金屬（shǔ）材料疲勞強度的八大主要影響因（yīn）素

材料（liào）的疲勞強度對各種外（wài）在因素和內在因素都極為敏感。外在因素包括零件的形狀和（hé）尺寸、表（biǎo）麵光潔度及使（shǐ）用條（tiáo）件等，內在因素包括材料本身的成分，組（zǔ）織狀態、純淨度和殘餘應力等。這些因素的細微變化，均會造成材料疲勞性能的波（bō）動甚至大幅度變化。

各種因素對疲勞強度的影響是（shì）疲勞（láo）研究的重要方麵，這種研究將為零件合理的結（jié）構設計、以及正確選擇材料和合理製定各種冷熱加工工藝提供依據，以保證零件具有高的疲勞性能。今天就分享八（bā）個影響疲勞強度的因素。

應（yīng）力集中的影響
常（cháng）規所講的疲勞強度，都是用精心加工的（de）光滑試樣測得（dé）的，然（rán）而，實際機械零件都不可避免地存在著不同形式的（de）缺口，如台（tái）階、鍵槽、螺（luó）紋和油（yóu）孔等。這些缺（quē）口的存在造（zào）成應力集中，使缺口根部的最大實際應力遠大（dà）於零件所承受的名義應力，零件的疲勞破壞往（wǎng）往從這裏開始。

理論應（yīng）力（lì）集中係數Kt：在（zài）理想的彈性條件下（xià），由彈性理論（lùn）求得（dé）的，缺口根（gēn）部的最大實際應力與名義應力的（de）比值（zhí）。
有效應力集中（zhōng）係數（或疲勞應力（lì）集中係數）Kf：光滑試樣的疲勞極限σ-1與缺口試樣疲（pí）勞極限σ-1n的比值。
有效應力（lì）集中係數不僅受構件尺寸和形狀的影響，而且受材料的（de）物理性質、加工、熱處理等多種因素的影響（xiǎng）。
有效應力（lì）集中係數（shù）隨著缺口尖銳程度的增加而增（zēng）加，但通常小於理論應力集（jí）中（zhōng）係數。
疲勞缺口敏感度係數q：疲勞缺（quē）口敏感度係數表（biǎo）示（shì）材料對疲勞缺口的（de）敏感程度，由下式計算。


q的數據範圍是0~1，q值越小（xiǎo），表征材料對缺口越不敏感。試驗表明，q並非純粹是材（cái）料常數，它仍然和缺口尺寸有關，隻有當缺口半徑（jìng）大於一定值後，q值才基本與缺口無關，而且對於不同材料或處理狀態，此半徑（jìng）值也（yě）不同。

尺寸因素的影響
由於材料本身組織的不（bú）均勻性以及內部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破壞概率的增加，從（cóng）而降（jiàng）低材料的疲勞極限。尺寸效應的存在，是（shì）把（bǎ）試（shì）驗室小試樣測得的疲勞數據運用於大尺寸實際零件中的一個重要（yào）問題，由於不可（kě）能把實際尺寸的零件上存（cún）在的應力集中、應力梯度（dù）等完全相似地在小試樣上再現出來，從而造（zào）成試驗室結果與某些（xiē）具體零件疲勞破壞之間的互相脫節。

表麵加工狀態的影響

機加工的表麵總存在（zài）著高（gāo）低不平的加（jiā）工痕跡，這些痕跡就相當於微小缺口，在材料表麵造成應力集中，從而降低材料的疲勞強度。試驗表明，對於鋼和鋁合金，粗糙的加工（粗車）與縱向精拋（pāo）光相比，疲勞極限要（yào）降低10%~20%甚至更（gèng）多。材料（liào）的（de）強度越高，則對表麵光潔度越敏感。

加載經曆的影響
實際上沒有任何零件（jiàn）是在絕對恒（héng）定的應力（lì）幅條件下工作，材料實際工作中的超載和次載都會對材料的疲勞極限（xiàn）產（chǎn）生影響，試驗表明，材料普遍存在著超載損傷和次載鍛煉現象。

所謂超載損傷是指材料在高於疲勞極限的載荷下運行達到一定周次後，將造成材料（liào）疲勞極限的下（xià）降。超載越高（gāo），造成（chéng）損傷（shāng）所需的（de）周次越短，如圖1所示。


圖（tú）1 損（sǔn）傷線

事實上，在一定條件下，少量次數的超載不僅不會（huì）對材料造（zào）成損傷（shāng），由於形變強化、裂紋尖端鈍化以及殘餘壓應力的作用，還會對（duì）材（cái）料造（zào）成強化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應對（duì）超載損傷的概念進行一些補充（chōng）和修正。

所謂次載鍛煉（liàn）是（shì）指材料在低於（yú）疲勞極限但（dàn）高於某一限值的應（yīng）力水平下運行一定周次後，造成材料疲勞極限升高的現（xiàn）象。次載鍛煉的效果和材料本身的性（xìng）能（néng）有（yǒu）關，塑性（xìng）好的材料，一般來說鍛煉周期要（yào）長些，鍛（duàn）煉應力要高些方能見效。

化學成分的影響

材（cái）料的疲勞（láo）強（qiáng）度與抗拉強度在一定條件下存在著較密切（qiē）的（de）關係，因此（cǐ），在（zài）一定條件下凡能提高抗拉強度的合金元素，均可（kě）提高材料的疲勞（láo）強度。比（bǐ）較而言，碳是影響材料強度的最（zuì）主要因素。而一些在鋼中形成（chéng）夾雜（zá）物的雜質元素則對疲勞強度產生不利影響。

熱（rè）處理和顯微組織的影響

不同的（de）熱處理狀態會得到不同的顯微組織，因此，熱處理對疲勞強度的影響，實質上就是顯微組織（zhī）的影響。同一成分的材料，由於熱處理不（bú）同，雖然可以（yǐ）得到（dào）相同的靜強度，但由（yóu）於組織的不同，疲勞強（qiáng）度可在相當大的範圍（wéi）內變化。

在相（xiàng）同的強度水平時，片狀珠光體的疲勞強度明顯要低於粒狀珠光體。同是粒狀珠光體，其（qí）滲碳體顆粒越細小，則疲勞強度越高。

顯微組織對材料疲勞性能的影響，除（chú）了和各種組織本身的機械性能特性有關外，還和晶粒度以（yǐ）及複合組織中組織的分布特征有關。細化晶粒（lì）可提高材料的疲（pí）勞強度。

夾雜物的影響

夾雜物本身或（huò）由它而產生的孔洞相當於（yú）微小缺口，在交變載荷（hé）作用下將（jiāng）產生（shēng）應力集中和（hé）應變集中，成為疲勞斷裂的裂紋源，對材料的疲（pí）勞性能造成不良影響。夾雜物對疲勞強（qiáng）度的影響不僅（jǐn）取決於夾雜物的種類、性質、形狀、大（dà）小、數量和分布，而（ér）且還取決於材料的強度水平以及（jí）外加應力水平及狀態等因素。

不（bú）同類型的夾（jiá）雜物其機械和物理性能不同（tóng），和母材性能之間的差異不同，對疲勞性能的影響也不同。一般（bān）說來，易變形的塑性（xìng）夾雜物（wù）（如硫化物）對鋼的疲勞性能影響較小，而脆性夾雜物（如氧化物、矽酸鹽等）則有較大的（de）危害。

比基體膨脹係數大（dà）的夾雜物（如硫化物）因在基體中產生壓應（yīng）力而影響小（xiǎo），而（ér）比基體膨脹係數小的夾雜物（如氧化（huà）鋁等）因在基體中（zhōng）產生拉應力（lì）而影響大。

夾雜物與（yǔ）母材結合的緊密程度也會影響疲勞強（qiáng）度。硫化物易於變形，和母材結合緊（jǐn）密，而（ér）氧化物易於脫離母材（cái），造成應力集（jí）中。由此可知，從夾雜物的類型來說（shuō），硫（liú）化物的影響較小，而氧（yǎng）化物、氮化物和矽酸鹽等則是危害較大的。

不同加載條件下，夾雜物對材料疲勞性能的影響也（yě）不同，在高載（zǎi）條件下，無論有沒有夾雜物的存在，外加載荷均足以使（shǐ）材料產生塑性流變，夾雜物的（de）影響較小，而（ér）在材料的疲勞極（jí）限應力範圍，夾雜物的存在造成局（jú）部（bù）應變集中成為塑（sù）性（xìng）變形的控製因素，從而強烈地影響材料的疲（pí）勞強度（dù）。也就是說，夾雜物的存在主要是影響材料的疲勞極限，對高應力條件下的疲勞強度影響不明顯。

材料的純淨度是由（yóu）熔煉工藝過程決定的，因此，采用淨（jìng）化冶煉方法（如真空熔煉、真空（kōng）除氣和電渣重熔（róng）等）均可有效降低鋼中的雜質含（hán）量，改善材料的疲勞性能。

表（biǎo）麵性能變化（huà）及殘餘應力的影（yǐng）響

表麵狀（zhuàng）態的（de）影響除前已提及的（de）表麵光（guāng）潔度外，還包括表層機械性能的變化及殘餘應力對疲勞強度的影響。表（biǎo）層機械性能的變化可以是表層化學成分（fèn）和組織不同所引起，也可以（yǐ）是表層因形變強化而引（yǐn）起。

滲碳、氮化和（hé）碳氮（dàn）共（gòng）滲等表麵（miàn）熱處理（lǐ）除了可以增加零件（jiàn）的耐磨（mó）性之外，還是（shì）提高零件疲勞強度，特（tè）別是提高耐腐（fǔ）蝕疲勞和咬蝕的一種（zhǒng）有效手段。　

表麵化學熱處理對疲（pí）勞（láo）強度的影響主要取決於加載方式、滲層中的碳氮濃度、表麵硬度及梯度、表麵（miàn）硬度與心部（bù）硬度之比、層深以及表麵處理所形成的殘餘壓應力的大小和分布（bù）等因素。大量試驗表明，隻要是先加（jiā）工缺口（kǒu）後經化學熱處（chù）理，則一般說來缺口越尖銳，疲勞強度的提高也越多。

不同的加載方（fāng）式下，表麵處理對疲勞性能的影響也（yě）不同。軸向加載時，由於不存在應力沿層深分布不均的現象，表層和層下的應力相同。在這種（zhǒng）情況下，表（biǎo）麵處理隻能改善表麵層的疲勞性能，由於（yú）心（xīn）部材料未得（dé）到強化，因而（ér）疲勞強度的（de）提高（gāo）有限。在彎曲和扭轉條件下，應力的（de）分布集中於表層，表麵處理形成的殘餘應力和這（zhè）種外加應力疊（dié）加，使表麵實際承受的應力（lì）降低，同時，由於表層材料的強化，因而能有效地提高彎曲和扭轉條件下的疲（pí）勞（láo）強度。

和滲碳、氮化以及碳氮共滲等化學熱處理（lǐ）相反，如果零件在熱處理過程中脫碳，使（shǐ）表層的強度降低，則會使材料的疲勞強度大幅（fú）度降低。同樣，表麵（miàn）鍍層（如鍍Cr、Ni等）由（yóu）於鍍層中的裂紋造成的缺口效應、鍍層（céng）在基體金屬（shǔ）中引起的殘餘拉應力以及電鍍過程中（zhōng）氫（qīng）氣的浸入導（dǎo）到氫脆等原因，使疲勞強度降低。

采用感（gǎn）應淬（cuì）火、表麵（miàn）火焰淬火以（yǐ）及低淬（cuì）透性鋼的薄（báo）殼淬（cuì）火，均可獲得一（yī）定深度的表麵硬度化層，並在表層（céng）形成有利的殘（cán）餘壓應力，因而也（yě）是提高零件疲勞（láo）強度的有效方法。

表麵滾壓和噴（pēn）丸等處理，由於能在試樣（yàng）表麵形成一定（dìng）深度（dù）的形（xíng）變（biàn）硬化層，同時使表麵產生（shēng）殘餘壓應力，因而也是提高疲勞強度的有（yǒu）效途徑。