金属材料疲劳试验 影响疲劳强度的八大因素

日期:2022-07-28 14:30:00浏览量:800标签:金属材料

由于疲劳断裂通常是从机件最薄弱的部位或外部缺陷所造成的应力集中处发生,因此疲劳断裂对许多因素很敏感,例如,循环应力特性、环境介质、温度、机件表面状态、内部组织缺陷等,这些因素导致疲劳裂纹的产生或速裂纹扩展而降低疲劳寿命。为了提高机件的疲劳抗力, 防止疲劳断裂事故的发生, 在进行机械零件设计和加工时, 应选择合理的结构形状, 防止表面损伤, 避免应力集中。影响金属材料疲劳强度的因素有多种,下面主要给大家介绍常见的一些疲劳强度影响因素。

外在因素包括零件的形状和尺寸、表面光洁度及使用条件等,内在因素包括材料本身的成分,组织状态、纯净度和残余应力等。这些因素的细微变化,均会造成材料疲劳性能的波动甚至大幅度变化。各种因素对疲劳强度的影响是疲劳研究的重要方面,这种研究将为零件合理的结构设计、以及正确选择材料和合理制订各种冷热加工工艺提供依据,以保证零件具有高的疲劳性能。

金属材料疲劳试验 影响疲劳强度的八大因素

1、应力集中的影响

常规所讲的疲劳强度,都是用精心加工的光滑试样测得的,然而,实际机械零件都不可避免地存在着不同形式的缺口,如台阶、键槽、螺纹和油孔等。这些缺口的存在造成应力集中,使缺口根部的最大实际应力远大于零件所承受的名义应力,零件的疲劳破坏往往从这里开始。

理论应力集中系数Kt :在理想的弹性条件下,由弹性理论求得的,缺口根部的最大实际应力与名义应力的比值。

有效应力集中系数(或疲劳应力集中系数)Kf:光滑试样的疲劳极限σ-1与缺口试样疲劳极限σ-1n的比值。

有效应力集中系数不仅受构件尺寸和形状的影响,而且受材料的物理性质、加工、热处理等多种因素的影响。

有效应力集中系数随着缺口尖锐程度的增加而增加,但通常小于理论应力集中系数。

疲劳缺口敏感度系数q:疲劳缺口敏感度系数表示材料对疲劳缺口的敏感程度,由下式计算。

q的数据范围是0-1,q值越小,表征材料对缺口越不敏感。试验表明,q并非纯粹是材料常数,它仍然和缺口尺寸有关,只有当缺口半径大于一定值后,q值才基本与缺口无关,而且对于不同材料或处理状态,此半径值也不同。

2、尺寸因素的影响

由于材料本身组织的不均匀性以及内部缺陷的存在,尺寸增加造成材料破坏概率的增加,从而降低材料的疲劳极限。尺寸效应的存在,是把试验室小试样测得的疲劳数据运用于大尺寸实际零件中的一个重要问题,由于不可能把实际尺寸的零件上存在的应力集中、应力梯度等完全相似地在小试样上再现出来,从而造成试验室结果与某些具体零件疲劳破坏之间的互相脱节。

3、表面加工状态的影响

机加工的表面总存在着高低不平的加工痕迹,这些痕迹就相当于微小缺口,在材料表面造成应力集中,从而降低材料的疲劳强度。试验表明,对于钢和铝合金,粗糙的加工(粗车)与纵向精抛光相比,疲劳极限要降低10%-20%甚至更多。材料的强度越高,则对表面光洁度越敏感。

4、加载经历的影响

实际上没有任何零件是在绝对恒定的应力幅条件下工作,材料实际工作中的超载和次载都会对材料的疲劳极限产生影响,试验表明,材料普遍存在着超载损伤和次载锻炼现象。

所谓超载损伤是指材料在高于疲劳极限的载荷下运行达到一定周次后,将造成材料疲劳极限的下降。超载越高,造成损伤所需的周次越短。

事实上,在一定条件下,少量次数的超载不仅不会对材料造成损伤,由于形变强化、裂纹尖端钝化以及残余压应力的作用,还会对材料造成强化,从而提高材料的疲劳极限。因此,应对超载损伤的概念进行一些补充和修正。

所谓次载锻炼是指材料在低于疲劳极限但高于某一限值的应力水平下运行一定周次后,造成材料疲劳极限升高的现象。次载锻炼的效果和材料本身的性能有关,塑性好的材料,一般来说锻炼周期要长些,锻炼应力要高些方能见效。

5、化学成分的影响

材料的疲劳强度与抗拉强度在一定条件下存在着较密切的关系,因此,在一定条件下凡能提高抗拉强度的合金元素,均可提高材料的疲劳强度。比较而言,碳是影响材料强度的最主要因素。而一些在钢中形成夹杂物的杂质元素则对疲劳强度产生不利影响。

6、热处理和显微组织的影响

不同的热处理状态会得到不同的显微组织,因此,热处理对疲劳强度的影响,实质上就是显微组织的影响。同一成份的材料,由于热处理不同,虽然可以得到相同的静强度,但由于组织的不同,疲劳强度可在相当大的范围内变化。

在相同的强度水平时,片状珠光体的疲劳强度明显要低于粒状珠光体。同是粒状珠光体,其渗碳体颗粒越细小,则疲劳强度越高。

显微组织对材料疲劳性能的影响,除了和各种组织本身的机械性能特性有关外,还和晶粒度以及复合组织中组织的分布特征有关。细化晶粒可提高材料的疲劳强度。

7、夹杂物的影响

夹杂物本身或由它而产生的孔洞相当于微小缺口,在交变载荷作用下将产生应力集中和应变集中,成为疲劳断裂的裂纹源,对材料的疲劳性能造成不良影响。夹杂物对疲劳强度的影响不仅取决于夹杂物的种类、性质、形状、大小、数量和分布,而且还取决于材料的强度水平以及外加应力水平及状态等因素。

不同类型的夹杂物其机械和物理性能不同,和母材性能之间的差异不同,对疲劳性能的影响也不同。一般说来,易变形的塑性夹杂物(如硫化物)对钢的疲劳性能影响较小,而脆性夹杂物(如氧化物、硅酸盐等)则有较大的危害。

比基体膨胀系数大的夹杂物(如硫化物)因在基体中产生压应力而影响小,而比基体膨胀系数小的夹杂物(如氧化铝等)因在基体中产生拉应力而影响大。

夹杂物与母材结合的紧密程度也会影响疲劳强度。硫化物易于变形,和母材结合紧密,而氧化物易于脱离母材,造成应力集中。由此可知,从夹杂物的类型来说,硫化物的影响较小,而氧化物、氮化物和硅酸盐等则是危害较大的。

不同加载条件下,夹杂物对材料疲劳性能的影响也不同,在高载条件下,无论有没有夹杂物的存在,外加载荷均足以使材料产生塑性流变,夹杂物的影响较小,而在材料的疲劳极限应力范围,夹杂物的存在造成局部应变集中成为塑性变形的控制因素,从而强烈地影响材料的疲劳强度。也就是说,夹杂物的存在主要是影响材料的疲劳极限,对高应力条件下的疲劳强度影响不明显。

材料的纯净度是由熔炼工艺过程决定的,因此,采用净化冶炼方法(如真空熔炼、真空除气和电渣重熔等)均可有效降低钢中的杂质含量,改善材料的疲劳性能。

8、表面性能变化及残余应力的影响

表面状态的影响除前已提及的表面光洁度外,还包括表层机械性能的变化及残余应力对疲劳强度的影响。表层机械性能的变化可以是表层化学成分和组织不同所引起,也可以是表层因形变强化而引起。

渗碳、氮化和碳氮共渗等表面热处理除了可以增加零件的耐磨性之外,还是提高零件疲劳强度,特别是提高耐腐蚀疲劳和咬蚀的一种有效手段。

表面化学热处理对疲劳强度的影响主要取决于加载方式、渗层中的碳氮浓度、表面硬度及梯度、表面硬度与心部硬度之比、层深以及表面处理所形成的残余压应力的大小和分布等因素。大量试验表明,只要是先加工缺口后经化学热处理,则一般说来缺口越尖锐,疲劳强度的提高也越多。

不同的加载方式下,表面处理对疲劳性能的影响也不同。轴向加载时,由于不存在应力沿层深分布不均的现象,表层和层下的应力相同。在这种情况下,表面处理只能改善表面层的疲劳性能,由于心部材料未得到强化,因而疲劳强度的提高有限。在弯曲和扭转条件下,应力的分布集中于表层,表面处理形成的残余应力和这种外加应力叠加,使表面实际承受的应力降低,同时,由于表层材料的强化,因而能有效地提高弯曲和扭转条件下的疲劳强度。

和渗碳、氮化以及碳氮共渗等化学热处理相反,如果零件在热处理过程中脱碳,使表层的强度降低,则会使材料的疲劳强度大幅度降低。同样,表面镀层(如镀Cr、Ni等)由于镀层中的裂纹造成的缺口效应、镀层在基体金属中引起的残余拉应力以及电镀过程中氢气的浸入导到氢脆等原因,使疲劳强度降低。

采用感应淬火、表面火焰淬火以及低淬透性钢的薄壳淬火,均可获得一定深度的表面硬度化层,并在表层形成有利的残余压应力,因而也是提高零件疲劳强度的有效方法。

表面滚压和喷丸等处理,由于能在试样表面形成一定深度的形变硬化层,同时使表面产生残余压应力,因而也是提高疲劳强度的有效途径。

以上是开云全站体育 小编整理的金属材料疲劳试验相关内容,希望对您有所帮助。深圳创芯在线检测技术有限公司是国内知名的电子元器件专业检测机构,建有标准化实验室3个,实验室面积1000平米以上。检测服务范围涵盖:电子元器件测试验证、IC真假鉴别,产品设计选料、失效分析,功能检测、工厂来料检验、元器件X-Ray检测以及编带等多种测试项目。

相关阅读
五月芯资讯回顾:原厂涨价函不断,疫情影响供应链
五月芯资讯回顾:原厂涨价函不断,疫情影响供应链

刚刚过去的五月,全球多地疫情反弹,大宗商品涨价延续,IC产业链毫无意外,缺货涨价仍是主旋律。下面就来梳理一下过去的一个月,业内都有哪些值得关注的热点。

2021-06-04 11:16:00
查看详情
image
马来西亚管控延长,被动元件又悬了?

自五月以来,马来西亚疫情不断升温,每日新增确诊高峰曾突破9000例。严峻形势之下,马来西亚政府于6月1日开始执行为期半个月的全面行动管制。在这之后,每日新增病例呈现下降趋势。

2021-06-18 15:41:07
查看详情
内存市场翻转,涨价来袭!
内存市场翻转,涨价来袭!

据媒体近日报道,内存正在重回涨价模式,从去年12月到今年1月,涨幅最多的品种已达30%。据行情网站数据,各类内存条、内存颗粒在12月上旬起开始涨价,至今仍没有停止的意思。

2021-03-05 10:53:00
查看详情
被动元件涨价启动,MLCC和芯片打头阵
被动元件涨价启动,MLCC和芯片打头阵

据台媒近日报道,MLCC两大原厂三星电机和TDK近期对一线组装厂客户发出通知,强调高容MLCC供货紧张,即将对其调涨报价。在芯片电阻市场,台厂国巨正式宣布从三月起涨价15-25%。紧接着,华新科也对代理商发出涨价通知,新订单将调涨10-15%。

2021-03-05 10:52:00
查看详情
深圳福田海关查获大批侵权电路板
深圳福田海关查获大批侵权电路板,共计超过39万个

据海关总署微信平台“海关发布”10日发布的消息,经品牌权利人确认,深圳海关所属福田海关此前在货运出口渠道查获的一批共计391500个印刷电路板,侵犯了UL公司的“RU”商标专用权。

2021-03-05 11:12:00
查看详情
可靠性测试:常规的可靠性项目及类型介绍
可靠性测试:常规的可靠性项目及类型介绍

可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。根据可靠性统计试验所采用的方法和目的,可靠性统计试验可以分为可靠性验证试验和可靠性测定试验。可靠性测定试验是为测定可靠性特性或其量值而做的试验,通常用来提供可靠性数据。可靠性验证试验是用来验证设备的可靠性特征值是否符合其规定的可靠性要求的试验,一般将可靠性鉴定和验收试验统称为可靠性验证试验。

2021-04-26 16:17:00
查看详情
产品进行可靠性测试的重要性及目的
产品进行可靠性测试的重要性及目的

产品在一定时间或条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。可通过可靠度、失效率还有平均无故障间隔等来评价产品的可靠性。而且这是一项重要的质量指标,只是定性描述就显得不够,必须使之数量化,这样才能进行精确的描述和比较。

2021-04-26 16:19:00
查看详情
汇总:半导体失效分析测试的详细步骤
汇总:半导体失效分析测试的详细步骤

失效分析是芯片测试重要环节,无论对于量产样品还是设计环节亦或是客退品,失效分析可以帮助降低成本,缩短周期。 常见的失效分析方法有Decap,X-RAY,IV,EMMI,FIB,SEM,EDX,Probe,OM,RIE等,因为失效分析设备昂贵,大部分需求单位配不了或配不齐需要的设备,因此借用外力,使用对外开放的资源,来完成自己的分析也是一种很好的选择。我们选择去外面测试时需要准备的信息有哪些呢?下面为大家整理一下:

2021-04-26 16:29:00
查看详情
芯片常用失效分析手段和流程
芯片常用失效分析手段和流程

一般来说,集成电路在研制、生产和使用过程中失效不可避免,随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高,失效分析工作也显得越来越重要,通过芯片失效分析,可以帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷、工艺参数的不匹配或设计与操作中的不当等问题。芯片失效分析的常用方法不外乎那几个流程,最重要的还是要借助于各种先进精确的电子仪器。以下内容主要从这两个方面阐述,希望对大家有所帮助。

2021-04-26 16:41:00
查看详情
值得借鉴!PCB板可靠性测试方法分享
值得借鉴!PCB板可靠性测试方法分享

PCB电路板是电子元件的基础和高速公路,又称印刷电路板,是电子元器件电气连接的提供者。它的发展已有100多年的历史了;它的设计主要是版图设计;采用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错,提高了自动化水平和生产劳动率。PCB的质量非常关键,要检查PCB的质量,必须进行多项可靠性测试。这篇文章就是对测试的介绍,一起来看看吧。

2021-04-26 16:47:42
查看详情
Baidu
map