影响金属材料疲劳强度的八大因素

影响金属材料疲惫强度的八大因素材料的疲惫强度对各种外在因素和内在因素都极为敏感外在因素包括零件的形态和尺寸、表面光滑度及运用条件等，内在因素包括材料本身的成分，组织状态、纯净度和残余应力等这些因素的微小改变，均会造成材料疲惫性能的波动甚至大幅度改变各种因素对疲惫强度的影响是疲惫探讨的重要方面，这种探讨将为零件合理的结构设计、以及正确选择材料和合理制订各种冷热加工工艺供应依据，以保证零件具有高的疲惫性能

1.应力集中的影响常规所讲的疲惫强度，都是用细心加工的光滑试样测得的，然而，实际机械零件都不行避开地存在着不同形式的缺口，如台阶、键槽、螺纹和油孔等这些缺口的存在造成应力集中，使缺口根部的最大实际应力远大于零件所承受的名义应力，零件的疲惫破坏往往从这里起先理论应力集中系数Kt在志向的弹性条件下，由弹性理论求得的，缺口根部的最大实际应力与名义应力的比值有效应力集中系数（或疲惫应力集中系数）Kf光滑试样的疲惫极限-1与缺口试样疲惫极限-In的比值有效应力集中系数不仅受构件尺寸和形态的影响，而且受材料的物理性质、加工、热处理等多种因素的影响有效应力集中系数随着缺口尖锐程度的增加而增加，但通常小于理论应力集中系数疲惫缺口敏感度系数q疲惫缺口敏感度系数表示材料对疲惫缺口的敏感程度，由下式计算q的数据范围是OT,q值越小，表征材料对缺口越不敏感试验表明，q并非纯粹是材料常数，它仍旧和缺口尺寸有关，只有当缺口半径大于肯定值后,q值才基本与缺口无关，而且对于不同材料或处理状态，此半径值也不同

2.尺寸因素的影响由于材料本身组织的不匀称性以及内部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破坏概率的增加，从而降低材料的疲惫极限尺寸效应的存在，是把试验室小试样测得的疲惫数据运用于大尺寸实际零件中的一个重要问题，由于不行能把实际尺寸的零件上存在的应力集中、应力梯度等完全相像地在小试样上再现出来,从而造成试验室结果与某些详细零件疲惫破坏之间的相互脱节

3.表面加工状态的影响机加工的表面总存在着凹凸不平的加工痕迹，这些痕迹就相当于微小缺口，在材料表面造成应力集中，从而降低材料的疲惫强度试验表明，对于钢和铝合金，粗糙的加工（粗车）与纵向精抛光相比，疲惫极限要降低10%—20%甚至更多材料的强度越高，则对表面光滑度越敏感

4.加载经验的影响事实上没有任何零件是在肯定恒定的应力幅条件下工作，材料实际工作中的超载和次载都会对材料的疲惫极限产生影响，试验表明，材料普遍存在着超载损伤和次载熬炼现象所谓超载损伤是指材料在高于疲惫极限的载荷下运行达到肯定周次后，将造成材料疲惫极限的下降超载越高，造成损伤所需的周次越短，如图1所示igv图1过载损伤界事实上，在肯定条件下，少量次数的超载不仅不会对材料造成损伤，由于形变强化、裂纹尖端钝化以及残余压应力的作用，还会对材料造成强化，从而提高材料的疲惫极限因此，应对超载损伤的概念进行一些补充和修正所谓次载熬炼是指材料在低于疲惫极限但高于某一限值的应力水平下运行肯定周次后，造成材料疲惫极限上升的现象次载熬炼的效果和材料本身的性能有关，塑性好的材料，一般来说熬炼周期要长些，熬炼应力要高些方能见效

5.化学成分的影响材料的疲惫强度与抗拉强度在肯定条件下存在着较亲密的关系，因此，在肯定条件下凡能提高抗拉强度的合金元素，均可提高材料的疲惫强度比较而言，碳是影响材料强度的最主要因素而一些在钢中形成夹杂物的杂质元素则对疲惫强度产生不利影响

6.热处理和显微组织的影响不同的热处理状态会得到不同的显微组织，因此，热处理对疲惫强度的影响，实质上就是显微组织的影响同一成份的材料，由于热处理不同，虽然可以得到相同的静强度，但由于组织的不同，疲惫强度可在相当大的范围内改变在相同的强度水平常，片状珠光体的疲惫强度明显要低于粒状珠光体同是粒状珠光体，其渗碳体颗粒越细小，则疲惫强度越高显微组织对材料疲惫性能的影响，除了和各种组织本身的机械性能特性有关外，还和晶粒度以及复合组织中组织的分布特征有关细化晶粒可提高材料的疲惫强度

7.夹杂物的影响夹杂物本身或由它而产生的孔洞相当于微小缺口，在交变载荷作用下将产生应力集中和应变集中，成为疲惫断裂的裂纹源，对材料的疲惫性能造成不良影响夹杂物对疲惫强度的影响不仅取决于夹杂物的种类、性质、形态、大小、数量和分布，而且还取决于材料的强度水平以及外加应力水平及状态等因素不同类型的夹杂物其机械和物理性能不同，和母材性能之间的差异不同，对疲惫性能的影响也不同一般说来，易变形的塑性夹杂物（如硫化物）对钢的疲惫性能影响较小，而脆性夹杂物（如氧化物、硅酸盐等）则有较大的危害比基体膨胀系数大的夹杂物（如硫化物）因在基体中产生压应力而影响小,而比基体膨胀系数小的夹杂物（如氧化铝等）因在基体中产生拉应力而影响大夹杂物与母材结合的紧密程度也会影响疲惫强度硫化物易于变形，和母材结合紧密，而氧化物易于脱离母材，造成应力集中由此可知，从夹杂物的类型来说，硫化物的影响较小，而氧化物、氮化物和硅酸盐等则是危害较大的不同加载条件下，夹杂物对材料疲惫性能的影响也不同，在高载条件下，无论有没有夹杂物的存在，外加载荷均足以使材料产生塑性流变，夹杂物的影响较小，而在材料的疲惫极限应力范围，夹杂物的存在造成局部应变集中成为塑性变形的限制因素，从而剧烈地影响材料的疲惫强度也就是说，夹杂物的存在主要是影响材料的疲惫极限，对高应力条件下的疲惫强度影响不明显材料的纯净度是由熔炼工艺过程确定的，因此，采纳净化冶炼方法（如真空熔炼、真空除气和电渣重熔等）均可有效降低钢中的杂质含量，改善材料的疲惫性能

8.表面性能改变及残余应力的影响表面状态的影响除前已提及的表面光滑度外，还包括表层机械性能的改变及残余应力对疲惫强度的影响表层机械性能的改变可以是表层化学成分和组织不同所引起，也可以是表层因形变强化而引起渗碳、氮化和碳氮共渗等表面热处理除了可以增加零件的耐磨性之外，还是提高零件疲惫强度，特殊是提高耐腐蚀疲惫和咬蚀的一种有效手段表面化学热处理对疲惫强度的影响主要取决于加载方式、渗层中的碳氮浓度、表面硬度及梯度、表面硬度与心部硬度之比、层深以及表面处理所形成的残余压应力的大小和分布等因素大量试验表明，只要是先加工缺口后经化学热处理，则一般说来缺口越尖锐，疲惫强度的提高也越多不同的加载方式下，表面处理对疲惫性能的影响也不同轴向加载时，由于不存在应力沿层深分布不均的现象，表层和层下的应力相同在这种状况下,表面处理只能改善表面层的疲惫性能，由于心部材料未得到强化，因而疲惫强度的提高有限在弯曲和扭转条件下，应力的分布集中于表层，表面处理形成的残余应力和这种外加应力叠加，使表面实际承受的应力降低，同时，由于表层材料的强化，因而能有效地提高弯曲和扭转条件下的疲惫强度和渗碳、氮化以及碳氮共渗等化学热处理相反，假如零件在热处理过程中脱碳，使表层的强度降低，则会使材料的疲惫强度大幅度降低同样，表面镀层（如镀Cr、Ni等）由于镀层中的裂纹造成的缺口效应、镀层在基体金属中引起的残余拉应力以及电镀过程中氢气的浸入导到氢脆等缘由，使疲惫强度降低采纳感应淬火、表面火焰淬火以及低淬透性钢的薄壳淬火，均可获得肯定深度的表面硬度化层，并在表层形成有利的残余压应力，因而也是提高零件疲惫强度的有效方法表面滚压和喷丸等处理，由于能在试样表面形成肯定深度的形变硬化层，同时使表面产生残余压应力，因而也是提高疲惫强度的有效途径。