了解机械疲劳
定义：什么是机械疲劳？
机械疲劳 疲劳（也称材料疲劳或简称疲劳）是指材料在反复承受应力或应变循环时发生的渐进性局部结构损伤，即使每次循环中的最大应力远低于材料的极限抗拉强度或屈服强度。疲劳会导致微裂纹在数千甚至数百万次循环后萌生并扩展，最终导致材料在毫无预兆的情况下完全断裂。.
疲劳是旋转机械部件（包括轴、齿轮、轴承、紧固件和结构件）中最常见的失效模式。它尤其具有隐蔽性，因为疲劳失效往往突然发生，即使在静载荷下应力水平较低的情况下也会失效，而且通常没有任何明显的先兆。了解疲劳对于机械的安全设计和运行至关重要。.
疲劳过程
疲劳失效的三个阶段
第一阶段：裂纹萌生
- 地点： 应力集中处（孔洞、拐角、表面缺陷）开始出现
- 机制： 局部塑性变形会产生微裂纹（通常 < 0.1 毫米）
- 期间： 光滑表面的总疲劳寿命可达 50-90%
- 检测： 极其困难，通常在服役中无法检测到。
第二阶段：裂纹扩展
- 过程： 裂纹随着每次应力循环而逐渐扩展。
- 速度： 遵循巴黎定律——速率与应力强度因子成正比
- 外貌： 光滑的，通常呈半圆形或椭圆形裂纹前缘
- 海滩标志： 同心圆图案显示裂纹扩展阶段（在断裂面上可见）
- 期间： 总寿命可能为 10-50%
第三阶段：最终骨折
- 裂纹扩展至临界尺寸，剩余材料无法承受载荷。
- 剩余横截面突然发生灾难性断裂
- 断裂面粗糙不规则（与光滑的疲劳区形成对比）
- 通常发生在正常运行期间，且无任何预警。
旋转机械的疲劳
轴疲劳
- 原因： 弯曲应力 不平衡, 错位, 或横向载荷
- 压力循环： 旋转轴每转一周都会经历完全反转。
- 常见地点： 键槽、直径变化、肩部、过盈配合
- 典型生活： 10⁷ 至 10⁹ 个周期（运行年限）
- 检测： 轴裂纹 振动特征（2×分量）
轴承疲劳
齿轮齿疲劳
- 弯曲疲劳： 裂纹始于牙根尖部
- 接触疲劳： 表面点蚀和剥落
- 周期： 每次网状结构啮合都是一个周期
- 失败： 牙齿断裂或表面损坏
紧固件疲劳
- 承受交变载荷的螺栓 振动
- 裂纹通常从螺母的第一圈螺纹处开始出现。
- 螺栓突然失效，没有任何明显预兆
- 可能导致设备坍塌或分离
结构疲劳
- 承受循环载荷的框架、基座和焊缝
- 振动会产生交变应力
- 焊缝、拐角处、几何不连续处出现裂纹
- 支撑结构的渐进性失效
影响疲劳寿命的因素
应力振幅
- 疲劳寿命随应力幅值的增大呈指数级下降
- 典型关系：生活质量∝ 1/压力⁶ 至 1/压力¹⁰
- 压力略微减轻即可显著延长寿命
- 减少振动可直接延长部件疲劳寿命。
平均应力
- 静态（平均）压力与交替压力相结合会影响生命
- 平均应力升高会降低疲劳强度。
- 预加载或预应力部件更容易受到影响
应力集中
- 几何特征（孔、角、槽）会集中应力
- 应力集中系数 (Kt) 乘以名义应力
- 裂纹几乎总是从应力集中处开始扩展。
- 设计时采用较大的圆角，避免尖角。
表面状况
- 表面光洁度影响疲劳强度（光滑 > 粗糙）
- 表面缺陷（缺口、划痕、腐蚀坑）会引发裂纹。
- 表面处理（喷丸、渗氮）可提高抗疲劳性能
环境
- 腐蚀疲劳： 腐蚀性环境会加速裂纹扩展
- 温度： 高温会降低疲劳强度
- 频率： 骑行频率过高或过低都会影响生活
预防策略
设计阶段
- 消除或尽量减少应力集中（使用大块鱼片）
- 设计时应考虑足够的疲劳裕度（安全系数通常为 2-4）。
- 选择具有良好疲劳性能的材料
- 利用有限元分析识别高应力区域
- 尽量避免在高应力区域出现尖角和孔洞。
制造业
- 改善关键部件的表面光洁度
- 表面处理（喷丸处理、表面硬化）
- 适当的热处理可获得最佳疲劳强度
- 避免加工痕迹垂直于应力方向
手术
维护
- 定期裂纹检查（目视检查、无损检测方法）
- 监测振动情况，以便及早发现裂缝。
- 在计算出的疲劳寿命结束时更换部件。
- 及时修复表面损伤（可能是裂纹萌生点）
机械疲劳是旋转机械中一种基本的失效模式，它会导致因循环损伤累积而发生的突发性、往往是灾难性的故障。了解疲劳机理、通过设计最大限度地减少交变应力以及通过适当的平衡和对准来维持低振动水平，对于预防疲劳失效和确保机械部件的长期可靠使用寿命至关重要。.
类别
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