任务4　认识力学性能指标——疲劳强度

【任务描述】

众所周知，人类由于过度疲劳会导致身体机能下降，严重会出现伤亡。工程中的许多零件，如轴、齿轮、弹簧和连杆等，长期在交变载荷的重复作用下会产生裂纹而致断裂。据统计，机械零件断裂失效中有80％是由于疲劳断裂引起的，它极易造成人身事故和经济损失，危害性极大。因此研究疲劳断裂的原因，提高疲劳强度，防止疲劳事故发生是非常重要的。

【知识链接】

知识点一　疲劳断裂

金属零件或构件在交变载荷的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳断裂。

知识点二　疲劳断裂的特点

疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有以下特点：

1.疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂

疲劳断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。

2.疲劳是脆性断裂

由于一般疲劳断裂的应力比屈服强度低，所以不论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹源萌生和缓慢扩展，直至某一时刻突然断裂。因此，疲劳断裂是一种潜在的突发性断裂。(www.daowen.com)

3.疲劳断裂对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感

疲劳断裂的过程，往往是在零件的表面，有时也可在零件内部某一应力集中处产生裂纹，随着应力的交变，裂纹不断扩展，以致在某一时刻便产生突然断裂。

知识点三　疲劳曲线和疲劳极限

图1－16　钢铁材料的疲劳曲线

疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S－N曲线，它是确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。典型的钢铁材料的疲劳曲线如图1－16所示。图中纵坐标为循环应力的最大应力σ_max；横坐标为断裂循环周次N，常用对数值表示。可以看出，S－N曲线由高应力段和低应力段组成。最大应力σ_max为高应力时，断裂循环周次N小（寿命短）；最大应力σ_max为低应力时，断裂循环周次N大（寿命长），随断裂循环周次增加应力水平下降，当断裂循环周次再增加时，最大应力不降低，此时对应的应力为疲劳极限。通常人们规定：金属材料在重复或交变应力作用下，于规定的断裂循环周次N内不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。试验中，一般规定钢铁材料循环基数取10⁷次，有色金属取10⁸次。

【任务实施】

1.产生疲劳断裂的原因

通过对大量发生疲劳断裂的事故分析发现，在热处理产生的氧化、脱碳、过热、裂纹等，钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，使疲劳极限下降，导致零件在循环交变载荷作用下长期工作产生疲劳断裂事故。

2.提高零件的疲劳强度的措施

一是提高零件的表面粗糙度。

二是对零件进行表面强化处理，如表面淬火、调质、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余压应力，从而提高零件的疲劳强度。