金屬材料的微動疲勞損傷
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微動按其損傷形式分為三類,微動磨損、微動腐蝕和微動疲勞,其中微動疲勞是最為常見也是危害最大的一種。交變載荷和微動能促使疲勞裂紋早期萌生和早期擴展,最后導致構件在大大低于材料疲勞極…
微動按其損傷形式分為三類,微動磨損、微動腐蝕和微動疲勞,其中微動疲勞是最為常見也是危害最大的一種。交變載荷和微動能促使疲勞裂紋早期萌生和早期擴展,最后導致構件在大大低于材料疲勞極限,甚至低于材料彈性極限時失效,這一現象就被稱為材料的微動疲勞.
微動疲勞損傷是各種壓配合或收縮配合構件在交變應力或振動作用下的主要破壞形式,且在實際工作的條件下幾乎不能避免。微動疲勞造成的損傷在民用機械、航空航天、核工業、電力工業、人體植入物等領域廣泛存在。由于微動疲勞會加速構件接觸表面及表層裂紋的萌生和擴展,從而大大降低了部件的疲勞壽命。
在航空航天、交通、核能等諸多工業部門中均存在微動疲勞損傷問題,大量的航空機械構件都是由于這個原因導致的失效,鐵道車輛的車軸與輪對之間在壓裝區所產生的疲勞斷裂也是典型的微動疲勞破壞實例。由于微動是構件在實際應用中不可避免的,而微動疲勞的損害又是不易察覺的,其后果卻是極其嚴重的,因此微動疲勞的問題既具有普遍性和隱蔽性,同時又是致命性的。
微動疲勞破壞經過4個階段,即:(1)裂紋萌生;(2)裂紋早期擴展;(3)裂紋后期擴展;(4)構件失穩斷裂。疲勞主要取決于裂紋的萌生和早期擴展,影響微動疲勞的因素很多,例如溫度、環境、載荷和位移幅度等,其中最重要的三個因素是接觸壓力、位移幅度和摩擦系數。
由于鋁合金在航空航天領域的重要地位,近年來鋁合金的微動疲勞問題引起了人們的關注,材料界對影響鋁合金的微動疲勞的因素、微動疲勞的微觀機理及防護措施進行了深入的研究。關于微動疲勞的防護措施,現在研究人員的工作主要集中在施加涂層、噴丸處理和時效處理。研究表明,表面處理包括氮化鈦涂層對鋁合金疲勞抗力有很大的影響;采用空心陰極技術的鈦涂層可提高低應力條件下疲勞壽命,然而在更高的應力下,這種提高并不顯著。在低應力條件下,鈦涂層會提高疲勞壽命,而在高應力時,卻會降低微動疲勞壽命。
雙重處理,包括滲氮加鈦涂層的直流磁控濺射處理,可使疲勞壽命在低應力下提高185%和在高應力下提高近60%。另外,噴丸處理對鋁合金的微動疲勞也有很大影響,噴丸處理后的構件在最大循環應力下能顯著提高疲勞壽命,但過高應力水平的噴丸處理卻會使普通疲勞和微動疲勞壽命均降低。
同時應用噴丸硬化技術和鈦涂層技術,在低應力下,疲勞壽命可提高130%,然而在高應力下,壽命明顯降低。總的來說,對微動疲勞的研究還處于比較初級的階段,還有很多問題尚未解決,需要進一步的研究。
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