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: