一、工作條件的影響

1、載荷條件

① 應力狀態,平均應力,應力比

② 在過載損傷區內的過載,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,次載循環周期越長,鍛煉效果越好。

新機器經次載鍛煉,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(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(低應力下也產生疲勞斷裂)→條件疲勞強度

二、表面狀態及尺寸因素的影響

1、表面狀態

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),疲勞強度下降。

尺寸效應系數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,有如無數小錘對表面錘擊,因此,金屬零件表面產生極為強烈的塑性形變,使零件表面產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,并在塑性變形層內產生殘余壓應力,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:外硬內韌組織

化學熱處理:氮化,外硬內韌, 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常發生早期斷裂失效,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,容易發生疲勞斷裂。扭力軸材料為45C rNMi oVA 鋼。為優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,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

d —晶粒平均直徑,顯然,d↓→ σ-1 ↑

第五節 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律。

熱疲勞裂紋多萌生于表面熱應變最大區域,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生一定尺寸疲勞裂紋的循環次數或在規定的循環周次下產生的裂紋長度表示

(2)材料的抗熱震性用抗熱震參數表征:

(a)對于極劇受熱和冷卻的材料,抗熱震參數為

(b)對于緩慢受熱和緩慢冷卻的材料,抗熱震參數為

(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)循環頻率