影響金屬材料疲勞強(qiáng)度的八大因素

 材料的疲勞強(qiáng)度對各種外在因素和內(nèi)在因素都極為敏感,，外在因素包括零件的形狀和尺寸,、表面光潔度及使用條件等,，內(nèi)在因素包括材料本身的成分,、組織狀態(tài),、純凈度和殘余應(yīng)力等。這些因素的細(xì)微變化,，均會(huì)造成材料疲勞性能的波動(dòng)甚至大幅度變化,。 

     各種因素對疲勞強(qiáng)度的影響是疲勞研究的重要方面,，這種研究將為零件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及正確選擇材料和合理制訂各種冷熱加工工藝提供依據(jù),，以保證零件具有高的疲勞性能,。 

01

應(yīng)力集中的影響

      常規(guī)所講的疲勞強(qiáng)度，都是用精心加工的光滑試樣測得的,，然而,，實(shí)際機(jī)械零件都不可避免地存在著不同形式的缺口，如臺階,、鍵槽,、螺紋和油孔等。這些缺口的存在造成應(yīng)力集中,，使缺口根部的最大實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)大于零件所承受的名義應(yīng)力,，零件的疲勞破壞往往從這里開始。

      理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt ：在理想的彈性條件下,，由彈性理論求得的,，缺口根部的最大實(shí)際應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值。

     有效應(yīng)力集中系數(shù)（或疲勞應(yīng)力集中系數(shù)）Kf：光滑試樣的疲勞極限σ-1與缺口試樣疲勞極限σ-1n的比值,。

     有效應(yīng)力集中系數(shù)不僅受構(gòu)件尺寸和形狀的影響,，而且受材料的物理性質(zhì)、加工,、熱處理等多種因素的影響,。

     有效應(yīng)力集中系數(shù)隨著缺口尖銳程度的增加而增加，但通常小于理論應(yīng)力集中系數(shù),。

      疲勞缺口敏感度系數(shù)q：疲勞缺口敏感度系數(shù)表示材料對疲勞缺口的敏感程度,，由下式計(jì)算：

     q的數(shù)據(jù)范圍是0~1，q值越小,，表征材料對缺口越不敏感,。試驗(yàn)表明，q并非純粹是材料常數(shù),，它仍然和缺口尺寸有關(guān),，只有當(dāng)缺口半徑大于一定值后，q值才基本與缺口無關(guān),，而且對于不同材料或處理狀態(tài),，此半徑值也不同。

02

尺寸因素的影響

     由于材料本身組織的不均勻性以及內(nèi)部缺陷的存在,，尺寸增加造成材料破壞概率的增加,，從而降低材料的疲勞極限。尺寸效應(yīng)的存在,，是把試驗(yàn)室小試樣測得的疲勞數(shù)據(jù)運(yùn)用于大尺寸實(shí)際零件中的一個(gè)重要問題,，由于不可能把實(shí)際尺寸的零件上存在的應(yīng)力集中,、應(yīng)力梯度等完全相似地在小試樣上再現(xiàn)出來,，從而造成試驗(yàn)室結(jié)果與某些具體零件疲勞破壞之間的互相脫節(jié),。

03

表面加工狀態(tài)的影響

     機(jī)加工的表面總存在著高低不平的加工痕跡，這些痕跡就相當(dāng)于微小缺口,，在材料表面造成應(yīng)力集中,，從而降低材料的疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)表明,，對于鋼和鋁合金,，粗糙的加工（粗車）與縱向精拋光相比，疲勞極限要降低10%~20%甚至更多,。材料的強(qiáng)度越高,，則對表面光潔度越敏感。

04

加載經(jīng)歷的影響

      實(shí)際上沒有任何零件是在絕對恒定的應(yīng)力幅條件下工作,，材料實(shí)際工作中的超載和次載都會(huì)對材料的疲勞極限產(chǎn)生影響,，試驗(yàn)表明，材料普遍存在著超載損傷和次載鍛煉現(xiàn)象,。

     所謂超載損傷是指材料在高于疲勞極限的載荷下運(yùn)行達(dá)到一定周次后,，將造成材料疲勞極限的下降。超載越高,，造成損傷所需的周次越短,，如圖1所示。

圖1 過載損傷界

      事實(shí)上,，在一定條件下,，少量次數(shù)的超載不僅不會(huì)對材料造成損傷，由于形變強(qiáng)化,、裂紋尖端鈍化以及殘余壓應(yīng)力的作用,，還會(huì)對材料造成強(qiáng)化，從而提高材料的疲勞極限,。因此,，應(yīng)對超載損傷的概念進(jìn)行一些補(bǔ)充和修正。

     所謂次載鍛煉是指材料在低于疲勞極限但高于某一限值的應(yīng)力水平下運(yùn)行一定周次后,，造成材料疲勞極限升高的現(xiàn)象,。次載鍛煉的效果和材料本身的性能有關(guān)，塑性好的材料,，一般來說鍛煉周期要長些,，鍛煉應(yīng)力要高些方能見效。

05

化學(xué)成分的影響

     材料的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度在一定條件下存在著較密切的關(guān)系,，因此,，在一定條件下凡能提高抗拉強(qiáng)度的合金元素,，均可提高材料的疲勞強(qiáng)度。比較而言,，碳是影響材料強(qiáng)度的最主要因素,。而一些在鋼中形成夾雜物的雜質(zhì)元素則對疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

06

熱處理和顯微組織的影響

     不同的熱處理狀態(tài)會(huì)得到不同的顯微組織,，因此,，熱處理對疲勞強(qiáng)度的影響，實(shí)質(zhì)上就是顯微組織的影響,。同一成份的材料,，由于熱處理不同，雖然可以得到相同的靜強(qiáng)度,，但由于組織的不同,，疲勞強(qiáng)度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。

     在相同的強(qiáng)度水平時(shí),，片狀珠光體的疲勞強(qiáng)度明顯要低于粒狀珠光體,。同是粒狀珠光體，其滲碳體顆粒越細(xì)小,，則疲勞強(qiáng)度越高,。

     顯微組織對材料疲勞性能的影響，除了和各種組織本身的機(jī)械性能特性有關(guān)外,，還和晶粒度以及復(fù)合組織中組織的分布特征有關(guān),。細(xì)化晶粒可提高材料的疲勞強(qiáng)度,。

07

夾雜物的影響

      夾雜物本身或由它而產(chǎn)生的孔洞相當(dāng)于微小缺口,，在交變載荷作用下將產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，成為疲勞斷裂的裂紋源,，對材料的疲勞性能造成不良影響,。夾雜物對疲勞強(qiáng)度的影響不僅取決于夾雜物的種類、性質(zhì),、形狀,、大小、數(shù)量和分布,，而且還取決于材料的強(qiáng)度水平以及外加應(yīng)力水平及狀態(tài)等因素,。

     不同類型的夾雜物其機(jī)械和物理性能不同，和母材性能之間的差異不同,，對疲勞性能的影響也不同,。一般說來，易變形的塑性夾雜物（如硫化物）對鋼的疲勞性能影響較小，而脆性夾雜物（如氧化物,、硅酸鹽等）則有較大的危害,。

      比基體膨脹系數(shù)大的夾雜物（如硫化物）因在基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力而影響小，而比基體膨脹系數(shù)小的夾雜物（如氧化鋁等）因在基體中產(chǎn)生拉應(yīng)力而影響大,。

      夾雜物與母材結(jié)合的緊密程度也會(huì)影響疲勞強(qiáng)度,。硫化物易于變形，和母材結(jié)合緊密,，而氧化物易于脫離母材,，造成應(yīng)力集中,。由此可知,，從夾雜物的類型來說，硫化物的影響較小,，而氧化物,、氮化物和硅酸鹽等則是危害較大的。

     不同加載條件下,，夾雜物對材料疲勞性能的影響也不同,，在高載條件下，無論有沒有夾雜物的存在,，外加載荷均足以使材料產(chǎn)生塑性流變,，夾雜物的影響較小，而在材料的疲勞極限應(yīng)力范圍,，夾雜物的存在造成局部應(yīng)變集中成為塑性變形的控制因素,，從而強(qiáng)烈地影響材料的疲勞強(qiáng)度。也就是說,，夾雜物的存在主要是影響材料的疲勞極限,，對高應(yīng)力條件下的疲勞強(qiáng)度影響不明顯。

      材料的純凈度是由熔煉工藝過程決定的,，因此,，采用凈化冶煉方法（如真空熔煉、真空除氣和電渣重熔等）均可有效降低鋼中的雜質(zhì)含量,，改善材料的疲勞性能,。

08

表面性能變化及殘余應(yīng)力的影響

     表面狀態(tài)的影響除前已提及的表面光潔度外，還包括表層機(jī)械性能的變化及殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響,。表層機(jī)械性能的變化可以是表層化學(xué)成分和組織不同所引起,，也可以是表層因形變強(qiáng)化而引起。

     滲碳,、氮化和碳氮共滲等表面熱處理除了可以增加零件的耐磨性之外,，還是提高零件疲勞強(qiáng)度，特別是提高耐腐蝕疲勞和咬蝕的一種有效手段。

     表面化學(xué)熱處理對疲勞強(qiáng)度的影響主要取決于加載方式,、滲層中的碳氮濃度,、表面硬度及梯度、表面硬度與心部硬度之比,、層深以及表面處理所形成的殘余壓應(yīng)力的大小和分布等因素,。大量試驗(yàn)表明，只要是先加工缺口后經(jīng)化學(xué)熱處理,，則一般說來缺口越尖銳,，疲勞強(qiáng)度的提高也越多。

     不同的加載方式下,，表面處理對疲勞性能的影響也不同,。軸向加載時(shí)，由于不存在應(yīng)力沿層深分布不均的現(xiàn)象,，表層和層下的應(yīng)力相同,。在這種情況下，表面處理只能改善表面層的疲勞性能,，由于心部材料未得到強(qiáng)化,，因而疲勞強(qiáng)度的提高有限。在彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下,，應(yīng)力的分布集中于表層,，表面處理形成的殘余應(yīng)力和這種外加應(yīng)力疊加，使表面實(shí)際承受的應(yīng)力降低,，同時(shí),，由于表層材料的強(qiáng)化，因而能有效地提高彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下的疲勞強(qiáng)度,。

      和滲碳,、氮化以及碳氮共滲等化學(xué)熱處理相反，如果零件在熱處理過程中脫碳,，使表層的強(qiáng)度降低,，則會(huì)使材料的疲勞強(qiáng)度大幅度降低。同樣,，表面鍍層（如鍍Cr,、Ni等）由于鍍層中的裂紋造成的缺口效應(yīng)、鍍層在基體金屬中引起的殘余拉應(yīng)力以及電鍍過程中氫氣的浸入導(dǎo)到氫脆等原因,，使疲勞強(qiáng)度降低,。

     采用感應(yīng)淬火、表面火焰淬火以及低淬透性鋼的薄殼淬火,，均可獲得一定深度的表面硬度化層,，并在表層形成有利的殘余壓應(yīng)力，因而也是提高零件疲勞強(qiáng)度的有效方法。

     表面滾壓和噴丸等處理,，由于能在試樣表面形成一定深度的形變硬化層,，同時(shí)使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，因而也是提高疲勞強(qiáng)度的有效途徑,。