影响疲劳极限的主要因素

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15.3  影响疲劳极限的主要因素
用光滑小试件测得的疲劳极限是材料的疲劳极限。但由于构件的外形结构、截面尺寸以及加工方式等各式各样，完全不同于光滑小试件，这样，构件的疲劳极限也不同于材料的疲劳极限，它不仅与材料性质有关，而且还与构件的外形结构、截面尺寸以及加工方式等因素有关。
15.3.1  应力集中对疲劳极限的影响
在5.2中已知道，构件截面尺寸突变处（如切槽、圆孔、尖角等）存在应力集中。应力集中促使裂纹形成与扩展，因而，应力集中将使疲劳极限明显降低。应力集中的程度，可以用理论应力集中系数描述。工程中，已将各种情况下的理论应力集中系数编成手册，图15-11a~图15-11k就是从中节选的部分图表。图中， 为理论应力集中系数，对于正应力 ；对于切应力， 。

理论应力集中系数只考虑了构件外形结构的影响，没有考虑材料对应力集中的敏感性。这就是说，用不同材料加工成形状、尺寸相同的构件，则这些构件的理论应力集中系数是相同的。因而，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。工程中，应力集中对疲劳极限的影响程度用有效应力集中系数 表示，它是在材料、尺寸、加载条均相同的前提下，光滑小试件与有应力集中小试件疲劳极限的比值，即
　　　　　　　　　　　　　　                             （15-6）
式（15-6）中， 是材料的疲劳极限； 是有应力集中小试件的疲劳极限。
可查相应的手册获得有效应力集中系数 （从略）。这里介绍计算有效应力集中系数的一个经验公式
　　　　　　　　　　　                          （15-7a）
式（15-7a）对于正应力与切应力均成立，对于正应力，可写成
　　　　　　　　　　                          （15-7b）
对于切应力，可写成
　　　　　　　　　　          　　　　　　　　（15-7c）
式（15-7）中， 为材料对切口的敏感系数。对于钢材可由图15-12中曲线查得。当缺口半径 时，可采用外推法，将 处曲线的切线作为该曲线的延长，求出 值。若外推后得到 的结果时，取 。










15.3.2  构件尺寸对疲劳极限的影响
弯曲与扭转试验表明，疲劳极限随试件横截面尺寸增大而减小。引起这一现象的原因，可用图15-13中两根直径不同的试件来说明。图15-13中，在最大弯曲正应力相同的条件下，大试件处于高应力区的材料多于小试件。这样，大试件出现裂纹的可能性要大于小试件，疲劳极限就要低于小试件。
尺寸对疲劳极限的影响程度用尺寸系数 来描述，即
　　　　　　　　　　 　　                               （15-8a）
式（15-8a）中， 为光滑大试件的疲劳极限。
对于正应力                                              （15-8b）
对于切应力                                             　（15-8c）
钢材的尺寸系数可由图15-14查得。

15.3.3  表面加工质量对疲劳极限的影响
机械加工会给构件表面留下刀痕、擦伤等各种缺陷，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，这样，构件表面加工质量将影响疲劳极限。加工质量对疲劳极限影响程度用表面质量系数 表示，即
　　　　　　　　　　　                                （15-9）
式中， 为有别于光滑小试件加工（磨削加工）的疲劳极限。表面质量系数可查有关手册得到，见图15-15。由图可见，表面加工质量愈低，对疲劳极限降低得愈多；材料的静强度愈高，加工质量对疲劳极限影响得愈显著。
15.3.4  其它因素对疲劳极限的影响
构件所处的周围环境，如温度、腐蚀性与放射性介质等；极端环境，如太空；荷载频率等因素均对疲劳极限有影响。其影响程度亦可通过疲劳试验用相应的影响系数表示。