影响金属材料疲劳性能的因素分析

（1）应力集中的影响。

零件表面会因缺口产生应力集中，而应力集中会降低材料的疲劳强度。

焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，即具有缺口效应，它们对接头的疲劳强度产生不同程度的不利影响。对接焊缝由于形状变化不大，因此它的应力集中比其他形式接头要小，但是过大的余高和过大的基本金属间的过渡角θ 都会增加应力集中，使接头的疲劳强度下降。如图3-39 所示为对接接头的过渡角θ 以及过渡圆弧半径R 对疲劳强度的影响。

图3-39　对接接头过渡角θ 以及过渡圆弧半径R 对疲劳强度的影响

（2）加载条件的影响。

加载频率的影响，如机器的开停机、转速变化等都对疲劳性能有一定的影响。通常情况下，提高频率可提高材料的疲劳强度。温度升高降低疲劳强度。

（3）表面粗糙度的影响。

表面的微观几何形状，如刀痕、擦伤和磨裂等，都能像微小而锋利的缺口一样，引起应力集中，降低疲劳极限。一般来说，表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高；表面粗糙度越高，材料的疲劳极限越低。材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。表面加工方法不同，所获得零件表面粗糙度是不一样的，因而，同一种材料的疲劳极限也不一样。像热处理加工过程中产生的表面脱碳、氧化等缺陷也会降低疲劳强度。

（4）残余应力的影响。

残余应力可以与外加工作应力叠加，构成合成总应力。(www.xing528.com)

叠加残余压应力，总应力减小；叠加残余拉应力，总应力增大。因此，零件表面残余应力状态对疲劳强度（主要低应力高周疲劳强度）有显著影响。一般来说，残余压应力提高疲劳强度；残余拉应力降低疲劳强度。

焊接结构中残余应力对接头疲劳性能的影响是非常明显的。如图3-40 所示，在用σa和σm表示的疲劳图中，曲线ACB 代表不同平均应力时的极限应力振幅值σa。当构件中的应力振幅值大于极限幅值时，在规定的循环次数之前将发生疲劳破坏；反之，小于极限幅值则是安全的。从图中可以看出，随着σm的增加，极限应力幅值有所下降。如果构件中存在着内应力σ0，则它将始终作用于应力循环中，使整个应力循环的应力值偏移一个σ0值。假设载荷的平均应力为σm，如图3-41（a）所示，与此平均应力相应的极限应力振幅为σa。若构件中内应力σ0为正值时，它将与载荷应力相叠加使应力循环提高σ0，如图3-41（b）所示，平均应力将增加到σm1（σm1=σm+σ0），其极限应力幅值降低到σa1，构件的疲劳强度将降低。若内应力为负值，它将使应力循环降低σ0，如图3-41（c）所示，平均应力将降低到σm2（σm2=σm-σ0），其极限应力幅值将增加到σa2，构件的疲劳强度将有所提高。

（5）材料成分及组织的影响。

① 合金成分。合金成分是决定材料组织结构的基本要素。在各种结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高，所以应用十分广泛，这类钢中碳是影响疲劳强度的重要元素。碳既可间隙固溶形成基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高材料的形变抗力，阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和提高疲劳强度。

② 显微组织。细化晶粒可以提高材料的疲劳强度。结构钢的热处理组织也影响疲劳强度。正火组织因碳化物为片状，其疲劳强度最低，淬火回火组织因碳化物为粒状，其疲劳强度比正火的高。

图3-40　疲劳强度与σa、σm的关系

图3-41　焊接应力对应力循环的影响

③非金属夹杂物及冶金缺陷。非金属夹杂物是钢在冶炼时形成的，它对疲劳强度有明显的影响，减少夹杂物的数量及尺寸都能有效提高疲劳强度。

气孔、缩孔、偏析、折叠等冶金缺陷，会降低机件的疲劳强度。