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技術(shù)文章

疲勞強(qiáng)度

閱讀：254發(fā)布時(shí)間：2025-11-22

什么是疲勞強(qiáng)度?

說(shuō)到疲勞強(qiáng)度，我們先理解下金屬疲勞這一概念。

金屬疲勞

許多的機(jī)械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過(guò)程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱(chēng)為交變應(yīng)力（也稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱(chēng)為金屬疲勞。

疲勞強(qiáng)度或疲勞極限

疲勞強(qiáng)度是指金屬材料在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的應(yīng)力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。實(shí)際上，金屬材料并不可能作無(wú)限多次交變載荷試驗(yàn)。

一般試驗(yàn)時(shí)規(guī)定，鋼在經(jīng)受10ˇ7次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受10ˇ8次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷裂時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)施加的交變應(yīng)力是對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，所得的疲勞強(qiáng)度用σ–1表示。

疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒(méi)有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故，所以對(duì)于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強(qiáng)度較好的材料來(lái)制造。

金屬疲勞強(qiáng)度研究歷史

1954 年，一款商業(yè)客機(jī)de Havillａnd Comet 接連發(fā)生了兩起墜毀事故，這使得“金屬疲勞”一詞出現(xiàn)在新聞?lì)^條中，引起公眾持久的關(guān)注。這種飛機(jī)也是批使用增壓艙的飛行器，采用的是方形窗口。增壓效應(yīng)和循環(huán)飛行載荷的聯(lián)合作用導(dǎo)致窗角出現(xiàn)裂紋，隨著時(shí)間的推移，這些裂紋逐漸變寬，最后導(dǎo)致機(jī)艙解體。Comet 空難奪去了68 人的生命，這場(chǎng)悲劇不在提醒著工程師創(chuàng)建安全、堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。

自此以后，人們發(fā)現(xiàn)疲勞是許多機(jī)械零部件（例如在高強(qiáng)度周期性循環(huán)載荷下運(yùn)行的渦輪機(jī)和其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備）失效的罪魁禍?zhǔn)住?span style="display:none">za7拉力機(jī)_材料試驗(yàn)機(jī)_剝離力試驗(yàn)機(jī)_快速溫變?cè)囼?yàn)箱-越聯(lián)儀器

1867年，德國(guó)的A.沃勒展示了用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)獲得的車(chē)軸疲勞試驗(yàn)結(jié)果，把疲勞與應(yīng)力聯(lián)系起來(lái)，提出了疲勞極限的概念，為常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。第二次世界大戰(zhàn)中及戰(zhàn)后，通過(guò)對(duì)當(dāng)時(shí)發(fā)生的許多疲勞破壞事故的調(diào)查分析，逐漸形成了現(xiàn)代的常規(guī)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。1945年，美國(guó)的M.A.邁因納提出了線性損傷積累理論。1953年，美國(guó)的A.K.黑德提出了疲勞裂紋擴(kuò)展理論。之后，計(jì)算帶裂紋零件的剩余壽命的具體應(yīng)用，形成了損傷容限設(shè)計(jì)。20世紀(jì)60年代，可靠性理論開(kāi)始在疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

在常規(guī)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，有無(wú)限壽命設(shè)計(jì)（將工作應(yīng)力限制在疲勞極限以下，即假設(shè)零件無(wú)初始裂紋，也不發(fā)生疲勞破壞，壽命是無(wú)限的）和有限壽命設(shè)計(jì)（采用超過(guò)疲勞極限的工作應(yīng)力，以適應(yīng)一些更新周期短或一次消耗性的產(chǎn)品達(dá)到零件重量輕的目的，也適用于寧愿以定期更換零件的辦法讓某些零件設(shè)計(jì)得壽命較短而重量較輕）。損傷容限設(shè)計(jì)是在材料實(shí)際上存在初始裂紋的條件下，以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以斷裂韌性試驗(yàn)和無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)為手段，估算有初始裂紋零件的剩余壽命，并規(guī)定剩余壽命應(yīng)大于兩個(gè)檢修周期，以保證在發(fā)生疲勞破壞之前，至少有兩次發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展到危險(xiǎn)程度的機(jī)會(huì)。疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)是在規(guī)定的壽命內(nèi)和規(guī)定的使用條件下，保證疲勞破壞不發(fā)生的概率在給定值（可靠度）以上的設(shè)計(jì)，使零部件的重量減輕到恰到好處。

影響金屬疲勞強(qiáng)度的因素

1、屈服強(qiáng)度

材料的屈服強(qiáng)度和疲勞極限之間有一定的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，材料的屈服強(qiáng)度越高，疲勞強(qiáng)度也越高，因此，為了提高彈簧的疲勞強(qiáng)度應(yīng)設(shè)法提高彈簧材料的屈服強(qiáng)度，或采用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比值高的材料。對(duì)同一材料來(lái)說(shuō)，細(xì)晶粒組織比粗細(xì)晶粒組織具有更高的屈服強(qiáng)度。

2、表面狀態(tài)

應(yīng)力多發(fā)生在彈簧材料的表層，所以彈簧的表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響很大。彈簧材料在軋制、拉拔和卷制過(guò)程中造成的裂紋、疵點(diǎn)和傷痕等缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的原因。

材料表面粗糙度愈小，應(yīng)力集中愈小，疲勞強(qiáng)度也愈高。材料表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響。隨著表面粗糙度的增加，疲勞極限下降。在同一粗糙度的情況下，不同的鋼種及不同的卷制方法其疲勞極限降低程度也不同，如冷卷彈簧降低程度就比熱卷彈簧小。因?yàn)殇撝茻峋韽椈杉捌錈崽幚砑訜釙r(shí)，由于氧化使彈簧材料表面變粗糙和產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象，這樣就降低了彈簧的疲勞強(qiáng)度。

對(duì)材料表面進(jìn)行磨削、強(qiáng)壓、拋丸和滾壓等。都可以提高彈簧的疲勞強(qiáng)度。

3、尺寸效應(yīng)

材料的尺寸愈大，由于各種冷加工和熱加工工藝所造成的缺陷可能性愈高，產(chǎn)生表面缺陷的可能性也越大，這些原因都會(huì)導(dǎo)致疲勞性能下降。因此在計(jì)算彈簧的疲勞強(qiáng)度時(shí)要考慮尺寸效應(yīng)的影響。

4、冶金缺陷

冶金缺陷是指材料中的非金屬夾雜物、氣泡、元素的偏析，等等。存在于表面的夾雜物是應(yīng)力集中源，會(huì)導(dǎo)致夾雜物與基體界面之間過(guò)早地產(chǎn)生疲勞裂紋。采用真空冶煉、真空澆注等措施，可以大大提高鋼材的質(zhì)量。

5、腐蝕介質(zhì)

彈簧在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)，由于表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕或表面晶界被腐蝕而成為疲勞源，在變應(yīng)力作用下就會(huì)逐步擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。例如在淡水中工作的彈簧鋼，疲勞極限僅為空氣中的10%~25%。腐蝕對(duì)彈簧疲勞強(qiáng)度的影響，不僅與彈簧受變載荷的作用次數(shù)有關(guān)，而且與工作壽命有關(guān)。所以設(shè)計(jì)計(jì)算受腐蝕影響的彈簧時(shí)，應(yīng)將工作壽命考慮進(jìn)去。
在腐蝕條件下工作的彈簧，為了保證其疲勞強(qiáng)度，可采用抗腐蝕性能高的材料，如不銹鋼、非鐵金屬，或者表面加保護(hù)層，如鍍層、氧化、噴塑、涂漆等。實(shí)踐表明鍍鎘可以大大提高彈簧的疲勞極限。

6、溫度

碳鋼的疲勞強(qiáng)度，從室溫到120℃時(shí)下降，從120℃到350℃又上升，溫度高于350℃以后又下降，在高溫時(shí)沒(méi)有疲勞極限。在高溫條件下工作的彈簧，要考慮采用耐熱鋼。在低于室溫的條件下，鋼的疲勞極限有所增加。

怎樣減少金屬疲勞破壞

根據(jù)疲勞破壞的分析，裂紋源通常是在有應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生，而且構(gòu)件持久極限的降低，很大程度是由于各種影響因素帶來(lái)的應(yīng)力集中影響。因此設(shè)法避免或減弱應(yīng)力集中，可以有效提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面來(lái)提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。

1、外形合理化

構(gòu)件截面改變?cè)郊ち?，?yīng)力集中系數(shù)就越大。因此工程上常采用改變構(gòu)件外形尺寸的方法來(lái)減小應(yīng)力集中。如采用較大的過(guò)渡圓角半徑，使截面的改變盡量緩慢，如果圓角半徑太大而影響裝配時(shí)，可采用間隔環(huán)。既降低了應(yīng)力集中又不影響軸與軸承的裝配。此外還可采用凹圓角或卸載槽以達(dá)到應(yīng)力平緩過(guò)渡。

設(shè)計(jì)構(gòu)件外形時(shí)，應(yīng)盡量避免帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然變化處（階梯軸），當(dāng)結(jié)構(gòu)需要直角時(shí)，可在直徑較大的軸段上開(kāi)卸載槽或退刀槽減小應(yīng)力集中；當(dāng)軸與輪轂采用靜配合時(shí)，可在輪轂上開(kāi)減荷槽或增大配合部分軸的直徑，并采用圓角過(guò)渡，從而可縮小輪轂與軸的剛度差距，減緩配合面邊緣處的應(yīng)力集中。

2、提高構(gòu)件表面質(zhì)量

一般說(shuō)，構(gòu)件表層的應(yīng)力都很大，例如在承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件中，其應(yīng)力均發(fā)生在構(gòu)件的表層。同時(shí)由于加工的原因，構(gòu)件表層的刀痕或損傷處，又將引起應(yīng)力集中。因此，對(duì)疲勞強(qiáng)度要求高的構(gòu)件，應(yīng)采用精加工方法，以獲得較高的表面質(zhì)量。特別是對(duì)高強(qiáng)度鋼這類(lèi)對(duì)應(yīng)力集中比較敏感的材料，其加工更需要精細(xì)。

3、提高構(gòu)件表面強(qiáng)度

常用的方法有表面熱處理和表面機(jī)械強(qiáng)化兩種方法。表面熱處理通常采用高頻淬火、滲碳、氰化、氮化等措施，以提高構(gòu)件表層材料的抗疲勞強(qiáng)度能力。表面機(jī)械強(qiáng)化通常采用對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行滾壓、噴丸等，使構(gòu)件表面形成預(yù)壓應(yīng)力層，以降低最容易形成疲勞裂紋的拉應(yīng)力，從而提高表層強(qiáng)度。

4、豪克能技術(shù)

豪克能技術(shù)現(xiàn)在的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化體現(xiàn)為焊接應(yīng)力消除設(shè)備以及表面光整設(shè)備，其中的這個(gè)技術(shù)可以給金屬表面消除拉應(yīng)力，預(yù)置壓應(yīng)力，使得金屬容易開(kāi)裂的部位應(yīng)力釋放，不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂的情況。

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