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影响材料与结构疲劳强度的因素解析

2021-05-29 14:33       

  1. 平均应力

  随着平均应力(统计应力)的增加,材料的动态抗疲劳应力降低。对于同一属性的力,平均应力σm越大,则给定寿命的应力幅σa就越小。

  2. 应力集中

  由于工作条件或加工工艺的要求,零件常带有台阶、小孔、键槽等,使截面发生突然变化,从而引起局部的应力集中,这将显著地降低材料的疲劳极限,但实验表明,疲劳极限降低的程度并不是与应力集中系数成正比。但如果要准确地预测机械部件的疲劳行为,就必须估计高应力区或者含制造缺陷的裂纹萌生寿命。

  3. 残余应力

  文献研究指出,探讨残余应力对金属疲劳强度的影响,需在高周疲劳下才有意义,因为低周疲劳的高应变幅下残余应力将大幅度地松弛,所以在低周疲劳下显示不出多大的作用。表层残余压应力对于承受轴向载荷且疲劳裂纹起源于表面的零部件是有益的,但要注意核心部区域的残余拉应力叠加外载后发生屈服所引起的残余应力松弛问题。残余应力对零件缺口疲劳强度的作用十分显著,这是由于残余应力也存在应力集中现象和残余应力对疲劳裂纹扩展的影响更大的缘故。但残余应力的应力集中不仅与缺口几何因素有关,还与材料特性有关。

  4. 尺寸效应

  材料的疲劳极限σ-1值通常是用小试样测定的,试样直径一般在7~12mm,而实际构件的截面往往大于该尺寸。试验指出,随着试样直径的加大,疲劳极限下降。其中,强度高的钢比强度低的钢下降的快。

  

材料疲劳测试

 

  5. 构件表面状态

  构件表面是疲劳裂纹核心易于产生的地方,而承受交变弯曲或交变扭转负荷的构件,表面应力最大。构件表面的粗糙度、机械加工的刀痕都会影响疲劳强度。表面损伤(刀痕、磨痕等)本身就是表面缺口,会产生应力集中,使其疲劳极限降低,且材料强度越高,缺口敏感性越显著,加工表面质量对疲劳极限的影响就越大。

  6. 环境因素

  金属材料的疲劳性能还受到周围液相或气相等环境的影响。腐蚀疲劳是指金属材料在腐蚀介质和循环载荷交互作用下的响应,它通常多用于描述水相环境下材料的疲劳行为。腐蚀疲劳、低温疲劳、高温疲劳,不同气压环境、湿度环境等都是材料与环境因素共同作用下的疲劳现象。

  在大气环境下,同一材料的破坏循环周次也远低于真空环境。真空环境中的裂纹萌生寿命远大于大气环境。当工件工作环境压力接近Pcr(寿命拐点处的气压定义为临界气压)时,材料的疲劳寿命就变得异常敏感。大气环境中材料的疲劳寿命(一般低于真空环境)会随着温度的升高而降低,加速裂纹扩展。环境湿度对高强度铬钢的耐久性影响较大。水汽(尤其是室温环境)对多数金属及合金的抗断裂性能有不利影响,这种不利影响取决于应力水平、载荷比、幅值等加载条件。微观组织与环境之间具有强烈的相互作用,气相环境显著影响着断口的形貌和位错滑移机制,环境与裂纹闭合之间存在着交互作用,尤其在近门槛区。环境影响程度取决于裂纹面的形貌,尤其是在深度方向上。

  在低温下,金属的强度提高而塑性则降低。因此,在低温下光滑试样的高周疲劳强度比室温下有所提高,而低周疲劳强度比室温下低。对于有缺口的试样,韧性和塑性降低得更多。缺口和裂纹对低温较为敏感,即断裂时的临界疲劳裂纹长度在低温下会急剧减小。

  广义的高温疲劳是指高于常温的疲劳现象。但通常情况下,由于有些零件的工作温度虽然高于室温,但并不太高。只有当温度高于0.5Tm(Tm为以热力学温度表示的熔点),或在再结晶温度以上时,出现了蠕变与机械疲劳复合的疲劳现象,这是才称为高温疲劳。

  7. 载荷类型

  不同载荷下疲劳极限的大小顺序为:旋转弯曲<平面弯曲<压缩载荷<扭转载荷。在腐蚀介质中,加载频率的裂纹扩展的作用比较明显。在室温和试验环境下中,常规频率 (0.1~100HZ) 对钢和黄铜的裂纹扩展几乎没有任何影响。在试验中一般而言,如果试验加载频率低于250HZ,频率对金属材料的疲劳寿命的影响就较小。

  

材料疲劳测试

 

  8. 材料缺陷

  裂纹多萌生于表面,如在焊缝(孔眼)、铸钢(疏松)或次表面上(大夹杂改变了局部应变场),而很少在内部萌生。裂纹萌生还取决于夹杂的数量、尺寸、性质和分布,同时也与外力的加载方向有关。此外,夹杂与基体的结合强度也不容忽视。显微裂纹是百万周次寿命材料中最危险的缺陷,显微曲线则是控制着10亿周次寿命材料的寿命。由于微观尺寸下材料内部存在缺陷的几率远大于材料表面,因此超高周疲劳加载时内部萌生裂纹的几率自然大于表面。

  脆性材料不存在应力降低或加工硬化现象,一旦出现缺口,在较小的名义应力条件下就可能发生断裂。经验表明,当存在缺口时,金属的疲劳极限降低,并且塑性越差,缺口对疲劳极限的影响越大。

  9. 加工方式

  文献中指出,在疲劳试验试样的制备过程应是导致试验数据离散性最重要的环节,如车、铣和校直等机械加工方式都与试样的最终制备质量有关。正是由于制备方式和热处理因素会影响材料的疲劳性能,尤其是热处理的影响较大,因而即使是同一批次和尺寸、形貌完全相同的试验也很难完全重复以前的疲劳试验结果。由此可见,工件的生产加工因素会导致零部件的实际疲劳寿命偏离分析计算的期望寿命值。

  10. 材料属性

  高周疲劳强度(N>106时)与材料的硬度有关,而对于中低周疲劳,韧性是一种重要指标。在高应力条件下,高强度钢由于韧性较差,其疲劳性能较低,而低应力情况下,则具有较好的抗疲劳性能。低强度钢与之相反,中强度钢居中。一般说来弹性模量越高,裂纹扩展速率越低。晶粒尺寸的影响对裂纹扩展的影响仅存在于两种极端扩展的情况:△K→△Kth和△Kmax→△KC,对中速裂纹扩展特性没有明显的影响。断裂韧性KIC(或KC)与扩展速率是相互联系的。一般认为,材料韧性的增加会降低裂纹的扩展速度。