《疲劳设计方法》(二)影响疲劳强度的因素

一、前言讲座(一)里所提的疲劳线图,是根据标准试样的试验结果而绘制的,但由于许多因素的影响,实际使用零件的疲劳极限与上述疲劳线图所得的疲劳极限有很大的差异.因此在零件的疲劳强度设计中,除直接用零件试验得到的疲劳线圈外,经常从试样的疲劳线图上求出零件的疲劳极限,这就需要研究影响疲劳强度的各个因素.试验研究表明,零件的表面状态、应力集中、尺寸和载荷频率对疲劳强度都有比较显著的影响,下面我们就从这几方面来进行分析研究.     

基于临界距离法的含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测

基于临界距离法进行含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测研究。使用轴向疲劳试验测试光滑试样、环状V型缺口试样、孔洞缺口试样的疲劳极限,同时也测试了材料在应力比R=-1下的裂纹扩展门槛值。借助有限元计算,基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限,并采用试验结果验证。研究结果表明,当基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限时,临界距离法中的点法误差较大,而线法具有更高的预测精度,能够满足工程需求。该方法在对预测表面缺陷车轴疲劳强度上具有重要指导意义。     

基于支持矢量机的疲劳应力集中系数预测模型研究

疲劳应力集中系数作为材料疲劳抗力指标的疲劳极限,不仅反映了疲劳应力集中的程度,还反映了材料对缺口的敏感程度,将近年来飞速发展的支持矢量机(Support vector machine,SVM)应用于疲劳应力集中系数的研究。介绍支持矢量机的基本原理,利用LIBSVM,选择高斯型径向基函数(Radial basis function,RBF)作为核函数,建立以材料的抗拉强度、屈服强度、光棒疲劳强度、理论应力集中系数、缺口根部半径、试样尺寸及缺口疲劳极限作为输入值,疲劳应力集中系数为输出值的模型,从而对疲劳应力集中系数进行分析和预测。同时,SVM模型与经验公式Neuber式和Peterson式的计算值进行比较。结果表明,在小样本条件下,应用SVM技术构建的数学模型,模型的拟合相对误差小于7.4%,从而证明该SVM模型的准确性和适用性。     

车轴钢小试样及实物车轴中夹杂物尺寸对疲劳强度影响的差异分析

测试35CrMo车轴钢小试样109周次旋转弯曲S-N曲线并观察裂纹萌生起始位置.结果表明:试样存在传统的疲劳极限,不出现由夹杂物引起的疲劳破坏.既有文献报道,合金车轴钢小试样虽然不出现夹杂物引起疲劳破坏的现象,但全尺寸车轴试样的疲劳试验却发现夹杂物能引起疲劳破坏.这是因为全尺寸车轴试样所受弯曲应力梯度远小于小试样所受弯曲应力梯度,且含有大尺寸夹杂物的概率较大.考虑这一原因,提出通过超声疲劳试验快速获得试样内最大夹杂物尺寸,并利用统计极值法分别预测小试样和实物车轴内最大夹杂物尺寸的方法.基于预测结果,分析最大夹杂物尺寸对小试样和实物车轴疲劳强度影响的差异.试验结果和分析结果为合金钢车轴的开发和强度设计提供了一定的理论依据.     

基于长裂纹扩展阈值的渗碳Cr-Ni合金钢超高周疲劳极限评估

文章旨在构建渗碳Cr-Ni合金钢的超高周疲劳极限预测模型。在两种应力比下对渗碳Cr-Ni合金钢开展超高周疲劳试验,结果表明,渗碳Cr-Ni合金钢的S-N特性呈现持续下降的趋势。通过扫描电镜对断口表面裂纹形貌的观测,当疲劳寿命低于5×10⁵周次时,表面失效是疲劳试样主要失效形式,当寿命高于1×10⁶周次时,内部夹杂-FGA-鱼眼诱发失效成为渗碳Cr-Ni合金钢的主要失效方式。利用裂纹扩展阈值对FGA尺寸进行了评估,结合El-Haddad模型,构建了基于长裂纹扩展应力强度因子阈值的疲劳极限预测模型。与他人模型预测的疲劳极限对比,得出构建的阈值应力模型预测的疲劳极限误差最小,预测结果更保守。     

厚度对5083铝合金薄板超高周弯曲疲劳性能的影响

在超声振动载荷下,对2 mm和5 mm厚5083铝合金薄板进行了超高周弯曲疲劳试验,研究了铝合金薄板厚度对其超高周弯曲疲劳性能的影响。结果表明:5083铝合金薄板的S-N曲线呈连续下降特征,试样在109周次处仍会发生断裂,与一般铝合金的疲劳特征一致,即传统的疲劳极限并不存在;受尺寸效应影响,2mm厚薄板的弯曲疲劳强度高于5mm厚薄板的;尺寸效应在高周阶段对薄板疲劳性能的影响最大,超高周阶段的影响逐渐减弱;试样的疲劳裂纹起源于表面,表现为多源萌生;同应力幅值下不同厚度的5083铝合金薄板断口具有相同的解理特征。     

名词解释

循环应力应变曲线在低周疲劳试验中,经过一定次数的循环后,应力应变的变化趋于稳定,迟滞回线接近于封闭环的应力-应变曲线。应力-寿命曲线在疲劳试验中,得到的各应力σ及其相应的寿命N之间关系的曲线;在低疲劳试验中,得到的各应力σ及其相应的寿命N之间关系曲线,这两条曲线统称S-N曲线。尺寸系数除试样尺寸外其他情况均相同时,非标准尺寸试样的疲劳极限与同材料标准尺寸试样的疲劳极限之比值。载荷谱将实测的载荷-时间历程舍去小载荷,进行简化及处理后得到的用于疲劳试验的加载谱。     

机械零件疲劳强度中间插值二次回归计算法

基于不同理论应力集中系数Kt下材料疲劳极限试验数据的统计分析，建立了机械零件疲劳极限σ-1c的计算模型。当材料光滑试样的疲劳极限和机械零件的理论应力集中系数Kt已知时，利用此方法可比较方便、快速地求出机械零件的疲劳极限的中间插值，且具有满足工程需要的足够精度。     

平均应力对ZG20SiMn和ZG0Cr13Ni4Mo腐蚀疲劳强度的影响

平均应力是对疲劳强度的重要影响因素之一,在不同平均应力下实验得到的疲劳极限图是进行疲劳设计的基础。在腐蚀环境中与在一般空气状态下,平均应力对疲劳强度的影响是不尽相同的,对这一问题应给予应有的重视。实验得出了ZG20SiMn和ZG0Cr13Ni4Mo在不同平均应力下淡水介质中的腐蚀疲劳（CF）极限,发现平均应力对这两种钢材腐蚀疲劳强度的影响非常显著,继续沿用空气中推荐的疲劳极限图可能导致不安全的设计,并对其可能的机理进行了探讨。     

S38C车轴钢的旋转弯曲和超声振动疲劳性能

选取经硬化(强化)处理的S38C车轴钢小试样,分别采用旋转弯曲疲劳试验机和超声振动疲劳试验机进行疲劳试验,研究其旋转弯曲和超声振动疲劳性能。研究表明,对于具有低温回火马氏体组织的S38C车轴材料,若以4×108周次不发生疲劳破坏的最大应力为疲劳极限,旋转弯曲疲劳试验得到的疲劳极限为775 MPa,超声疲劳试验得到的疲劳极限为675 MPa。通过升降法试验得到(旋转弯曲加载)的具有低温回火马氏体组织的S38C材料在108周次的疲劳极限:对应失效概率10%、置信度95%的疲劳强度下极限为707 MPa;对应失效概率1%、置信度95%的疲劳强度下极限为647 MPa。     

汽车常用国产合金结构钢材疲劳极限估算式的探讨

钢材的疲劳极限是汽车零件进行疲劳强度设计及可靠性分析必需的数据，但国产钢材的疲劳极限难以查找。文中用灰色系统理论对σ０．２，σｂ同σ－１进行了关联分析，给出了用σ０．２估算国产合金钢材σ－１的公式，其相对误差一般不超过５％。     

对称平衡型压缩机曲轴疲劳强度的计算——实验估算

由40钢或45钢锻件制造的对称平衡型压缩机的曲轴,长达8.5米,轴颈直径 180～360毫米,最大的一根6M40-320/320型压缩机轴的重量超过8.5吨。由于试验的复杂性及高成本,这种轴的实际疲劳强度很难确定。因此,曲轴疲劳强度在压缩机制造中,是以直径7～10毫米试样的疲劳极限为依据,按比例系数进行估     

S38C车轴钢的旋转弯曲和超声振动疲劳性能研究

选取经硬化（强化）处理的S38C车轴钢小试样,分别采用旋转弯曲疲劳试验机和超声振动疲劳试验机进行疲劳试验,研究其旋转弯曲和超声振动疲劳性能。研究表明,对于具有低温回火马氏体组织的S38C车轴材料,若以4×108周次不发生疲劳破坏的最大应力为疲劳极限,旋转弯曲疲劳试验得到的疲劳极限为775 MPa,超声疲劳试验得到的疲劳极限为675 MPa。通过升降法试验得到(旋转弯曲加载)的具有低温回火马氏体组织的S38C材料在108周次的疲劳极限：对应失效概率10%、置信度95%的疲劳强度下极限为707 MPa;对应失效概率1%、置信度95%的疲劳强度下极限为647 MPa。     

铝合金型材融合口材料疲劳极限测定

为了测试口形铝合金型材融合口处材料的疲劳极限,针对型材尺寸、形状和融合口位置的特殊性--不能设计成符合现有规范的标准疲劳试样形状,设计了L形缺口试样及其疲劳试验夹具。通过有限元模拟试验载荷、仿真试样应力分布,应用数值回归的方法求解出最大应力值,确立了试验载荷与L形缺口试样疲劳应力之间的函数关系。利用设计的试样和夹具进行升降法试验,测得了一种口形铝合金型材融合口处材料的疲劳极限,并对试样进行了断口分析。     

快速测定合金钢疲劳极限的方法

本文对16Mn合金钢试件进行了旋转弯曲疲劳极限的快速测定,六根试件试验的结果表明,用该方法测定的合金钢疲劳极限与用传统的升降法所得结果相比较,其相对误差均小于5％。该方法只需一、二根试件,在二,三个小时内就可测定出材料的疲劳极限。可快速地为机械的疲劳设计提供可靠的数据。     

机械零件疲劳强度中间插值二次回归计算法

基于不同理论应力集中系数Ｋ１下材料疲劳极限试验数据的统计分析，建立了机械零件疲劳极限σ－１ｃ的计算模型。当材料光谱试样的疲劳极限σ－１和机械零件的理论应力集中系数Ｋｔ已知时，利用此方法可比较方便、快速地求出机械零件的疲劳极σ１－ｃ的中间插值，且具有满足工程需要的足够精度。     

国产钢材弯曲疲劳极限估计式的探讨

各种材料的疲劳极限是机械零件进行疲劳强度设计所必需的热据,但国产钢材的疲劳极限比较难以查到。本文对九种国产钢材的疲劳试验数据进行了统计分析,提出适合国产钢材弯曲疲劳极限的新估计式,同时给出了疲劳极限标准差的估计式。     

渗碳层和氮化层中的疲劳断裂源

渗碳层深度为0.7毫米的疲劳试样的断裂源经常发生在表层;而氮化试样的疲劳断裂源则易产生于化合物层和扩散层的交界处附近,这与残余应力在渗层中的分布有明鲜的相对应性。在过高的应力水平时,疲劳源可能在表层发生。改善渗碳件表层组织可有效地提高疲劳强度,18Cr2Ni4wA钢渗碳后重新加热淬火比直接淬火的试样提高疲劳极限35%,比未渗碳的提高疲劳极限70～80%。氮化件原始组织形态对疲劳强度有一定影响;改善渗碳试样的表面光洁度可提高疲劳强度。渗碳件表层和氮化件次层以及其表层所存在的夹杂物,常常成为疲劳断裂源的发源地。     

16Mn钢疲劳强度的概率分布

提出了一种研究指定寿命下疲劳强度概率分布问题的新的统计分析方法。用这种方法可以在不能求得寿命分布的长寿命区,求得疲劳强度的分布。用16Mn 钢的疲劳试验结果和新方法研究了其疲劳强度分布。结果表明,疲劳强度系数遵循对数正态分布理论疲劳极限遵循正态分布,疲劳强度遵循正态分布和对数正态分布。     

2Cr13不锈钢调质工艺参数优选

2Cr13是不锈钢中用途极为广泛的一种,为了对调质工艺参数进行优选,我们在生产中进行了一系列工艺试验。 1.试验方法 (1) 材料和试样 试验用材料成分见表1。硬度、金相试样尺寸为φ15mm×8mm;拉伸试样尺寸为φ10mm;冲击试样为U形缺口试样,尺寸为