金屬材料疲勞強(qiáng)度的十大主要影響因素

1、金屬材料疲勞強(qiáng)度的十大主要影響因素目錄刖.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、外表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)、純潔度和剩余應(yīng)力等。這些因素的細(xì)微變化，均會造成材料疲勞性 能的波動甚至大幅度變化。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。.材料的屈服強(qiáng)度材料的屈服強(qiáng)度和疲勞極限之間有一定的關(guān)系，一般來說，材料的屈服強(qiáng) 度越高，疲勞強(qiáng)度也越高，因此，為了提高彈簧的疲勞強(qiáng)度應(yīng)設(shè)法提高彈簧材 料的屈服強(qiáng)度，

2、或采用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比值高的材料。對同一材料來說， 細(xì)晶粒組織比粗細(xì)晶粒組織具有更高的屈服強(qiáng)度。.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) 械零件都不可防止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。-1與 缺口試樣疲勞極限。-In的比值。有效應(yīng)力集中系數(shù)不僅受構(gòu)件尺寸

3、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。第1頁共6頁有效應(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。qq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)說明，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。.尺寸因素的影響材料的尺寸愈大，由于各種冷加工和熱加工工藝所造成的缺陷可能性愈 高，產(chǎn)生外表缺陷的可能性也越大，這些原因都會導(dǎo)致疲勞性能下降。因此

4、在 計(jì)算彈簧的疲勞強(qiáng)度時(shí)要考慮尺寸效應(yīng)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)。.外表加工狀態(tài)的影響最大應(yīng)力多發(fā)生在彈簧材料的表層，所以彈簧的外表質(zhì)量對疲勞強(qiáng)度的影 響很大。彈簧材料在軋制、拉拔和卷制過程中造成的裂紋、疵點(diǎn)和傷痕等缺陷 往往是造成彈簧疲勞斷裂的原因。材料外表粗糙度愈小，應(yīng)力集中愈小，

5、疲勞強(qiáng)度也愈高。材料外表粗糙度 對疲勞極限的影響。隨著外表粗糙度的增加，疲勞極限下降。在同一粗糙度的 情況下，不同的鋼種及不同的卷制方法其疲勞極限降低程度也不同，如冷卷彈 簧降低程度就比熱卷彈簧小。因?yàn)殇撝茻峋韽椈杉捌錈崽幚砑訜釙r(shí)，由于氧化 使彈簧材料外表變粗糙和產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象，這樣就降低了彈簧的疲勞強(qiáng)度。第2頁共6頁對材料外表進(jìn)行磨削、強(qiáng)壓、拋丸和滾壓等。都可以提高彈簧的疲勞強(qiáng) 度。機(jī)加工的外表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，在材料外表造成應(yīng)力集中，從而降低材料的疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)說明，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

6、更多。材料的強(qiáng)度越高，那么對外表光潔度越敏感。.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 的超載和次載都會對材料的疲勞極限產(chǎn)生影響，試驗(yàn)說明，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)行到達(dá)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，如所示。圖超載損傷造成材料疲勞極限的下降損傷線事實(shí)上，在一定條件下，少量次數(shù)的超載不僅不會對材料造成損 傷，由于形變強(qiáng)化、裂紋尖端鈍化以及剩余壓應(yīng)力的作用，還會對材料造成強(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

7、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。.化學(xué)成分的影響第3頁共6頁材料的疲勞強(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。比擬而 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)元素那么 對疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。.熱處理和顯微組織的影響不同的熱處理狀態(tài)會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

8、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，那么疲勞強(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。.冶金缺陷研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)試樣，疲勞裂紋主要來源于夾雜物，疲勞失效源的夾雜物 主要是氮化物(TiN)和氧化物應(yīng)力比R=0.1時(shí)的疲勞極限為547MPao 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，80%的裂紋由TiN引起，17.5%裂紋由A12()3引起。TiN引起裂 紋

9、的夾雜物尺寸為9-14 R m,遠(yuǎn)小于A125的15-19um,說明即使TiN的夾雜 物尺寸小于AI2O3,仍能引發(fā)鋼材的疲勞裂紋，這與一般高強(qiáng)鋼疲勞裂紋主要 來源于最大夾雜物尺寸的報(bào)道不一致，隨著夾雜物尺寸的減小，AI2O3引起疲勞 破壞的次數(shù)顯著增加，而TiN在不同循環(huán)應(yīng)力幅值下的疲勞壽命數(shù)據(jù)具有較大 的彌散性。冶金缺陷是指材料中的非金屬夾雜物、氣泡、元素的偏析，等等。存在于 外表的夾雜物是應(yīng)力集中源，會導(dǎo)致夾雜物與基體界面之間過早地產(chǎn)生疲勞裂 紋。采用真空冶煉、真空澆注等措施，可以大大提高鋼材的質(zhì)量。鋼材的疲勞性能不僅與夾雜物的尺寸有關(guān)，還與夾雜物的類型有關(guān)，疲勞 失效很可能來源于非金屬

10、夾雜物。目前，冶金技術(shù)可以將氧、氮、硫等有害元第4頁共6頁 素控制在lOppM以下，將夾雜物尺寸控制在In m以下，這是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi) 力、生產(chǎn)本錢高的過程。提高鋼的純潔度，可以通過降低鋼中夾雜物的尺寸， 有效地改善鋼的疲勞性能。因此，夾雜物尺寸對疲勞性能的定量影響被廣泛研 究。而以往的研究側(cè)重于包裹體的大小，缺乏對包裹體類型的定量研究。不同 類型夾雜物對疲勞性能的影響存在顯著差異，不容忽視。然而，以往對包裹體 類型的研究還不夠深入，主要是定性研究，如考慮基體與不同包裹體類型模量 的差異等。因此，定量研究不同類型夾雜物對高強(qiáng)鋼疲勞性能的影響，是指導(dǎo) 冶金工作者合理經(jīng)濟(jì)地控制不同夾雜物尺寸的必要手段

11、。.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）那么有較大的危害。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

12、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、氮化物和硅酸鹽等那么是危害較大 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

13、潔度是由熔煉工藝過程決定的，因此，采用凈化冶煉方法（如真第5頁共6頁空熔煉、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。.外表性能變化及剩余應(yīng)力的影響外表狀態(tài)的影響除前已提及的外表光潔度外，還包括表層機(jī)械性能的變化 及剩余應(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、氮化和碳氮共滲等外表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。外表化學(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、外表硬度及梯度、外表硬度與心部硬度之比、層深

14、以及外表處理所形成的 剩余壓應(yīng)力的大小和分布等因素。大量試驗(yàn)說明，只要是先加工缺口后經(jīng)化學(xué) 熱處理，那么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，外表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，外表處理只能改善外表層的疲勞性能，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，外表處理 形成的剩余應(yīng)力和這種外加應(yīng)力疊加，使外表實(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，那么會使材料的疲勞強(qiáng)度大幅度降低。同