疲劳是机械零件常见的失效形式,据统计资料分析,在不同类型的零件失效中,有50%一80%是属于疲劳失效。疲劳断裂在破坏前,零件往往不会产生明显的变形和预先的征兆,但破坏却往往是致命的,会酿成重大事故。疲劳损坏产生及发展有其特点,最终形成为疲劳断裂。
疲劳概念:金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳。
疲劳断裂概念:材料承受交变循环应力或应变时,引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展,使材料的力学性能下降,最终导致产品或材料的完全断裂,这个过程称为疲劳断裂。也可简称为金属的疲劳。引起疲劳断裂的应力一般很低,疲劳断裂的发生,往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。
案例:
图1 双头螺柱断口
1、从图1双头螺柱断口的形状宏观现象分析:
(1) 断口的下方左右二侧有凹凸不规则状形态出现,左侧有弧线凸状缺口;右侧的沿表面有锯齿状多个微小缺口存在;最下端弧面形成锋利的刀口状态。
(2)在广大的中间区(扩展区),许多条贝纹状线条清晰可见。
(3)在初始区 与广大的贝纹区的断面出现锈迹。
(5)在断裂螺栓的下方区域,螺杆光滑明亮,磨擦痕迹十分明显,是经过反复摩擦而形成的光滑的弧面。(见图1、图2)
(6)断口处的杆径尺寸变化不明显。(见图2)
图2 断裂的双头螺栓
2、宏观现象分析:
(1) 裂纹源产生在下侧,下边光滑切口及左右锯齿形、弧形缺口,是产生裂纹的源头。
(2)断裂试样断口中, 裂纹的扩展区域,贝纹线清晰,下段(初期)贝纹线间隙距离比较小,在切向应力反复作用下缓慢扩展,上段区 域贝纹线间距扩大,反映裂纹扩展速度在加快(见图1)。
(3)在瞬时断裂区域 (见图1),形成光滑明亮的剪切唇区,剪切唇宽大明显,显示出延性断口的特征,说明螺栓的强韧性配合比较好。
(4)侧向光滑, 螺柱的侧面经过反复的侧向应力,不断来回摆动,和孔壁反复地摩擦,形成光滑弧面。
结论:从断口来看,是比较典型的由弯曲产生的疲劳断裂,并且从瞬断区,显示出延性断口的性状。
3、微观分析
为了进一步查明疲劳断裂的原因,我们进一步做了微观分析,经过电子显微镜的观察,了解了产品不同视野的内部组织的状况(见图3、图4、图5、图6)。
微观断口失效分析:
(1) 从扫描电镜进行观察,断口的裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹,这是疲劳断裂的微观形态主要的特征,与宏观的贝纹线遥相呼应。图3、图4、图5的三个电镜照片中的白色线条清晰可见疲劳辉纹。
(2)从扫描电镜图三、 图六中的二张照片中,明显地可见多处韧窝的存在;这是扫描电镜照片中,反映产品强度与韧性配合比较恰当的微观显像,与宏观照片中的瞬时断裂区有较大的剪切唇区相互对应,说明双头螺栓的强度与塑性配合比较理想。
(3)电镜图片没有 出现解理图象,只有图五中,在部分区域才呈现准解理现象;而且准解理与韧窝,在同一图片中同时交错出现。也表明了紧固件的脆性现象不明显,强度与韧性配合比较良好。
结论:螺杆表面有车刀切削痕迹,粗糙度比较大,在反复承受切向弯曲应力后,双头螺栓一侧车削痕迹,经过摩擦,磨成光滑弧面;反映出双头螺栓经受了反复的弯曲、碰撞、摩擦,在地接经受来回摆动的过程中,长期的高频次的弯曲疲劳,在表面比较粗糙的地方,首先打破缺口,形成了裂纹源,然后随反复弯曲形成切向应力,裂纹逐步扩展,直至疲劳断裂。从以上宏观显像图片与微观分析遥相呼应,可以得出:双头螺栓在反复承弯曲中产生疲劳,在弯曲疲劳产生累积效应,至直突发疲劳断裂。
4、实地考察及拍摄断裂场景
为了更清楚了解双头螺栓断裂现状,我们先后二次,从风机安装现场进行考察与实地调研、了解对双头螺栓使用(初次安装时间及检修)、安装(方向、位置)、断裂(断口实际状况及具体部位)广泛地进行观察。
在风机现场,三十多台1.5兆瓦的风能发电机运转了三年多中,只出现一根双头螺柱产生断裂的状况。断裂现象是属于个例;断裂螺柱的一侧无间隙,紧紧地贴在齿轮孔的一端;另一侧却有较大的缝隙,这是由于安装时没有准确的定位,形成螺柱偏离中心位置。双头螺柱会随风产生弯曲及来回摆动,产生了隐患。(见图7)。
图7 双头螺柱断裂现状
为了更好地反映断裂的状况,我们从齿轮反面,又拍摄了断裂螺栓的状况。在紧贴齿轮孔的一侧,双头螺柱与齿轮孔,卡得十分紧密,产生了螺栓的一侧紧贴齿轮孔现象,没有任何缝隙;而另一端同样产生了较大的间隙(见图8)。
在无缝隙的一侧,我们用螺丝批,小刀都无法插入,这说明切向应力是非常巨大。这样,给拆卸带来极大的难度,拆卸工作耗费了极其大的精力。
在巨大的垂直于轴向应力作用下,在风机不停的运转过程中,双头螺柱紧贴齿轮孔弧面的一侧,经受了对齿孔壁的来回反复地弯曲撞击,经过较长时期撞击和摩擦,螺柱的一侧显得光滑明亮,磨擦痕迹十分明显,完全消除了车削加工痕迹;光滑的侧面,类似磨床加工形成的镜面。
风力发电机以每分钟17转速度旋转,每天15小时计算,一天转动1.53万周。半年期间运转达到2.8*106周,而且应力幅很小,在4mm间来回的摆动,应力水平相对较低;弯曲疲劳的循环次数远高于105 (按照半年计算,来回的摆动2.8*106周,按照三年半计算,来回的摆动2.0*107周,);这根双头螺柱的断裂,是长期来承受侧向应力,弯曲疲劳形成的,符合低应力、高循环次数的高周疲劳规律。是弯曲疲劳产生断裂的典型例子。
图8 双头螺栓断裂照(反面拍摄)
5、分析总结:
1)、双头螺栓的断裂属于弯曲疲劳产生的断裂。
2)、断裂的产生是由于安装不当,形成螺栓一端紧贴齿孔,单向侧面受到切应力,在反复运转中,产生弯曲疲劳断裂。