金屬疲勞是描述金屬零件在使用過程中逐漸斷裂的意外失效的常用名稱。金屬疲勞直接關(guān)系到零件承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和施加在零件上的應(yīng)力水平。研究表明，如果部件中的局部應(yīng)力保持在定義良好的極限以下，則金屬部件的無限壽命是可能的。如果零件有應(yīng)力升高，或存在缺口、孔和鍵槽等應(yīng)力集中的零件，疲勞失效就會增加。金屬的極限拉伸強(qiáng)度和硬度之間也存在一種關(guān)系。拉伸強(qiáng)度和硬度越高，金屬構(gòu)件承受越高的波動載荷，越容易發(fā)生疲勞。
典型疲勞斷口
金屬疲勞機(jī)理的普遍解釋是基于位錯(cuò)理論。理論上說，金屬晶體中的原子排列是不完善的，并且含有許多缺失的原子。缺失的原子會產(chǎn)生間隙，從而造成大量的應(yīng)力提升。當(dāng)金屬被加載時(shí)，應(yīng)力升高的間隙通過晶粒剪切并聚集在一起。當(dāng)足夠的原子間隙聚集在一起時(shí)，萌生微觀裂紋。如果載荷增加，則初始裂紋張開。如果負(fù)載在金屬負(fù)載極限附近從最小值波動到最大值，則新的微觀裂紋從第一微裂紋的位置擴(kuò)展。每個(gè)裂紋都成為下一個(gè)裂紋的應(yīng)力提升器。繼續(xù)發(fā)展，直到剩下的金屬不再承受負(fù)載，它突然失效。
應(yīng)力集中
對很多金屬已經(jīng)進(jìn)行了大量的疲勞試驗(yàn)。從這些試驗(yàn)中，已經(jīng)開發(fā)出拉伸強(qiáng)度和循環(huán)次數(shù)的曲線圖。鍛鋼的一個(gè)例子如圖1所示。 在這個(gè)對數(shù)記錄圖上的垂直坐標(biāo)標(biāo)示出了施加的應(yīng)力與鋼的極限拉應(yīng)力“SU”的比例，而橫坐標(biāo)是應(yīng)力循環(huán)至失效的次數(shù)。SN曲線的左側(cè)表明，在高循環(huán)載荷下的鋼件產(chǎn)生的應(yīng)力占了拉伸強(qiáng)度的較大比例，在一定數(shù)量的循環(huán)之后就會失效。SN曲線的右側(cè)表明，如果循環(huán)應(yīng)力保持在可定義的極限以下，則部件將具有無限的壽命。曲線還告訴我們，如果一個(gè)鋼件只有一個(gè)加載周期，其應(yīng)力大于其拉伸強(qiáng)度，則該鋼件將失效（如當(dāng)一個(gè)小螺栓如果擰緊時(shí)斷開）。如果施加的應(yīng)力是拉伸強(qiáng)度的90%或更多，它也會在小于一千個(gè)周期內(nèi)失效。但如果應(yīng)力保持在抗拉強(qiáng)度的一半以下，它就不會疲勞。
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某種鍛鋼的壽命曲線
知道一部分將受到波動負(fù)載需要設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的部分，為該條件。使用已知的極限拉伸應(yīng)力和屈服應(yīng)力（金屬首先開始永久變形的應(yīng)力，約80～90%的拉伸應(yīng)力），設(shè)計(jì)者構(gòu)造一個(gè)應(yīng)力限制包絡(luò)，如圖2所示。然后設(shè)計(jì)該部件以使施加到其上的循環(huán)載荷為控制在包絡(luò)內(nèi)的應(yīng)力。
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應(yīng)力包絡(luò)線
實(shí)際上，所有的疲勞失效都發(fā)生在應(yīng)力集中點(diǎn)或應(yīng)力集中處的零件的外表面上。例如，凹槽、圓角、孔、螺紋、鍵槽、花鍵、焊縫等。如果該部件提供長期無故障的服務(wù)，設(shè)計(jì)者必須考慮到這些應(yīng)力提升器的影響。應(yīng)力集中的作用直接與其半徑小有關(guān)。與先前提到的促進(jìn)疲勞失效的微裂紋一樣，應(yīng)力發(fā)生位置的半徑越小，產(chǎn)生的應(yīng)力越集中越大。有趣的是，應(yīng)力集中對高延展性的金屬影響很小。其解釋是，由幾何變化引起的應(yīng)力集中被限制在屈服應(yīng)力，止于塑性變形。
圖3顯示了一個(gè)帶有孔的板。孔在板上的應(yīng)力水平隨著應(yīng)力曲線接近孔而上升。每一個(gè)應(yīng)力提升器都起到將應(yīng)力集中在缺陷位置的作用。對不同幾何形狀零件的應(yīng)力因素進(jìn)行了確定和繪制。設(shè)計(jì)者使用應(yīng)力因素來減小零件的允許載荷。如果計(jì)算結(jié)果表明零件會失效，設(shè)計(jì)者可以選擇增加零件尺寸、選擇較高拉伸強(qiáng)度的金屬或經(jīng)過表面處理的零件，以大大減少疲勞裂紋發(fā)展的機(jī)會。
表面光潔度與表面微結(jié)構(gòu)處理。由于疲勞失效通常在施加載荷產(chǎn)生最大應(yīng)力的部分表面開始，因此考慮表面光潔度和表面微觀結(jié)構(gòu)變得更為重要。我們知道拉應(yīng)力促進(jìn)/壓縮應(yīng)力阻礙疲勞失效。壓表面應(yīng)力增加了疲勞承載能力。如果零件表面能被壓縮（殘余壓應(yīng)力），則金屬疲勞失效的可能性就更小。
當(dāng)零件表面處于拉伸應(yīng)力時(shí)，微觀表面裂紋最有可能在應(yīng)力升高位置發(fā)生。如果不存在應(yīng)力集中，則部件可以承受更大的載荷。或者，如果金屬的外層具有更高的拉伸性能，則需要更大的應(yīng)力來對裂紋部位進(jìn)行成核。通過加強(qiáng)表面材料的處理，可以大大提高零件的疲勞強(qiáng)度。
表面粗糙程度由表面粗糙度（槽的谷到峰的高度）來度量。粗糙度越小，溝槽的尺寸越小，溝槽半徑越大。較大的半徑減小了應(yīng)力集中的影響，增加了導(dǎo)致部件疲勞失效的應(yīng)力。拋光、研磨和機(jī)加工表面是最好的，鍛造和鑄造零件由于表面處理不良而最差。
金屬表面粗糙度
表面微觀結(jié)構(gòu)可以以多種方式改變。一種方法是通過表面滲碳將碳添加到零件的外層以增加硬度。另一種技術(shù)是對表面進(jìn)行冷加工以使其變形并將其壓縮。兩種最常用的表面壓縮方法是表面噴丸和冷軋。在這兩種情況下，外部金屬層被迫屈服，并且由變形引起的殘余應(yīng)力導(dǎo)致表面進(jìn)入壓縮。滾子鏈上的滾子就是一個(gè)例子。第三種方法是通過熱處理使合適的金屬表面硬化，并將外層的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有更好的抗疲勞性能的硬化層。
火焰淬火
提高疲勞壽命的推薦方法。在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，為了獲得最大的疲勞壽命，需要考慮許多因素。避免尖角，使用寺的半徑，以降低應(yīng)力集中水平。避免橫截面的突然變化。去除金屬，因此在截面之間有平滑過渡。使加工表面盡可能光滑。垂直于所施加載荷的劃痕成為應(yīng)力提升器，用細(xì)砂布拋光表面。焊接必須是良好的質(zhì)量，沒有夾雜物，氣孔（氣孔）或蟲洞。焊縫應(yīng)具有良好的輪廓和完全填充。焊縫改變金屬的冶金性能（快速冷卻速率導(dǎo)致大晶粒長大），母材在熱影響區(qū)（HAZ）中被削弱。焊接熱影響區(qū)延伸到焊縫下方，疲勞裂紋可在表面下發(fā)展。如果零件被嚴(yán)重加載，就有必要對熱影響區(qū)進(jìn)行熱處理以改變金屬的微觀結(jié)構(gòu)。表面處理那些將在有應(yīng)力提升器的地方循環(huán)加載的部件。選擇具有良好抗疲勞冶金性能的材料。采用小顆粒、均勻的顯微組織、高拉伸應(yīng)力和一定的延展性。如果零件被劃傷或有加工痕跡，需要將缺陷拋掉。
Mike Sondalini -維修工程師
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