制造业动态：了解材料疲劳强度影响因素，提升零件性能

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材料的疲劳强度对各种外部和内部因素极为敏感。外部因素包括零件的形状和尺寸、表面光洁度和使用条件等。内部因素包括材料本身的成分、组织状态、纯度和残余应力。等待。这些因素的细微变化都会引起材料疲劳性能的波动甚至较大的变化。

各种因素对疲劳强度的影响是疲劳研究的一个重要方面。该研究将为零件的合理结构设计、材料的正确选择以及各种热、冷加工工艺的合理制定提供依据，以确保零件具有高的疲劳性能。 。

1、应力集中的影响

传统的疲劳强度是使用精心加工的光滑样本来测量的。然而，实际的机械零件不可避免地存在不同形式的间隙，如台阶、键槽、螺纹、油孔等。这些缺口的存在造成应力集中，使得缺口根部的最大实际应力远大于零件所承受的名义应力。零件的疲劳损坏通常从这里开始。

理论应力集中系数Kt：理想弹性条件下，缺口根部最大实际应力与弹性理论计算的名义应力之比。

有效应力集中系数（或疲劳应力集中系数）Kf：光滑试件的疲劳极限σ-1与缺口试件的疲劳极限σ-1n之比。

有效应力集中系数不仅受构件尺寸和形状的影响，而且还受到材料的物理性能、加工、热处理等因素的影响。

有效应力集中系数随着缺口的锐度而增大，但通常小于理论应力集中系数。

疲劳缺口敏感性系数q：疲劳缺口敏感性系数表示材料对疲劳缺口的敏感性，由下式计算。

q的数据范围是0-1。 q值越小，材料对间隙的敏感度越低。测试表明q并不是纯粹的材料常数，它仍然与缺口尺寸有关。只有当缺口半径大于一定值时，q值基本上与缺口无关，并且对于不同的材料或加工条件，这个半径值也不同。

2、尺寸因素的影响

由于材料自身结构的不均匀性和内部缺陷的存在，尺寸的增大导致材料损坏的概率增加，从而降低材料的疲劳极限。尺寸效应的存在是将实验室小试件测得的疲劳数据应用于大尺寸实际零件时的一个重要问题，因为不可能完全模拟实际尺寸上存在的应力集中、应力梯度等。部分。在小样本上复制，导致实验室结果与某些特定零件的疲劳损坏之间脱节。

3、表面加工状态的影响

加工表面总是存在凹凸不平的加工痕迹。这些痕迹相当于微小的缝隙，造成材料表面应力集中，从而降低材料的疲劳强度。试验表明，对于钢和铝合金，粗加工（粗车削）比纵向精抛光降低疲劳极限10%-20%甚至更多。材料越坚固，对表面光洁度越敏感。

4、加载体验的影响

事实上，没有任何零件在绝对恒定的应力幅值条件下工作。材料实际工作中的超载和亚载都会对材料的疲劳极限产生影响。试验表明，材料中过载损坏和亚负载运动是常见的。

所谓过载损伤是指材料在高于疲劳极限的载荷下运行一定次数的循环后，材料的疲劳极限会降低。过载越高，造成损坏所需的循环次数越短，如图 1 所示。

图1 过载损坏剖面

事实上，在一定条件下，少量的过载不仅不会对材料造成损伤，反而会因变形强化、裂纹尖端钝化和残余压应力而强化材料，从而提高材料的疲劳极限。因此，应对过载损坏的概念进行一些补充和修改。

所谓分负荷运动是指材料在低于疲劳极限但高于某一极限的应力水平下运行一定次数后，材料的疲劳极限增加的现象。分负荷运动的效果与材料本身的性能有关。一般来说，塑性好的材料，运动周期要长一些，运动应力要高一些才有效。

5、化学成分的影响

在一定条件下，材料的疲劳强度和拉伸强度之间存在着密切的关系。因此，凡是在一定条件下能提高抗拉强度的合金元素，都可以提高材料的疲劳强度。相比之下，碳是影响材料强度的最重要因素。钢中形成夹杂物的一些杂质元素对疲劳强度有不利影响。

6、热处理及金相组织的影响

不同的热处理状态会产生不同的显微组织。因此，热处理对疲劳强度的影响本质上是显微组织的影响。相同成分的材料，由于热处理不同，可以获得相同的静强度，但由于组织不同，疲劳强度可在相当大的范围内变化。

在相同强度水平下，片状珠光体的疲劳强度明显低于粒状珠光体。两者都是粒状珠光体。渗碳体颗粒越细，疲劳强度越高。

微观组织对材料疲劳性能的影响不仅与各种组织本身的力学性能有关，还与复合材料结构中组织的晶粒尺寸和分布特征有关。细化晶粒可提高材料的疲劳强度。

7、夹杂物的影响

夹杂物本身或由其产生的孔洞相当于微小的间隙。在交变载荷作用下，会出现应力集中和应变集中，成为疲劳断裂的根源，对材料的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的类型、性质、形状、尺寸、数量和分布，而且还取决于材料的强度水平和外应力的水平和状态等因素。

不同类型的夹杂物具有不同的力学和物理性能，与母材性能有不同的差异，对疲劳性能的影响也不同。一般来说，易变形塑性夹杂物（如硫化物）对钢的疲劳性能影响不大，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）影响较小，因为它们在基体中产生压应力；而膨胀系数比基体小的夹杂物（如氧化铝等）影响较大，因为它们在基体中产生压应力。它们在基体中产生拉应力。

夹杂物与母材结合的紧密程度也会影响疲劳强度。硫化物易变形，与母材结合紧密，而氧化物则易与母材分离，造成应力集中。从夹杂物类型可以看出，硫化物影响较小，而氧化物、氮化物和硅酸盐危害较大。

在不同的载荷条件下，夹杂物对材料疲劳性能的影响也不同。在高载荷条件下，无论是否存在夹杂物，外载荷足以引起材料的塑性流变，夹杂物的影响较小。材料的疲劳极限应力范围。夹杂物的存在导致局部应变集中成为塑性变形的控制因素，从而强烈影响材料的疲劳强度。也就是说，夹杂物的存在主要影响材料的疲劳极限，对高应力条件下的疲劳强度没有明显影响。

材料的纯度由冶炼工艺决定。因此，采用净化冶炼方法（如真空冶炼、真空脱气和电渣重熔等）可以有效降低钢中的杂质含量，提高材料的疲劳性能。

8.表面性质变化和残余应力的影响

表面状况的影响除了前面提到的表面光洁度外，还包括表层力学性能的变化以及残余应力对疲劳强度的影响。表层力学性能的变化可以是由表层化学成分和结构的差异引起的，也可以是由表层变形强化引起的。

除了提高零件的耐磨性外，渗碳、渗氮、碳氮共渗等表面热处理也是提高零件疲劳强度，特别是提高抗腐蚀疲劳和咬蚀能力的有效手段。

表面化学热处理对疲劳强度的影响主要取决于加载方式、渗碳层碳氮浓度、表面硬度及梯度、表面硬度与心部硬度之比、层深以及残余物的大小和大小。表面处理形成的压应力。分布等因素。大量试验表明，只要先加工缺口，然后进行化学热处理，一般来说，缺口越锋利，疲劳强度的提高就越大。

不同加载方式下，表面处理对疲劳性能的影响也不同。轴向加载时，由于应力沿层深不存在不均匀分布，因此表层和层下应力相同。这种情况下，表面处理只能提高表层的疲劳性能。由于芯材未强化，疲劳强度的提高有限。在弯曲和扭转条件下，应力分布集中在表层。表面处理形成的残余应力与这种外应力叠加，减少了表面实际承受的应力。同时，由于表面材料的强化，提高了在扭转条件下的弯曲和疲劳强度。

与渗碳、渗氮、碳氮共渗等化学热处理相反，如果零件在热处理过程中发生脱碳，表层强度降低，则材料的疲劳强度将大大降低。同样，由于镀层裂纹产生的缺口效应、镀层在基体金属中产生的残余拉应力以及镀层的浸入等原因，导致表面镀层（如镀Cr、Ni等）的疲劳强度降低。电镀过程中产生氢气会导致氢脆。 。

采用低淬透性钢的感应淬火、表面火焰淬火和薄壳淬火，可以获得一定深度的表面硬化层，并在表面形成有利的残余压应力。因此，它也是提高零件疲劳强度的有效方法。

表面滚压和喷丸也是提高疲劳强度的有效方法，因为它们可以在试样表面形成一定深度的形变硬化层，并在表面产生残余压应力。