第五章-影响疲劳性能的因素

抗疲劳制造原理与技术1第五章抗疲劳制造原理疲劳是一个非常复杂的过程，疲劳寿命受许多因素的影响，其中包括零件表面残余应力、表面显微组织、缺口效应、尺寸效应、表面效应、材料静强度以及腐蚀环境等多种因素。一些对材料或构件的静态特性影响很小的因素，在疲劳现象中却起到非常显著的作用，如构件和结构的表面状态、缺口形式等。因此，只有充分了解利用把握各种因素对疲劳强度的影响桂规律，才能更好地探求抗疲劳制造的有效途径。抗疲劳制造原理与技术2第一节：各因素对疲劳性能的影响第二节：提高零件疲劳性能的途径第五章抗疲劳制造原理抗疲劳制造原理与技术3材料本质：化学成分、显微金相组织、静强度和内部有无缺陷零件状态：表层残余应力、应力集中、尺寸效应、表面状况工作条件：应力振幅、循环应力比、载荷顺序、氛围影响疲劳性能的因素各因素对疲劳性能的影响抗疲劳制造原理与技术4对一般钢材来说，其疲劳强度与静拉强度和硬度有定的比例关系，利用这一比例关系可求得疲劳强度值。各因素对疲劳性能的影响一、材料静强度的影响抗疲劳制造原理与技术5众所周知，材料的疲劳性能高低与材料表层产生滑移的难易有密切关系，而滑移的难易程度取决于材料的屈服强度，因此，屈服强度与疲劳强度有更直接的关系，对于同一种材料，晶粒越细其屈服强度越高，疲劳强度也越高。各因素对疲劳性能的影响srE2104抗疲劳制造原理与技术6右图为弹性模数对的影响，各因素对疲劳性能的影响NaddENaddE4.35100.7ddEKNa抗疲劳制造原理与技术7疲劳裂纹的形成和扩展是局部塑性变形的结果。合金的显微组织与其他因素的结合比如腐蚀环境和低温环境，可能抑制变形，甚至改变疲劳裂纹扩展的性质，由延性变成脆性。各因素对疲劳性能的影响二、显微组织的影响抗疲劳制造原理与技术8一般来说，当材料的组织为两相时，除应考虑基体相和本身的性能特点外，还应考虑到第二相的数量、大小、形状和分布因素。对于疲劳极限、静强度高的纤维组织如细小的晶粒、一定含量的第二相质点等，均有利于提高材料的疲劳强度。各因素对疲劳性能的影响二、显微组织的影响抗疲劳制造原理与技术9以钢为例，不同的热处理工艺会使钢获得不同的组织结构，从而对疲劳强度有不同影响。各因素对疲劳性能的影响三、热处理组织的影响抗疲劳制造原理与技术10金属构件的表面状况对疲劳强度寿命有重要的影响，这里所指的状况是指表面加工粗糙度、表面层的组织结构及应力状态等。因为疲劳裂纹常从零件构件的表面产生并开始扩展，因此表面加工状态的优劣对疲劳裂纹的产生及其扩展有重要影响。如表面粗糙、加工造成的刀痕等都能引起应力集中效应，使疲劳强度降低。此外，由于表面处理或加工不当，使零构件表层留有残余拉应力，也会使疲劳强度降低。各因素对疲劳性能的影响四、表面状况的影响抗疲劳制造原理与技术11大量的实验研究结果表明，表面粗糙度对疲劳寿命有很大的影响，因为零构件表面加工后引起的表面缺陷是应力集中的因素。特别是对高强度材料，表面一有小缺陷，常成为极危险的尖端切口，形成应力集中，这里往往就是疲劳源，在交变应力作用下会形成疲劳裂纹并不断扩展，大大降低了疲劳寿命。一般说来，疲劳强度和疲劳寿命是随着表面粗糙度的下降而增加的。反之，表面加工越粗糙，疲劳强度和疲劳寿命降低就越严重。各因素对疲劳性能的影响四、表面状况的影响抗疲劳制造原理与技术12为了估算表面加工状况对疲劳极限的影响，引入表面敏感系数。其定义为某种表面加工状态的试样的疲劳极限与精抛光试样的疲劳极限的比值，即各因素对疲劳性能的影响四、表面状况的影响是一个小于1的系数，它表示疲劳强度和寿命降低的百分数。抗疲劳制造原理与技术13右图表示钢材在不同表面加工方法下表面敏感系数随着材料强度的增加而降低，也就是说，材料的强度越高，越要合理加工，降低表面粗糙度，以保证足够的光洁度。各因素对疲劳性能的影响四、表面状况的影响抗疲劳制造原理与技术14各因素对疲劳性能的影响五、应力集中的影响六、尺寸效应的影响抗疲劳制造原理与技术15残余应力是指在无外力的作用下，以平衡状态存在于物体内部的应力。其产生的原因多是不均匀塑性变形或是材料本身内部不均匀所造成的，它的影响可以分为两种：一种是对疲劳等材料强度的影响。另外一种是对加工时或加工后产生尺寸偏差等有害变形的影响，作为对材料承受动载荷性能的影响而言，残余应力对材料的疲劳强度的影响是重要的，一般认为，在疲劳过程中残余应力起平均应力的作用。各因素对疲劳性能的影响七、表面残余应力的影响抗疲劳制造原理与技术16各因素对疲劳性能的影响八、腐蚀环境的影响九、在和频率的影响抗疲劳制造原理与技术17第二节：提高零件疲劳性能的途径第五章抗疲劳制造原理抗疲劳制造原理与技术18提高金属材料抗疲劳性能的原则主要有以下四点：1、合理选材，注意零件的细节设计，是提高加工精度和降低表面粗糙度，尽量减少形成应力集中的各种因素。2、在金属材料表层，特别是局部应力集中的薄弱部位进入高的残余压应力。3、细化材料的表层显微组织，细化亚品粒，减少材料内部的非金属夹杂物，提高冶炼精度。4、在保证心部具有足够强度的前提下，提高材料表层的硬度和强度，抑制再循环应力作用下表层产生局部塑性形变。提高零件疲劳性能的途径抗疲劳制造原理与技术19提高零件疲劳性能的途径一、减少应力集中二、提高零件的表面强度抗疲劳制造原理与技术20提高零件疲劳性能的途径三、配合连接过程中提高疲劳寿命的途径在连接件中采用干涉配合可以大大地提高连接件的疲劳强度和疲劳寿命。干涉配合就是有控制的膨胀，使圆柱形连接件在连接过程中产生轻微的塑性膨胀。其实质就是静配合或压配合，干涉量就是配合过程中的过盈量。在通常的公差配合中，静配合的干涉量是由零件加工尺寸决定的，如孔轴5配合中轴的尺寸比孔大。而干涉配合连接件中，轴墩粗，填满轴和孔之间的间隙，同时使孔胀大并给整个孔施加比较均匀的干涉应力，形成干涉配合。抗疲劳制造原理与技术21提高零件疲劳性能的途径三、配合连接过程中提高疲劳寿命的途径众所周知，一个穿过应力场的没有支撑或只有松弛支撑的孔，不但会使支撑面积减少，而且会造成应力集中，这是一般松配合连接件的主要问题，但在干涉配合的连接件中，干涉可以使孔适当的膨胀，从而使干涉配合接头孔周围的材料承受的应力幅值远比间隙配合街头的小，这就大大降低了孔边应力幅值，此外，干涉使孔附近材料冷作硬化，提高了临界区域的强度；对已知外力载荷干涉可以降低其应力范围，这些都对提高疲劳寿命起到积极作用。