疲勞壽命影響因素的試驗研究

李 莉 謝里陽 何雪浤 趙晉芳

東北大學,沈陽,110004

0 引言

機械構件的疲勞強度或疲勞壽命受眾多因素的影響,如材料本質(如化學成分、金相組織、纖維方向、內部缺陷分布)、工作條件(如載荷特性、加載頻率、服役溫度、環境介質)、零件狀態(如應力集中、尺寸效應、表面加工)等[1]。其中,最為復雜的是應力集中、表面加工和尺寸效應這三方面因素的影響。關于應力集中、表面質量和尺寸因素各自對試樣疲勞壽命或疲勞強度的影響,已有大量的研究[1-5]。對于在疲勞設計中如何考慮這些因素的影響見文獻[4],文獻[5]則在此基礎上考慮了各因素的分散性。目前考慮各因素對機械零件疲勞強度或疲勞壽命的影響,大多是分開獨立考慮的[4-6],由試驗獲得的經驗公式及圖表也是就某一個影響因素而言,而在實際工作中零件必然同時受多個因素的影響,它們之間是相互聯系、相互作用的,因此綜合考慮這些因素的影響是更有意義的。本文通過試驗綜合研究應力集中、表面加工和尺寸效應對疲勞壽命的影響。

1 疲勞壽命影響因素

應力集中使結構疲勞強度降低,是影響疲勞強度或疲勞壽命的主要因素之一。應力集中的嚴重程度通常用理論應力集中系數Kt來度量[2]:

式中,σmax為應力集中處的最大局部應力;σn為應力集中截面的名義應力。名義應力即平均應力,通常可應用材料力學導出的基本方程進行計算。應力集中對疲勞強度的影響不直接由理論應力集中系數決定,而是由疲勞缺口系數Kf(Kf為光滑試件的疲勞極限與缺口試件的疲勞極限的比值)來表征。確定疲勞缺口系數的表達式有很多[7],其中工程中比較實用的是Peterson公式:

式中,q為疲勞缺口敏感系數;a為材料常數,它與晶粒尺寸和材料的強度極限有關;ρ為缺口的根部半徑。

零件的尺寸對疲勞強度也有較大的影響,一般說來,零件的疲勞強度隨尺寸的增大而降低。尺寸大小對疲勞強度的影響用尺寸系數ε(ε為大尺寸試件的疲勞極限與標準尺寸試件的疲勞極限的比值)表示。

根據許多學者的研究,應力梯度是尺寸效應的成因之一。對于應力梯度的作用機制一般用支持效應來解釋[8],即當零件上的應力分布不均勻,存在應力梯度時,零件外層晶粒位移,可能在某種程度上被其內層的應力較低、位移較小及對其外層有支持作用的晶粒所阻滯。

疲勞裂紋常常從零件的表面開始,因為若零件未作表面強化,最大應力一般發生在零件表面,表面上缺陷也往往最多,因此零件表面狀態對疲勞強度有顯著的影響。表面加工對疲勞強度的影響用表面加工系數β1(β1為加工表面的標準光滑試樣的疲勞極限與磨光的標準光滑試樣的疲勞極限的比值)表示。

2 試驗

2.1 試樣的設計

試驗材料為鍛造35CrMo鋼,經調質熱處理,其化學成分見表1。疲勞試樣的分類見表2。試樣設計與加工參照文獻[9]進行,試樣形狀及尺寸如圖1～圖5所示。

表1 35CrMo鋼的化學成分

表2 疲勞試樣分類

2.2 試驗方法與結果

疲勞試驗在PLG—100高頻試驗機上進行,加載應力比R=—1。將每組試樣在σ=237MPa應力水平下進行疲勞試驗,得到此應力水平下試樣的疲勞壽命見表3。表3中加粗部分的數據根據肖維奈準則[10]已舍棄。

表3 疲勞試驗結果

3 試驗結果分析

零件疲勞壽命和疲勞強度的分布通常應用Weibull分布描述:

式中,β為形狀參數;η為尺度參數;γ為位置參數。

應用矩法[11]對不同試樣壽命分布的Weibull分布參數進行估計。首先計算樣本的均值與標準差再計算偏態系數:

根據偏態系數值查表得到形狀參數的點估計^β及系數ka、kb,其尺度參數 η的點估計為

位置參數γ的點估計為

按照式(1)～式(5),得到試樣疲勞壽命Weibull分布三個參數的估計值見表4。表4中,尺度參數反映疲勞壽命的分散程度,它主要由失效的類型決定的,對于相同的材料,由于在某一壽命段內的失效機理基本相同,則形狀參數值也基本相同。位置參數主要反應壽命的平均值,如果某種形式的失效需要經過一定的時間才能孕育而成,那么失效分布將在一段潛伏期后某一有限壽命值上開始,這個有限壽命值就是位置參數。

表4 疲勞壽命Weibull分布三參數估計值

3.1 應力集中對疲勞壽命的影響

圖6中給出的是標稱直徑為10mm的光滑磨削試樣與單缺口磨削試樣疲勞壽命的分布。由圖6可以看出應力集中對疲勞壽命的影響很大,光滑試樣的平均疲勞壽命為1 033 125次,而單缺口試樣的平均疲勞壽命為94 750次,僅是光滑試樣疲勞壽命的9.17%。光滑試樣疲勞壽命的分散性較大。

3.2 表面加工對疲勞壽命的影響

不同表面加工方式對光滑試樣疲勞壽命的影響較小,圖7是標稱直徑為10mm的光滑磨削試樣與車削試樣的疲勞壽命分布。由圖7可以看出,兩條曲線的形狀相似且相差較小,說明光滑磨削試樣與車削試樣疲勞壽命的分散性較為接近。

從圖 8可以看出,標稱直徑為10mm和18mm的磨削試樣平均疲勞壽命都高于車削試樣的平均疲勞壽命,且分散性也比磨削試樣的略小一些。標稱直徑為10mm的單缺口試樣受加工方式的影響較大。

3.3 同時考慮應力集中和表面加工對疲勞壽命的影響

由表5可知,標稱直徑為10mm的光滑車削試樣平均疲勞壽命與磨削試樣平均疲勞壽命的比為0.9972。單缺口車削試樣平均疲勞壽命與磨削試樣平均疲勞壽命的比為0.9235。可見表面加工對缺口試樣疲勞壽命的影響較光滑試樣對缺口試樣疲勞壽命的影響略高。應力集中使單缺口磨削試樣的平均疲勞壽命僅為光滑磨削試樣平均疲勞壽命的9.17%,單缺口車削試樣的平均疲勞壽命為光滑車削試樣平均疲勞壽命的8.49%。同時考慮表面加工的影響,單缺口車削試樣的平均疲勞壽命是光滑磨削試樣平均疲勞壽命的8.47%,單缺口磨削試樣的平均疲勞壽命是光滑車削試樣的平均疲勞壽命的9.20%,可見應力集中和表面加工兩種影響因素同時存在時,應力集中對疲勞壽命的影響起主導作用。

表5 標稱直徑為10mm的各試樣平均疲勞壽命的比值

3.4 尺寸對疲勞壽命的影響

由于缺口試件存在應力集中現象,因此不論受拉、受壓、受彎或受扭都存在應力梯度的問題,那么尺寸對缺口試樣疲勞壽命分布的影響也是存在的。由圖9、圖10可以看出尺寸對單缺口磨削試樣和多缺口磨削試樣疲勞壽命的影響是相同的。理論應力集中系數近似相等的兩種單缺口試樣,標稱直徑為18mm的大尺寸缺口試樣的平均疲勞壽命及分散性較大。

4 結束語

試驗研究了應力集中、表面加工及尺寸三方面因素對疲勞壽命分布的影響。試驗結果表明表面加工對光滑試樣的影響和對缺口試樣的影響是不同的,那么通常由光滑試樣獲得的表面加工系數經驗圖表,直接應用于存在應力集中零件的疲勞設計中是不妥當的。對于同時存在應力集中和表面加工影響的零件,應力集中對疲勞壽命的影響比表面加工對疲勞壽命的影響大許多,本試驗達到10倍以上,說明此時應力集中對疲勞壽命的影響起主導作用。標稱直徑為18mm的缺口試樣即本試驗中的大尺寸試樣的平均疲勞壽命比小尺寸試樣的平均疲勞壽命長,說明純粹意義上的尺寸效應在缺口試件中是不起作用的,危險點周圍材料的應力梯度是造成尺寸效應的關鍵。

[1]李舜酩.機械疲勞與可靠性設計[M].北京:科學出版社,2006.

[2]Peterson R E.Stress Concentration Factor[M].New York:John Wiley and Sons,1974.

[3]Makkonen M.Notch Size Effects in the Fatigue Limit of Steel[J].International Journal of Fatigue,2003,25(1):17-26.

[4]Bush A.Fatigue Strength Calculation[M].Stafa—Zarich Switzerland:Trans Tech Publication,1988.

[5]徐灝.概率疲勞[M].沈陽:東北大學出版社,1994.

[6]吳富民.結構疲勞強度[M].西安:西北工業大學出版社,1985.

[7]夏開全,姚衛星.關于疲勞缺口系數[J].機械強度,1994,16(4):19-26.

[8]趙少汴.抗疲勞設計[M].北京:機械工業出版社,1994.

[9]冶金工業信息標準研究院標準化研究所.金屬材料物理試驗方法標準匯編(上)[M].北京:中國標準出版社,2002.

[10]高鎮同,蔣新桐,熊峻江,等.疲勞性能試驗設計和數據處理[M].北京:北京航空航天大學出版社,1999.

[11]孫志禮,陳良玉.實用機械可靠性設計理論與方法[M].北京:科學出版社,2003.