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0769-85842789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 11:43:51
疲勞極限的定義：疲勞極限是材料學(xué)里的一個(gè)及重要的物理量，表現一種材料對周期應力的承受能力。在疲勞試驗中，應力交變循環(huán)大至無(wú)限次而試樣仍不破損時(shí)的最大應力叫疲勞極限。
大量實(shí)踐表明，在交變應力作用下，材料是否產(chǎn)生疲勞失效，不僅與最大應力值σmax有關(guān)，還與循環(huán)特性r及循環(huán)次數N有關(guān)。在給定的交變應力下，必須經(jīng)過(guò)一定次數的循環(huán)，才可能發(fā)生破壞。在一定的循環(huán)特性下，交變應力的最大值越大，破壞前經(jīng)歷的循環(huán)次數越少；反之，降低交變應力中的最大應力，則破壞前經(jīng)歷的循環(huán)次數就增加。當最大應力不超過(guò)某一極限值時(shí)，材料經(jīng)受無(wú)窮多次循環(huán)而不發(fā)生疲勞失效，這個(gè)應力的極限值稱(chēng)為材料在循環(huán)特性r下的疲勞極限，用表示σr，下標r表示交變應力的循環(huán)特性。
對于同一材料，其交變應力的循環(huán)特性不同，疲勞極限的數值也不同。實(shí)驗結果還表明，在各種循環(huán)特性下，對稱(chēng)循環(huán)（r=-1）的疲勞極限最小。而且已知對稱(chēng)循環(huán)下材料的疲勞極限后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，可以求出非對稱(chēng)循環(huán)下的疲勞極限。所以，它是表示材料疲勞強度的一個(gè)重要參數。此外，實(shí)際工程中承受彎曲交變應力的構件較多，而且在彎曲變形下測定疲勞極限，技術(shù)上也比較簡(jiǎn)單，所以，彎曲疲勞實(shí)驗是最常采用的測定疲勞極限的方法。
現在以彎曲對稱(chēng)循環(huán)（r=-1）為例，說(shuō)明疲勞極限（σ-1）的測定方法。
為了確定疲勞極限，需利用光滑小試件（圖1）在專(zhuān)用的疲勞實(shí)驗機（圖2）上進(jìn)行實(shí)驗。
圖1
圖2
測定時(shí)取直徑d=7~10mm表面磨光的標準試樣6~10根，逐根依次置于彎曲疲勞實(shí)驗機上（圖2）。試件通過(guò)心軸隨電機轉動(dòng)（每分鐘約3000轉），在載荷的作用下，試件中部受純彎曲作用。試件最小直徑橫截面上的最大彎曲應力為σmax=M/Wz。試件每旋轉一周，其橫截面周邊各點(diǎn)經(jīng)受一次對稱(chēng)的應力循環(huán)。
實(shí)驗時(shí)，第一根試件承受的載荷可按最大應力為(0.5~0.6)σb來(lái)估計，σb為材料的強度極限。該最大應力一般都超過(guò)疲勞極限，所以經(jīng)過(guò)一定次數的循環(huán)后，試件即發(fā)生疲勞斷裂，循環(huán)次數由計數器讀出。然后對第二根試件進(jìn)行測定，使其最大應力略低于第一根試件的最大應力，再記下第二根試件斷裂時(shí)的循環(huán)次數。以同樣的方式測定其余試件，逐次降低其最大應力，并記下斷裂時(shí)相應的循環(huán)次數。以試件的最大應力σmax為縱坐標，循環(huán)次數N為橫坐標，將實(shí)驗結果描成一條曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)稱(chēng)為疲勞曲線(xiàn)，如圖3所示。 從曲線(xiàn)圖中可看出，當σmax降至一定值時(shí)，曲線(xiàn)趨近于水平，水平漸近線(xiàn)的縱坐標σ-1即材料的對稱(chēng)疲勞極限。
圖3
對于鋼及鑄鐵材料，當循環(huán)次數N達到2×106~2×107次時(shí)曲線(xiàn)接近水平，循環(huán)次數再增加，材料不發(fā)生疲勞斷裂。因此，取橫坐標N0=2×106~2×107次對應的最大應力為材料的疲勞極限，N0稱(chēng)為循環(huán)基數。某些有色金屬及其合金材料，它們的疲勞曲線(xiàn)不明顯趨于水平。例如某些含鋁或鎂的有色金屬，甚至當循環(huán)次數超過(guò)5×108次，疲勞曲線(xiàn)仍未趨于水平。對于這類(lèi)材料，通常根據實(shí)際需要取一個(gè)有限循環(huán)次數作為循環(huán)基數，例如可選定N0=108次，把它所對應的最大應力作為疲勞極限，稱(chēng)為條件疲勞極限。
實(shí)際構件的疲勞極限，受到的影響因素較多，它不但與材料有關(guān)，而且還受到構件的幾何形狀、尺寸大小、表面質(zhì)量和其他一些因素的影響。因此，用光滑小試件測定的材料的疲勞極限并不能代表實(shí)際構件的疲勞極限，在計算構件的疲勞極限時(shí)，必須綜合考慮這些因素對疲勞極限的影響。
在工程實(shí)際中，有的構件截面尺寸由于工作需要會(huì )發(fā)生急劇的變化，例如構件上軸肩、槽、孔等，在這些地方將引起應力集中，使局部應力增高，顯著(zhù)降低構件的疲勞極限。用σ-1表示光滑試件對稱(chēng)循環(huán)時(shí)的疲勞極限，(σ-1)k表示有應力集中的試件的疲勞極限。比值
kσ=σ-1/(σ-1)k
kσ稱(chēng)為有效應力集中系數。因為σ-1>(σ-1)k ，所以kσ大于1。有效應力集中系數kσ和kτ均可從有關(guān)手冊中查到。
前面曾經(jīng)提到，在靜載荷作用下應力集中程度用理論應力集中系數來(lái)表示。它與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)，只與構件的形狀有關(guān)；而有效應力集中系數不但與構件的形狀變化有關(guān)，而且與材料的強度極限σb，亦即與材料的性質(zhì)有關(guān)。
在測定材料的疲勞極限時(shí)，一般用直徑d=7~10mm 的小試件。隨著(zhù)試件橫截面尺寸的增大，疲勞極限相應地降低。這是因為構件尺寸愈大，材料包含的缺陷越多，產(chǎn)生疲勞裂紋的可能性就愈大，因而降低了疲勞極限。
用σ-1表示光滑標準試件的疲勞極限，(σ-1)ε表示光滑大試件的疲勞極限，則比值
εσ=(σ-1)ε/σ-1
表1 尺寸系數εσ和ετ
|
直 徑
|
εσ （彎曲）
|
ετ（扭轉）
|
|
|
碳 鋼
|
合金鋼
|
||
|
＞20～30
＞30～40
＞40～50
＞50～60
＞60～70
＞70～80
＞80～100
＞100～120
＞120～150
＞150～500
|
0.91
0.88
0.84
0.81
0.78
0.75
0.73
0.70
0.68
0.60
|
0.83
0.77
0.73
0.70
0.68
0.66
0.64
0.62
0.60
0.54
|
0.89
0.81
0.78
0.76
0.74
0.73
0.72
0.70
0.68
0.60
|
εσ稱(chēng)為尺寸系數。因為(σ-1)ε小于σ-1，所以εσ是小于1的系數。表1為鋼材在彎曲和扭轉循環(huán)應力下的尺寸系數（εσ和ετ）。由表中可知，構件尺寸愈大，尺寸系數愈小，即疲勞極限愈低。
構件表面的加工質(zhì)量對疲勞極限有很大的影響。如果構件表面粗糙、存在工具刻痕，就會(huì )引起應力集中，因而降低了疲勞極限。若構件表面經(jīng)強化處理，其疲勞極限可得到提高。表面質(zhì)量對疲勞極限的影響，常用表面質(zhì)量系數β來(lái)表示。
β=(σ-1)β/σ-1
σ-1為表面磨光標準試件的疲勞極限，(σ-1)β為其他加工情況的構件的疲勞極限。當構件表面質(zhì)量低于磨光的試件時(shí)β＜1；若表面經(jīng)強化處理后β＞1。
不同表面粗糙度的表面質(zhì)量系數列于表2。從表中可以看出，不同的表面加工質(zhì)量，對高強度鋼疲勞極限的影響更為明顯。所以對高強度構件要有較高的表面加工質(zhì)量，才能充分發(fā)揮其高強度的作用。
表2 不同表面粗糙度的表面質(zhì)量系數β
|
加工方法
|
軸表面粗糙度/μm
|
σb/MPa
|
||
|
400
|
800
|
1200
|
||
|
磨 削
車(chē) 削
粗 車(chē)
未加工表面
|
Ra0.20～0.10
Ra1.60～0.40
Ra12.5～3.2
∽
|
1.00
0.95
0.85
0.75
|
1.00
0.90
0.80
0.65
|
1.00
0.80
0.65
0.45
|
各種強化方法的表面質(zhì)量系數列于表3中。
表3 各種強化方法的表面質(zhì)量系數β
|
強化方法
|
心部強度
σb/MPa
|
β | ||
|
光軸
|
低應力集中的軸
Kσ≤1.5
|
高應力集中的軸
Kσ≥1.8～2
|
||
|
高頻淬火
|
600～800
800～1000
|
1.5～1.7
1.3～1.5
|
1.5～1.7
|
2.4～2.8
|
|
氮 化
|
900～1200
|
1.1～1.25
|
1.5～1.7
|
1.7～2.1
|
|
滲 碳
|
400～600
700～800
1000～1200
|
1.8～2.0
1.4～1.5
1.2～1.3
|
3
2
|
|
|
噴丸硬化
|
600～1500
|
1.1～1.25
|
1.5～1.6
|
1.7～2.1
|
|
滾子滾壓
|
600～1500
|
1.1～1.3
|
1.3～1.5
|
1.6～2.0
|
綜合考慮上述三種因素的影響，得到構件在對稱(chēng)循環(huán)交變應力下的疲勞極限為
(σ-1)0=(εσβ/Kσ)σ-1
除了上述三種影響因素外，還有其他的因素影響疲勞極限。例如受腐蝕的構件，其表面日漸粗糙，產(chǎn)生應力集中，從而降低構件的疲勞極限；高溫也會(huì )降低構件的疲勞極限，它們的具體影響此處不再詳述，需要時(shí)可查閱有關(guān)手冊。
構件在對稱(chēng)循環(huán)下的疲勞極限選定適當的安全疲勞系數后，得到構件的疲勞許用應力為
構件的強度條件應為σmax≤[σ-1]，σmax是構件危險點(diǎn)上交變應力的最大應力。
除了上面由應力表示的強度條件外，在疲勞強度計算中，常常采用由安全系數表示的強度條件。
實(shí)際工作安全系數是指構件的疲勞極限與它的實(shí)際最大工作應力之比，即：
于是由安全系數表示的強度條件為
nσ ≥n
nσ是構件工作安全系數，n為規定的疲勞安全系數，一般規定：
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