金屬疲勞是描述金屬零件在使用過(guò)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(wú)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(huì)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(dòng)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(shuō)，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(huì)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(guò)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(kāi)。如果負(fù)載在金屬負(fù)載極限附近從最小值波動(dòng)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(duì)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(kāi)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(duì)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(huì)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(wú)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(kāi)）。如果施加的應(yīng)力是拉伸強(qiáng)度的90%或更多，它也會(huì)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(huì)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(dòng)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(kāi)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(zhǎng)期無(wú)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(duì)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?？自诎迳系膽?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(duì)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(lái)減小零件的允許載荷。如果計(jì)算結(jié)果表明零件會(huì)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(guò)表面處理的零件，以大大減少疲勞裂紋發(fā)展的機(jī)會(huì)。
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(kāi)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?；蛘?，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(lái)對(duì)裂紋部位進(jìn)行成核。通過(guò)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(lái)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(méi)有夾雜物，氣孔（氣孔）或蟲(chóng)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(zhǎng)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(duì)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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