影響材料疲勞強度的因素

一、工作條件的影響

1、載荷條件

① 應力狀態(tài),平均應力,應力比

② 在過載損傷區(qū)內(nèi)的過載,會降低材料的疲勞強度、疲勞壽命

③ 次載鍛煉材料尤其金屬在低于疲勞強度的應力循環(huán)一定周次后稱為次載鍛煉。

次載應力越接近材料的疲勞強度,次載循環(huán)周期越長,鍛煉效果越好。

新機器經(jīng)次載鍛煉,既跑合、又延長疲勞壽命。

④ 間歇效應:實驗表明,對應變時效材料,在循環(huán)加載運行過程中,若間歇空載一段時間或間隙時適當加溫,可提高疲勞強度,延長壽命。

⑤ 載荷頻率:在一定頻率范圍內(nèi)(170~1000HZ),材料的疲勞強度隨加載頻率的增加而提高;在常用頻率范圍內(nèi)50~170HZ,材料的疲勞強度不受頻率 變化影響;低于1HZ的加載,σ-1降低。

2、溫度

溫度降低,疲勞強度升高(與靜強度相似);反之,疲勞強度降低。

如結構鋼在400℃以上時,疲勞強度急劇下降;耐熱鋼在550~650 ℃以上時,疲勞強度明顯下降。

注意高溫時材料的疲勞曲線無水平段→條件疲勞強度

3、腐蝕介質

腐蝕介質的作用使材料表面產(chǎn)生蝕坑,而降低材料的疲勞強度,導致腐蝕疲勞。

一般腐蝕疲勞曲線無水平段(低應力下也產(chǎn)生疲勞斷裂)→條件疲勞強度

二、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響

1、表面狀態(tài)

a、零件表面質量,對疲勞強度壽命影響很大,表面粗糙度↑, σ-1 ↓ 、N↓

b、另外,使零件表面產(chǎn)生殘余壓應力層(氮化、噴丸等工藝),可顯著提高疲勞強度與壽命。

2、尺寸因素

尺寸效應:零件尺寸增大(三向拉應力狀態(tài)),疲勞強度下降。

尺寸效應系數(shù)ε=(σ-1)d/ σ-1

三、表面強化及殘余應力的影響

表面強化:噴丸和滾壓

表面淬火

化學熱處理

1、表面噴丸及滾壓

噴丸過程就是將大量彈丸噴射到零件表面上的過程,有如無數(shù)小錘對表面錘擊,因此,金屬零件表面產(chǎn)生極為強烈的塑性形變,使零件表面產(chǎn)生一定厚度的冷作硬化層,稱為表面強化層,此強化層會顯著地提高零件的疲勞強度。

可使金屬表面形變強化,并在塑性變形層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應力,既提高了表層材料強度,又能降低表層材料的工作時的拉壓力;同時可降低缺口應力集中系數(shù)和疲勞缺口敏感度,提高材料的疲勞抗力。

表面滾壓技術是在一定的壓力下用輥輪、滾球或者輥軸對被加工零件表面進行滾壓或者擠壓,使其發(fā)生塑性變形,形成強化層的工藝過程。

形狀簡單的大尺寸零件→滾壓強化

形狀復雜的零件→噴丸強化

2、表面熱處理和化學熱處理

表面淬火:外硬內(nèi)韌組織

化學熱處理:氮化,外硬內(nèi)韌, 殘余壓應力層

3、復合強化

滲氮+表面淬火,滲氮+噴丸,表面淬火+噴丸

例如:

某型車輛扭力軸在服役過程中經(jīng)常發(fā)生早期斷裂失效,失效部位位于扭力軸的端部附近, 如圖1所示。扭力軸是該型車輛行動部分減震裝置中的主要零件,當車輛行駛在起伏不平的路面或者遇到障礙時, 平衡肘以其軸為圓心產(chǎn)生擺動, 使裝配在平衡肘中的扭力軸承受扭矩, 扭力軸通過充分扭轉吸收和釋放能量, 以達到緩沖和減震的目的。因此在車輛行駛過程中, 扭力軸經(jīng)常在大應力、大應變、沖擊和交變扭矩載荷作用下工作,容易發(fā)生疲勞斷裂。扭力軸材料為45C rNMi oVA 鋼。為優(yōu)化扭力軸的減震性能, 提高其抗疲勞性能, 制造中采用了淬火+ 中溫回火熱處理和表面滾壓強化處理。

四、材料成分及組織的影響

1、合金成分

工程材料中,結構鋼的疲勞強度最高σ-1≈0.5 σb

結構鋼中碳是影響疲勞強度的重要因素,既有間隙固溶強化作用,又有彌散強化作用(碳化物),提高材料的形變抗力、疲勞強度。

在一定范圍內(nèi),隨著含碳量增大,疲勞強度增大(固溶強化,彌散強化作用增大),但含碳量太大,鋼的脆性增大, σ-1降低。

2、非金屬夾雜物及冶金缺陷

a、脆性夾雜物(Al2O3,硅酸鹽)在鋼中易萌生疲勞裂紋,降低疲勞強度。

b、冶金缺陷(氣孔、縮孔、偏析、白點、裂紋等)都是疲勞裂紋源,降低疲勞強度和壽命。

3、顯微組織

晶粒度對疲勞強度的影響 σ-1= σ i+ kd -1/2

σ i—位錯在晶格中運動摩擦阻力

k —材料常數(shù)

d —晶粒平均直徑,顯然,d↓→ σ-1 ↑

第五節(jié) 熱疲勞

一、熱疲勞

1.概念:由周期變化的熱應力或熱應變引起的材料破壞稱為熱疲勞。

2.熱疲勞的特點:是熱塑性應變損傷累積引起的破壞,服從低周應變疲勞的規(guī)律。

熱疲勞裂紋多萌生于表面熱應變最大區(qū)域,有多個裂紋源。

3.脆性材料的熱震斷裂與熱損傷

抗熱震性:材料經(jīng)受溫度瞬變而不被破壞的能力

熱震斷裂熱震溫差引起的熱應力超過材料的斷裂應力時,引起材料瞬時斷裂。

熱損傷熱沖擊循環(huán)作用引起材料開裂、 剝落、碎裂或變質,最后整體損傷。

3.熱疲勞的表征

(1)材料的熱疲勞抗力常以一定溫度幅下產(chǎn)生一定尺寸疲勞裂紋的循環(huán)次數(shù)或在規(guī)定的循環(huán)周次下產(chǎn)生的裂紋長度表示

(2)材料的抗熱震性用抗熱震參數(shù)表征:

(a)對于極劇受熱和冷卻的材料,抗熱震參數(shù)為

(b)對于緩慢受熱和緩慢冷卻的材料,抗熱震參數(shù)為

(c)當材料表面以恒定速率進行加熱或冷卻時:

二、影響材料熱疲勞性能的因素

1、材料的熱學性質如導熱性、熱比容、熱膨脹系數(shù)等

2、材料的力學性質如材料的彈性模量、屈服強度、韌性等

3、材料的幾何因素幾何形狀、表面積等

4、熱應力(應變)循環(huán)頻率