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摘要：疲劳研究一直以来是国内外的一个焦点。随着科学的发展，疲劳研究已经逐步向研究材料内部结构发展。而在疲劳设计中，将材料的名义强度转化为具体零件在工作环境下的疲劳强度，是机械设计中不可回避的问题。因此对零件疲劳强度影响因素的研究是十分重要的。以机械零件疲劳强度的影响因素为研究对象，旨在对相关机械零部件的疲劳强度的研究提供经验借鉴和实践指导。
关键词：机械零件 疲劳强度 尺寸效应
中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)009-100-02
疲劳强度的研究目前在航天、航空、造船和原子能等各领域都具有十分重要的意义。影响疲劳强度或疲劳寿命的因素众多，是至今人们对疲劳问题的认识尚未很好解决的根本原因，因此对疲劳强度或疲劳寿命影响因素的深入研究，仍是十分有意义的工作。
1 应力集中的影响
应力集中是指机械零件的某些构件由于受到压力在几何外形和外形的尺寸上发生局部性的应力增大的现象。应力集中对于脆性材料构件有非常显著的影响，会导致其断裂。使物体出现疲劳裂纹。机械构件应力集中的区域例如尖角或者键槽处等往往是疲劳破坏的源头。理论应力集中指数是指最大局部弹性应力与平均应力的比值，恒大于1且与载荷大小无关。在无限大平板的单向拉伸情况下，其中圆孔边缘的k=3：在弯曲情况下，对于不同的圆孔半径与板厚比值，k=1.8～3.0；在扭转情况下，k=1.6～4.0。由于理论应力集中指数忽视材料在塑性状态下对于疲劳强度的影响，是根据弹性理论所得出的结论，因此，不能将理论应力作为机械零件的有效应力。理论应力集中指数在不同的材料中所反映的对于机械零件的疲劳强度不同。
可见，要降低机械零件的疲劳强度最为关键的就是处理好应力集中的问题。具体可从以下两方面着手：(1)改变机械零件的尺寸。机械零件的构件截面对于应力集中的系数有重要的影响。一般圆角半径比较大的构件，其截面的改变速度比较缓慢，这有效地降低了应力集中。此外，由于轴与轴承在装配上的需要，有时半径过渡太大的零件无法采用，这时便可以采用间隔环，或者是凹圆角或卸载槽来平缓应力，达到降低应力集中系数，降低疲劳强度的效果。(2)设计时尽量避免尖角孔和尖角槽。当结构需要直角时，可在直径较大的轴段上开卸载槽或退刀槽减小应力集中；当轴与轮毂采用静配合时，可在轮毂上开减荷槽或增大配合部分轴的直径，并采用圆角过渡，从而可缩小轮毂与轴的刚度差距，减缓配合面边缘处的应力。
2 表面加工的影响
由于机械零件的疲劳裂纹的最大应力大多产生于材料的表层，因此材料本身的表面质量对于疲劳强度的影响显著。目前机械零件大都为弹簧材料，在不断的轧制、拉拔和卷制中会出现裂纹，此外，机械零件表面原本不太显著的伤痕、斑点等也是日后加剧弹簧疲劳断裂的潜在因素。
材料表面的光滑与粗糙是衡量疲劳强度的重要指标。越粗糙，应力集中越小，由此所引起的疲劳强度就越高。材料的粗糙度通过疲劳极限起作用。不考虑其他因素，机械零件粗糙度高，疲劳极限就低。因此，对机械材料的表面进行强压、滚压、磨削以及抛丸等，一能有效地增强材料表面的光滑度，提高材料的疲劳强度系数。常用的方法有两种，表面热处理和表面机械强化。表面热处理即通过高频淬火效应、氮化反映的作用下，采用渗碳、氰化等措施，提高机械构件表层材料的抗疲劳强度能力。表面机械强化通常采用对构件表面进行滚压、喷丸等，使构件表面形成预压应力层，以降低最容易形成疲劳裂纹的拉应力，从而提高表层强度。
3 尺寸的影响
尺寸对于疲劳强度的影响主要是指材料尺寸大小对于应力梯度、统计因素以及工艺因素等方面的影响。一般而言，材料的尺寸越大，材料的晶粒粗，那么所造成的表面的缺陷就可能越大，应力集中的区域就越广，机械零件的疲劳性能就会降低，由此就将产生大面积的疲劳裂纹甚至发生断裂。因此，尺寸效应也是衡量机械零件疲劳强度的重要影响因素。尺寸的系数是非标准尺寸试样的疲劳极限与同一材料标准尺寸试样的疲劳极限的比值。
4 平均应力的影响
平均应力是影响疲劳强度的重要因素之一。平均应力是最大应力与最小应力的比值。平均应力对机械零件的疲劳强度主要通过影响疲劳极限来发挥作用。主要的方式就是拉伸与压缩。拉伸平均应力与疲劳强度成反比，会减少机械零件的使用寿命；压缩平均应力则与疲劳强度星正比，会延长机械零件的使用寿命。
5 其他因素的影响
(1)载荷类型。影响机械零件疲劳强度的载荷类型主要有三种，即拉压、弯曲以及扭转。一般来说，拉压载荷作用下的疲劳强度变化小，因为应力集中的区域改变不大。旋转、弯曲作用下的疲劳强度受应力梯度的影响，改变比较明显。不断的磨削加工，改变了材料的表层，不仅从外貌上，还在内应力和加工形貌上对疲劳强度产生了影响。载荷类型因子实际上不由载荷类型决定，而取决于这些载荷类型对于标准试件样品的应力分布的作用。载荷类型因子是其它加载方式所引起的疲劳强度与旋转弯曲这一载荷类型所造成的疲劳强度的比值。
(2)加载频率。一般而言，加载频率分为正常频率、高频和低频三种。正常频率是指5-300HZ范围内的频率，低频是指0.1-5HZ范围内的频率，高于300HZ的频率则归为高频。绝大多数工程结构和机械受到的载荷频率在(5～200)HZ范围。在无腐蚀环境下，加载频率对金属材料的疲劳强度几乎没有影响。但是，对于一些易熔合金，在中温条件下，加载频率对于机械零件的疲劳强度还有一定的影响。这主要是因为塑性材料变形时间决定的，在较小的加载频率作用下，机械零件的某些塑性材料的裂纹尖端的粘塑性应变能力增强。这就导致裂纹扩展的速度增快，从而影响机械零件的疲劳强度和其使用寿命。
(3)环境介质。环境对于机械零件的疲劳强度也有很大的影响。这里主要考虑腐蚀性介质和温度对其影响。
腐蚀疲劳是由于交变应力和腐蚀介质作用下引起材料破坏的现象。机械零件受腐蚀介质的影响，便会造成表面材料的腐蚀和变质，从而成为疲劳源，在持久的应力作用下必然会出现断裂的现象。腐蚀环境下的机械零件，疲劳极限会降低。除了受交变应力的作用外，机械零件本身的工作寿命也是一个重要因素。预防腐蚀疲劳的方式主要是增强其疲劳强度。常见的方法有，采用不锈钢和非铁金属等耐腐性高的材料。其次，在机械材料的表面通过氧化、涂料或者镀层、喷塑等方法加上一层保护膜，也可以提高材料的疲劳极限，降低疲劳强度。
温度也会影响机械零件的疲劳强度。有些材料例如碳钢的疲劳强度具有自我的调节能力，能够根据温度的变化而不断的改变疲劳极限。因此，耐热钢材料的机械零件应该得到广泛的推广。
6 结语
机械零件疲劳强度的分析，是零件进行疲劳可靠性设计的重要内容之一。影响零件疲劳强度因素很多，本文介绍了几种常遇到的影响因素，其中着重介绍了应力集中、表面加工及尺寸效应三种因素的影响系数和影响机对零件疲劳强度的影响。除此以外还对平均应力分析和其他因素进行了简要的说明。
参考文献：
[1]王学颜，宋广惠，结构疲劳强度设计与失效分析[M]，北京：兵器工业出版社，1992：61
[2]谢里阳，林文强，线性累积损伤的概率准则[J]，机械强度，1993，15(3)：41—44
[3]丁隧栋，结构钢疲劳缺口系数研究[J]机械强度,2000,22(3)：241－242
[4]黄学增，高镇同，弯扭复合疲劳强度准则[J]，机械强度，1985(3)：36-41
[5]高镇同，蒋新桐，熊峻江，等，疲劳性能实验设计和数据处理[M]，北京：北京航空航天大学出版社,1999,40
关键词：机械零件 疲劳强度 尺寸效应
中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)009-100-02
疲劳强度的研究目前在航天、航空、造船和原子能等各领域都具有十分重要的意义。影响疲劳强度或疲劳寿命的因素众多，是至今人们对疲劳问题的认识尚未很好解决的根本原因，因此对疲劳强度或疲劳寿命影响因素的深入研究，仍是十分有意义的工作。
1 应力集中的影响
应力集中是指机械零件的某些构件由于受到压力在几何外形和外形的尺寸上发生局部性的应力增大的现象。应力集中对于脆性材料构件有非常显著的影响，会导致其断裂。使物体出现疲劳裂纹。机械构件应力集中的区域例如尖角或者键槽处等往往是疲劳破坏的源头。理论应力集中指数是指最大局部弹性应力与平均应力的比值，恒大于1且与载荷大小无关。在无限大平板的单向拉伸情况下，其中圆孔边缘的k=3：在弯曲情况下，对于不同的圆孔半径与板厚比值，k=1.8～3.0；在扭转情况下，k=1.6～4.0。由于理论应力集中指数忽视材料在塑性状态下对于疲劳强度的影响，是根据弹性理论所得出的结论，因此，不能将理论应力作为机械零件的有效应力。理论应力集中指数在不同的材料中所反映的对于机械零件的疲劳强度不同。
可见，要降低机械零件的疲劳强度最为关键的就是处理好应力集中的问题。具体可从以下两方面着手：(1)改变机械零件的尺寸。机械零件的构件截面对于应力集中的系数有重要的影响。一般圆角半径比较大的构件，其截面的改变速度比较缓慢，这有效地降低了应力集中。此外，由于轴与轴承在装配上的需要，有时半径过渡太大的零件无法采用，这时便可以采用间隔环，或者是凹圆角或卸载槽来平缓应力，达到降低应力集中系数，降低疲劳强度的效果。(2)设计时尽量避免尖角孔和尖角槽。当结构需要直角时，可在直径较大的轴段上开卸载槽或退刀槽减小应力集中；当轴与轮毂采用静配合时，可在轮毂上开减荷槽或增大配合部分轴的直径，并采用圆角过渡，从而可缩小轮毂与轴的刚度差距，减缓配合面边缘处的应力。
2 表面加工的影响
由于机械零件的疲劳裂纹的最大应力大多产生于材料的表层，因此材料本身的表面质量对于疲劳强度的影响显著。目前机械零件大都为弹簧材料，在不断的轧制、拉拔和卷制中会出现裂纹，此外，机械零件表面原本不太显著的伤痕、斑点等也是日后加剧弹簧疲劳断裂的潜在因素。
材料表面的光滑与粗糙是衡量疲劳强度的重要指标。越粗糙，应力集中越小，由此所引起的疲劳强度就越高。材料的粗糙度通过疲劳极限起作用。不考虑其他因素，机械零件粗糙度高，疲劳极限就低。因此，对机械材料的表面进行强压、滚压、磨削以及抛丸等，一能有效地增强材料表面的光滑度，提高材料的疲劳强度系数。常用的方法有两种，表面热处理和表面机械强化。表面热处理即通过高频淬火效应、氮化反映的作用下，采用渗碳、氰化等措施，提高机械构件表层材料的抗疲劳强度能力。表面机械强化通常采用对构件表面进行滚压、喷丸等，使构件表面形成预压应力层，以降低最容易形成疲劳裂纹的拉应力，从而提高表层强度。
3 尺寸的影响
尺寸对于疲劳强度的影响主要是指材料尺寸大小对于应力梯度、统计因素以及工艺因素等方面的影响。一般而言，材料的尺寸越大，材料的晶粒粗，那么所造成的表面的缺陷就可能越大，应力集中的区域就越广，机械零件的疲劳性能就会降低，由此就将产生大面积的疲劳裂纹甚至发生断裂。因此，尺寸效应也是衡量机械零件疲劳强度的重要影响因素。尺寸的系数是非标准尺寸试样的疲劳极限与同一材料标准尺寸试样的疲劳极限的比值。
4 平均应力的影响
平均应力是影响疲劳强度的重要因素之一。平均应力是最大应力与最小应力的比值。平均应力对机械零件的疲劳强度主要通过影响疲劳极限来发挥作用。主要的方式就是拉伸与压缩。拉伸平均应力与疲劳强度成反比，会减少机械零件的使用寿命；压缩平均应力则与疲劳强度星正比，会延长机械零件的使用寿命。
5 其他因素的影响
(1)载荷类型。影响机械零件疲劳强度的载荷类型主要有三种，即拉压、弯曲以及扭转。一般来说，拉压载荷作用下的疲劳强度变化小，因为应力集中的区域改变不大。旋转、弯曲作用下的疲劳强度受应力梯度的影响，改变比较明显。不断的磨削加工，改变了材料的表层，不仅从外貌上，还在内应力和加工形貌上对疲劳强度产生了影响。载荷类型因子实际上不由载荷类型决定，而取决于这些载荷类型对于标准试件样品的应力分布的作用。载荷类型因子是其它加载方式所引起的疲劳强度与旋转弯曲这一载荷类型所造成的疲劳强度的比值。
(2)加载频率。一般而言，加载频率分为正常频率、高频和低频三种。正常频率是指5-300HZ范围内的频率，低频是指0.1-5HZ范围内的频率，高于300HZ的频率则归为高频。绝大多数工程结构和机械受到的载荷频率在(5～200)HZ范围。在无腐蚀环境下，加载频率对金属材料的疲劳强度几乎没有影响。但是，对于一些易熔合金，在中温条件下，加载频率对于机械零件的疲劳强度还有一定的影响。这主要是因为塑性材料变形时间决定的，在较小的加载频率作用下，机械零件的某些塑性材料的裂纹尖端的粘塑性应变能力增强。这就导致裂纹扩展的速度增快，从而影响机械零件的疲劳强度和其使用寿命。
(3)环境介质。环境对于机械零件的疲劳强度也有很大的影响。这里主要考虑腐蚀性介质和温度对其影响。
腐蚀疲劳是由于交变应力和腐蚀介质作用下引起材料破坏的现象。机械零件受腐蚀介质的影响，便会造成表面材料的腐蚀和变质，从而成为疲劳源，在持久的应力作用下必然会出现断裂的现象。腐蚀环境下的机械零件，疲劳极限会降低。除了受交变应力的作用外，机械零件本身的工作寿命也是一个重要因素。预防腐蚀疲劳的方式主要是增强其疲劳强度。常见的方法有，采用不锈钢和非铁金属等耐腐性高的材料。其次，在机械材料的表面通过氧化、涂料或者镀层、喷塑等方法加上一层保护膜，也可以提高材料的疲劳极限，降低疲劳强度。
温度也会影响机械零件的疲劳强度。有些材料例如碳钢的疲劳强度具有自我的调节能力，能够根据温度的变化而不断的改变疲劳极限。因此，耐热钢材料的机械零件应该得到广泛的推广。
6 结语
机械零件疲劳强度的分析，是零件进行疲劳可靠性设计的重要内容之一。影响零件疲劳强度因素很多，本文介绍了几种常遇到的影响因素，其中着重介绍了应力集中、表面加工及尺寸效应三种因素的影响系数和影响机对零件疲劳强度的影响。除此以外还对平均应力分析和其他因素进行了简要的说明。
参考文献：
[1]王学颜，宋广惠，结构疲劳强度设计与失效分析[M]，北京：兵器工业出版社，1992：61
[2]谢里阳，林文强，线性累积损伤的概率准则[J]，机械强度，1993，15(3)：41—44
[3]丁隧栋，结构钢疲劳缺口系数研究[J]机械强度,2000,22(3)：241－242
[4]黄学增，高镇同，弯扭复合疲劳强度准则[J]，机械强度，1985(3)：36-41
[5]高镇同，蒋新桐，熊峻江，等，疲劳性能实验设计和数据处理[M]，北京：北京航空航天大学出版社,1999,40