祝雯霞

（西安外事學(xué)院，陜西西安 710077）

1 疲勞破壞的概念

工程實(shí)際中的一些金屬構(gòu)件，如彈簧、齒輪及軸等，工作時(shí)其所受到的外力所產(chǎn)生的應(yīng)力小于其強(qiáng)度極限，如果外力及其所產(chǎn)生的應(yīng)力大小、方向是周期性變化的，在經(jīng)過多次周期性變化的應(yīng)力作用下，該金屬構(gòu)件也會突然斷裂，此種破壞即為疲勞破壞。而疲勞強(qiáng)度是指在大小、方向周期性變化的應(yīng)力作用下，如果金屬構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的最大值（絕對值）不超過一定的限度，該構(gòu)件可經(jīng)歷無限多次（一般規(guī)定107～108）循環(huán)而不被破壞，此極限應(yīng)力的值即稱為疲勞強(qiáng)度。我們用σ-1來表示在對稱循環(huán)交變應(yīng)力作用下金屬材料的疲勞強(qiáng)度。

根據(jù)破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，分為⑴高周疲勞：指在低應(yīng)力（工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞，彈簧、傳動(dòng)軸等的疲勞屬此類。⑵低周疲勞：指在高應(yīng)力（工作應(yīng)力接近材料的屈服極限）或高應(yīng)變條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在10000～100000以下的疲勞。由于交變的塑性應(yīng)變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。如壓力容器、燃?xì)廨啓C(jī)零件等的疲勞。

2 疲勞破壞的特點(diǎn)

（1）疲勞破壞是多次反復(fù)載荷作用下的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的，而是要經(jīng)歷一定的時(shí)間，甚至很長時(shí)間才發(fā)生破壞。

（2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，一般遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限，甚至低于材料的屈服極限。例如反復(fù)彎折一根鐵絲，很輕松的就能折斷，就是典型的疲勞斷裂的實(shí)例。

（3）構(gòu)件在破壞前沒有明顯的塑性變形預(yù)兆，即使是韌性材料，也呈現(xiàn)“突然”的脆性斷裂。因此疲勞破壞具有更大的危險(xiǎn)性，常常造成嚴(yán)重的事故。

（4）疲勞破壞的斷口上由兩部分構(gòu)成：疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)。疲勞區(qū)（較光滑）記載了裂縫擴(kuò)展和閉合的過程，顏色發(fā)暗；瞬斷區(qū)（較粗糙）真實(shí)反映了當(dāng)構(gòu)件截面因裂縫擴(kuò)展削弱到一臨界尺寸時(shí)脆性斷裂的特點(diǎn)，顏色發(fā)亮。

3 疲勞破壞的原因

疲勞破壞的原因是構(gòu)件尺寸突變或金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，成為應(yīng)力集中區(qū)，從而造成應(yīng)力傳遞的不平衡，在內(nèi)部缺陷部位的應(yīng)力集中處誘發(fā)微裂紋；在交變應(yīng)力作用下，微裂紋不斷萌生、擴(kuò)展，裂紋越來越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力的有效部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負(fù)載時(shí)，金屬構(gòu)件發(fā)生破壞。

4 影響疲勞破壞的因素

影響金屬材料疲勞破壞的因素有很多，包括構(gòu)件本身的因素、荷載因素、環(huán)境因素等。

4.1 構(gòu)件的外形

工程實(shí)際中，金屬構(gòu)件常常有臺階、小孔、鍵槽等，使截面產(chǎn)生突然變化，從而引起局部的應(yīng)力集中。實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)力集中程度越高，疲勞強(qiáng)度越低。

σ-1——無應(yīng)力集中的光滑小試件的疲勞強(qiáng)度，σ-1k——有應(yīng)力集中試件的疲勞強(qiáng)度。Kf為大于1的一個(gè)系數(shù)，其值由試驗(yàn)確定。若該系數(shù)越大，疲勞強(qiáng)度的降低便越明顯。

4.2 構(gòu)件的尺寸

構(gòu)件的疲勞極限值通常是用小試樣測定的，其直徑一般在￠7～￠12mm，而實(shí)際構(gòu)件的截面往往大于此值。尺寸大的構(gòu)件，內(nèi)部所含的雜質(zhì)、缺陷相應(yīng)增多，在交變應(yīng)力下，碰到缺陷的幾率也大，產(chǎn)生疲勞裂紋的可能性就越大，疲勞極限也就降低了。

σ-1ε為光滑大試件的疲勞強(qiáng)度。尺寸系數(shù)εα值小于1。

4.3 構(gòu)件的表面加工質(zhì)量

構(gòu)件表面的粗糙度、機(jī)械加工的紋道、表面缺口等會產(chǎn)生應(yīng)力集中，都會影響疲勞極限。而且材料的強(qiáng)度越高，缺口敏感性越顯著。

σ-1β表示在各種表面加工條件下試件的疲勞強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明，表面質(zhì)量系數(shù)β值小于1。對于由高強(qiáng)度鋼制成的承受交變應(yīng)力的構(gòu)件，如要提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，需提高構(gòu)件表面的光潔度和嚴(yán)禁碰傷。

4.4 構(gòu)件的表面熱處理

由于金屬表面是疲勞裂紋核心易于產(chǎn)生的地方，而且承受交變彎曲或交變扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的構(gòu)件，表面處應(yīng)力最大，因此采用表面強(qiáng)化處理就成為提高疲勞極限的有效途徑。常用的表面熱處理方法有表面冷作變形（噴丸、滾壓、滾壓拋光等）、表面熱處理（表面滲碳、氮化、氰化，表面高頻或火焰淬火等）以及表面鍍層和涂層等。表面強(qiáng)化后，改變了表面的內(nèi)應(yīng)力分布，使表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這樣就降低了表面拉應(yīng)力，使疲勞裂紋不易產(chǎn)生和擴(kuò)展。

4.5 荷載因素

應(yīng)力循環(huán)特征的影響。應(yīng)力循環(huán)特征γ=-1～1。當(dāng)γ=-1時(shí)為對稱循環(huán)交變應(yīng)力，γ=1時(shí)為靜應(yīng)力，γ=0時(shí)為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。γ≠-1的交變應(yīng)力統(tǒng)稱為非對稱循環(huán)交變應(yīng)力。在對稱循環(huán)載荷下，得到的σ—N（應(yīng)力-壽命）曲線是基本的σ—N 曲線，持久極限是最低的。試驗(yàn)表明，在不同的加載條件下，鋼材在對稱循環(huán)下的持久極限與靜荷載下的抗拉強(qiáng)度σb的關(guān)系大致如下：

同時(shí)在構(gòu)件設(shè)計(jì)中，載荷往往并非對稱循環(huán)，即平均應(yīng)力不一定等于零。因此，要考慮到平均應(yīng)力對于材料疲勞性能的影響。一般說來，在應(yīng)力幅相同的情況下，拉伸平均應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度和壽命降低，而壓縮平均應(yīng)力則使疲勞壽命提高。

4.6 環(huán)境因素

金屬構(gòu)件在由于溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用下，所造成的疲勞破壞稱為熱疲勞；在交變載荷和腐蝕介質(zhì)（如酸、堿、海水及活性氣體等）的共同作用下，所產(chǎn)生的疲勞破壞稱為腐蝕疲勞。

周圍環(huán)境對表面裂紋成核和裂紋擴(kuò)展有重要的影響。當(dāng)金屬構(gòu)件處于腐蝕環(huán)境或高溫（對鋼而言，超過673K）環(huán)境，材料的疲勞強(qiáng)度明顯下降。在干燥的空氣中，內(nèi)部裂紋萌生機(jī)制能持續(xù)到較高的應(yīng)力水平，而在含水的環(huán)境里，表面萌生裂紋的耐久極限會急劇減小。

5 提高金屬疲勞強(qiáng)度的措施

5.1 合理選擇材料

一般來說，屈服強(qiáng)度越高，疲勞強(qiáng)度也越高，因此可盡量選擇屈服強(qiáng)度高的材料。

對同一材料來說，細(xì)晶粒組織比粗晶粒組織具有更好的疲勞強(qiáng)度。同時(shí)，為了減緩疲勞裂紋的擴(kuò)展速度，延遲最終的斷裂，材料應(yīng)具有足夠的塑性和韌性。材料的強(qiáng)度和韌性要達(dá)到最好的匹配，滿足設(shè)計(jì)壽命。

5.2 合理設(shè)計(jì)構(gòu)件的外形

盡可能降低零件上的應(yīng)力集中的影響，是提高零件疲勞強(qiáng)度的首要措施。零件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的突變是應(yīng)力集中的根源。降低應(yīng)力集中的措施有：（1）應(yīng)盡量減少零件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的突變。（2）盡可能地增大過渡處的圓角半徑。（3）同一零件上相鄰截面處的剛性變化應(yīng)盡可能地小。（4）在不可避免地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)處，采用減荷槽來降低應(yīng)力集中的影響。

5.3 提高零件的表面加工質(zhì)量

如將處在應(yīng)力較高區(qū)域的零件表面加工得較為光潔；對于工作在腐蝕性介質(zhì)中的零件規(guī)定適當(dāng)?shù)谋砻姹Ｗo(hù)，盡可能地減少或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋，對于延長零件的疲勞壽命有著比提高材料性能更為顯著的作用。因此，對于重要的零件，在設(shè)計(jì)圖紙上應(yīng)規(guī)定出嚴(yán)格的檢驗(yàn)方法及要求，在使用中也應(yīng)盡量避免使構(gòu)件表面受到機(jī)械損傷（如劃傷、打印等）或化學(xué)損傷（如腐蝕、生銹等）。

5.4 提高零件的表面強(qiáng)度

常用的方法有表面熱處理和表面機(jī)械強(qiáng)化兩種，表面熱處理通常采用滲碳、氰化、氮化，高頻淬火等措施，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。

5.5 加強(qiáng)使用環(huán)境的維護(hù)

為避免由于溫度變化產(chǎn)生熱疲勞，金屬構(gòu)件在使用時(shí)可以用冷卻液、潤滑油降溫；為避免由于腐蝕性環(huán)境產(chǎn)生腐蝕疲勞，可采用金屬構(gòu)件表面鍍層或涂層來隔離腐蝕性介質(zhì)。

6 結(jié)語

實(shí)踐證明，金屬疲勞已經(jīng)是十分普遍的現(xiàn)象。據(jù)150多年來的統(tǒng)計(jì)，金屬部件中有80%以上的損壞是由于疲勞而引起的。其存在的普遍性及后果的嚴(yán)重性都在告誡我們分析疲勞破壞的原因，最終找到更完善的提高疲勞強(qiáng)度的措施，減少或避免疲勞破壞的發(fā)生，對于機(jī)械行業(yè)的人員來說，是一個(gè)任重而道遠(yuǎn)的使命。

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