1.疲勞：金屬材(cai)料在應力或(huo)應變(bian)(bian)的反復作(zuo)用(yong)下發生的性能變(bian)(bian)化稱為疲勞。

2.疲勞(lao)(lao)斷(duan)裂(lie)(lie)：材料承受交變循環應(ying)力或應(ying)變時，引起的(de)(de)(de)局(ju)部(bu)結(jie)構變化和內部(bu)缺(que)陷的(de)(de)(de)不斷(duan)地發(fa)(fa)展(zhan)，使材料的(de)(de)(de)力學性(xing)能下(xia)降(jiang)，最終導致產品或材料的(de)(de)(de)完全斷(duan)裂(lie)(lie)，這個過程(cheng)稱(cheng)為(wei)疲勞(lao)(lao)斷(duan)裂(lie)(lie)，也可簡(jian)稱(cheng)為(wei)金屬的(de)(de)(de)疲勞(lao)(lao)。引起疲勞(lao)(lao)斷(duan)裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)應(ying)力一(yi)般很低，疲勞(lao)(lao)斷(duan)裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)生，往往具有(you)突發(fa)(fa)性(xing)、高度局(ju)部(bu)性(xing)及(ji)對各種缺(que)陷的(de)(de)(de)敏感性(xing)等(deng)特點。  

1.高(gao)周(zhou)疲勞與低周(zhou)疲勞

     如果作用在零(ling)件或(huo)構(gou)件的(de)(de)應力水平較低，破壞的(de)(de)循環次數高于(yu)10萬次的(de)(de)疲(pi)(pi)勞(lao)，稱為高周疲(pi)(pi)勞(lao)。例如彈簧、傳動軸、緊固件等類(lei)產品一般以高周疲(pi)(pi)勞(lao)見(jian)多。

     作用在零件構件的應力水平較高，破壞的循環次數較低，一般低于1萬次的疲勞，稱為低周疲勞。例如壓力容器，汽輪機(ji)零件的疲(pi)勞損壞(huai)屬于低周疲(pi)勞 。

2.應力和應變分析

     應變疲勞(lao)——高應力，循環次數較低，稱為(wei)低周疲勞(lao)；

     應(ying)力(li)疲(pi)勞(lao)——低(di)應(ying)力(li)，循環次數較(jiao)高，稱為高周疲(pi)勞(lao)。

     復(fu)合疲(pi)勞，但在實際中，往(wang)往(wang)很(hen)難(nan)區分應力與應變類(lei)型，一(yi)般情況(kuang)下二(er)種類(lei)型兼而(er)有之，這樣稱為復(fu)合疲(pi)勞。

3.按(an)照載荷類型分(fen)類

     彎曲(qu)疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)、扭轉疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)、拉壓(ya)疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)、接觸疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)、振動疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)、微動疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)。

宏(hong)觀：裂(lie)紋源→擴展(zhan)區→瞬斷(duan)區。

裂紋源(yuan)：表(biao)面有(you)凹(ao)槽、缺陷(xian)，或者應力集中(zhong)的區域是產生裂紋源(yuan)的前提條件(jian)。

疲勞擴展區：斷面(mian)較平坦，疲勞擴展與應力方(fang)向相垂直，產生明顯疲勞弧(hu)線(xian)，又稱為海(hai)灘紋(wen)或貝紋(wen)線(xian)。

瞬(shun)斷(duan)(duan)區(qu)(qu)：是疲勞裂(lie)紋(wen)迅速擴展(zhan)到瞬(shun)間斷(duan)(duan)裂(lie)的區(qu)(qu)域，斷(duan)(duan)口有(you)金屬滑(hua)移痕跡，有(you)些產(chan)品(pin)瞬(shun)斷(duan)(duan)區(qu)(qu)有(you)放射性(xing)條紋(wen)并具有(you)剪切唇區(qu)(qu)。

微(wei)觀：疲勞(lao)斷(duan)裂典型的特(te)征是出現疲勞(lao)輝紋(wen)。

一些微觀試(shi)樣中還會出(chu)現(xian)解理(li)與準解理(li)現(xian)象(xiang)（晶體學上的(de)名稱(cheng)，在微觀顯象(xiang)上出(chu)現(xian)的(de)小(xiao)平面），以及韌(ren)窩等微觀區域(yu)特征。 

（1）斷(duan)裂(lie)時沒有(you)明(ming)顯(xian)的(de)宏觀(guan)塑(su)性(xing)變形，斷(duan)裂(lie)前沒有(you)明(ming)顯(xian)的(de)預兆，往往是(shi)突然性(xing)的(de)產(chan)(chan)生，使(shi)機械零(ling)件產(chan)(chan)生的(de)破壞(huai)或斷(duan)裂(lie)的(de)現象，危害十分嚴重。

（2）引起疲勞斷裂的(de)應力(li)很低，往往低于靜載時(shi)屈(qu)服強度的(de)應力(li)負(fu)荷。

（3）疲勞(lao)破壞后，一(yi)般能夠在斷口處能清楚地(di)顯示(shi)出裂紋的(de)發(fa)生、擴展和最后斷裂的(de)三個區域的(de)組成部分。 

     廣東某摩托車廠一輛(liang)摩托車在(zai)運行(xing)了(le)2000km后發(fa)(fa)生機(ji)械故障，經拆機(ji)檢查，發(fa)(fa)現(xian)發(fa)(fa)動(dong)機(ji)曲軸連桿(gan)斷(duan)裂。據悉(xi)該(gai)連桿(gan)材料(liao)(liao)為20CrMnTi，表面經過滲(shen)(shen)碳處理(li)。連桿(gan)工作原理(li)見(jian)圖1，連桿(gan)的往返運動(dong)帶動(dong)兩傳動(dong)曲軸轉動(dong)。20CrMnTi是合(he)金結構鋼，含碳量(liang)0.2%左右，含錳(meng)1%左右，含鈦(tai)1%左右。這(zhe)種材料(liao)(liao)一般做(zuo)軸類零(ling)件，要求滲(shen)(shen)碳。 

圖1

1.宏觀檢查

     失效連桿件有兩個斷口(kou)(kou)在(zai)連桿斷裂(lie)端的(de)軸承弧(hu)(hu)面(mian)可(ke)見(jian)許多與斷口(kou)(kou)平行的(de)裂(lie)紋[圖3(a)]；斷裂(lie)端一(yi)(yi)側面(mian)存在(zai)強烈磨(mo)(mo)擦痕跡(ji)[圖3(b)]，磨(mo)(mo)損深度0.5mm；軸承弧(hu)(hu)面(mian)靠近磨(mo)(mo)擦側面(mian)一(yi)(yi)端可(ke)見(jian)藍灰色的(de)高溫氧化痕跡(ji)[圖3(c)] 。斷口(kou)(kou)1較為光滑平整，斷口(kou)(kou)邊緣已磨(mo)(mo)損，中部(bu)可(ke)見(jian)疲勞弧(hu)(hu)線[圖3(d)]；斷口(kou)(kou)2未(wei)見(jian)疲勞弧(hu)(hu)線。

圖2

圖3

2.掃描電鏡分析

     斷(duan)(duan)口(kou)1在(zai)掃描電鏡下(xia)顯示疲(pi)勞弧(hu)(hu)線[圖4(a)]；根據弧(hu)(hu)線的(de)走向可以(yi)找到疲(pi)勞源，疲(pi)勞源在(zai)[圖4(d)]右(you)上方(fang)拐角處(chu)，局部(bu)放大，源區的(de)細微組織大部(bu)分(fen)已磨(mo)損，但(dan)能看到放射棱特征[圖4(b)]；在(zai)疲(pi)勞擴展區可見(jian)疲(pi)勞條紋(wen)及二次裂紋(wen)[圖4(c)]；斷(duan)(duan)口(kou)2未(wei)見(jian)疲(pi)勞條紋(wen)，只有韌窩，可見(jian)斷(duan)(duan)口(kou)1是(shi)(shi)最先開始斷(duan)(duan)裂的(de)斷(duan)(duan)口(kou)，而斷(duan)(duan)口(kou)2是(shi)(shi)二次斷(duan)(duan)口(kou)。

圖4

3.化學成分

     在連桿身部位取樣，進行化學成分(質量分數，%)分析，結果符合GB/T3077—1999 20CrMnTi的化學成(cheng)分(fen)要(yao)求 。

4.結果分析

       綜合上述檢驗(yan)結(jie)果，失效件(jian)材料化學(xue)成份符合技術條件(jian)要求。

      連桿斷裂端一(yi)側面出(chu)(chu)現(xian)非正(zheng)常嚴重磨(mo)擦(ca)現(xian)象，軸承弧面靠近磨(mo)擦(ca)面一(yi)端出(chu)(chu)現(xian)的藍灰色的氧化(hua)膜，是黑(hei)色氧化(hua)鐵(tie)(Fe3O4)及紅色氧化(hua)鐵(tie)(Fe2O3)的混合體，其形(xing)成溫度(du)在400℃以上(shang)。表明該連桿與一(yi)輸(shu)出(chu)(chu)軸之(zhi)間的磨(mo)擦(ca)導致該區域(yu)溫度(du)過(guo)熱。

      斷(duan)口掃(sao)描電鏡分析表(biao)明斷(duan)口疲勞(lao)裂紋(wen)源(yuan)在(zai)氧(yang)化膜(mo)附近的(de)(de)(de)拐(guai)角處，正處于高溫(wen)區域。表(biao)面(mian)氧(yang)化會(hui)使裂紋(wen)產生的(de)(de)(de)機會(hui)增加，同時高溫(wen)提高了(le)蠕變損傷的(de)(de)(de)可(ke)能(neng)性(xing)。另一方面(mian)磨擦導致金屬表(biao)面(mian)粗糙，容易形成表(biao)面(mian)應力集(ji)中，增大疲勞(lao)源(yuan)產生的(de)(de)(de)可(ke)能(neng)性(xing)。

      斷(duan)(duan)裂(lie)起源(yuan)往(wang)往(wang)發生在拉應力(li)最大的層(ceng)面(mian)上(shang)。從(cong)連(lian)桿(gan)運動受(shou)力(li)情況分析，斷(duan)(duan)口1的斷(duan)(duan)面(mian)所受(shou)的拉應力(li)最大，容易在此斷(duan)(duan)面(mian)靠近磨擦(ca)面(mian)的拐(guai)角處形成裂(lie)紋(wen)源(yuan)。同(tong)時由于該(gai)區域(yu)存在較粗大的狀(zhuang)碳(tan)化(hua)物，破壞了(le)(le)基(ji)體組(zu)織的連(lian)續性，加速了(le)(le)裂(lie)紋(wen)的形成和擴展，降低了(le)(le)疲勞(lao)強度，最終導致了(le)(le)疲勞(lao)斷(duan)(duan)裂(lie)。

      連桿滲碳(tan)表面的(de)碳(tan)化物(wu)過大與滲碳(tan)工藝不當有關(guan)。粗大的(de)塊狀碳(tan)化物(wu)主要是由于碳(tan)濃度過高造成(cheng)的(de)，特(te)別容易在工件尖角處(chu)形成(cheng)，導致零件壽命顯著(zhu)下(xia)降。因(yin)此在滲碳(tan)過程中應(ying)注意嚴格控制滲碳(tan)氣氛的(de)碳(tan)勢，以免過高的(de)碳(tan)勢引起(qi)工件表面形成(cheng)粗大的(de)碳(tan)化物(wu)。

5.結論

     曲軸連桿斷裂屬疲勞斷裂，引起斷裂的原因是在使用時連桿受到劇烈磨擦，導致局部區域應力集中及溫度過高，降低了材料的疲勞強度。連桿拐角處表面的較大塊狀碳化物加速了裂紋的萌發及擴展。

6.改進

     設計時減少摩擦處的粗糙度，可以減少應力集中，降低零件的疲勞強度 。同時減少摩擦帶來的高溫，減少了蠕變損傷的可能性。

      改善滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)工(gong)藝，連(lian)桿滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)表面的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化物過(guo)大與滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)工(gong)藝不當有關(guan)。粗(cu)大的(de)塊狀碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化物主(zhu)要是由(you)于碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)濃(nong)度(du)過(guo)高造成的(de)，特別容易在工(gong)件(jian)尖(jian)角(jiao)處形成，導(dao)致零件(jian)壽命顯(xian)著下降。因(yin)此在滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)過(guo)程中(zhong)應注意嚴格控制滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)氣氛的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)勢(shi)，以(yi)免過(guo)高的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)勢(shi)引(yin)起工(gong)件(jian)表面形成粗(cu)大的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)化物。