主要影响机械零件疲劳强度的因素

材料的疲劳极限一般是在常温下用光滑小试件测定的，不能直接用作机械零件的疲劳强度指标。在工程实际中，各种机械零件由于外部几何形状的变化、尺寸大小不同、工作环境、表面加工质量及表面强化等因素的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。以下介绍影响机械零件疲劳极限的几种主要因素。

1）应力集中的影响

零件受载时，在其外形突然变化处（如圆角、孔、槽、螺纹等处）的局部应力要远远大于其名义应力，这种现象称为应力集中。在应力集中的局部区域更易形成疲劳裂纹，使零件的疲劳强度显著降低。在对称循环下，常用有效应力集中系数kσ、kτ来考虑应力集中对零件疲劳强度的影响：

式中　σ-1、τ-1——对称循环下材料试件的疲劳极限；

σ-1k、τ-1k——对称循环下有应力集中试件的疲劳极限。

几种常见的不同应力集中情况下的有效应力集中系数kσ、kτ可查表2-4～表2-7确定。

表2-4　螺纹、键、花键及横孔处的有效应力集中系数kσ、kτ

（续表）

注：蜗杆螺旋根部有效应力集中系数可取kσ=2.3～2.5，kτ=1.7～1.9。

表2-5　配合边缘处的有效应力集中系数kσ、kτ

注：滚动轴承与轴的配合按H7/r6配合选择系数。

表2-6　过渡圆角处的有效应力集中系数kσ、kτ

（续表）

表2-7　环槽处的有效应力集中系数kσ、kτ（铸铁材料对应力集中不敏感，可取kσ=kτ=1）

（续表）

当在同一截面上同时存在几个应力集中源时，应取最大的有效应力集中系数进行计算。

2）几何尺寸的影响

当其他条件相同时，尺寸越大的零件，其疲劳强度越低。这是由于尺寸越大材料晶粒越粗，出现缺陷的概率就越大，以及机加工后表面冷作硬化层的厚度会相对减薄。

截面尺寸对零件疲劳强度的影响可用绝对尺寸系数ε来考虑，即

式中　σ-1、τ-1——对称循环下材料小试件（直径为6～10 mm）的疲劳极限；

σ-1d、τ-1d——对称循环下直径为d试件的疲劳极限。

钢的绝对尺寸系数εσ、ετ可查表2-8确定，铸铁的绝对尺寸系数εσ、ετ查图2-6确定。

表2-8　钢的绝对尺寸系数εσ、ετ(www.xing528.com)

图2-6　铸铁的绝对尺寸系数εσ、ετ

3）表面状态的影响

当其他条件相同时，零件表面越粗糙，其疲劳强度越低。表面状态对零件疲劳强度的影响用表面质量系数β考虑，即

式中　σ-1——对称循环下光滑试件的疲劳极限；

σ-1β——对称循环下不同表面状态试件的疲劳极限。

不同表面粗糙度的钢制零件的表面质量系数β可查表2-9确定。铸铁零件对表面状态不敏感，计算时可取β=1。

表2-9　不同表面粗糙度的表面质量系数β

由表2-9可知，钢的强度极限越高，表面质量系数越低。因此，用高强度合金钢制造的零件，应要求有较高的表面质量。

当零件经高频淬火、渗碳、喷丸硬化、滚子滚压等表面强化方法处理后，其疲劳强度将提高。各种强化方法的表面质量系数β可查表2-10确定。

表2-10　各种强化方法的表面质量系数β

注：1.高频淬火是根据直径为10～20 mm、淬硬层厚度为（0.05～0.20）d的试件试验求得的数据，对大尺寸的试件强化系数的值会有某些降低。
2.氮化层厚度为0.01d时用小值，在（0.03～0.04）d时用大值。
3.喷丸硬化是根据8～40 mm的试件求得的数据。喷丸速度低时用小值，速度高时用大值。
4.滚子滚压是根据17～130 mm的试件求得的数据。

此外，当零件在腐蚀环境下工作时，其疲劳强度会降低。各种腐蚀情况的表面质量系数β可查表2-11确定。

在考虑表面状态的影响时，表面质量系数一般用表2-9确定，表面强化处理后用表2-10确定，有腐蚀情况时用表2-11确定，一般不需要重复考虑。

表2-11　各种腐蚀情况的表面质量系数β

在考虑了零件的应力集中、几何尺寸、表面状态对其疲劳强度的影响后，可得对称循环r=-1时零件的疲劳极限σ-1e为

其中，kσ=kσ/（εσβ）称为疲劳极限的综合影响系数。对于切应力，同样有kτ=kτ/（ετβ）。

试验表明，零件的应力集中、几何尺寸、表面状态只对变应力的应力幅部分有影响，而不影响平均应力部分。所以，在材料的极限应力线图中考虑了零件的应力集中、几何尺寸、表面状态的影响后，可得到零件的极限应力线图，如图2-7所示。

图2-7　零件的简化极限应力线图

零件的简化极限应力线图为折线A′E′S。其中点A′（0，σ-1/kσ），点B′（σ0/2，σ0/2kσ），S（0，σs），连A′B′所得直线与ES相交即为E′。

由数学方法可求出图2-7中直线A′E′的方程为，式中为A′E′上任意一点的坐标，直线E′S的方程为。

由上可知，作零件极限应力线图时，应已知材料的σ-1、σ0（或φσ）和σs，零件的kσ、εs、β。由零件极限应力线图可对零件进行疲劳强度计算。