增加，同时高温提高了蠕变损伤的可能性。另一方面磨擦导致金属表面粗糙，容易形成表面应力集中，增大疲劳源产生的可能性。•断裂起源往往发生在拉应力最大的层面上。从连杆运动受力情况分析，断口1的断面所受的拉应力最大，容易在此断面靠近磨擦面的拐角处形成裂纹源。同时由于该区域存在较粗大的块状碳化物，破坏了基体组织的连续性，加速了裂纹的形成和扩展，降低了疲劳强度，最终导致了疲劳断裂。•连杆渗碳表面的碳化物过大与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度过高造成的，特别容易在工件尖角处形成，导致零件寿命显著下降。因此在渗碳过程中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势引起工件表面形成粗大的碳化物。•5结论•曲轴连杆断裂属疲劳断裂，引起断裂的原因是在使用时连杆受到剧烈磨擦，导致局部区域应力集中及温度过高，降低了材料的疲劳强度。连杆拐角处表面的较大块状碳化物加速了裂纹的萌发及扩展。6改进•设计时减少摩擦处的粗糙度，可以减少应力集中，降低零件的疲劳强度。同时减少摩擦带来的高温，减少了蠕变损伤的可能性。•改善渗碳工艺。连杆渗碳表面的碳化物过大与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度过高造成的，特别容易在工件尖角处形成，导致零件寿命显著下降。因此在渗碳过程中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势引起工件表面形成粗大。改善材料疲劳限或疲劳强度的方法一般难以改变零件的使用条件，需尽量改善零件设计，如从表面效应着手。只要防止结构材料与机械零件表面应力集中、阻碍位错滑移堆积、抑制塑性变形，则疲劳裂纹不易成核亦难以扩展，将使疲劳限或疲劳强度增加。A.减缓应力集中B.提高表面光洁度C.增强表层强度A.减缓应力集中的措施•设计中要避免出现方形或带有尖角的孔和槽。•截面尺寸突然改变处（如阶梯轴的轴肩），采用半径足够大的过渡圆角，以减轻应力集中。•因结构上的原因，难以加大过渡圆角的半径时，可以在直径较大的部分轴上开减载槽或退刀槽。A.减缓应力集中的措施•紧配合的轮毂与轴的配合面边缘处，有明显的应力集中。若在轮毂上开减荷槽，并加粗轴的配合部分，以缩小轮毂与轴之间的刚度差距，便可改善配合面边缘处应力集中的情况A.减缓应力集中的措施•在角焊缝处，采用坡口焊接，应力集中程度要比无坡口焊接改善的多。B.增高表层强度用机械法强化表层（如滚压、喷丸等），使构件表面形成预压应力层，减弱易引起裂纹的表面拉应力，从而提高疲劳强度。或采用热处理和化学处理，如高频淬火、渗碳、氮化等。喷丸处理采用直径0.1-1mm小钢珠以高速冲击试样表面，以去除表面锐角、毛边等易应力集中处，且使表面压缩至钢珠直径的1∕4-1∕2深度，使零件表面产生残余应力而抑制疲劳裂纹的扩展。采用渗C或N等方法使表面形成一定深度的硬化层，将抑制塑性变形，而使疲劳裂纹不易在表面成核。C表面硬化Thankyou!