《材料性能學》5章電子教案

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1、第五章材料的疲勞性能 ■概述： 工程中許多的機件和構件都承受交變載荷的 作用，如曲軸、連桿、齒輪、葉片和軸承等等, 這些構件的主要破壞形式是疲勞破壞，據統(tǒng)計, 斷裂中有80%以上是疲勞破壞，因而造成了重 大的經濟損失。 疲勞失效是機件的主要失效形式。研究疲 勞失效有重要實際意義。研究主要體現(xiàn)在兩個 方面：定壽和延壽。 一類載何. 交變應 Z是單位面 積上的平均 載荷. 第一節(jié) 交變載荷與疲勞破壞的一般規(guī)律 交變載荷及其描述 1、 :是指大小 方向或大小和 方向都隨時間作周期性變化或非周期性變化的 圖變動應力示意圖 (a)應力大小變化 (b) (c)應力大小及方向

2、都變化 (d)應力大小及方向無規(guī)則變化 交變載荷及其描述 a \7 a )MM ? —十 \ / R 1. V T ,J £ I 1 循環(huán)應力的類型 (b) (c) (d)重復循環(huán)應力 —0 .⑹ 圖5?2 (a) (e)交變應力

3、 交變載荷及其描述 a 5-3農用掛車前軸的載荷譜 (1) (2) (3) (4) 最小循環(huán)應力Qmin max + CTmin) /2 max_CTmin)宀 r = Q min/Q max ■、交變載荷及其描述 2、交變載荷的描述方法 最大循環(huán)應力o-max 平均應力am= (a 應力半幅CT a= (CT 應力循環(huán)比 ,r= —1 A對稱循環(huán)：a m =0 B不對稱循環(huán)：e皿工0 ,—lVtVl； a 叭 >0 lVrVO ?、交變載荷及其描述 C脈動循環(huán)：a m = a a >0

4、, r = 0； a m = a a <0，r=—oo ■ D波動循環(huán)：a m > a a , 0<r<l E隨機變動應力：應力大小、方向都作無規(guī)則 的變化 9 :、疲勞破壞的概念和特點 ?材料聽環(huán)載荷的長期作用下，即使受到 的應力低于屈服強度，也會因為損傷的積累而 弓I發(fā)斷裂的現(xiàn)象叫做疲勞。 疲勞過程是指材料在小于屈服強度的變動 載荷作用下，經過長期運轉而逐漸發(fā)生損傷累 積和開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發(fā)生突 然斷裂的過程。 ■ 2.疲勞曲線 （1）疲勞壽命的概念和兩種定義 疲勞壽命:機件疲勞失效前的工作時間 兩種定義：A.按循環(huán)次數B.到

5、破壞所需 ■ 的時間 （2）疲勞曲線（S-N曲線） A?底循環(huán)疲勞區(qū)：高應力，明顯塑變，應力 超出彈性極限，循環(huán)次數低于105 B?高循環(huán)疲勞區(qū)：低應力，無明顯塑變，應力 未超出彈性極限,循環(huán)次數高于105 C.無限壽命區(qū)（安全區(qū)）：應力低于材料的 疲勞強度. :、疲勞破壞的概念和特點 ■ 3.疲勞破 疲勞破壞與靜載或一次性沖擊加載破壞比較具 有以下特點： （1） 該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞 在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料，在疲勞 破壞前均不會發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂， 身引魁安仝事故和造成經濟抜失. （2） 疲勞破壞屬低應力循環(huán)延時斷裂 對于疲勞壽命

6、的預測就顯得十分重要和必要 （訂壽）? ° C 3 ）波勞對邂陥（缺」、裂紋及組織）十分敏感— 即對缺陷具有篙度的選擇性. 因為缺口或裂紋會引起應力集中，加大對材料的 損傷作用；組織缺陷（夾雜、疏松、白點、脫碳等）， 將降低材料的局部強度，二者綜合更加速疲勞破壞的 ■ （4）可按不同方法對疲勞形式分類 按應力狀態(tài)分，有彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲 勞、接觸疲勞及復合疲勞； 按應力高低和斷裂壽命分，有高周疲勞（N>105） 和低周疲勞（N二IO??105） 三、疲勞斷口的宏觀特征 疲勞斷口保留了整個斷裂過程的所有痕跡， 記載著很多斷裂信息，具有明顯的形貌特征，

7、而 這些特征又受材料性質、應力狀態(tài)、應力大小及 環(huán)境因素的影響，因此對疲勞斷口的分析是研究 疲勞過程、分析疲勞失效原因的一種重要方法. 如圖5 —4所示，典型疲勞斷口具有3個特征 區(qū)一一疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū). # 三、疲勞斷口的宏觀特征 三、疲勞斷口的宏觀特征 三、疲勞斷口的宏觀特征 B最終斷裂 圖5-4帶鍵的軸旋轉彎曲 疲勞斷口，40鋼 三、疲勞斷口的宏觀特征 ■疲勞源 是疲勞

8、裂紋萌生的策源地，多出現(xiàn)在機件表面， 常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連.但若材料 內部存在嚴重冶金缺陷（夾雜、縮孔、偏析、白點 等），也會因局部材料強度降低而在機件內部引發(fā)出 疲勞源.疲勞源可以是一個也可以是多個，其多少與 工程應力狀態(tài)及過載程度有關。 疲勞裂紋擴展區(qū)： 是疲勞裂紋亞晶界擴展形成的區(qū)域. ■其宏觀特征： 斷口較光滑并分布有貝紋線（或海灘花 樣），有時還有裂紋擴展臺階.斷口光滑是疲 勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減 弱，反映裂紋擴展快慢、擠壓摩擦程度上的差 異.貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，一般認為 是因載荷變動引起的，因為機器運轉時不可避 免地常有啟動、停歇、

9、偶然過載等，均要在裂 紋擴展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡.疲勞區(qū)的 每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧 線，凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方 向. ■瞬斷區(qū) 是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域.在疲勞亞臨 界擴展階段，隨應力循環(huán)增加，裂紋不斷增長, 當增加到臨界尺寸時，裂紋尖端的應力場強度 因子K［達到材料斷裂韌性時，裂紋就失穩(wěn)快 速擴農，導致機件瞬時斷套.該區(qū)的斷口比疲 勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質而 變.脆性材料斷口呈結晶狀；韌性材料斷口， 在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣 平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在. 19 第二節(jié)疲勞破壞的機理 材料的疲勞失效過程大致可以分

10、為三個主要階段： 疲勞裂紋形成，疲勞裂紋擴展，和斷裂。 一、金屬材料疲勞破壞機理 1、疲勞裂紋的萌生 金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生和擴展的過程.因 變動應力的循環(huán)作用，裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應 力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成.目前 尚無統(tǒng)一的尺度標準確定裂紋萌生期，低應力時，疲勞的 萌生期可占整個壽命的大半以上. 大量研究表明：疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引 起.且通常形成于試件或零件的表面。 ?、金屬材料疲勞破壞機理 主要方式有： ■ (1)表面滑移帶開裂； (2) 第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂; (3) 晶界或亞晶界處開裂?如

11、圖5 —5所示. 裂紋 圖5?5疲勞微裂紋的3種形式 一、金屬材料疲勞破壞機理 駐留滑移帶: 在循環(huán)載荷的作用下，即使循環(huán)應力未超過材料 屈服強度，也會在試件表面形成循環(huán)滑移帶，它與靜 拉伸形成的均勻滑移帶不同?循環(huán)滑移帶集中于某些 局部區(qū)域（高應力或薄弱區(qū)），用電解拋光法也很難 將其去除，即使去除了，再重新循環(huán)加載后，還會在 原處再現(xiàn). 故稱這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶為駐 滑移帶（持久滑移帶Persist Slip Band）. ＞駐留滑移帶一般只在表面形成，深度較淺?隨著加載 循環(huán)次數的增加，循環(huán)滑移帶會不斷地加寬. 駐留滑移帶在表面加寬過程中，還會

12、出現(xiàn)擠出脊 和侵人溝，于是就在這些地方引起應力集中，經過一 定循環(huán)后會引發(fā)微裂紋. 一、金屬材料疲勞破壞機理 ■ 2.疲勞裂紋的擴展 疲勞裂紋萌生后便開始擴展，其擴展一般分 為兩個階段，如圖5 —8所示. 第1階段是沿著最大切應力方向向內擴展.其 中多數微裂紋并不繼續(xù)擴展，成為不擴展裂紋， 只有個別微裂紋可延伸幾十p m （即2—5個晶粒） 長.并且隨著名義應力范圍的生高而減小。隨即 疲勞裂紋便入第2階段，沿垂直拉應力方向向前擴 展形成主裂紋，直至最后形成剪切唇為止.此過 程在顯微鏡下可以顯示岀疲勞帶 ?、金屬材料疲勞破壞機理 表 ■ ■ a ®5-8疲

13、勞裂紋擴展的兩個階段 二、非金屬材料疲勞破壞機理 由于陶瓷、高分子、復合材料等結構材料的應用遠 暫驕聽緒臥劉餅探黑r破壞過 1.陶瓷材料的疲勞破壞機理 ■常溫下陶瓷材料的疲勞與金屬有所不同，其含義更 廣，分為： 靜態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞和動態(tài)疲勞. 循環(huán)疲勞：與金屬疲勞具有相同含義，同屬長期變動 應力作用下，材料的破壞行為； 靜態(tài)疲勞二萍皇于金隅屮放延遲撕裂，邛卩在一定載荷 牖用下，材瘋耐用應力隨時f可下降葩現(xiàn)象； ?瓣蠶癮艇率加載條件下研究材料斷裂失效 二、非金屬材料疲勞破壞機理 陶瓷材料疲勞破壞還有特征： ■ (1)、常溫時，在應力作用下不發(fā)生或很難發(fā)生塑性 變形，裂紋

14、尖端根本不存在循環(huán)應力的疲勞效應，因 此金屬材料的損傷累積及疲勞機理對陶瓷材料并不適 用.但是：疲勞破壞也同樣經歷了裂紋萌生、疲勞裂 紋擴展、瞬時斷裂的過程； 二(2)、疲勞裂紋萌生對表面材料的缺陷或裂縫大小十 分敏感; (3) 、陶瓷材料疲勞裂紋對裂尖的應力強度因子不敏 感，而是強 烈依賴裂紋尖端的最大應力強度因子； 二、非金屬材料疲勞破壞機理 (4) 、裂紋擴展速率還明顯依賴于環(huán)境、材 料成分、組織結構等，其程度遠比金屬材料高, 擴展的壽命過程遠比金屬材料要短，并呈龜裂 狀； (5) 、在陶瓷材料斷口上不易觀測到疲勞貝 紋和疲勞條帶，循環(huán)疲勞斷口與快速斷裂斷口 形貌之間差異十分

15、微小，均呈現(xiàn)脆性斷口特 征. 二、非金屬材料疲勞破壞機理 29 2.高分子聚合物的疲勞破壞機理 在拉應力作用下，由于非晶態(tài)聚合物的表面和 勰銚If賢因此’不同結構的聚合物疲勞破 易產生銀紋的非晶態(tài)聚合物的疲勞破壞過程主要 決定于外加名義應力. (1)高循環(huán)應力時：應力很快便達到或超過材料銀 紋的引發(fā)應;6,奔生銀紋，弄隨之轉變成裂紋，護 展后導效材料疲勞破壞； 二、非金屬材料疲勞破壞機理 (2) 中應力循環(huán)時：也會引發(fā)銀紋，并轉變?yōu)?裂紋，裂紋擴展速度比高應力區(qū)低； (3) 低應力循環(huán)時：因難以引發(fā)銀紋，由材料 微損傷累積及微觀結構變化產生微孔洞及微裂 紋，并導

16、致宏觀破壞. 二、非金屬材料疲勞破壞機理 對于因應力低或本身不易產生銀紋的結晶 態(tài)聚合物，其疲勞過程可岀現(xiàn)以下現(xiàn)象： ① 整個過程，疲勞應變軟化而不岀現(xiàn)硬化； ② 分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結晶損 傷及晶體精細結構發(fā)生變化; ③ 產生顯微孔洞，微孔洞聚合成微裂紋，并 擴展成宏觀裂紋； 1、非金屬材料疲勞破壞機理 薜繃鶴纂鷗裝籠材料不同’熱疲勞常 （4）、熱疲勞：由于聚合物為粘彈性材料，具有 較大面積的應力滯后環(huán)，所以在應力循環(huán)過程中部 分機械能會轉化為熱能，使導熱性差的試樣本身溫 度急劇上升，甚至高于熔點溫度或玻璃化轉變溫度, III 熱疲勞的益處：疲勞循環(huán)產生的熱

17、量，有時也可用 來修補高分子的微結構損傷.如聚乙烯晶片中鑲嵌 晶塊毎疲勞初期會變小，隨后的疲勞可使其得到修 復芨彳急定. 二、非金屬材料疲勞破壞機理 聚合物疲勞斷口上可有兩種特征的條紋： 疲勞輝紋：對應的是每周期變動應力作用時裂 紋擴展值； 疲勞斑紋：對應著不連續(xù)的、跳躍式的裂紋擴 展. 需要指明的是：高分子聚合物的疲勞過程 并不總有疲勞輝紋和斑紋岀現(xiàn).它們的形成與 高分子聚合物的相對分子質量、相對分子質量 分希文加載彙件肴關. 35 二、非金屬材料疲勞破壞機理 3.復合材料的疲勞 破壞機理 與金屬材料比 較，復合材料具有 良好的疲勞性能， 如圖5-13. 到斷裂時

18、循環(huán)次數欣 圖5?13復合材料與金屬材料 拉■拉疲勞的比循環(huán)應力一循環(huán)次數圖 合金4一復合材料 合金4一復合材料 1 一鋁合金 2—合金鋼 3—鈦 合金4一復合材料 二、非金屬材料疲勞破壞機理 疲勞破壞有以下特點. （1）有多種疲勞損傷形式 如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長 等.實際上，每種損傷模型都是由多種微觀裂 紋（或微觀破壞）構成的；由于增強纖維的牽 制，裂紋擴展可減緩或停止，以及疲勞損傷緩 和了切口（裂紋和缺陷）附近應力集中，而使 復合材料疲勞較金屬材料有較大安全壽命.

19、 37 咬:妙::劉;姣: 39 咬:妙::劉;姣: 二、非金屬材料疲勞破壞機理 （2）復合材料不會發(fā)生瞬時的疲勞破壞，常 常難以確認破壞與否，故不能沿用金屬材料的 判斷準則.常以疲勞過程中材料彈性模量下降 的百分數（如下降1%?2%）、共振頻率變化 （如1?2 Hz）作為破壞依據； 二、非金屬材料疲勞破壞機理 ~（3）復合材料的疲勞性能對加載頻率敏感 聚合物基復合材料承受循環(huán)應力時，因材 料導熱性能差，吸收機械能轉變?yōu)闊崮?，且?易逸散，因此溫度明顯升高，

20、導致材料性能下 降； （4）蠹|材料的疲勞性能對應變尤其壓縮應 變特另顒感. 與金屬材料不同，較大的應變會使纖維與 基體變形不協(xié)調引起纖維與基體界面的開裂形 成疲勞源，壓縮應變會使復合材料縱向開裂而 提前破壞； # 咬:妙::劉;姣: :、非金屬材料疲勞破壞機理 （5）復合材料的疲勞性能與纖維取向有關. 纖維是主要承載組分，抗疲勞性能又好, 故沿纖維方向具有很好的疲勞強度. 第二節(jié)疲勞抗力指標 概述： 在機械設計中，疲勞應力判據和斷裂疲勞 判據是疲勞設計的基本依據，其中作為材料疲 勞抗力指標的疲勞強度、過載持久值、疲勞缺 口敏感度等都是材料的基本力學性能指標.長 期

21、以來，人們對它們與材料及工藝間關系的研 究，積累了大量數據和規(guī)律，有利于指導材料 的疲勞設計 ■、疲勞曲線 1、 疲勞曲線 在交變載荷下，金屬所承受的最大交變應 力（° max或S）與斷裂循環(huán)周次（N）之間的關 系曲線稱為疲勞曲線，如下圖所示。 43 36 ■、疲勞曲線 36 循環(huán)應力高時，經 歷的疲勞壽命短； 循環(huán)應力低時，經 歷的疲勞壽命就長 36 ?、疲勞曲線 有水平線 36

22、 無水平線 No logN 37 ■、疲勞曲線 # 2、疲勞曲線的種類 大量試驗表明，金屬材料疲勞曲線有兩種類型: 一類有水平線，如一般結構鋼和球墨鑄鐵的 疲勞曲線，據此可標定出無限壽命的疲勞強度 ° -p 另一類無水平線，如有色合金、不銹鋼和高強 鋼的疲勞曲線，只能根據材料的使用要求測定 有限壽命No = lO\ 107或IO*的條侔疲勞強度。 ?、疲勞曲線 3、疲勞強度或疲勞極限9 r或＜r_]) 當。噺低于Or時，應力交變到無數次也不 會發(fā)生疲勞斷裂，則稱O「為材料的疲勞強度或 疲勞極限。對于對稱應力

23、循環(huán)，丫為-1, ° 廠 ° -1 1、疲勞極限的測定方法 1、設備 常用的四點彎曲試驗機原理如圖5-15所 刀J 電動機 試樣 計數器 拿 圖5J5旋轉彎曲疲勞試驗機裝置 二、疲勞極限的測定方法 2、測試原理 二、疲勞極限的測定方法 對一定的材料，％取定值，對若干組試樣， ■第一組：0 1 = 0. 6o b， 測得 N=N] 第二組：a 2 = 0. 6a b—0. 2a b,測得 N=% ■第三組：o 3=0. 6o b —0. 4o b,測得 N=% 若N3>N0時未斷，說明o 3取的太低, 則取第四組， 二、疲勞極限

24、的測定方法 三、過載（負荷）持久值及過載（負荷） 損傷界 第四組：O4在（。2?。3）之間進行取值試驗, 測得n=n4 若N4<No ,說明CF 4取大了，再于（O 3~ O 4）之間取第五組 第五組：o 5在（O 3?O 4）之間再取值， 這樣，不斷地插入下去，直到斷與不斷的 應力差為lkgf/min2,此時不斷的應力即為材料 的疲勞極限（<r _］） 過去認為按疲勞強度設計機械零件是安全 的，但實際上服役過程中機件不可避兔要受到 偶然的過載作用，如設備緊急剎車、突然起動 等；又有的機件并不要求無限壽命，常在高于 疲勞強度的應力下進行有限壽命服役.顯然僅 依據

25、材料的疲勞強度并不能評定上述兩種情況 下的材料抗疲勞性能，為此提岀過載持久值和 過載損傷界的概念. 三、過載（負荷）持久值及過載（負荷） 損傷界 T過負荷持幻I 一一一 一一一 過負荷持久值：材料在高于疲勞強度的 一定應力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應力循環(huán)周 次稱為材料的過載持久值，也稱為有限疲勞壽 過載持久值表征了材料對過載荷疲勞的抗 力，該值可由疲勞曲線傾斜部分確定.曲線傾 斜得愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同 的過載條件（縱坐標值）下能經受的應力循環(huán) 周次愈妾，材斡對過截荷的撓另愈高.過載血 力又稱為材料耐久強度. 三、過載（負荷）持久值及過載（負荷） ■損傷界 ???

26、 ■ 2.過載損傷界 實際上，機件往往預先受短期過載，而后再在正 常的工作應力下運行.這種短期的過載對材料的性能 是否產生影響，取決于過載應力及過載周次. 實驗證明，材料在過載應力水平下只有運轉一定周次 后，疲勞強度或疲勞壽命才會降低，造成過載損傷. 過載損傷界：把在每個過載應力下運行能 引起損傷的最少循環(huán)周次連接起來就得到該材 料的過載損傷界.如圖5-20o 47 過載（負荷）持久值及過載（負荷） 損傷界 lgN。 IgN 圖

27、5?20過載損傷界 49 三、過載（負荷）持久值及過載（負荷） 損傷界 ■ 3、過載損傷區(qū)： III 載損傷區(qū):過載損傷界到疲勞曲線間的影 線區(qū)，稱為材料的過載損傷區(qū). 凡是機件過載運轉到這個區(qū)內都會不同程度地降 低材料的疲勞壽命（疲勞強度），離疲勞曲線愈近， 降低的程度越厲害.過載應力越大，開始發(fā)生過載損 傷的循環(huán)周次愈少，能造成過載損傷區(qū)的周次范圍就 越廣. 材料的過載損傷界越陡直，損傷區(qū)愈窄, 則其抵抗疲勞過載能力就愈強. 第四節(jié) 影響材料及機件疲勞強度的因素 一、工作條件的影響 ■ 1、載荷條件 (1) 應力狀態(tài)和平均應力 (2) 在過載損傷區(qū)內的

28、過載將降低材料的疲 勞強度或壽4 (3)次載鍛煉: 材料特別是金屬在低于疲勞強度 的應力先運轉一定周次，即經過次載鍛煉，可以提高 材料的疲勞強度，如圖5 —24所示. 49 工作條件的影響 490- 45鋼200°C回火 缺口試樣 460 430 經 0 ? 9—]2X106 次載荷鍛煉 未經次載荷鍛煉 105~3X105 10s~3 x 106 N/周次 |5?24次載鍛煉對 疲勞曲線的影響 ?、工作條件的影響 次載應力越接近材料的疲勞強度，鍛煉效 果越明顯，次載鍛煉的循環(huán)期越長，鍛煉效果 越好，但過度鍛煉效果就不明顯了. 新安

29、裝的機器，按次載鍛煉的作用，常空 載或低載運行一段時間，既能跑合機器，又能 提高機件疲勞強度，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)加載的運 行中，若間歇空載一段時間或間隙時適當加溫, 可提高疲勞強度，并延長疲勞壽命. ?、工作條件的影響 （5）載荷頻率 ① 在一定的頻率范圍（170?1000 Hz）內, 材料的疲勞強度會隨加載頻率的增加而提高. ② 在常用的頻率間（50?170 Hz）,材料的 疲勞強度基本不受頻率變化影響， 低于1Hz的加載，疲勞強度有所降低. # 、 工作條件的影響 ■ 2.溫度 溫度對材料疲勞強度的影響和靜強

30、度的影 響規(guī)律相似，即隨溫度降低，疲勞強度升高， 溫度升高，疲勞強度降低，但在某些溫度范圍 因時效、熱脆等現(xiàn)象，疲勞強度會岀現(xiàn)峰值或 谷值. 女恥 結構鋼在400°C以上時，疲勞強度急劇下降.耐熱 鋼在550?650°C以上溫度時疲勞強度才會明顯下降， 當溫復繼絨升高超過材料的再結晶溫度，材料的失效 方式轉變?yōu)槿渥兤诼?lián)合作用. 、高溫時材料的疲勞曲線沒有水平段，疲勞強度只 能按規(guī)定的宿球為次祈定. 3. 腐蝕介質 腐蝕性介質因使材料表面腐蝕產生蝕坑， 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，只能按規(guī)定循環(huán)周次確 定疲勞強度。 腐蝕疲勞強度與

31、材料的靜強度之間無正比 關系. 53 二、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響 ■ 1.表面狀態(tài) 機件表血缺口因應力集中往往是疲勞策源 地，引起疲勞斷裂。且這種影響隨材料強度的 增高而更加顯著. 因此，受循環(huán)應力作用的機件選用高強材 料制造時，表面須經過仔細的加工，不允許有 刀痕、擦傷或大的缺陷，否則材料疲勞強度會 顯著降低。 :、表面狀態(tài)及尺寸因素的影響 ■ 2.尺寸因素 在變動載荷作用下，隨機件尺寸增大使疲 勞強度下降的現(xiàn)象，稱為尺寸效應。 55 、表面強伙尺律余應力的彫響 05-25表面強化提高疲勞 三、表面強化及殘余應力的影響 提高機件表面塑變抗力

32、（硬度和強度）， 降低表面的有效拉應力，即可抑制材料表面疲 勞裂紋的萌生和擴展，有效地提高承受彎曲與 扭轉循環(huán)載荷下材料的疲勞強度，如圖前圖. 由于表層疲勞強度的提高及表面殘余壓應 力的作用，使表層總應力降低至強化層疲勞強 度以下，便會制止疲勞斷裂. 這種表面強化處理產生的殘余壓應力，因 在表面缺口處產生壓應力集中，可有效地降低 缺口根部的拉應力集中，對帶缺口機件的有利 影響更為顯著. # &力巧?廿■■工禺工.. 三、表面強化及殘余應力的影響 59 表面強化方法有表面噴丸和滾壓、表面淬 火及表面化學熱處理等. ■ 1.表面噴丸及滾壓 表面噴丸可使金屬機件

33、表面形變強化，并 在塑變層內產生殘余壓應力.既提高了表層材 料強度；又能抵消部分表層工作的拉應力；還 可降低缺口應力集中系數和疲勞缺口敏感度， 降低疲勞損傷，提高材料疲勞抗力. 表面滾壓與噴丸的作用相似，其壓應力層 深更大，適于大工件.一般來說，形狀復雜的 機件采用噴丸強化；形狀簡單的回轉機件采用 表面滾壓強化.如經滾壓加工的螺栓較切削制 造的螺栓疲勞壽命可提高1?5倍. 三、表面強化及殘余應力的影響 2.表面熱處理和化學熱處理 表面淬火及表面化學熱處理，既能獲得表 硬心韌的綜合力學性能，又能在機件表層獲得 殘余壓應力，從而能有效地提高機件疲勞強度 和壽命. ■ 3.復合強化

34、 它是將上述各種表面強化工藝重復結合的 一種強化工藝. # 咬:妙::劉;姣: 三、表面強化及殘余應力的影響 如滲氮十表面淬火，滲碳十噴丸，表面淬 火十噴丸（滾壓）等，以更進一步提高表面強 度及表面表層殘余壓應力，從而更有效地提高 疲勞強度和疲勞壽命. 四、材料成分及組織的影響 材料的疲勞斷裂經歷了裂紋萌生與擴展過程.材料 的疲勞強度應是這兩過程中材料性能的綜合反映，兩 者都與材料的成分、組織結構密切相關. ■ 1.合金成分 結構鋼的疲勞強度o_i = 0.5Ob，應用也最 廣泛.結構鋼中碳是影響疲勞強度的重要因素, 它既可間隙固溶強化基體，又可形成彌散碳

35、化 物進行彌散強化，提高材料形變抗力和疲勞強 度. 圖5 —26示出幾種低合金結構鋼經不同淬火回火后 的疲勞強度。 # 四、材料成分及組織的影響 硬度的關系曲線 63 四、材料成分及組織的影響 275 I I i X 20~30 40 50 65 HRC 5-26 幾種鋼的疲勞極限與 硬度的關系曲線 # 四、材料成分及組織的影響 65 四、材料成分及組織的影

36、響 2.非金屬夾雜物及冶金缺陷 # 四、材料成分及組織的影響 脆性夾雜物如Al.Or硅酸鹽等在鋼中易產生疲勞裂 紋，降低材料的疲券艶度。材料的冶金、軋制、鑄造、 焊接、熱處理等工藝中產生的氣孔、縮孔、偏析、白 點等缺陷都可能是裂紋源，導致疲勞強度的降低。 3.顯微組織 # 四、材料成分及組織的影響 晶粒大小對疲勞強度的影響，經對碳鋼及鈦合金的 研究發(fā)現(xiàn)存在Hall-Petch關系. 即：o _i = o i+kd—I/? 式中：o ［為位錯在晶格中運動摩擦阻力；k為材料 常數；d為晶粒平均直徑. (1) 片狀碳化物的正火組織不如粒狀碳化物的調 質組織的疲勞強度高； (2) 回火馬氏體疲勞強度最高，回火屈氏體次 之，回火索氏體最低； (3) 等溫淬火與淬火回火較，相同硬度時，前者 有較高的的疲勞強度； 淬火組織中若存在未溶鐵素體和未轉變殘余奧 氏體或非馬氏體組織，則因它們易引發(fā)疲勞裂 紋，而使材料疲勞強度降低.如鋼中存在10% 殘余奧氏體時，o 可降低10%?15%. # 五、材料的延壽技術 具體辦法： ■ 1.細化晶粒 2.減少和細化合金中的夾雜物 ■ 3.微量合金化 ■ 4.減少高強度鋼中的殘余奧氏體 5. 改善切口根部的表面狀態(tài) 6. 表面噴丸強化 67