疲劳断裂 案例分析

疲劳强度破坏实例疲劳破坏在局部应力最高的部位发生，某些机械，常常由于设计、制造、装配和使用中的不合理，造成零部件过早地发生疲劳断裂。

1．锻造用水压机，特别是1600吨以下的三梁（上横梁、活动横梁及下横梁）四柱式结构的小型水压机（图1.1），由于上、下横梁与立柱形成的框架的刚度小，在锻造过程中摇晃厉害，这样，常在立柱下端应力集中处发生疲劳破坏。

图1.2为1250吨锻造水压机的立柱，材料为45钢经正火处理，立柱两端的锥台分别与上、下横梁联接，立柱有内孔，通高压液体。

该水压机投产后不到两年，有一根立柱疲劳断裂，焊修后继续使用。

另一根立柱因超载运行断裂，更换一旧立柱。

再过一年大修时，将两根立柱都换上40Cr的新立柱，三年后，一根立柱又产生疲劳裂纹（图1.2所示）。

还有一台1600吨水压机投产后一年半，一根立柱在下横梁上螺母上部退刀槽处发生疲劳断裂（图1.3）。

从上面的例子可以看出，水压机立柱的疲劳断裂，大都发生在下横梁上螺母（或锥台）与立柱光滑区的过渡圆角处，该处的应力集中最大。

水压机横梁的疲劳破坏，可以分为两种情况：下横梁及活动横梁的疲劳破坏，都发生在梁的中央部位。

因为这种横梁各截面的面积近似相等，中央截面上的弯矩最大。

例如，一台1250吨水压机投产后十年，在下横梁中央部位产生疲劳裂纹。

另一台1000吨水压机投产一年后，于活动横梁中央产生疲劳裂纹，修焊后使用了两年又开裂。

对于梯形的上横梁，最高的局部应力不在中央截面上，而在上横梁与柱套交界的圆弧处。

因此，疲劳破坏在交界圆弧处发生。

2．轧机闭式机架用于初轧机、钢坯轧机及板轧机等。

对于以强度为主要要求的轧机机架，其破坏形式是弯曲疲劳破坏。

疲劳裂纹源常发生在压下螺母孔的过渡圆弧r处（图1.4中的1处），该处的峰值应力最高。

但有些轧机（如1200薄板迭轧机）工作十年后，发现在上横梁与立柱过渡圆角处有30mm长的裂纹（图1.4中的2处）。

3．运锭车用于将罩式加热炉中的大钢锭运到初轧机前的受料辊道上，它经受冲击，热锭温度的周期变化与运送中车辆的振动。

调查项目：疲劳破坏的案例1.航空发动机高压涡轮盘的裂纹航空发动机高压涡轮盘在使用后进行大修，对涡轮盘进行荧光检查，显示在涡轮盘辐板与封严臂根部转接处存在裂纹。

下图为扫描电镜对裂纹断口的观察理论分析臂根部的转接处，分布约3／4圆周，裂纹不连续，各裂纹各自起源，且裂纹源区粗糙，为典型的大应力起源特征；裂纹断口可见疲劳特征。

对开裂涡轮盘各部位进行外观尺寸检查，各关键尺寸均符合设计要求；裂纹附近亦未见明显的加工缺陷。

对涡轮盘材料进行了化学成分分结果表明，其化学成分符合标准要求；在故障件上取样进行了室温和高温下的力学性能测试，试验结果均满足标准要求。

涡轮盘在飞机飞行状态改变时所承受的离心力最大，此离心力为涡轮盘承受的主要应力。

从应力和寿命计算结果看，由于应力集中系数较大，涡轮盘辐板与后封严臂转接处为应力最大的位置，是涡轮盘最容易萌生裂纹的部位之一根据以上分析可得结论：故障涡轮盘辐板与后封严臂转接处的裂纹性质为低周循环疲劳开裂，该位置的疲劳应力过大是开裂的主要原因。

改进方法涡轮盘辐板与后封严臂转接处发生低周疲劳开裂，主要是应力水平较大，寿命储备低。

因此，一方面应在不影响涡轮盘功能的情况下增大该位置的R值，以降低该位置的应力集中系数，进而降低该位置的应力。

另一方面，在可能的情况下，提高涡轮盘的疲劳性能，增强其抗疲劳能力。

2.柴油机齿轮失效齿轮材料为45号钢，齿轮制造工艺为锻造→正火→粗加工→调质→精加工→滚齿→齿面淬火→磨齿。

齿轮上掉块的断口形貌。

在断口上能观察到贝壳状条纹，裂源区有许多宏观疲劳台阶条纹，裂源产生于齿根处，并有多个疲劳源。

理论分析该柴油机齿轮断裂属多源疲劳断裂。

引起疲劳的主要原因是由于热处理工艺控制不当，齿根及齿侧面未淬硬，因此造成齿根部材料的疲劳强度远低于设计要求，而齿根处所受工作应力较高，故导致在齿根处产生早期疲劳断裂。

这是热处理不良照成的缺陷，属于塑性畸变失效。

3. 汽车变速箱齿轮失效失效齿轮为载重汽车变速箱一挡齿轮，由渗碳钢制造，在进行台架试验时，未达到设计要求就发生断齿现象。

汽车线束疲劳断裂分析及应对方案设计今天的TOPIC，是个头疼的问题--线束疲劳断裂，如果没有一定的失效经验积累或者有完备的实验验证方案，问题的突然发生，会让你感到惊讶不已。

什么是线束疲劳断裂？线束的金属导体（铜丝）在交变应力作用下（振动或者运动件产生），应力值虽然始终没有超过材料强度极限，经过长时间的应力反复循环作用以后，导体发生突然脆性断裂。

形象直观的生活案例：如图，手机充电线束尾部在长期使用，由于插拔时接口尾部线束受到扭曲弯转的应力，外护套首先开裂（外护套材质多为TPE），然后继续使用就会出现导体铜丝疲劳断裂。

那么研究充电线的耐折弯性能对改善充电线束的使用寿命变得尤为重要。

下方图片是疲劳断裂的导体断口位置的微观形貌，疲劳端口多发生在硬度差异的结合处，如上图充电线的圆圈位置，汽车线束线束固定卡扣的固定位置，导体会在长期挤压的位置形成凹痕，导体单丝之间会有相互运动产生的摩擦痕迹，一般导体断口位置会有一定的氧化。

线束疲劳断裂的危害手机充电线束的断裂只是影响我们手机充电，再借条充电线不影响我们看公众号、刷抖音，但作为汽车线束就大不相同，汽车线束作为高、低压电气/器部件的连接载体,承载整车的动力、信号传输，主导着整个汽车的安全与性能，汽车的载体是人，安全和客户感受尤为重要,。

线束疲劳断裂是线束的主要失效模式之一，汽车的车门线束、后背箱线束、发动机线束、车速传感器线束、新能源汽车的驱动电机线束（特别是轮边电机）、打气泵线束、空调压缩机线束等，在使用过程中承受弯曲载荷和振动载荷，恶劣环境下还要承受热载荷。

当这些汽车线束被运动或振动部件做周期性运动时，如果设计不合理，电缆耐弯曲性能不足，导体铜丝部分或全部会出现断裂、断股问题，就会影响车辆的正常功能及安全，目前整车对于导体断裂没有较好的检测手段，只有在线束导体完全短路、断路故障才能检测。

如果是新能源汽车高压线束突然发生短路，可能出线拉弧，对线束及电气部件甚至是整车造成不同程度的危害。

关于疲劳断裂失效分析的干货，都在这里了！1.1 疲劳的定义疲劳（fatigue)这个词起源于拉丁文的fatigäre一词，意思是“疲倦”。

人疲劳——身心劳累；材料疲劳——在循环载荷下的损伤和破坏。

定义：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。

1.2 疲劳研究发展过程材料疲劳的研究可追溯到19世纪上半叶。

W.A.J.Albert——德国矿业工程师，金属疲劳的最初研究者，1829年前后完成。

研究内容：用铁制的矿山升降机链条作反复加载试验，验证其可靠性。

第一个金属疲劳研究——1842年法国玩尔赛铁路事故分析，机车前轴的断裂是导致这次事故的原因。

1.3 疲劳载荷规则的交变应力不规则的交变应力一点应力随时间变化曲线应力循环应力比平均应力应力幅值对称循环：r=-1 脉冲循环：r=0 静应力：r=11.4 疲劳极限与应力-寿命曲线S-N曲线一般的应力-寿命曲线对称循环下两种类型S-N曲线平均应力对S-N曲线的影响1.5 影响疲劳寿命的因数应力集中的影响——有效应力集中因数理论应力集中因数S n为名义应力表面加工质量的影响——表面质量因数磨削加工（试样）其他加工2.1 疲劳失效分析经典案例疲劳失效典型案例——20世纪50年代世界第一架民用喷气式客机“彗星号”系列事故。

原因：客舱结构疲劳开裂。

2.2 疲劳断裂失效的特点疲劳断裂属于脆性断裂的一种，几乎没有肉眼可见的塑性变形。

疲劳断裂往往具有突发性，危害性大。

在机电装备的失效事件中，疲劳断裂失效约占所有断裂事故的60%~80%。

2.3 疲劳断裂失效分析的目的诊断出疲劳失效的模式；找出引起疲劳断裂的确切原因；采取预防措施，避免同类疲劳断裂失效再次发生。

2.4 疲劳断裂失效分析的内容分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂；疲劳断裂的二级或三级失效模式；疲劳断裂的载荷类型与大小，疲劳断裂的起源等；疲劳断裂的原因；疲劳断裂的机理；提出避免疲劳断裂再次发生的预防措施。

经典断裂案例断裂是指物体在外力作用下发生破裂分离的现象。

在工程领域中，断裂是一个非常重要的研究课题，因为它直接关系到材料的强度和耐久性。

下面我们将介绍一些经典的断裂案例，以便更好地理解断裂现象。

首先，我们来看一起经典的金属断裂案例。

在一次飞机事故中，飞机的机翼发生了断裂，导致了严重的后果。

经过调查发现，机翼的金属材料出现了疲劳断裂。

疲劳断裂是指在外力反复作用下，材料发生了微小裂纹并逐渐扩展最终导致断裂。

这一案例告诉我们，金属材料在长期使用过程中要特别注意疲劳断裂的问题，及时进行检测和维护，以确保安全可靠。

其次，让我们看一下塑料断裂案例。

在一次汽车碰撞事故中，车辆的塑料车身发生了断裂，导致了车辆损坏和人员受伤。

经过事故重现和材料测试，发现车身的塑料材料在受力过大的情况下发生了脆性断裂。

脆性断裂是指材料在受力过大时无法发生塑性变形而直接发生断裂。

这一案例提醒我们，塑料材料在设计和使用过程中要充分考虑其脆性断裂特性，避免在受力过大时发生断裂。

最后，让我们来讨论一下陶瓷断裂案例。

在一次工业设备事故中，陶瓷零部件发生了断裂，导致了设备停机和生产损失。

经过分析发现，陶瓷材料在受到冲击载荷时发生了脆性断裂。

这一案例告诉我们，陶瓷材料在设计和制造过程中要特别注意其脆性断裂特性，采取相应的增强措施，以确保设备的可靠运行。

通过上述经典断裂案例的介绍，我们可以看到不同材料在受力过程中可能发生的断裂现象，以及导致断裂的原因。

这些案例都提醒我们，要充分了解材料的断裂特性，合理设计和使用材料，以确保工程结构和设备的安全可靠。

希望大家在工程实践中能够引以为戒，避免类似的断裂事故的发生。

弹簧疲劳断裂案例分析一·引言现代工业社会的不断进步，人类生活质量不断提高，对工业产品各项功能的“安全性”、“环保型”、“舒适性”程度要求越来越高。

弹簧作为工业产品中不可缺少的基础元件，弹簧的性能直接关系到工业产品整体的质量水平的高低。

关于弹簧的问题中，经常碰到和最终要解决的问题是“弹簧疲劳断裂及应力松弛”。

这是弹簧工作过程中失效的两种主要形式。

弹簧工作中后者更为普遍。

应力松弛及弹性衰减的现象意味着弹簧弹性功能的部分丧失，甚至全部丧失。

由此可见，提高弹簧疲劳寿命研究应力松弛和弹性衰退的规律及影响因素，对研制新的弹簧材料及抗应力处理技术，对不断提高企业和行业竞争力，对国民经济的发展，不断提高我国弹簧产品及弹性材料研制的科学技术水平，都有重大意义。

二·弹簧的疲劳断裂通常疲劳断口是由疲劳源、裂纹扩展区、最后瞬时断裂区三部分组成。

疲劳源有时非常清楚，有时则不清晰。

裂纹扩展区和最后瞬时断裂区则是主要组成部分。

裂纹扩展区的特征：表面比较平滑，是裂纹缓慢扩展、裂纹面相互接触及摩擦造成的结果。

它是一种脆性的断裂特征，裂纹扩展方向与最大拉应力方向垂直。

通常可以用肉眼发现断口上呈现海滩状、贝壳状或年轮状的花样。

可以根据裂纹扩展方向与海滩状条纹相垂直的现象及其曲率半径最小的特征来确定弹簧断裂的疲劳源。

瞬时断裂区特征：疲劳裂纹不断扩展到一定程度后，有效的承载面积不断减少，相应的工作应力逐渐增大，当该应力超过了弹簧的断裂应力时，弹簧就会瞬时断裂。

其特征是断口比较粗糙、凹凸不平。

疲劳断裂的微观特征：疲劳裂纹大多数在晶粒边界、相界、夹杂物和脆性碳化物之间开始生成，然后逐渐向内扩展。

疲劳断口的微观特征主要表现在裂纹扩展区上。

扩展区的主要微观特征是疲劳条带。

疲劳条带有以下特征：①条带的形态是起伏或涟波状；②每一条带代表一次循环载荷；③由条带可以断定裂纹前沿线在前进时的位置；④条带有脆性和塑性的。

三·案例分析（1）轿车气门弹簧断裂①事故描述：气门弹簧是汽车发动机的重要零部件，它不仅控制发动机气门的开闭，还是极为重要的安全部件，故各汽车厂商对发动机气门弹簧的质量都极为重视，内燃机气门弹簧技术条件JB/T 10591-2007要求其台架疲劳试验2300万次不断裂。

零件的脆性断裂(含疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等)失效分析本文旨在介绍零件的脆性断裂失效分析的重要性和目的。

脆性断裂是指在零件受到一定载荷作用下，没有发生明显的塑性变形，而导致突然断裂的现象。

这种失效模式对于工程结构的安全性和可靠性具有重要的影响。

脆性断裂的失效分析是一项关键的任务，旨在确定零件破坏的原因和机制，以及采取相应的措施来预防和控制脆性断裂的发生。

在分析中，我们还会涉及到与脆性断裂相关的其他失效现象，如疲劳断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂等。

通过对零件脆性断裂失效的深入分析，我们可以更好地了解材料的性能和强度，确定适当的设计和加工参数，以及制定合理的维护和检修计划。

这对于提高工程结构的可靠性，延长零件的使用寿命以及降低维护成本具有重要意义。

本文将通过对脆性断裂失效分析的相关知识进行详细解释和说明，为读者提供系统的理论基础和实践指导，以便能够有效地进行脆性断裂的失效分析工作。

解释脆性断裂是指在应力作用下，当零件发生断裂时没有明显的塑性变形。

详细讨论导致脆性断裂的各种原因，包括疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等。

脆性断裂是指材料在受力作用下发生的突然断裂，常常发生在零件长时间受重复负载或特定环境下受力情况下。

脆性断裂的原因多种多样，下面将对其中的疲劳、应力腐蚀和氢脆断裂进行详细讨论。

疲劳断裂：疲劳断裂是由于零件在长时间受到变化的载荷作用下产生的。

当重复载荷作用于零件时，如果应力超过了材料的疲劳极限，就会发生疲劳断裂。

疲劳断裂是零件的高频失效模式，常见于机械装置和结构中。

应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂是指在特定环境中，材料受到应力和腐蚀介质共同作用时突然断裂。

应力腐蚀断裂的发生是由于腐蚀介质在零件表面引起局部腐蚀，而应力则产生了裂纹的扩展。

应力腐蚀断裂是一个复杂的断裂形式，常见于化工设备和海洋装备等领域。

氢脆断裂：氢脆断裂是由于材料在存在氢的环境中发生的断裂。

氢脆断裂的主要机制是氢的扩散和积聚在材料中，导致材料的力学性能降低，从而引起断裂。

减速机轴断裂原因分析某煤矿从国外购进的减速机，安装使用30h余后，齿轮减速机轴发生弯曲，无法正常使用，在对弯曲的减速机轴进行冷校直时，轴突然发生断裂。

查阅减速机轴的有关技术资料，该轴采用17CrNiMo6钢制造，轴整体经调质处理后，表面进行中频处理，使轴表面及退刀槽根部洛氏硬度达到59～62HRC。

1理化检验1.1断轴宏观分析断裂位于减速机轴表面退刀槽根部，见图1。

图1轴断裂位置(mm)宏观断口见图2，断口表面有较明显的贝壳状花样，属于典型的疲劳断裂。

断口由疲劳裂源区、裂纹扩展区和瞬间断裂区三个区域组成。

图2宏观断口形貌仔细观察断口裂纹源区，其表面较平坦，尺寸在距表面5mm范围内(图2A处)。

裂纹扩展区贝纹线比较扁平。

瞬间断裂区在裂源的对面，呈椭圆形，断口形貌为纤维状，表明减速机轴主要受旋转弯曲应力。

断口瞬断区域较小、较圆约占整个断口面积的1/6，说明轴整体受力较小，属典型的高周疲劳断裂。

由疲劳区及贝纹线的形态可知，疲劳裂纹扩展过程中两侧较快，说明退刀槽根部有应力集中现象。

1.2断口微观分析用AMRAY21000B型扫描电镜观察样品断口，断裂起源于轴表面退刀槽根部，该处有机加工刀痕，见图3；裂纹扩展区可见疲劳条纹，见图4；瞬断区为细小韧窝。

图3断裂源形貌200×图4裂纹扩展区疲劳条纹400×1.3化学成分分析化学成分分析试样取自断口附近，分析结果(质量分数)列于表1，化学成分符合技术要求。

1.4洛氏硬度检测在断口附近取样，将横截面磨平，从边缘向心部逐点进行硬度测定，结果均在36～37HRC范围内；沿轴的纵向表面测定硬度，结果在38～39HRC范围内。

从硬度结果看出，轴的表面硬度与心部硬度相近，且均低于设计要求。

1.5金相检验在裂源附近取样进行金相分析，非金属夹杂物为A2，B1，D1e(按GB10561-1989评定)；晶粒度7.5级(按GB6394-1986评定)；疲劳源区及表面与心部显微组织均为回火索氏体，见图5。