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(duì)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(duì)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(cè)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(tái)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(kāi)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(duì)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(duì)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(wú)關(guān)，而且對(duì)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(cè)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(wèn)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(lái)，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(duì)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(duì)表面光潔度越敏感。

04

加載經(jīng)歷的影響

      實(shí)際上沒(méi)有任何零件是在絕對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)材料造成強(qiáng)化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應(yīng)對(duì)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(lái)說(shuō)鍛煉周期要長(zhǎng)些，鍛煉應(yīng)力要高些方能見(jiàn)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(duì)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(duì)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(duì)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?？商岣卟牧系钠趶?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(duì)材料的疲勞性能造成不良影響。夾雜物對(duì)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(duì)疲勞性能的影響也不同。一般說(shuō)來(lái)，易變形的塑性?shī)A雜物（如硫化物）對(duì)鋼的疲勞性能影響較小，而脆性?shī)A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(lái)說(shuō)，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(duì)材料疲勞性能的影響也不同，在高載條件下，無(wú)論有沒(méi)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(shuō)，夾雜物的存在主要是影響材料的疲勞極限，對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(shuō)來(lái)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(duì)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(guò)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(guò)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。