实际零部件疲劳强度的影响因素

材料的疲劳强度均是在标准条件下测定的，一般采用小尺寸圆形试样测定。但是实际零部件是多种多样的，与材料的疲劳强度有较大的差别。这是因为实际的零部件由于形状、表面状态、服役环境均与试验条件有很大差别，所以必须考虑多种因素影响[3]。

1.尺寸效应影响

测定材料疲劳极限的样品尺寸直径一般在10 mm 左右，实际零部件尺寸千变万化。基本规律是：随零部件尺寸增加疲劳强度下降。

其原因目前解释是：试样表面拉应力相等条件下，尺寸大的样品，从表面到心部的应力梯度减少，处于应力区的体积大，在交变载荷下，受损伤的区域大，碰到的缺陷的概率也大，所以疲劳强度降低。

可以用尺寸系数定量地表示其影响：

式中，σ－1ε与τ－1ε分别为弯曲、扭转光滑大尺寸试样的疲劳强度；σ－1 与τ－1 分别是标准样品的疲劳强度；εσ、ετ为尺寸系数，均小于1，可查图2-12 获得[3]。

图2-12　构件的尺寸系数

2.应力集中影响

实际零部件形状各异，不可避免有台阶、小孔、键槽等，从而产生应力集中，将显著降低零部件的疲劳极限。应力集中对寿命的影响一般用应力集中系数定量表示（应力集中产生的原因见2.2 节）。试验证明，疲劳极限的降低程度并不是与应力集中系数成正比。提出有效应力集中系数Kf 去处理疲劳设计中的应力集中问题，用式（2-15）和式（2-16）表示：

式中，σ－1、τ－1 分别为弯曲与扭转时光滑试样对称循环的疲劳极限；σ－1k、τ－1k 分别为弯曲与扭转时有应力集中试样对称循环的疲劳极限。

不同情况下的Kf 值可以通过试验确定。(www.xing528.com)

3.表面腐蚀的影响

零部件在腐蚀环境下服役，会因为腐蚀促进疲劳裂纹的萌生，从而降低疲劳极限。其原因是：疲劳裂纹一般在表面萌生，由于腐蚀作用改变了表面的组织状态，表面形成腐蚀坑。这些腐蚀坑的存在就起到疲劳源的作用。腐蚀的影响可以用表面腐蚀系数β2 表示：

式中，σ－1ε 与σ－1 分别是同一材料在腐蚀介质中与干燥空气中的疲劳极限。

在盐水与流水环境下的β2 可以从图2-13 中查出[3]。

图2-13　在水与盐水环境下的腐蚀系数

由图2-13 可以推导出以下规律：

（1）众所周知，一般钢铁材料在盐水环境下比在流水下更容易发生腐蚀，在同样强度情况下，腐蚀条件越恶劣，β2 就越低。

（2）图中横坐标是钢的强度极限。一般情况下，强度极限高，材料的疲劳极限高。图中数据表明，强度越高的材料β2 越低，说明腐蚀对高强钢的影响更严重。

（3）根据图 2-13 获得一个粗略的定量数据，在腐蚀环境下疲劳强度大约要降低 30%～80%。

可得出推论：在腐蚀环境下受到交变载荷的零部件，不能仅考虑如何提高疲劳性能，而且要同时考虑如何提高抗腐蚀性能。

在零部件实际服役条件下，可能有多种影响因素存在，一般根据主要因素选取相应的影响系数。