金属材料疲劳强度的十大主要影响因素

1、金属材料疲劳强度的十大主要影响因素目录刖.材料的疲劳强度对各种外在因素和内在因素都极为敏感。外在因素包括零 件的形状和尺寸、外表光洁度及使用条件等，内在因素包括材料本身的成分， 组织状态、纯洁度和剩余应力等。这些因素的细微变化，均会造成材料疲劳性 能的波动甚至大幅度变化。各种因素对疲劳强度的影响是疲劳研究的重要方面，这种研究将为零件合 理的结构设计、以及正确选择材料和合理制订各种冷热加工工艺提供依据，以 保证零件具有高的疲劳性能。.材料的屈服强度材料的屈服强度和疲劳极限之间有一定的关系，一般来说，材料的屈服强 度越高，疲劳强度也越高，因此，为了提高弹簧的疲劳强度应设法提高弹簧材 料的屈服强度，

2、或采用屈服强度和抗拉强度比值高的材料。对同一材料来说， 细晶粒组织比粗细晶粒组织具有更高的屈服强度。.应力集中的影响常规所讲的疲劳强度，都是用精心加工的光滑试样测得的，然而，实际机 械零件都不可防止地存在着不同形式的缺口，如台阶、键槽、螺纹和油孔等。 这些缺口的存在造成应力集中，使缺口根部的最大实际应力远大于零件所承受 的名义应力，零件的疲劳破坏往往从这里开始。理论应力集中系数Kt：在理想的弹性条件下，由弹性理论求得的，缺口根 部的最大实际应力与名义应力的比值。有效应力集中系数（或疲劳应力集中系数）Kf：光滑试样的疲劳极限。-1与 缺口试样疲劳极限。-In的比值。有效应力集中系数不仅受构件尺寸

3、和形状的影响，而且受材料的物理性 质、加工、热处理等多种因素的影响。第1页共6页有效应力集中系数随着缺口尖锐程度的增加而增加，但通常小于理论应力 集中系数。疲劳缺口敏感度系数q：疲劳缺口敏感度系数表示材料对疲劳缺口的敏感 程度，由下式计算。qq的数据范围是0-1, q值越小，表征材料对缺口越不敏感。试验说明，q 并非纯粹是材料常数，它仍然和缺口尺寸有关，只有当缺口半径大于一定值 后，q值才基本与缺口无关，而且对于不同材料或处理状态，此半径值也不 同。.尺寸因素的影响材料的尺寸愈大，由于各种冷加工和热加工工艺所造成的缺陷可能性愈 高，产生外表缺陷的可能性也越大，这些原因都会导致疲劳性能下降。因此

4、在 计算弹簧的疲劳强度时要考虑尺寸效应的影响。由于材料本身组织的不均匀性以及内部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破 坏概率的增加，从而降低材料的疲劳极限。尺寸效应的存在，是把试验室小试 样测得的疲劳数据运用于大尺寸实际零件中的一个重要问题，由于不可能把实 际尺寸的零件上存在的应力集中、应力梯度等完全相似地在小试样上再现出 来，从而造成试验室结果与某些具体零件疲劳破坏之间的互相脱节。.外表加工状态的影响最大应力多发生在弹簧材料的表层，所以弹簧的外表质量对疲劳强度的影 响很大。弹簧材料在轧制、拉拔和卷制过程中造成的裂纹、疵点和伤痕等缺陷 往往是造成弹簧疲劳断裂的原因。材料外表粗糙度愈小，应力集中愈小，

5、疲劳强度也愈高。材料外表粗糙度 对疲劳极限的影响。随着外表粗糙度的增加，疲劳极限下降。在同一粗糙度的 情况下，不同的钢种及不同的卷制方法其疲劳极限降低程度也不同，如冷卷弹 簧降低程度就比热卷弹簧小。因为钢制热卷弹簧及其热处理加热时，由于氧化 使弹簧材料外表变粗糙和产生脱碳现象，这样就降低了弹簧的疲劳强度。第2页共6页对材料外表进行磨削、强压、抛丸和滚压等。都可以提高弹簧的疲劳强 度。机加工的外表总存在着高低不平的加工痕迹，这些痕迹就相当于微小缺 口，在材料外表造成应力集中，从而降低材料的疲劳强度。试验说明，对于钢 和铝合金，粗糙的加工（粗车）与纵向精抛光相比，疲劳极限要降低10% 20% 甚至

6、更多。材料的强度越高，那么对外表光洁度越敏感。.加载经历的影响实际上没有任何零件是在绝对恒定的应力幅条件下工作，材料实际工作中 的超载和次载都会对材料的疲劳极限产生影响，试验说明，材料普遍存在着超 载损伤和次载锻炼现象。所谓超载损伤是指材料在高于疲劳极限的载荷下运行到达一定周次后，将 造成材料疲劳极限的下降。超载越高，造成损伤所需的周次越短，如所示。图超载损伤造成材料疲劳极限的下降损伤线事实上，在一定条件下，少量次数的超载不仅不会对材料造成损 伤，由于形变强化、裂纹尖端钝化以及剩余压应力的作用，还会对材料造成强 化，从而提高材料的疲劳极限。因此，应对超载损伤的概念进行一些补充和修 正。所谓次载

7、锻炼是指材料在低于疲劳极限但高于某一限值的应力水平下运行 一定周次后，造成材料疲劳极限升高的现象。次载锻炼的效果和材料本身的性 能有关，塑性好的材料，一般来说锻炼周期要长些，锻炼应力要高些方能见 效。.化学成分的影响第3页共6页材料的疲劳强度与抗拉强度在一定条件下存在着较密切的关系，因此，在 一定条件下凡能提高抗拉强度的合金元素，均可提高材料的疲劳强度。比拟而 言，碳是影响材料强度的最主要因素。而一些在钢中形成夹杂物的杂质元素那么 对疲劳强度产生不利影响。.热处理和显微组织的影响不同的热处理状态会得到不同的显微组织，因此，热处理对疲劳强度的影 响，实质上就是显微组织的影响。同一成份的材料，由于

8、热处理不同，虽然可 以得到相同的静强度，但由于组织的不同，疲劳强度可在相当大的范围内变 化。在相同的强度水平时，片状珠光体的疲劳强度明显要低于粒状珠光体。同 是粒状珠光体，其渗碳体颗粒越细小，那么疲劳强度越高。显微组织对材料疲劳性能的影响，除了和各种组织本身的机械性能特性有 关外，还和晶粒度以及复合组织中组织的分布特征有关。细化晶粒可提高材料 的疲劳强度。.冶金缺陷研究发现大多数试样，疲劳裂纹主要来源于夹杂物，疲劳失效源的夹杂物 主要是氮化物(TiN)和氧化物应力比R=0.1时的疲劳极限为547MPao 统计结果显示，80%的裂纹由TiN引起，17.5%裂纹由A12()3引起。TiN引起裂 纹

9、的夹杂物尺寸为9-14 R m,远小于A125的15-19um,说明即使TiN的夹杂 物尺寸小于AI2O3,仍能引发钢材的疲劳裂纹，这与一般高强钢疲劳裂纹主要 来源于最大夹杂物尺寸的报道不一致，随着夹杂物尺寸的减小，AI2O3引起疲劳 破坏的次数显著增加，而TiN在不同循环应力幅值下的疲劳寿命数据具有较大 的弥散性。冶金缺陷是指材料中的非金属夹杂物、气泡、元素的偏析，等等。存在于 外表的夹杂物是应力集中源，会导致夹杂物与基体界面之间过早地产生疲劳裂 纹。采用真空冶炼、真空浇注等措施，可以大大提高钢材的质量。钢材的疲劳性能不仅与夹杂物的尺寸有关，还与夹杂物的类型有关，疲劳 失效很可能来源于非金属

10、夹杂物。目前，冶金技术可以将氧、氮、硫等有害元第4页共6页 素控制在lOppM以下，将夹杂物尺寸控制在In m以下，这是一个费时费 力、生产本钱高的过程。提高钢的纯洁度，可以通过降低钢中夹杂物的尺寸， 有效地改善钢的疲劳性能。因此，夹杂物尺寸对疲劳性能的定量影响被广泛研 究。而以往的研究侧重于包裹体的大小，缺乏对包裹体类型的定量研究。不同 类型夹杂物对疲劳性能的影响存在显著差异，不容忽视。然而，以往对包裹体 类型的研究还不够深入，主要是定性研究，如考虑基体与不同包裹体类型模量 的差异等。因此，定量研究不同类型夹杂物对高强钢疲劳性能的影响，是指导 冶金工作者合理经济地控制不同夹杂物尺寸的必要手段

11、。.夹杂物的影响夹杂物本身或由它而产生的孔洞相当于微小缺口，在交变载荷作用下将产 生应力集中和应变集中，成为疲劳断裂的裂纹源，对材料的疲劳性能造成不良 影响。夹杂物对疲劳强度的影响不仅取决于夹杂物的种类、性质、形状、大 小、数量和分布，而且还取决于材料的强度水平以及外加应力水平及状态等因 素。不同类型的夹杂物其机械和物理性能不同，和母材性能之间的差异不同， 对疲劳性能的影响也不同。一般说来，易变形的塑性夹杂物（如硫化物）对钢的 疲劳性能影响较小，而脆性夹杂物（如氧化物、硅酸盐等）那么有较大的危害。比基体膨胀系数大的夹杂物（如硫化物）因在基体中产生压应力而影响小， 而比基体膨胀系数小的夹杂物（如

12、氧化铝等）因在基体中产生拉应力而影响大。夹杂物与母材结合的紧密程度也会影响疲劳强度。硫化物易于变形，和母 材结合紧密，而氧化物易于脱离母材，造成应力集中。由此可知，从夹杂物的 类型来说，硫化物的影响较小，而氧化物、氮化物和硅酸盐等那么是危害较大 的。不同加载条件下，夹杂物对材料疲劳性能的影响也不同，在高载条件下， 无论有没有夹杂物的存在，外加载荷均足以使材料产生塑性流变，夹杂物的影 响较小，而在材料的疲劳极限应力范围，夹杂物的存在造成局部应变集中成为 塑性变形的控制因素，从而强烈地影响材料的疲劳强度。也就是说，夹杂物的 存在主要是影响材料的疲劳极限，对高应力条件下的疲劳强度影响不明显。材料的纯

13、洁度是由熔炼工艺过程决定的，因此，采用净化冶炼方法（如真第5页共6页空熔炼、真空除气和电渣重熔等）均可有效降低钢中的杂质含量，改善材料的 疲劳性能。.外表性能变化及剩余应力的影响外表状态的影响除前已提及的外表光洁度外，还包括表层机械性能的变化 及剩余应力对疲劳强度的影响。表层机械性能的变化可以是表层化学成分和组 织不同所引起，也可以是表层因形变强化而引起。渗碳、氮化和碳氮共渗等外表热处理除了可以增加零件的耐磨性之外，还 是提高零件疲劳强度，特别是提高耐腐蚀疲劳和咬蚀的一种有效手段。外表化学热处理对疲劳强度的影响主要取决于加载方式、渗层中的碳氮浓 度、外表硬度及梯度、外表硬度与心部硬度之比、层深

14、以及外表处理所形成的 剩余压应力的大小和分布等因素。大量试验说明，只要是先加工缺口后经化学 热处理，那么一般说来缺口越尖锐，疲劳强度的提高也越多。不同的加载方式下，外表处理对疲劳性能的影响也不同。轴向加载时，由 于不存在应力沿层深分布不均的现象，表层和层下的应力相同。在这种情况 下，外表处理只能改善外表层的疲劳性能，由于心部材料未得到强化，因而疲 劳强度的提高有限。在弯曲和扭转条件下，应力的分布集中于表层，外表处理 形成的剩余应力和这种外加应力叠加，使外表实际承受的应力降低，同时，由 于表层材料的强化，因而能有效地提高弯曲和扭转条件下的疲劳强度。和渗碳、氮化以及碳氮共渗等化学热处理相反，如果零件在热处理过程中 脱碳，使表层的强度降低，那么会使材料的疲劳强度大幅度降低。同