材料疲劳强度受多种因素影响，应力集中作用几何缺口成关键？

材料的抗疲劳能力对多种外部条件和内部因素反应非常剧烈外部条件涵盖零件的几何特征、尺寸大小、表面平整度以及使用环境等内部因素涉及材料本身的化学构成、内部结构形态、纯净程度和残余应力等这些因素哪怕发生轻微变动，都可能引起材料抗疲劳性能的起伏甚至显著改变分析各种因素对疲劳强度的作用是疲劳研究的关键内容此类研究能为零件的合理构造设计、材料选择以及冷热加工工艺的制定提供参考依据从而确保零件具备优异的抗疲劳表现应力集中现象对疲劳强度的影响通常所说的抗疲劳能力，都是基于经过精细打磨的光滑试样进行测试得出的然而实际机械部件不可避免存在各种形式的缺口例如台阶、键槽、螺纹孔等这些缺口导致应力集中现象出现使得缺口处的最大实际应力远超零件承受的名义应力零件的疲劳失效往往从这些缺口处开始理论应力集中系数Kt是在理想弹性状态下通过弹性理论计算得出的表示缺口根部最大实际应力与名义应力的比率有效应力集中系数或称疲劳应力集中系数Kf则是光滑试样疲劳极限与缺口试样疲劳极限的比值有效应力集中系数不仅受构件的尺寸和形状影响还与材料的物理特性加工工艺热处理状况等因素相关有效应力集中系数会随着缺口尖锐程度的提升而增大但通常低于理论应力集中系数疲劳缺口敏感度系数q用于衡量材料对疲劳缺口的敏感程度其计算公式得出的数值介于0到1之间q值越小表明材料对缺口越不敏感实验表明q并非单纯的材料属性它仍与缺口尺寸相关只有当缺口半径超过特定值后q值才基本不受缺口尺寸影响而且不同材料或处理状态下此半径值也有差异尺寸效应的影响由于材料内部组织的不均匀性和缺陷的存在尺寸增大会增加材料破坏的可能性因此会降低材料的疲劳极限尺寸效应的存在是将实验室小试样测试的疲劳数据应用于大型实际零件中的一个重要挑战因为无法完全模拟实际零件上的应力集中应力梯度等状况于小试样上从而造成实验室测试结果与某些零件实际疲劳破坏之间的脱节表面加工状况的影响机械加工留下的高低不平的痕迹相当于微小缺口会在材料表面造成应力集中现象因此降低材料的抗疲劳能力试验显示对于钢铁和铝合金粗糙的加工方式（如粗车）与纵向精细抛光相比疲劳极限会降低10%至20%甚至更多材料的强度越高则对表面平整度越敏感加载经历的影响实际上没有任何零件是在完全稳定的应力幅条件下工作的材料在实际使用中的超载和次载都会对材料的疲劳极限产生影响试验表明材料普遍存在超载损伤和次载锻炼现象所谓超载损伤是指材料在高于疲劳极限的载荷下运行达到一定循环次数后会导致材料疲劳极限下降超载程度越高造成损伤所需的循环次数越少如图1所示图1为损伤曲线事实上在一定条件下少量次数的超载不仅不会对材料造成损伤反而由于形变强化裂纹尖端钝化以及残余压应力的作用会提高材料的抗疲劳能力因此应对超载损伤的概念进行补充和修正所谓次载锻炼是指材料在低于疲劳极限但高于某一限值的应力水平下运行一定循环次数后会导致材料疲劳极限上升次载锻炼的效果与材料本身的性能相关塑性较好的材料锻炼周期通常较长锻炼应力也需要更高才能见效化学成分的影响材料的抗疲劳能力与抗拉强度在一定条件下有较密切的联系因此在一定条件下能提高抗拉强度的合金元素同样可以提高材料的抗疲劳能力相比之下碳是影响材料强度的主要元素而一些在钢铁中形成夹杂物杂质元素则对疲劳强度产生不利影响热处理和显微组织的影响不同的热处理状态会形成不同的显微组织因此热处理对疲劳强度的影响本质上就是显微组织的影响相同成分的材料即使热处理获得相同的静强度但由于组织不同疲劳强度可在很大范围内变化在相同强度水平下片状珠光体的抗疲劳能力明显低于粒状珠光体同为粒状珠光体渗碳体颗粒越细小则抗疲劳能力越高显微组织对材料抗疲劳性能的影响除了与各种组织本身的机械性能特性相关外还与晶粒度以及复合组织中组织的分布特征有关细化晶粒可以提高材料的抗疲劳能力夹杂物的影响夹杂物本身或由其产生的孔洞相当于微小缺口在交变载荷作用下会产生应力集中和应变集中成为疲劳断裂的裂纹源对材料的抗疲劳性能造成不利影响夹杂物对疲劳强度的影响不仅取决于夹杂物种类性质形状大小数量分布还取决于材料强度水平外加应力水平及状态等因素不同类型夹杂物其机械物理性能不同与母材性能差异不同对疲劳性能的影响也不同通常塑性易变形的夹杂物（如硫化物）对钢铁抗疲劳性能影响较小而脆性夹杂物（如氧化物硅酸盐等）危害较大膨胀系数比基体大的夹杂物（如硫化物）因在基体中产生压应力影响较小而膨胀系数比基体小的夹杂物