疲勞強度
| 疲勞強度 |
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外文名 ：Fatigue strength 又 稱 ：疲勞極限 應用領域 ：力學 |
疲勞強度是影響機械零件失效的主要原因之一。
據統計，在機械零件失效中大約有80%以上屬於疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經常造成重大事故，所以對於軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來製造。[1]
目錄
簡介
機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環應力）。在交變應力的作用下，雖然零件所承受的應力低於材料的屈服點，但經過較長時間的工作後產生裂紋或突然發生完全斷裂的現象稱為金屬的疲勞。
一般試驗時規定，鋼在經受 次、非鐵（有色）金屬材料經受 次交變載荷作用時不產生斷裂時的最大應力稱為疲勞強度。當施加的交變應力是對稱循環應力時，所得的疲勞強度用σ–1表示。
計算方法
零件的疲勞壽命與零件的應力、應變水平有關，它們之間的關係可以用應力一壽命曲線（σ-N曲線）和應變一壽命曲線（δ－Ν曲線）表示。應力一壽命曲線和應變一壽命曲線，統稱為S-N曲線。根據試驗可得其數學表達式：
σmN=C
式中：N應力循環數；
m、C材料常數。
在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集中，所以，在使用時必須引入應力集中係數K、尺寸係數ε和表面係數β。[2]
設計方法
設計人員通常認為最重要的安全因素是零部件、裝配體或產品的總體強度。為使設計達到總體強度，工程師需要使設計能夠承載可能出現的極限載荷，並在此基礎上再加上一個安全係數，以確保安全。但是，在運行過程中，設計幾乎不可能只承載靜態載荷。在絕大多數的情況下，設計所承載的載荷呈周期性變化，反覆作用，隨着時的推移，設計就會出現疲勞。
實際上，疲勞的定義為：「由單次作用不足以導致失效的載荷的循環或變化所引起的失效」。疲勞的徵兆是局部區域的塑性變形所導致的裂紋。此類變形通常發生在零部件表面的應力集中部位，或者表面上或表面下業已存在但難以被檢測到的缺陷部位。
儘管我們很難甚至不可能在FEA 中對此類缺陷進行建模，但材料中的變化永遠都存在，很可能會有一些小缺陷。FEA 可以預測應力集中區域，並可以幫助設計工程師預測他們的設計在疲勞開始之前能持續工作多長時間。 對承受循環應力的零件和構件，根據疲勞強度理論和疲勞試驗數據，決定其合理的結構和尺寸的機械設計方法。機械零件和構件對疲勞破壞的抗力，稱為零件和構件的疲勞強度。疲勞強度由零件的局部應力狀態和該處的材料性能確定，所以疲勞強度設計是以零件最薄弱環節為依據的。
通過改進零件的形狀以減小應力集中，或對最弱環節的表面層採用適當的強化工藝，便能顯著地提高其疲勞強度。應用疲勞強度設計能保證機械在給定的壽命內安全運行。
影響因素
屈服強度
材料的 屈服強度和疲勞極限之間有一定的關係，一般來說，材料的屈服強度越高，疲勞強度也越高，因此，為了提高彈簧的疲勞強度應設法提高彈簧材料的屈服強度，或採用屈服強度和抗拉強度比值高的材料。對同一材料來說，細晶粒組織比粗細晶粒組織具有更高的屈服強度。
表面狀態
最大應力多發生在彈簧材料的表層，所以彈簧的表面質量對疲勞強度的影響很大。彈簧材料在軋制、拉拔和卷制過程中造成的裂紋、疵點和傷痕等缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的原因。
材料表面粗糙度愈小，應力集中愈小，疲勞強度也愈高。材料表面粗糙度對疲勞極限的影響。隨着表面粗糙度的增加，疲勞極限下降。在同一粗糙度的情況下，不同的鋼種及不同的卷制方法其疲勞極限降低程度也不同，如冷卷彈簧降低程度就比熱卷彈簧小。因為鋼製熱卷彈簧及其熱處理加熱時，由於氧化使彈簧材料表面變粗糙和產生脫碳現象，這樣就降低了彈簧的疲勞強度。
對材料表面進行磨削、強壓、拋丸和滾壓等。都可以提高彈簧的疲勞強度。
尺寸效應
材料的尺寸愈大，由於各種冷加工和熱加工工藝所造成的缺陷可能性愈高，產生表面缺陷的可能性也越大，這些原因都會導致疲勞性能下降。因此在計算彈簧的疲勞強度時要考慮尺寸效應的影響。
冶金缺陷
冶金缺陷是指材料中的非金屬夾雜物、氣泡、元素的偏析，等等。存在於表面的夾雜物是應力集中源，會導致夾雜物與基體界面之間過早地產生疲勞裂紋。採用真空冶煉、真空澆注等措施，可以大大提高鋼材的質量。
腐蝕介質
彈簧在腐蝕介質中工作時，由於表面產生點蝕或表面晶界被腐蝕而成為疲勞源，在變應力作用下就會逐步擴展而導致斷裂。例如在淡水中工作的彈簧鋼，疲勞極限僅為空氣中的10%~25%。腐蝕對彈簧疲勞強度的影響，不僅與彈簧受變載荷的作用次數有關，而且與工作壽命有關。所以設計計算受腐蝕影響的彈簧時，應將工作壽命考慮進去。
在腐蝕條件下工作的彈簧，為了保證其疲勞強度，可採用抗腐蝕性能高的材料，如不鏽鋼、非鐵金屬，或者表面加保護層，如鍍層、氧化、噴塑、塗漆等。實踐表明鍍鎘可以大大提高彈簧的疲勞極限。
溫度
碳鋼的疲勞強度，從室溫到120℃時下降，從120℃到350℃又上升，溫度高於350℃以後又下降，在高溫時沒有疲勞極限。在高溫條件下工作的彈簧，要考慮採用耐熱鋼。在低於室溫的條件下，鋼的疲勞極限有所增加。
解決措施
根據疲勞破壞的分析，裂紋源通常是在有應力集中的部位產生，而且構件持久極限的降低，很大程度是由於各種影響因素帶來的應力集中影響。因此設法避免或減弱應力集中，可以有效提高構件的疲勞強度。可以從以下幾個方面來提高構件的疲勞強度。
外形合理化
構件截面改變越激烈，應力集中係數就越大。因此工程上常採用改變構件外形尺寸的方法來減小應力集中。如採用較大的過渡圓角半徑，使截面的改變儘量緩慢，如果圓角半徑太大而影響裝配時，可採用間隔環。既降低了應力集中又不影響軸與軸承的裝配。此外還可採用凹圓角或卸載槽以達到應力平緩過渡。
設計構件外形時，應儘量避免帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然變化處（階梯軸），當結構需要直角時，可在直徑較大的軸段上開卸載槽或退刀槽減小應力集中；當軸與輪轂採用靜配合時，可在輪轂上開減荷槽或增大配合部分軸的直徑，並採用圓角過渡，從而可縮小輪轂與軸的剛度差距，減緩配合面邊緣處的應力集中。
提高構件表面質量
一般說，構件表層的應力都很大，例如在承受彎曲和扭轉的構件中，其最大應力均發生在構件的表層。同時由於加工的原因，構件表層的刀痕或損傷處，又將引起應力集中。因此，對疲勞強度要求高的構件，應採用精加工方法，以獲得較高的表面質量。特別是對高強度鋼這類對應力集中比較敏感的材料，其加工更需要精細。
提高構件表面強度
常用的方法有 表面熱處理和表面機械強化兩種方法。表面熱處理通常採用高頻淬火、滲碳、氰化、氮化等措施，以提高構件表層材料的抗疲勞強度能力。表面機械強化通常採用對構件表面進行滾壓、噴丸等，使構件表面形成預壓應力層，以降低最容易形成疲勞裂紋的拉應力，從而提高表層強度。
豪克能技術
豪克能技術現在的產品轉化體現為焊接應力消除設備以及表面光整設備，其中的這個技術可以給金屬表面消除拉應力，預置壓應力，使得金屬容易開裂的部位應力釋放，不會產生開裂的情況。
視頻
《金屬材料》1-1-1衝擊韌性、疲勞強度
48-疲勞強度1