疲劳断裂及其强度分析

1.交变载荷和疲劳断裂

工程上许多机械零件如弹簧、齿轮、曲轴、连杆等都是在交变载荷作用下工作的。所谓交变载荷是指其大小、方向随时间发生周期性循环变化的载荷，又称循环载荷。零件在交变载荷作用下发生断裂的现象称为疲劳断裂。疲劳断裂属于低应力脆断，其特点是断裂时的应力远低于材料静载荷下的抗拉强度，甚至是屈服强度；无论是韧性材料还是脆性材料，其断裂前均无明显的塑性变形，是一种无预兆的、突然发生的脆性断裂，故危险性极大。据统计，在机械零件的断裂失效中，80%以上均属于疲劳断裂。

2.疲劳强度

评定材料疲劳抗力的指标是疲劳强度，即表示材料经受无限多次循环而不断裂的最大应力，记为最大应力Rr，下标r为应力对称循环系数。对于金属材料，通常按GB/T4337—2015《金属材料疲劳试验旋转变曲方法》，用旋转弯曲试验方法测定在对称应力循环条件下材料的疲劳极限σ-1。试验时用多组试样，在不同的交变应力R下测定试样发生断裂的周次N，绘制R-N曲线，如图2.10所示。对钢铁材料和有机玻璃等，当其应力降到某值后，R-N曲线趋于水平直线，此直线对应的应力即为疲劳极限。大多数有色金属及其合金和许多聚合物（高分子化合物），其疲劳曲线上没有水平直线部分。工程上常规定当N＝108时，对应的应力为条件疲劳极限。(www.xing528.com)

图2.10　疲劳曲线

常用工程材料中，陶瓷和聚合物的疲劳抗力很低，不能用于制造承受疲劳载荷的零件；金属材料疲劳强度较高，所以抗疲劳的机件几乎都选用金属材料；纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能，因此复合材料已越来越多地被用于制造抗疲劳的机件。

影响疲劳强度的因素有很多，主要有循环应力特性、温度、材料的成分和组织、表面状态、残余应力等。钢的疲劳强度约为其抗拉强度的40%～50%，有色金属约为25%～50%。因此，改善零件疲劳强度可通过合理选材、改善材料的结构形状、减少材料和零件的缺陷、降低零件表面粗糙度、对零件表面进行强化等方法解决。