第三章 影响疲劳强度的因素

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1、第三章影响疲劳强度的因素材料的S-N曲线和疲劳极限，只能代表标准光滑试样的疲劳性能。而实际零件的尺寸、形状和表面情况是各式各样的，与标准试样有很大差别。影响机械零件疲劳强度的因素有很多，其中主要因素参见下表：工作条件工作温度、工作环境载荷条件应力状态、循环特征、高载效应、载荷交变频率零件几何形状尺寸效应，缺口效应工件表面状态表面光洁度，表面防腐蚀，表面强化材料本质化学成分，金相组织，纤维方向，内部缺陷3.1应力集中的影响在机械零件中，由于结构上的要求，不可避免地存在槽沟、轴肩、孔、拐角、切口等不连续部分致使截面形状发生突变。由于零件或构件几何形状的不

2、连续而引起比名义应力大得多的局部应力的现象称为“应力集中”。应力集中对疲劳强度的影响极大，并且是各种影响因素中起主要作用的因素，它大大降低了零件的疲劳强度。应力集中降低疲劳强度的作用可以用疲劳缺口系数来表征。（1）理论应力集中系数在静载荷作用下，构件局部应力增大的严重程度可以由“理论应力集中系数”K表示，K可被定义为缺口根部的最大应力与切面上的名义应力之比（或最tt大应变与名义应变之比）即σεK==tσεaveaveABKtb基于毛面积42r3FF2基于净面积b1r/wABσnA名义应力，即平均应力基于毛面积σ＝F/（2b+2r）δn1基于净面积σ＝

3、F/2bδn2Fδ为板厚Aσ应力集中系数Kt＝σmax/σnmax（2）疲劳缺口系数•应力集中对疲劳强度的影响可以用疲劳缺口系数K表示f光滑试件的疲劳强度K=f缺口试件的疲劳强度•一般把零件平均应力和长寿命（107）下的K作为基本的疲劳缺口系数，用K表ff示。•一般情况下，缺口系数是大于1的。•“疲劳强度”均指在对称循环下大试样的疲劳强度极限值。拉压缺口系数弯曲缺口系数剪切缺口系数(σ−1)d(σ−1)d(τ−1)dKf=KKσ=KKτ=K()σ()σ()τ−1d−1d−1d主要的应力集中的影响特性：（1）钢的σb愈高，则有效应力集中系数Kσ及Kτ值

4、愈大。可见，高强度钢的Kσ及Kτ值比低碳钢大，所以应力集中对刚强度钢的疲劳极限影响较大；（2）对于给定的直径d，圆角半径r愈小，则应力集中愈严重。（3）应力集中影响系数与σb之间的变化关系，可以由已知的结果曲线插值得到；主要的应力集中的影响特性：（4）下图中得所有曲线只适用于D/d＝2，d＝30～50mm的大试样情况，当D/d<2时，有效应力集中系数按下式折算Kσ＝1+ξ（Kσ0-1）Kτ＝1+ξ（Kτ0-1）例，已知某矿车车轮轴为合金钢制造，其材料的抗拉强度σb＝900MPa。如图所示，D＝44mm，d＝40mm，圆角半径r＝2mm，确定此轴在弯曲

5、对称循环时的Kσ值。解：（1）车轴尺寸的几何关系D/d＝44/40＝1.1r/d＝2/40＝0.05（2）由弯曲时有效应力集中关系数Kσ0曲线可知对于σ＝500MPa的钢，Kσ＝1.90b0对于σ＝1200MPa的钢，Kσ＝2.25b0对于σ＝900MPa的钢，可用直线内插法求得bKσ＝1.90+(900-500)/(1200-500)×(2.25-1.90)＝2.100（3）由D/d<2时折算系数ξ曲线，可查得D/d＝1.1时得折算系数ξ＝0.65（4）将上述结果代入公式Kσ＝1+ξ（Kσ0-1），即可求得该圆轴得有效应力集中系数Kσ＝1+ξ（Kσ

6、0-1）＝1+0.65×（2.10-1）＝1.72零件外形改变得形式不同，其有效应力集中系数也不同。其他各种形式（如油孔、键槽、螺纹）得有效应力集中系数值，可查阅有关得“设计手册”。（3）敏感系数q和力流线现在来研究理论应力集中系数K和疲劳缺口系数K之间的tf关系。对于塑性较好的材料（如低碳钢），其K低于K，但对塑ft性较差的材料（如高碳钢），则K一般都接近于K。ft这是因为塑性材料在局部应力达到屈服应力时，这些局部地区将产生塑性变形，从而减轻了应力集中的危害性。为了对K和K之间在数值上的评价，常常引用所谓的“敏感系ft数”q，即K−1fq=K−1t

7、K−1（3）敏感系数q和力流线fq=K−1t敏感系数q在0～1之间变化。当应力集中对疲劳强度只有微小的影响时，K应接f近于1，由上式可得q＝0，说明试样对应力集中没有什么敏感性。当K接近K时，q＝1，表示试样对应力集中非常敏ft感。敏感系数q不但与材料的类型有关，而且也和试样的尺寸有关。对飞机中常用的铝合金材料，估算敏感系数的经验公式为1q=10.9/+ρNeuber通过大量的研究工作认为，与不同是与应力梯度有关的，KKft并假设应力在在一个小的深度A范围内取平均值，推荐用下式近似计算K−1tK=+1f1+Aρ钢钛合金钛合金σb()MPa500100

8、02000150300600/A（mm）0.250.080.000220.60.40.0508研究经验知道，