液压机疲劳断裂的表现特征及原因分析

人，在工作时间过长，会引起劳损症状，液压机也一样，在使用一段时间过后，各个部件都会有疲劳裂纹的出现，用专业术语说明的话，即由于循环载荷或交变应力作用所引起的裂纹现象称为疲劳裂纹，如果是断裂则称为疲劳断裂，其断口称为疲劳断口。液压机的主要零部件大多是在承受了多次交变载荷之后而疲劳破坏的，多数属于高周疲劳，即裂纹区的应力水平一般在弹性范围内，疲劳破坏时所承受的加载循环次数在100000以上。

例如，模锻液压机的工作缸，往往是在工作20万~100万次以后，在缸的法兰过渡圆弧部分或缸底过渡圆弧部分，产生疲劳裂纹，逐步扩展，乃至裂透失效。一台80MN模锻液压机的主工作缸，使用十多年来，先后损坏过14次，每次损坏时的使用寿命从6万次到75万次。这个工作缸净重约60t，由合金钢锻造而成，造价近50万元人民币。该液压机又是生产线上的关键设备，主工作缸一旦损坏，整个生产线被迫停产，影响很大。又如苏联一台用于管子成形的πO-88型120MN液压机的主工作缸，自1968年到1970年间，因疲劳破坏，先后换了5个。

这些疲劳裂纹到底是怎么产生的呢？以四柱液压机为例，在四柱液压机加载的初始阶段，个别晶体的表面已出现滑移线，随着加载循环次数的增加，滑移线的数量也增加，并扩展到其他晶粒上。晶体颗粒间塑性变形的不均匀性继续表现在某些颗粒中有稠密的滑移线网格，而同时在另外一些颗粒中，仅观察到滑移的微弱痕迹。滑移线的形成是在远低于疲劳极限的循环载荷下发生的，在低应力时，它们不会转变成疲劳裂纹。

在加载循环次数不断增加时，滑移线逐渐增多，形成滑移带。在某些滑移最强烈的滑移带内，各小滑移带的滑移不均匀性更为严重，其高度差造成许多峰谷状的显微缺口。在缺口处由于应力与应变集中的不断加强，达到缺口切应变断裂强度时，就会引起滑移面的切变分离，形成滑移带裂缝，并逐渐向滑移带内扩展。然后夹杂物与基体的界面发生分立，逐步扩大形成疲劳裂纹源。

这疲劳断裂有三个不同阶段的表现特征：

1、疲劳裂纹的萌生，即疲劳断裂的成核阶段。

疲劳裂纹的位置一般是在零件的表面。而在疲劳裂纹开始产生的地方我们叫做疲劳裂纹源。如果外表面经过强化处理，如渗碳、渗氮、滚压或喷丸处理，表面上存在残余压应力时，则疲劳裂纹源也可能出现在次表面。但当材料内部有冶金缺陷，如夹杂、夹渣、气孔和白点等时，则裂纹源也可能发生在零件内部。

2、疲劳断裂的扩展，即疲劳裂纹的亚稳扩展阶段。

在疲劳裂纹形成后，在交变拉应力作用下，裂纹缓慢扩展所形成。裂纹扩展方向与最大拉应力方向垂直。由于两个相匹配的断口是渐进式扩展而形成，在运行过程中不断相互摩擦，因此，此区域断口平滑，且出现磨光现象。形成所需时间比较长，加之疲劳裂纹源位于表面或次表面，因此裂纹稳定扩展区常与外界相通。

3、最终断裂或瞬时断裂阶段，即疲劳断裂的失稳扩展阶段。

当疲劳裂纹扩展到一定程度，有效截面缩小到截面上的平均应力高于静载抗拉强度时，零件便发生瞬时超载断裂，也即裂纹迅速失稳扩展。瞬时断裂区具有宏观脆性破坏的特征，在韧性金属中为纤维状形貌特征，而在脆性金属中则为粗糙的结晶形状特征。而疲劳断口表面受到空气、水、水蒸气及其他介质的氧化或腐蚀，因此，断口上这个区域常呈现黑色或褐色，颜色较深。

以液压机气动设备行业的基本概况与发展趋势的分析情况而言，液压机气动设备行业未来发展趋势以应用在工程机械和冶金矿山设备为首的液压机疲劳断裂的产生是无法避免的，只能在日常保养与使用时多加注意，减轻并延缓疲劳断裂的产生。