金屬構件疲勞破壞機理探析

祝雯霞

（西安外事學院，陜西西安 710077）

1 疲勞破壞的概念

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

根據(jù)破壞時的應力循環(huán)次數(shù)，分為⑴高周疲勞：指在低應力（工作應力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應力循環(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、傳動軸等的疲勞屬此類。⑵低周疲勞：指在高應力（工作應力接近材料的屈服極限）或高應變條件下，應力循環(huán)周數(shù)在10000～100000以下的疲勞。由于交變的塑性應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變疲勞。如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。

2 疲勞破壞的特點

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

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

（3）構件在破壞前沒有明顯的塑性變形預兆，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性，常常造成嚴重的事故。

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

3 疲勞破壞的原因

疲勞破壞的原因是構件尺寸突變或金屬內(nèi)部結構并不均勻，成為應力集中區(qū)，從而造成應力傳遞的不平衡，在內(nèi)部缺陷部位的應力集中處誘發(fā)微裂紋；在交變應力作用下，微裂紋不斷萌生、擴展，裂紋越來越大，材料中能夠傳遞應力的有效部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負載時，金屬構件發(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，包括構件本身的因素、荷載因素、環(huán)境因素等。

4.1 構件的外形

工程實際中，金屬構件常常有臺階、小孔、鍵槽等，使截面產(chǎn)生突然變化，從而引起局部的應力集中。實驗表明，應力集中程度越高，疲勞強度越低。

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

4.2 構件的尺寸

構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，而實際構件的截面往往大于此值。尺寸大的構件，內(nèi)部所含的雜質(zhì)、缺陷相應增多，在交變應力下，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度。尺寸系數(shù)εα值小于1。

4.3 構件的表面加工質(zhì)量

構件表面的粗糙度、機械加工的紋道、表面缺口等會產(chǎn)生應力集中，都會影響疲勞極限。而且材料的強度越高，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度。實驗表明，表面質(zhì)量系數(shù)β值小于1。對于由高強度鋼制成的承受交變應力的構件，如要提高構件的疲勞強度，需提高構件表面的光潔度和嚴禁碰傷。

4.4 構件的表面熱處理

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負荷的構件，表面處應力最大，因此采用表面強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。表面強化后，改變了表面的內(nèi)應力分布，使表面層產(chǎn)生殘余壓應力，這樣就降低了表面拉應力，使疲勞裂紋不易產(chǎn)生和擴展。

4.5 荷載因素

應力循環(huán)特征的影響。應力循環(huán)特征γ=-1～1。當γ=-1時為對稱循環(huán)交變應力，γ=1時為靜應力，γ=0時為脈動循環(huán)應力。γ≠-1的交變應力統(tǒng)稱為非對稱循環(huán)交變應力。在對稱循環(huán)載荷下，得到的σ—N（應力-壽命）曲線是基本的σ—N 曲線，持久極限是最低的。試驗表明，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度σb的關系大致如下：

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

4.6 環(huán)境因素

金屬構件在由于溫度變化所產(chǎn)生的熱應力的反復作用下，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展有重要的影響。當金屬構件處于腐蝕環(huán)境或高溫（對鋼而言，超過673K）環(huán)境，材料的疲勞強度明顯下降。在干燥的空氣中，內(nèi)部裂紋萌生機制能持續(xù)到較高的應力水平，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 提高金屬疲勞強度的措施

5.1 合理選擇材料

一般來說，屈服強度越高，疲勞強度也越高，因此可盡量選擇屈服強度高的材料。

對同一材料來說，細晶粒組織比粗晶粒組織具有更好的疲勞強度。同時，為了減緩疲勞裂紋的擴展速度，延遲最終的斷裂，材料應具有足夠的塑性和韌性。材料的強度和韌性要達到最好的匹配，滿足設計壽命。

5.2 合理設計構件的外形

盡可能降低零件上的應力集中的影響，是提高零件疲勞強度的首要措施。零件結構形狀和尺寸的突變是應力集中的根源。降低應力集中的措施有：（1）應盡量減少零件結構形狀和尺寸的突變。（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盡可能地小。（4）在不可避免地要產(chǎn)生較大應力集中的結構處，采用減荷槽來降低應力集中的影響。

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?shù)谋砻姹Ｗo，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，在設計圖紙上應規(guī)定出嚴格的檢驗方法及要求，在使用中也應盡量避免使構件表面受到機械損傷（如劃傷、打印等）或化學損傷（如腐蝕、生銹等）。

5.4 提高零件的表面強度

常用的方法有表面熱處理和表面機械強化兩種，表面熱處理通常采用滲碳、氰化、氮化，高頻淬火等措施，以提高構件表層材料的抗疲勞強度能力。表面機械強化通常采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。

5.5 加強使用環(huán)境的維護

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

6 結語

實踐證明，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，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度的措施，減少或避免疲勞破壞的發(fā)生，對于機械行業(yè)的人員來說，是一個任重而道遠的使命。

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