影响机械零件疲劳强度的因素

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1、1,第3章 影响机械零件疲劳强度的因素,2,概述,材料的疲劳极限和S-N曲线只能代表标准光滑试样的疲劳性能,实际零件的尺寸、形状和表面状况各式各样，与标准试件差别很大。 影响机械零件疲劳强度的因素很多，其中最主要的是形状、尺寸、表面状况、平均应力、复合应力、加载频率、应力波形、停歇、腐蚀介质和温度等。 本章主要介绍形状、尺寸、表面状况、平均应力、加载频率、应力波形与停歇对疲劳强度的影响。,3,3.1 形状因素,应力集中 结构受力时，其截面突变的地方（如台阶、开孔、榫槽等）会出现局部应力增大的现象，称为应力集中。 应力集中对静强度的影响 与材料性质有关。对脆性材料影响较大，对塑性材料影响小。 塑

2、性材料在破坏前有一个宏观的塑性变形过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化。因此应力集中对塑性材料的静强度影响小。 应力集中对疲劳强度的影响 疲劳破坏事故和试验表明，疲劳源总是出现在应力集中的地方，应力集中使结构的疲劳强度降低。 疲劳破坏时截面上的名义应力未达到屈服极限，而局部应力高导致屈服，使疲劳强度降低，为结构的薄弱环节。 疲劳设计必须考虑应力集中的影响。,一. 理论应力集中系数,应力集中使零件的局部应力提高，在缺口或其他应力集中处的局部应力与名义应力的比值，称为理论应力集中系数。 理论应力集中系数表示在静载荷的作用下，构件局部应力的严重程度。 用Kt来表示。 一般情况下Kt值可由手册

3、上的图表查得。 Kt值与构件的几何形状有关，又称为形状系数。,二. 有效应力集中系数,无应力集中试样的疲劳极限与和其净截面尺寸及终加工方法相同的有应力集中试样的疲劳极限之比，叫做有效应力集中系数。 可以表示为: 有效应力集中系数主要用来表征应力集中对疲劳强度的降低作用 由于有缺口，使局部应力提高的倍数为Kt，使疲劳强度降低的倍数为Kf。 国外，通常把有效应力集中系数称为疲劳缺口系数，并常用Kf统一表示正应力和切应力下的疲劳缺口系数。 有效应力集中系数(Kf)的其他叫法：疲劳缺口系数、疲劳强度降低系数。,确定有效应力集中系数Kf的方法 疲劳试验法。根据Kf的定义直接进行疲劳试验，得到相关的曲线（

4、只适用于一定的形状和材料） 影响系数法。根据零件的材料、形状等影响因素，分别计算影响系数，再按下面的经验公式计算（日本常用该方法）： 敏感系数法。世界通用的方法。利用理论应力集中系数Kt和疲劳缺口敏感系数q来计算疲劳缺口系数。（比较重要的公式） 其他方法。如应力梯度法、L/G法、断裂力学法等。（目前还不成熟）,敏感系数q的确定 敏感系数q是材料对应力集中敏感性的一种程度,q=01,由(3-4),得,q=1，此时Kf=Kt，表示材料对应力集中非常敏感。塑性较差的高强度钢接近于1； q=0，Kf=1,材料对应力集中没有反应。如，铸铁。（铸铁内含大量的石墨杂质，相当于很尖锐的裂纹，其影响几乎完全掩盖

5、了应力集中的影响） q值与材料强度极限b有关，若b增大，则q增大；若晶粒度与材料性质不均匀，则q减小；q值还与缺口曲率半径有关，r减小，q增大。 q值的确定方法有多种，工程上有许多计算公式和曲线。 常用的确定q值的方法 诺伯公式（Neuber）（机械工程手册推荐） 彼特逊公式（Peterson）（英国疲劳设计准则推荐） 常见材料的敏感系数q的统计数值（表3-1）（略）,诺伯公式（Neuber）,式中，r为缺口半径； A为参数，从图3-2查出,q值也可以直接从图3-3查出,彼特逊公式（Peterson）,赵少卞和王忠保公式,赵少卞和王忠保等人用Q235A、16Mn35、45#、40Cr、60Si

6、2Mn等钢材对疲劳缺口系数进行了系统的实验研究，提出的计算疲劳缺口系数的简单的单参数计算公式：,式中，A，b为与热处理方式有关的常数； Q为相对应力梯度。,不同热处理方式的A,b值,相对应力梯度Q值按表3-2计算,11,3.2 尺寸效应,零件或试样的尺寸增大，则疲劳强度降低，这种疲劳强度随尺寸增大而降低的现象称为尺寸效应。 尺寸系数 尺寸系数定义为：当应力集中与终加工情况相同时，尺寸为d的大试样或零件的疲劳极限与标准直径的试样的疲劳极限之比。即：,无缺口光滑大试样 对称弯曲或扭转疲劳极限,标准尺寸试样对称弯曲或扭转疲劳极限,标准试样直径d0=610mm。 中低强度钢d0取9.5mm； 高强度钢

7、d0取7.5mm或6mm,尺寸效应机制（目前还不完善） 工艺因素 大型零件的铸造质量比小型零件差，大零件缺陷比小零件多； 大截面零件的锻造比或压延比都比小零件小； 大型零件热处理冷却速度比小零件慢，淬透深度小； 大型零件加工时的切削力、切削热与小零件不同； 大型零件的材质比小型零件差。 以上因素，使大型零件的疲劳强度降低。 比例因素 应力梯度。零件上应力分布不均匀，外层应力大，导致外层位移大，内层晶粒阻止外层位移。在相同外载荷下，大试样的应力梯度小，名义应力低；小试样则相反。 统计因素。零件尺寸越大，出现薄弱晶粒和大缺陷的概率越大。 尺寸效应的影响（实验结论，无理论证明） 尺寸效应与加载方式有

8、关。 钢的强度越高，尺寸效应越大。 合金钢的尺寸效应比碳钢小，合金结构钢与碳素结构钢相同。 铸钢的尺寸敏感性比锻钢大。,尺寸系数的确定（目前主要采用实验曲线来确定）,锻钢疲劳极限的尺寸系数,光滑轴的弯曲尺寸系数,14,3.3 表面加工的影响,表面状态对疲劳强度有较大影响。裂纹常常从零件表面开始（最大应力一般发生在表面、表面上的缺陷一般最多） 影响机制 表面状态主要指：表层组织结构、表面应力状态、粗糙度。 表面切削加工影响（表3-4） 表面层塑性变形 应变硬化程度。（疲劳极限随硬化程度的增加而提高） 应变硬化层厚度。（厚度未超过弹塑性变形区厚度时，厚度与疲劳极限成正比；若超过，则无影响） 应变硬

9、化引起的残余应力。（残余压应力提高弯曲疲劳极限，残余拉应力降低拉伸疲劳极限） 表面层温度 通过三方面影响疲劳极限：残余应力、时效程度、软化程度。 表面粗糙度 粗糙度增加，疲劳极限降低。（刀痕深度、切削刀痕锐度增加，疲劳极限降低）,切削用量的影响 影响因素主要有：切削速度、进给量和切削深度。 增加切削速度可使冷作硬化层厚度减小，增加进给量和切削深度使硬化层厚度增大。（对硬化程度及残余应力的影响类似） 增加切削速度和进给量会使表面温度降低，而增加切削深度则提高表面温度。降低表面温度可以减小残余应力、减小时效程度及软化程度；温度升高则相反。 切削速度的增加可以改善表面粗糙度，切削深度和进给量的增加将

10、恶化粗糙度。 切削用量具体的影响规律见表3-5 表面加工系数曲线 零件的表面状况和环境对疲劳强度的影响用表面系数表示。表面系数分为三种： 表面加工系数1 、腐蚀系数2、表面强化系数3。,表面加工系数1 定义：具有某种加工表面的标准光滑试样与磨光（抛光）标准光滑试样的疲劳极限之比 图表。加工方法对疲劳强度的影响是三种因素共同作用的结果，很难分别考虑各自的影响，一般根据实验用图表来表示。 不同循环次数N下的1-sb关系曲线 不同循环次数N下的1- ss /sb关系曲线 不同加工方法下的1-sb关系曲线 计算公式 弯曲与拉压 扭转 表面加工系数与疲劳缺口系数的关系（对3-4式的修正）,1扭转交变应力

11、下的表面加工系数,a,b最终加工方法系数，与加工方法、循环次数有关,不同循环次数N下的1-sb关系曲线,不同循环次数N下的1- ss /sb关系曲线,不同加工方法下的1-sb关系曲线,20,3.4 平均应力的影响,平均应力对疲劳强度影响的一般概念 决定零件疲劳强度的是应力幅。 平均应力对疲劳强度的影响是第二位的，但仍有重要作用。 一般情况，拉伸平均应力使极限应力幅减小；压缩平均应力使极限应力幅增大。 平均应力对正应力的影响比切应力要大。 极限应力线图 极限应力线图用来表示平均应力对疲劳强度的影响 在疲劳设计中，常用平均应力折算系数将平均应力折算为等效应力幅 常用的极限应力线图有三种 史密斯图

12、海夫图 等寿命图,史密斯（Smith）图,以最大应力max和最小应力min为纵坐标，以平均应力m为横坐标的极限应力线图，叫史密斯图。也叫max（ min）-m图。 ADC线为最大应力线； BEC线为最小应力线； ADC线与BEC线所包围的面积表示不产生疲劳破坏的应力水平； ADC线与BEC线外区域表示要产生疲劳破坏的应力水平； A点为对称疲劳极限-1； D点表示脉动疲劳极限0； C点表示强度极限b。,海夫（Haigh）图,以应力幅a为纵坐标、平均应力m为横坐标的极限应力图称为海夫图。 A点m =0， a =OA= -1为对称循环疲劳极限； B点a =0， m =OB= b为静强度极限； C点m

13、 = a ， 为脉动循环疲劳极限的一半； AC连线斜率的绝对值即为平均应力折算系数 海夫图比史密斯图醒目，使用更广泛。,等寿命图,表示相同寿命时不同应力比下的疲劳极限间关系的线图都是等寿命图。即给定寿命下a、 m 、 max 、 min 间关系的一族曲线。 图中射线表示应力比R= max/ min,例3-1已知a=400Mpa， m =400MPa。求max 、 min 、R和寿命N。 例3-2已知光滑试样R=-1， a=600MPa。求寿命N。,拉伸平均应力的影响 极限应力线（许多学者提出了多种极限应力线） 1874年的戈倍尔抛物线 1899年的古德曼直线 1935年的索德贝尔格直线 195

14、0年的谢联先折线 莫罗直线,上述5种极限应力线的关系 索德贝尔格直线对大多数金属材料偏于保守。 戈倍尔抛物线适用于塑性材料，但非线性，使用麻烦，一般不用。 古德曼直线适用于脆性材料，对延性材料偏于保守。 谢联先折线与试验数据比较符合，比古德曼直线精确，缺点是要知道脉动循环下的疲劳极限值。 莫罗直线也与试验数据比较符合，比古德曼直线精确，在疲劳设计中使用较多。,东北工学院的试验结果 对于Kt=1的光滑试样，试验数据比较符合谢联先直线； 对于Kt=2和Kt=3的缺口试样，试验数据比较符合古德曼直线（需用缺口试样的强度极限sbk代替光滑试样的强度极限sb）。 如果近似取bk = f(真断裂应力) ，

15、则试验数据符合莫罗直线。 平均应力折算（3-24）（3-27）,27,3.5 载荷持续情况的影响,加载频率的影响（钢、铜、铝及其他高熔点金属试验） 频率在2007000c/min(3.3120Hz)范围内，频率变化对疲劳强度不产生影响。 频率在1000Hz时，频率变化对疲劳极限影响不大；频率高于1000Hz后，疲劳极限稍有增加；到10000Hz时达到极大值，之后逐渐降低。 总结现有的实验数据，可以把加载频率分为三种范围： 正常频率（5300Hz），低频（0.15Hz），高频（30010000Hz）,在大气条件下、试验温度小于50度时，加载频率的影响如下： 在正常加载频率范围内变化，对大多数金属

16、的疲劳极限没有影响。 低频使疲劳极限降低，高频加载使疲劳极限升高。 易熔合金及力学性能在50度范围内有变化的合金，频率对疲劳极限有一定影响。 最大应力作用的时间越长，强化过程越强烈。 提高加载频率相当于提高加载速率，加载速率高于裂纹扩展速率使裂纹来不及扩展，从而提高疲劳强度与寿命。 加载频率越高，容易发热，从而引起软化，使疲劳极限下降。 应力水平越高，频率对疲劳强度影响越大。频率对寿命的影响大于强度的影响。,应力波的影响 循环的波形（正弦、三角、梯形、矩形波）确定了裂纹在最大应力下的停留时间 循环波形对裂纹形成寿命影响很大，对裂纹扩展寿命影响很小。 低温、腐蚀条件下，低频循环波形的影响大，高频循环波形的影响小。 波形主要影响最大应力下的停留时间，一般采用正弦波。 中间停歇的影响（博伦拉思等人的试验结果） 中间停歇对疲劳极限没有明显影响。 中间停歇对疲劳寿命有一定影响，与材料性能有关。 中间停歇对低碳钢影响大，可提高其疲劳寿命；对合金、有色金