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疲勞強度

所屬欄目：百科知識作者：越聯(lián)儀器點(diǎn)擊率：發(fā)布時(shí)間：2013-01-17 11:38:04

什么是疲勞強度?

說(shuō)到疲勞強度，我們先理解下金屬疲勞這一概念。

金屬疲勞

許多的機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過(guò)程中各點(diǎn)的應力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應力稱(chēng)為交變應力（也稱(chēng)循環(huán)應力）。在交變應力的作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現象稱(chēng)為金屬疲勞。

疲勞強度或疲勞極限

疲勞強度是指金屬材料在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應力稱(chēng)為疲勞強度或疲勞極限。實(shí)際上，金屬材料并不可能作無(wú)限多次交變載荷試驗。

一般試驗時(shí)規定，鋼在經(jīng)受10ˇ7次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受10ˇ8次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷裂時(shí)的最大應力稱(chēng)為疲勞強度。當施加的交變應力是對稱(chēng)循環(huán)應力時(shí)，所得的疲勞強度用σ–1表示。

疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據統計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒(méi)有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故，所以對于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來(lái)制造。

金屬疲勞強度研究歷史

1954 年，世界上第一款商業(yè)客機de Havilland Comet 接連發(fā)生了兩起墜毀事故，這使得“金屬疲勞”一詞出現在新聞頭條中，引起公眾持久的關(guān)注。這種飛機也是第一批使用增壓艙的飛行器，采用的是方形窗口。增壓效應和循環(huán)飛行載荷的聯(lián)合作用導致窗角出現裂紋，隨著(zhù)時(shí)間的推移，這些裂紋逐漸變寬，最后導致機艙解體。Comet 空難奪去了68 人的生命，這場(chǎng)悲劇無(wú)時(shí)無(wú)刻不在提醒著(zhù)工程師創(chuàng )建安全、堅固的設計。

自此以后，人們發(fā)現疲勞是許多機械零部件（例如在高強度周期性循環(huán)載荷下運行的渦輪機和其他旋轉設備）失效的罪魁禍首。

1867年，德國的A.沃勒展示了用旋轉彎曲試驗獲得的車(chē)軸疲勞試驗結果，把疲勞與應力聯(lián)系起來(lái)，提出了疲勞極限的概念，為常規疲勞設計奠定了基礎。第二次世界大戰中及戰后，通過(guò)對當時(shí)發(fā)生的許多疲勞破壞事故的調查分析，逐漸形成了現代的常規疲勞強度設計。1945年，美國的M.A.邁因納提出了線(xiàn)性損傷積累理論。1953年，美國的A.K.黑德提出了疲勞裂紋擴展理論。之后，計算帶裂紋零件的剩余壽命的具體應用，形成了損傷容限設計。20世紀60年代，可靠性理論開(kāi)始在疲勞強度設計中應用。

在常規疲勞強度設計中，有無(wú)限壽命設計（將工作應力限制在疲勞極限以下，即假設零件無(wú)初始裂紋，也不發(fā)生疲勞破壞，壽命是無(wú)限的）和有限壽命設計（采用超過(guò)疲勞極限的工作應力，以適應一些更新周期短或一次消耗性的產(chǎn)品達到零件重量輕的目的，也適用于寧愿以定期更換零件的辦法讓某些零件設計得壽命較短而重量較輕）。損傷容限設計是在材料實(shí)際上存在初始裂紋的條件下，以斷裂力學(xué)為理論基礎，以斷裂韌性試驗和無(wú)損檢驗技術(shù)為手段，估算有初始裂紋零件的剩余壽命，并規定剩余壽命應大于兩個(gè)檢修周期，以保證在發(fā)生疲勞破壞之前，至少有兩次發(fā)現裂紋擴展到危險程度的機會(huì )。疲勞強度可靠性設計是在規定的壽命內和規定的使用條件下，保證疲勞破壞不發(fā)生的概率在給定值（可靠度）以上的設計，使零部件的重量減輕到恰到好處。

影響金屬疲勞強度的因素

1、屈服強度

材料的屈服強度和疲勞極限之間有一定的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，材料的屈服強度越高，疲勞強度也越高，因此，為了提高彈簧的疲勞強度應設法提高彈簧材料的屈服強度，或采用屈服強度和抗拉強度比值高的材料。對同一材料來(lái)說(shuō)，細晶粒組織比粗細晶粒組織具有更高的屈服強度。

2、表面狀態(tài)

最大應力多發(fā)生在彈簧材料的表層，所以彈簧的表面質(zhì)量對疲勞強度的影響很大。彈簧材料在軋制、拉拔和卷制過(guò)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。

材料表面粗糙度愈小，應力集中愈小，疲勞強度也愈高。材料表面粗糙度對疲勞極限的影響。隨著(zhù)表面粗糙度的增加，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。因為鋼制熱卷彈簧及其熱處理加熱時(shí)，由于氧化使彈簧材料表面變粗糙和產(chǎn)生脫碳現象，這樣就降低了彈簧的疲勞強度。

對材料表面進(jìn)行磨削、強壓、拋丸和滾壓等。都可以提高彈簧的疲勞強度。

3、尺寸效應

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)生表面缺陷的可能性也越大，這些原因都會(huì )導致疲勞性能下降。因此在計算彈簧的疲勞強度時(shí)要考慮尺寸效應的影響。

4、冶金缺陷

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。存在于表面的夾雜物是應力集中源，會(huì )導致夾雜物與基體界面之間過(guò)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。

5、腐蝕介質(zhì)

彈簧在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)，由于表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕或表面晶界被腐蝕而成為疲勞源，在變應力作用下就會(huì )逐步擴展而導致斷裂。例如在淡水中工作的彈簧鋼，疲勞極限僅為空氣中的10%~25%。腐蝕對彈簧疲勞強度的影響，不僅與彈簧受變載荷的作用次數有關(guān)，而且與工作壽命有關(guān)。所以設計計算受腐蝕影響的彈簧時(shí)，應將工作壽命考慮進(jìn)去。
在腐蝕條件下工作的彈簧，為了保證其疲勞強度，可采用抗腐蝕性能高的材料，如不銹鋼、非鐵金屬，或者表面加保護層，如鍍層、氧化、噴塑、涂漆等。實(shí)踐表明鍍鎘可以大大提高彈簧的疲勞極限。

6、溫度

碳鋼的疲勞強度，從室溫到120℃時(shí)下降，從120℃到350℃又上升，溫度高于350℃以后又下降，在高溫時(shí)沒(méi)有疲勞極限。在高溫條件下工作的彈簧，要考慮采用耐熱鋼。在低于室溫的條件下，鋼的疲勞極限有所增加。

怎樣減少金屬疲勞破壞

根據疲勞破壞的分析，裂紋源通常是在有應力集中的部位產(chǎn)生，而且構件持久極限的降低，很大程度是由于各種影響因素帶來(lái)的應力集中影響。因此設法避免或減弱應力集中，可以有效提高構件的疲勞強度。可以從以下幾個(gè)方面來(lái)提高構件的疲勞強度。

1、外形合理化

構件截面改變越激烈，應力集中系數就越大。因此工程上常采用改變構件外形尺寸的方法來(lái)減小應力集中。如采用較大的過(guò)渡圓角半徑，使截面的改變盡量緩慢，如果圓角半徑太大而影響裝配時(shí)，可采用間隔環(huán)。既降低了應力集中又不影響軸與軸承的裝配。此外還可采用凹圓角或卸載槽以達到應力平緩過(guò)渡。

設計構件外形時(shí)，應盡量避免帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然變化處（階梯軸），當結構需要直角時(shí)，可在直徑較大的軸段上開(kāi)卸載槽或退刀槽減小應力集中；當軸與輪轂采用靜配合時(shí)，可在輪轂上開(kāi)減荷槽或增大配合部分軸的直徑，并采用圓角過(guò)渡，從而可縮小輪轂與軸的剛度差距，減緩配合面邊緣處的應力集中。

2、提高構件表面質(zhì)量

一般說(shuō)，構件表層的應力都很大，例如在承受彎曲和扭轉的構件中，其最大應力均發(fā)生在構件的表層。同時(shí)由于加工的原因，構件表層的刀痕或損傷處，又將引起應力集中。因此，對疲勞強度要求高的構件，應采用精加工方法，以獲得較高的表面質(zhì)量。特別是對高強度鋼這類(lèi)對應力集中比較敏感的材料，其加工更需要精細。

3、提高構件表面強度

常用的方法有表面熱處理和表面機械強化兩種方法。表面熱處理通常采用高頻淬火、滲碳、氰化、氮化等措施，以提高構件表層材料的抗疲勞強度能力。表面機械強化通常采用對構件表面進(jìn)行滾壓、噴丸等，使構件表面形成預壓應力層，以降低最容易形成疲勞裂紋的拉應力，從而提高表層強度。

4、豪克能技術(shù)

豪克能技術(shù)現在的產(chǎn)品轉化體現為焊接應力消除設備以及表面光整設備，其中的這個(gè)技術(shù)可以給金屬表面消除拉應力，預置壓應力，使得金屬容易開(kāi)裂的部位應力釋放，不會(huì )產(chǎn)生開(kāi)裂的情況。