疲劳极限

经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值

疲劳极限是指经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，又称为持久极限。材料的疲劳极限是材料本身所固有的性质，因循环特征、试件变形的形式以及材料所处的环境等不同而不同，需疲劳试验定。测定需要用若干光滑小尺寸试样，在专用的疲劳试验机上进行试验。

基本概念

疲劳极限是材料学里的一个极重要的物理量，表现一种材料对周期应力的承受能力。疲劳极限是指经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，又称为持久极限。许多塑料事实上并不存在疲劳极限，为此，特用循环次数达到10的10次方而试样尚有50%不破坏情况下的应力表示疲劳极限。

一材料试片在不同大小的周期应力下，使材料破坏需要的周期数也随之不同。应力大小和周期数的关系可以用S-N图表示。一般而言，周期应力越小，需材料破坏需要的周期数越多。但铁合金和钛合金有一特性，当周期应力大小低于一特定数值，材料可以承受无限次的周期应力，不会造成疲劳，此数值对应S-N图右侧的水平线。

如何测定

将试样分成若干组，一般使第一根试件受到的最大应力 ≈0.70

，若它经历次应力循环发生疲劳破坏，则称为为应力为时的疲劳寿命。然后，对其余试件逐一减小其最大应力值，并分别记录其相应的疲劳寿命。这样，如以应力为纵坐标，以寿命为横坐标，上述试验结果将可描绘出一条光滑曲线，称为应力寿命曲线或S－N曲线。一般来说，随着应力水平的降低，疲劳寿命迅速增加。钢试件的疲劳试验表明，当应力降到某一极限值时，S－N曲线趋近于水平线。这表明：只要应力不超过这一极限值，N可无限增长，即试件可以经历无限次应力循环而不发生疲劳，这一极限值即为材料在对称循环下的持久极限。

所谓“无穷多次”应力循环，在试验中是难以实现的。工程设计中通常规定：对于S－N曲线有水平渐近线的材料（如结构钢），如果钢制试件常温下经历10^7次应力循环仍未疲劳，则再增加循环次数也不会疲劳。所以就把在10^7次循环下仍末疲劳的最大应力规定为钢材的持久极限，并把 =10^7称为循环基数。有色金属的S－N曲线一般没有明显趋于水平的直线部分，通常以

影响因素

光滑小试样的疲劳极限，并不是构件的疲劳极限。构件的疲劳极限与构件状态和工作条件有关。构件状态包括应力集中、尺寸、表面加工质量和表面强化处理等因素；工作条件包括载荷特性、介质和温度等因素，其中载荷特性包括应力状态、循环特征、加载序和载荷率等。

应力集中的影响——有效应力集中系数

在构件或构件截面形状和尺存突变处《如阶梯轴轴肩圆角、开孔、切槽等），局部应力远远大于按一般理论公式算得的数值，这种现象称为应力集中，显然，应力集中的存在不仅有利于形成初始的疲劳裂纹，而且有利于制纹的扩展，从而降低构件的疲劳极限。

在弹性范围内，应力集中处的最大应力（又称峰值应力）与名义应力的比值称为理理论应力集中系数。用K表示，即

式中 ——峰值应力； ——名义应力。对于正应力 → 、；对于切应力 → .

理论应力集中系数只考虑了构件的几何形状和尺寸的影响，没有考虑不同材料对于应力集中具有不同的敏感性，因此，根据理论应力集中系数不能直接确定应力集中对疲劳极限的影响程度。考虑应力集中对疲劳极限的影响，工程上采用有效应力集中系数，它是在材料、尺寸和加载条件都相同的前提下，光滑试样与缺口试样的疲劳极限的比值

式中，和分别为光滑试样与缺口试样的疲劳极限，S仍为广义应力记号。

有效应力集中系数不仅与构件的形状和尺寸有关，而且与材料有关。前者由理论应力集中系数反映；后者由缺口敏感系数q反映。三者之间有如下关系

此式对于正应力和切应力集中都适用。

构件尺寸的影响——尺寸系数

前面所讲的疲劳极限为光滑小试样（直径6~10mm）的试验结果，称为“试样的疲劳极根”或“材料的疲劳极限”。试验结果表明，随着试样直径的增加，疲劳极限将下降，而且对于钢材，强度愈高，疲劳极限下降愈明显。因此，当构件尺寸大于标准试样尺寸时，必须考虑尺寸的影响。

尺寸引起疲劳极限降低的原因主要有以下几种：一是毛坯质量因尺寸而异，大尺寸毛坏所包含的缩孔、裂纹、夹杂物等要比小尺寸毛坯多；二是大尺寸构件表面积和表层体积都比较大，而裂纹源一般都在表面或表面层下，故形成疲劳源的概率也比较大；三是应力梯度的影响。构件尺寸对疲劳极限的影响用尺寸系数度量，表示为

式中，和分别为试样和光滑构件在对称循环下的疲劳极限，也适用于切应力循环的情形。

表面加工质量的影响——表面质量系数

机械加工会给构件表面留下刀痕、擦伤等各类缺陷，由此造成应力集中，对构件作渗氮渗碳、淬火等表面处理，会提高表面层材料的强度。一般情况下，最大应力出现在构件表面层，所以构件表面加工质量将影响疲劳极限。

表面加工质量对劳极限的影响，用表面质量系数度量，表示为

式中，和分别为磨削加工和其他加工情况时的对称循环疲劳极限。

其他因素对疲劳板服的影响

前面讲述的3个影响因素已经做成相关的图表，可以在图标中查阅。还有一些因素，如载荷状况、工作温度和环境介质等均对零件的疲劳强度也有很大影响。过载将造成过载损伤使材料的疲劳强度降低。工作温度升高会使材料的疲劳强度降低，反之会增加。零件在腐钟性介质中工作时，零件表面被腐蚀形成缺口，产生应力集中而使材料的疲劳强度降低具体影响程度需要通过相应的疲劳试验确定。

提高途径

所谓提高疲劳强度，通常是指在不改变构件的基本尺寸和材料的前提下，通过降低影响构件疲劳极限因素的影响来提高构件疲劳强度。也即主要通过消除或降低零件上的应力集中和附加应力，改善表面质量，等等，提高构件的疲劳极限

（1）减应力集中中一对于零件上截面变化处，如孔、键槽、过渡圆角、螺纹等处要注意截面变化不可突然，孔的边缘、过渡圆角处应圆滑，表而要光洁。例如曲柄过渡圆角半径不应小于曲柄销径直径的5%，否则就会产生严重的弯曲应力集中。

（2）增强表层强度一采用渗碳、渗氮、碳氮共渗等表面化学热处理可有效地提高零件的表面疲劳强度：对构件表面实施冷机械加工，如采用喷丸、表面滚压等表面强化工艺可使表面形成一层预压应力层，降低了容易萌生疲劳裂纹的表面拉应力，显著提高零件表面的疲劳。

（3）降低表面粗糙度一一构件表面加工质量对疲劳强度影响很大。疲劳强度要求较高的构件，应有较低的表面粗糙度。高强度倒对表面粗糙度更为敏感，只有经过精加工，才有利于发挥它的高强度性能。否则将会使持久极限大幅度下降，失去采用高强度钢的意义在使用中也应尽量避免使构件表面受到机械损伤（如划伤）或化学损伤（如腐蚀、生锈等）

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