材料疲劳强度受多种因素影响，应力集中如何作用？

材料的抗疲劳能力非常容易受到各种外部条件和内部条件的影响。外部条件涵盖零件的几何形态和大小、表面平整程度以及工作环境等，内部条件则涉及材料自身的化学构成，微观结构、纯净程度和残余应力等。这些条件的轻微变动，都可能引起材料抗疲劳特性的不稳定，甚至导致其性能发生显著改变。

疲劳程度受诸多条件制约，这是疲劳领域探究的核心议题，相关研究能为部件的优化构造、恰当选材和科学规划加工流程提供参考，确保构件具备优良的抗疲劳能力。

应力集中的影响

通常所说的疲劳负荷，都是通过精细打磨的光滑材料实验得来的，但是，实际使用的机械构件难免带有各种形状的缺陷，比如凸缘、凹槽、螺纹以及孔洞等。这些缺陷会引起应力集中现象，导致缺陷边缘的最大实际压力远远超过构件所承受的名义压力，构件的疲劳损坏往往首先出现在这些地方。

理论应力集中系数Kt，定义为理想弹性状态下，依据弹性理论计算出的，缺口底部最大实际应力，除以名义应力的结果。

有效应力集中系数，或称疲劳应力集中系数，Kf，是光滑试样的疲劳极限σ-1，与缺口试样疲劳极限σ-1n，两者之间的比值。

应力集中系数的大小，取决于构件的几何特征，也跟材料的物理特性、加工工艺以及热处理过程密切相关。

应力集中系数会随缺口尖端程度的提升而提升，不过一般不会超过理论应力集中系数的数值。

疲劳缺口敏感度系数q：这个系数衡量材料对疲劳缺口的反应强弱，可以通过特定公式求得。

q的数值介于零和一之间，q值越低，说明材料面对裂纹表现得越迟钝。通过实验发现，q并非完全由材料本身决定，它还会受到裂纹尖端尺寸的影响，只有当裂纹半径超过某个特定限度时，q值才基本不受裂纹大小变化的影响，而且这个限度对于不同材料或者经过不同工艺处理的情况也各不相同。

尺寸因素的影响

材料内部构造分布不均，且存在固有瑕疵，尺寸变大时，材料损毁的可能性随之升高，进而导致材料承受疲劳的能力下降。尺寸差异的影响，是研究实验室小件测试数据如何应用于大型实际构件时面临的关键点，因为无法在小件上完全复制大件存在的应力集中现象、应力分布变化等情况，导致实验测量值与某些具体构件的疲劳失效结果出现不一致。

表面加工状态的影响

加工后的表面通常带有凹凸不平的残留痕迹，这些痕迹如同微小的缺陷，会在材料表层引发应力集中，进而削弱其抗疲劳性能。研究证实，在钢材和铝合金中，采用粗加工工艺时，其疲劳极限相较于纵向精细抛光状态会减少百分之十至百分之二十，甚至出现更大幅度的下降。材料本身的强度越高，其对于表面平整度的要求也就越严格。

加载经历的影响

现实情况是没有任何部件是在完全不变的受力条件下运作，材料在实际使用中的过度负荷和不足载荷都会改变其抗疲劳能力，研究显示，材料普遍存在因超负荷导致的损伤以及因不足载荷产生的强化现象。

超载导致的损伤，是指材料在超过其耐久极限的受力条件下，经过若干循环次数后，会出现抗疲劳能力减弱的现象。载荷的超出程度越大，致使材料出现损伤的循环次数就越少，具体情况如图1所示。

图1 过载损伤届

确实，特定条件下，少数几次的过载不但不会损害材质，反而会借助变形强化、裂纹端部变钝及残余压应力的效果，对材质产生强化作用，进而提升其抗疲劳性能。据此，需要针对过载破坏的认知进行若干完善和调整。

次载锻炼就是指材料在低于疲劳极限但高于某个特定值的应力条件下运行若干循环次数，从而使得材料的疲劳极限得到提升的现象。这种锻炼的效果与材料本身的性质密切相关，塑性较强的材料通常需要更长的锻炼时间，并且要施加相对较高的锻炼应力才能产生明显作用。

化学成分的影响

材料承受循环载荷的能力与其在拉伸状态下的最大承载能力之间有显著关联，所以只要能增强材料拉伸性能的成分，也能同时提升其抗疲劳性能。从成分角度分析，碳元素对材料整体强度具有决定性作用。然而，某些容易在钢材内部形成非金属夹杂物的元素，却会损害材料的疲劳性能。

热处理和显微组织的影响

各种加热工艺后的状态不一样，得到的组织构造也不同，所以，加热工艺对耐疲劳性能的作用，其实就是组织构造的作用。成分相同的材料，即便加热工艺不一样，也许能达到相同的抗拉强度，可是因为组织构造不一样，耐疲劳性能能在很大的幅度内变动。

同等力度下，板条状珠光体的抗疲劳能力远逊于球状珠光体，而球状珠光体中，渗碳体晶粒越是微细，其抗疲劳性能就越强。

材料抗疲劳能力受其微观构造制约，这既与其内部构造的力学属性相关，也与其晶粒大小及混合构造中构造的散布状况有关。减小晶粒能够增强材料的抗疲劳水平。

夹杂物的影响

杂质或其造成的空隙可视为细微裂痕，在循环受力时会引发应力过度集中和形变过度集中，容易形成疲劳裂纹的起始点，从而损害材料的抗疲劳能力。杂质对材料抗疲劳能力的影响，不仅与杂质本身的类型、特性、形态、尺寸、多少和散布方式有关，还与材料本身的强度等级以及外部应力的数值和状态等条件相关。

夹杂物种类多样，其力学与物理特性各不相同，同基体材料性能的偏离程度各异，对材料抗疲劳能力的作用也不同。通常情况下，那些容易变形的塑性夹杂物，例如硫化物，对钢材的疲劳特性产生的负面效果不大，然而，脆性夹杂物，诸如氧化物、硅酸盐等，则会造成显著的不良影响。

膨胀系数超过基体的杂质，例如硫化物，由于在基体中引发压应力，其影响相对较小；膨胀系数低于基体的杂质，比如氧化铝，由于在基体中造成拉应力，其影响则比较显著。

杂质同基体结合的牢固性同样关系到抗疲劳性能。硫化物比较容易变形，与基体结合较为牢固，而氧化物则容易从基体上分离，从而引发应力集中现象。由此可见，就杂质种类而言，硫化物造成的不良后果相对轻微，而氧化物、氮化物以及硅酸盐等则会带来更严重的危害。

在多种受力状态下，杂质对物件抗疲劳特性的作用存在差异，当承受较大压力时，不论杂质是否存在，外部压力都足以使物件出现塑性变形，杂质的作用变得微乎其微，但在物件所能承受的疲劳极限应力区间内，杂质的存在会导致局部形变过度集中，成为塑性形变的关键环节，进而显著改变物件的抗疲劳能力。也就是说，杂质的存在主要损害了材料的抗疲劳性能，对于承受大应力的疲劳情况，其作用并不显著。

材料的纯净程度取决于熔炼流程，所以运用提纯熔炼技术，例如真空熔化、真空脱气和电渣重熔等，能够显著减少钢材中的杂质，从而提升材料的抗疲劳能力。

表面性能变化及残余应力的影响

外在形态的效应，除了前述的表面平滑度之外，还涉及表层力学特性的转变，以及残余应力对持久强度的作用。表层力学特性的转变，可能源于表层化学构成和组织差异，也可能是表层因加工硬化所致。

表面热处理工艺包括渗碳、氮化以及碳氮共渗等，这些方法不仅能提升零件的耐磨损程度，同时也能增强其抗疲劳性能，尤其对于耐腐蚀疲劳和抗咬蚀性能的改善具有显著作用。

表面化学热处理对材料抗疲劳能力的作用，关键在于多个方面，包括受力方式、表层碳氮含量、表面硬度及其变化程度、表面与内部硬度的对比、保护层厚度，以及表面处理留下的残余压应力值和分布情况。许多实验结果显示，通常情况下，先制造缺陷再进行化学热处理，如果缺陷更加锋利，那么材料抗疲劳性能的提升幅度会更大。

各种受力方式下，表面加工对耐久性的作用不一样。单轴受力时，没有应力在厚度方向分布不均的情况，表层和内部材料的受力一致。这种情形下，表面加工只能增强表层材料的耐久性，因为中心部分材料没有得到加强，所以耐久力的提升程度不高。在弯曲和扭转状况下，应力主要聚集在表层位置，表面处理产生的残余应力与这种外加应力相结合，导致表面实际承受的应力有所减小，此外，表层材料的强化作用，能够显著增强在弯曲和扭转状态下的疲劳性能。

不同于渗碳、氮化及碳氮共渗这类化学热处理，当零件在热处理时出现脱碳现象，会导致表层强度减弱，进而使材料的抗疲劳性能显著下降。此外，表面镀层例如镀Cr、Ni等，也会因为镀层内部裂纹产生的应力集中效应、镀层与基体金属间形成的残余拉应力，以及电镀时氢气渗透引发的氢脆效应，造成材料疲劳强度降低。

感应加热处理、表面火焰加热处理以及低淬透性钢的薄壳加热处理，都能形成一定厚度的表面硬度增强层，并且在表层产生有利的压应力分布，因此也是增强零件抗疲劳性能的有效途径。

表面进行滚压加工或喷丸处理，能够在试样表层制造出深度可观的塑性强化区域，并且使表层形成压应力残留，这种方法是增强抗疲劳性能的可靠措施。