疲劳寿命影响因素的试验研究

李 莉 谢里阳 何雪浤 赵晋芳

东北大学,沈阳,110004

0 引言

机械构件的疲劳强度或疲劳寿命受众多因素的影响,如材料本质(如化学成分、金相组织、纤维方向、内部缺陷分布)、工作条件(如载荷特性、加载频率、服役温度、环境介质)、零件状态(如应力集中、尺寸效应、表面加工)等[1]。其中,最为复杂的是应力集中、表面加工和尺寸效应这三方面因素的影响。关于应力集中、表面质量和尺寸因素各自对试样疲劳寿命或疲劳强度的影响,已有大量的研究[1-5]。对于在疲劳设计中如何考虑这些因素的影响见文献[4],文献[5]则在此基础上考虑了各因素的分散性。目前考虑各因素对机械零件疲劳强度或疲劳寿命的影响,大多是分开独立考虑的[4-6],由试验获得的经验公式及图表也是就某一个影响因素而言,而在实际工作中零件必然同时受多个因素的影响,它们之间是相互联系、相互作用的,因此综合考虑这些因素的影响是更有意义的。本文通过试验综合研究应力集中、表面加工和尺寸效应对疲劳寿命的影响。

1 疲劳寿命影响因素

应力集中使结构疲劳强度降低,是影响疲劳强度或疲劳寿命的主要因素之一。应力集中的严重程度通常用理论应力集中系数Kt来度量[2]:

式中,σmax为应力集中处的最大局部应力;σn为应力集中截面的名义应力。名义应力即平均应力,通常可应用材料力学导出的基本方程进行计算。应力集中对疲劳强度的影响不直接由理论应力集中系数决定,而是由疲劳缺口系数Kf(Kf为光滑试件的疲劳极限与缺口试件的疲劳极限的比值)来表征。确定疲劳缺口系数的表达式有很多[7],其中工程中比较实用的是Peterson公式:

式中,q为疲劳缺口敏感系数;a为材料常数,它与晶粒尺寸和材料的强度极限有关;ρ为缺口的根部半径。

零件的尺寸对疲劳强度也有较大的影响,一般说来,零件的疲劳强度随尺寸的增大而降低。尺寸大小对疲劳强度的影响用尺寸系数ε(ε为大尺寸试件的疲劳极限与标准尺寸试件的疲劳极限的比值)表示。

根据许多学者的研究,应力梯度是尺寸效应的成因之一。对于应力梯度的作用机制一般用支持效应来解释[8],即当零件上的应力分布不均匀,存在应力梯度时,零件外层晶粒位移,可能在某种程度上被其内层的应力较低、位移较小及对其外层有支持作用的晶粒所阻滞。

疲劳裂纹常常从零件的表面开始,因为若零件未作表面强化,最大应力一般发生在零件表面,表面上缺陷也往往最多,因此零件表面状态对疲劳强度有显著的影响。表面加工对疲劳强度的影响用表面加工系数β1(β1为加工表面的标准光滑试样的疲劳极限与磨光的标准光滑试样的疲劳极限的比值)表示。

2 试验

2.1 试样的设计

试验材料为锻造35CrMo钢,经调质热处理,其化学成分见表1。疲劳试样的分类见表2。试样设计与加工参照文献[9]进行,试样形状及尺寸如图1～图5所示。

表1 35CrMo钢的化学成分

表2 疲劳试样分类

2.2 试验方法与结果

疲劳试验在PLG—100高频试验机上进行,加载应力比R=—1。将每组试样在σ=237MPa应力水平下进行疲劳试验,得到此应力水平下试样的疲劳寿命见表3。表3中加粗部分的数据根据肖维奈准则[10]已舍弃。

表3 疲劳试验结果

3 试验结果分析

零件疲劳寿命和疲劳强度的分布通常应用Weibull分布描述:

式中,β为形状参数;η为尺度参数;γ为位置参数。

应用矩法[11]对不同试样寿命分布的Weibull分布参数进行估计。首先计算样本的均值与标准差再计算偏态系数:

根据偏态系数值查表得到形状参数的点估计^β及系数ka、kb,其尺度参数 η的点估计为

位置参数γ的点估计为

按照式(1)～式(5),得到试样疲劳寿命Weibull分布三个参数的估计值见表4。表4中,尺度参数反映疲劳寿命的分散程度,它主要由失效的类型决定的,对于相同的材料,由于在某一寿命段内的失效机理基本相同,则形状参数值也基本相同。位置参数主要反应寿命的平均值,如果某种形式的失效需要经过一定的时间才能孕育而成,那么失效分布将在一段潜伏期后某一有限寿命值上开始,这个有限寿命值就是位置参数。

表4 疲劳寿命Weibull分布三参数估计值

3.1 应力集中对疲劳寿命的影响

图6中给出的是标称直径为10mm的光滑磨削试样与单缺口磨削试样疲劳寿命的分布。由图6可以看出应力集中对疲劳寿命的影响很大,光滑试样的平均疲劳寿命为1 033 125次,而单缺口试样的平均疲劳寿命为94 750次,仅是光滑试样疲劳寿命的9.17%。光滑试样疲劳寿命的分散性较大。

3.2 表面加工对疲劳寿命的影响

不同表面加工方式对光滑试样疲劳寿命的影响较小,图7是标称直径为10mm的光滑磨削试样与车削试样的疲劳寿命分布。由图7可以看出,两条曲线的形状相似且相差较小,说明光滑磨削试样与车削试样疲劳寿命的分散性较为接近。

从图 8可以看出,标称直径为10mm和18mm的磨削试样平均疲劳寿命都高于车削试样的平均疲劳寿命,且分散性也比磨削试样的略小一些。标称直径为10mm的单缺口试样受加工方式的影响较大。

3.3 同时考虑应力集中和表面加工对疲劳寿命的影响

由表5可知,标称直径为10mm的光滑车削试样平均疲劳寿命与磨削试样平均疲劳寿命的比为0.9972。单缺口车削试样平均疲劳寿命与磨削试样平均疲劳寿命的比为0.9235。可见表面加工对缺口试样疲劳寿命的影响较光滑试样对缺口试样疲劳寿命的影响略高。应力集中使单缺口磨削试样的平均疲劳寿命仅为光滑磨削试样平均疲劳寿命的9.17%,单缺口车削试样的平均疲劳寿命为光滑车削试样平均疲劳寿命的8.49%。同时考虑表面加工的影响,单缺口车削试样的平均疲劳寿命是光滑磨削试样平均疲劳寿命的8.47%,单缺口磨削试样的平均疲劳寿命是光滑车削试样的平均疲劳寿命的9.20%,可见应力集中和表面加工两种影响因素同时存在时,应力集中对疲劳寿命的影响起主导作用。

表5 标称直径为10mm的各试样平均疲劳寿命的比值

3.4 尺寸对疲劳寿命的影响

由于缺口试件存在应力集中现象,因此不论受拉、受压、受弯或受扭都存在应力梯度的问题,那么尺寸对缺口试样疲劳寿命分布的影响也是存在的。由图9、图10可以看出尺寸对单缺口磨削试样和多缺口磨削试样疲劳寿命的影响是相同的。理论应力集中系数近似相等的两种单缺口试样,标称直径为18mm的大尺寸缺口试样的平均疲劳寿命及分散性较大。

4 结束语

试验研究了应力集中、表面加工及尺寸三方面因素对疲劳寿命分布的影响。试验结果表明表面加工对光滑试样的影响和对缺口试样的影响是不同的,那么通常由光滑试样获得的表面加工系数经验图表,直接应用于存在应力集中零件的疲劳设计中是不妥当的。对于同时存在应力集中和表面加工影响的零件,应力集中对疲劳寿命的影响比表面加工对疲劳寿命的影响大许多,本试验达到10倍以上,说明此时应力集中对疲劳寿命的影响起主导作用。标称直径为18mm的缺口试样即本试验中的大尺寸试样的平均疲劳寿命比小尺寸试样的平均疲劳寿命长,说明纯粹意义上的尺寸效应在缺口试件中是不起作用的,危险点周围材料的应力梯度是造成尺寸效应的关键。

[1]李舜酩.机械疲劳与可靠性设计[M].北京:科学出版社,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]徐灏.概率疲劳[M].沈阳:东北大学出版社,1994.

[6]吴富民.结构疲劳强度[M].西安:西北工业大学出版社,1985.

[7]夏开全,姚卫星.关于疲劳缺口系数[J].机械强度,1994,16(4):19-26.

[8]赵少汴.抗疲劳设计[M].北京:机械工业出版社,1994.

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[11]孙志礼,陈良玉.实用机械可靠性设计理论与方法[M].北京:科学出版社,2003.