金屬材料疲勞強度的八大主（zhǔ）要影響因素（sù）

材料的疲（pí）勞強度對（duì）各種外在因素和內在因素都極為敏感。外在因素包（bāo）括零件的形狀和尺寸、表麵光潔度及使用條件等，內在因素包括材料（liào）本身的成分，組織狀態、純淨度和殘餘應（yīng）力等。這些因素的細微變化，均會（huì）造成材料疲勞性能的波動甚至大幅度變化。

各種因（yīn）素對疲勞強度的影響是疲（pí）勞研究的重要（yào）方麵，這種研究將為零件合（hé）理（lǐ）的結構設計、以及正確選擇材料和合理製定各種冷熱加工工藝提供依（yī）據，以保證零件具有高的疲勞性能（néng）。今天就分享八個影響疲勞強度的因素（sù）。

應力集中的影響
常規所講的（de）疲勞（láo）強度，都是用精心（xīn）加工的光（guāng）滑試樣測得的，然而，實際（jì）機械零件都（dōu）不可避免地存在著不（bú）同形式的缺口，如台階、鍵槽、螺紋和油孔等。這些缺口的存在（zài）造成應力集中，使缺口根部的最大（dà）實（shí）際應力遠大於零件所承受的名（míng）義（yì）應力，零件的（de）疲勞破壞往往從這裏開始。

理論應力集中係數Kt：在理想的彈性（xìng）條件下，由（yóu）彈性理論求（qiú）得的，缺口根部的最大實際應力與名義應力的比值。
有效應力集中係數（或（huò）疲勞應力集中係數）Kf：光滑試樣的疲勞極限σ-1與缺口試樣疲勞極限σ-1n的比值。
有效應力集中係數不僅受構件尺寸和形狀的影響，而且受（shòu）材料（liào）的物理性質（zhì）、加工、熱處理等多種因（yīn）素（sù）的影（yǐng）響。
有效應力集中係數隨著缺口尖銳程度的增加而增加，但通常小於理論應力（lì）集中係數。
疲勞缺口敏感度（dù）係數q：疲勞缺口敏感度係數表示材料對（duì）疲勞缺口的敏感程度，由下式計算。


q的數據範圍是0~1，q值越小，表（biǎo）征（zhēng）材料（liào）對缺口越（yuè）不敏感。試驗表明，q並非純粹是材料常數，它仍然和缺口尺寸有關，隻有（yǒu）當缺口半徑大於一定值後，q值才基本與缺口無關，而且對於不同材（cái）料或處理狀態，此半徑值也不同。

尺寸因素的影響
由（yóu）於材（cái）料本（běn）身組織（zhī）的不均勻性（xìng）以及內部（bù）缺陷（xiàn）的存在，尺（chǐ）寸增加造成材料（liào）破壞概率的增加，從而降低材料的疲勞（láo）極限。尺寸效應的存在，是把試驗室小試樣測得的疲勞（láo）數據運用於大尺寸實際零件（jiàn）中的一個重要（yào）問題，由於不可能把實際（jì）尺寸的零件上存在的應力集中、應力梯度等完全相似地在小試樣上再現出來，從而造成試驗室結果與（yǔ）某些具（jù）體（tǐ）零件（jiàn）疲勞破壞之間的互相脫節。

表麵加工狀態的（de）影響

機加工的表麵總存在著高低不平的加工痕跡，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（ér）降低材料的（de）疲勞強度。試驗表明（míng），對於鋼和鋁合金，粗糙的加工（粗車）與縱向精拋光（guāng）相比，疲勞（láo）極限要降低10%~20%甚（shèn）至更多。材料的強度越高，則對表麵光潔度越（yuè）敏感。

加載經曆的影響
實際上沒（méi）有任何零（líng）件（jiàn）是在絕對恒定的應力（lì）幅條件下（xià）工作，材料實際工作中（zhōng）的超載和次（cì）載都會對（duì）材料的疲勞極限產生影響，試驗表明，材料普遍（biàn）存在著超載（zǎi）損傷和次載鍛煉現象。

所謂超載損傷是指材料（liào）在高於疲勞極限的載荷下運行達到一定周次後，將造成材料疲勞極（jí）限的下降（jiàng）。超載越高，造成損傷所需（xū）的周次越短，如（rú）圖1所示。


圖1 損傷線

事實上，在一定條件下，少量次數的超載不（bú）僅不會對材料造成損（sǔn）傷，由於形（xíng）變強化（huà）、裂紋尖端鈍化以及殘餘壓應力的作用，還會對材料造成強化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應對超載（zǎi）損傷的概念進行（háng）一些補充和修正。

所謂次載鍛煉是指材料在低於疲勞極限但（dàn）高於某一限值（zhí）的（de）應（yīng）力水平下運行一定周次後，造成材料疲勞極限升（shēng）高的現象。次載鍛煉的效果（guǒ）和材料本身的性能有關，塑性好的（de）材料，一般來說（shuō）鍛煉周期要長些（xiē），鍛煉應力要高些（xiē）方能見效。

化學（xué）成分的影響

材料的疲勞強度與抗拉強度在一定條件下（xià）存在著較（jiào）密切（qiē）的關係，因此，在一定條件（jiàn）下凡能提高抗拉強度的（de）合金元素，均可提高材料（liào）的疲（pí）勞強度（dù）。比較而言，碳是影響材料強度的最主要因素。而一（yī）些在鋼中（zhōng）形（xíng）成夾雜物的雜質元素則對疲勞強度產生不利影響。

熱處理和顯（xiǎn）微組織的影響（xiǎng）

不同的熱處理狀態會得到不同的（de）顯微組織，因此，熱處理對疲勞強度（dù）的（de）影響，實質上就是顯微組織的影響。同一成（chéng）分的材料，由於（yú）熱處理不同，雖然可以（yǐ）得到相同的靜強度，但由於組織的不同，疲勞強度可在相當（dāng）大的範圍內變化。

在相（xiàng）同的（de）強度水（shuǐ）平（píng）時，片狀珠光體（tǐ）的疲勞強（qiáng）度明（míng）顯要低於粒狀（zhuàng）珠光體。同是粒狀珠光（guāng）體（tǐ），其滲碳體顆粒越細小，則（zé）疲勞強度越高。

顯微組織對材料疲勞性能的影響，除了和各種組織本身的機械性能特（tè）性有關外，還（hái）和晶粒度（dù）以（yǐ）及複合組織中組織的分布特征有關。細化晶粒可提高材料的疲勞強度（dù）。

夾（jiá）雜物的影響

夾雜物本身或由它而產生的（de）孔洞（dòng）相當於微（wēi）小缺口，在交變載荷作用下將產生（shēng）應力集中和應變集中，成（chéng）為疲勞斷裂（liè）的裂紋源（yuán），對材料的疲勞（láo）性能造成不良影響。夾雜物對疲勞強度的影響不僅取（qǔ）決（jué）於夾雜物（wù）的種類、性質、形狀、大（dà）小、數量和分布，而（ér）且還取決於（yú）材料的強度水平以及外加應力水平及狀態等因素。

不同類型的夾雜物其機械和物理性能不同，和母材性（xìng）能之間的差（chà）異不同，對疲（pí）勞性能的影響也不同。一般說來，易變（biàn）形的塑性夾雜物（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（guī）酸鹽等）則有較大的危害。

比（bǐ）基（jī）體膨脹係數大的夾雜物（如硫化物）因在基體中產（chǎn）生壓應力而影（yǐng）響小，而比基體膨脹係數小的夾雜物（如氧化（huà）鋁等）因在基體中產生拉應力而（ér）影響大。

夾雜物與母材（cái）結合的緊（jǐn）密程度也（yě）會影響疲勞（láo）強度。硫化物易於變形，和母材結合緊密，而氧（yǎng）化（huà）物易於脫（tuō）離母材，造成應力集中。由此可知，從（cóng）夾雜物的類型來說（shuō），硫化（huà）物的（de）影響較（jiào）小，而氧化物、氮化物和矽酸鹽等則是危（wēi）害較大的。

不同（tóng）加載條（tiáo）件下，夾雜物對材（cái）料疲（pí）勞性能的影響也（yě）不同，在高載條件下，無論有沒（méi）有夾雜物的存在，外加（jiā）載荷均足以使材料產生塑（sù）性流變（biàn），夾雜（zá）物的影響較小，而在材料的疲勞極限應力範圍，夾雜物的存在造成局部應變（biàn）集中成為塑性變（biàn）形的控製因（yīn）素，從而強（qiáng）烈地影響（xiǎng）材料的疲勞強度。也就是說，夾雜物的存在主要（yào）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。

材料的純淨度是由熔煉工藝過程決定的，因此，采（cǎi）用淨化冶煉方法（如（rú）真空熔煉、真空除氣和電渣重熔等）均可（kě）有效降（jiàng）低鋼中的雜（zá）質含量，改善材料的疲勞性能。

表麵性能變化及殘餘應力（lì）的影響

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

滲碳、氮（dàn）化和碳（tàn）氮（dàn）共滲等表麵熱處理除了可（kě）以（yǐ）增加零件的耐（nài）磨性之外，還是提高零件疲勞強度，特（tè）別是提高耐腐蝕疲勞和咬蝕的一種有效手段。　

表麵化學熱處理對（duì）疲勞強度的影響主要取決（jué）於加載方式、滲層中的碳氮濃度、表（biǎo）麵（miàn）硬度及梯度、表麵硬度與心部硬（yìng）度之比、層深以及表麵處（chù）理所形成的殘餘壓應力的大小和分布等因素。大量試驗表明，隻要是先加工缺（quē）口後經化學（xué）熱處理，則一般（bān）說來缺口越尖銳，疲勞強度的（de）提高也越多（duō）。

不同的加載方（fāng）式下，表麵處理對疲勞性能的影響（xiǎng）也不同。軸向加載時，由於不存在應（yīng）力沿層深分布不均的現象，表層和層下的應力相同。在這（zhè）種情（qíng）況下，表麵處理隻能（néng）改善表麵層的疲勞性能，由於心部材料未得到強化，因而疲勞強度的提高有限。在彎曲和扭轉條件下，應力（lì）的分布集中於表層，表麵處理形成的殘餘應力（lì）和這（zhè）種外加應力疊加（jiā），使表麵實際承受（shòu）的應（yīng）力降低，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（de）疲勞（láo）強度。

和滲碳、氮化（huà）以及碳氮共滲等（děng）化學熱處理相反，如果零件在熱處理過程中脫碳，使表層的強度降低，則會使材料（liào）的（de）疲勞強度大幅度降低。同樣，表麵鍍層（céng）（如鍍Cr、Ni等）由於鍍層中的裂紋造成的缺口效應、鍍層在（zài）基體金屬中引起的（de）殘（cán）餘拉應力以及電鍍過程中氫氣的浸入導（dǎo）到氫（qīng）脆等原因，使疲勞強度降低。

采用感應淬火、表麵火（huǒ）焰淬火以及低淬透性鋼（gāng）的薄殼淬（cuì）火，均（jun1）可獲（huò）得一定深度的表麵硬度化層，並在表（biǎo）層形成（chéng）有利的殘餘壓應力，因而也是提高零件疲勞強度的有效方法。

表麵滾壓和噴丸等（děng）處理，由於能在試樣表麵形成一定深度的形變硬化層，同時使表麵產生殘餘壓（yā）應（yīng）力，因而也是提高疲勞強度的有效途徑。