从材料强度学的观点论机械零件疲劳寿命的优化

Kt=0光滑试样 320℃﹥250℃ ﹥680℃ Kt=1.9 320℃﹥400℃ ﹥200℃ ﹥500℃
Kt=4.6
400℃﹥200℃ ﹥500℃
24
2）疲劳裂纹扩展速率（da/dn）与缺口半径（r）， 回火温度℃的关系。
r=0.12mm r=1mm
da/dn
1、钢的da/dn在某一回火温度下
出现低谷。 2、随着缺口半径的变小，Kt↑
σs
MPa 895
σb
MPa 1040
ψ
% 41
60Si2Mn
A(J)
2150
2300
1
104
105
N
内六角凸模（M18-20）冷墩材料： W18Cr4V钢 寿命 ﹤100件 60Si2Mn钢 寿命 1000件 失效形式由断裂转变为磨损。 在高的多次冲击能量作用下，可采用塑 性、韧性好的弹簧钢作冷墩模。
对于承受多次冲击的变速箱换齿轮则须降至HTC56-60 综上，拉，压、弯、扭十多次冲击加载性质时，选材，用 材就略有不同。
16
3、不同的载荷（A冲击能量或σ 应力） 大小与选材、用材
1）、与选材——论按用途分类选材原则的局限性
不同的冲击能量（A）作用下，不同强、塑、韧配合材 料的冲击疲劳抗力不同，选择材料的合理性也不同，例如：
σb Mpa 2005 1500 1120 810
δ % 6.4 11.1 13.7 22.9
ψ % 15.5 52.3 57.8 68.4
αk kg-M/cm2 4.0 4.9 8.7 13.7
δ-1 Mpa 640 610 530 400
δ-1n Mpa 500 430 375 270
可见：可以通过改变回火温度，获得强度与塑性、韧性的不同搭配
400
MPa
200 1.4 2.2 3.0 3.8
理论应力集中系数Kt
27
3）、[实例]飞机起落架
受力情况：
飞机起降时起落架受周期变动的随机弯曲和扭转载荷。 飞机降落时受强烈的冲击载荷。
材料及其使用强度水平
30CrMnSiNi2A钢 σ b =1760Mpa
28
5、表面形变强化、可使最佳回火温度向低温方向移动
2
钢材经淬火、回火后，强度与塑性、韧性比消彼长
σs 、 σ b ↑↓ δ 、 α k ↑↓
40Cr淬火、不同温度回火的机械性能
840℃淬火 后回以温度 200 ℃回火 390 ℃回火 500 ℃回火 670 ℃回火
硬度 HRC 50 45 35 24
σs Mpa 1610 1400 1060 725
A可能发生剪切断裂。 B处为闪光对焊接头，可能
发生脉动拉应力疲劳断裂。
2）同一零件不同的A、B两部位 由于所处的应力状态不同，相应地各自 所要求的强、塑、韧配合也不同。 A处属软的应力状态； B处属硬的应力状态。
32
3）设计强、塑、韧配合两全的热处理工艺
为了实现热处理后不同部位硬度的有利分布。
1.5
103
104
105
→N 高锰钢(Mn13)是制作坦克,拖拉机履带板等的传统材料。 可用低碳马氏体合金钢制作履带板、斗齿等零件。 21
2）、用材——论钢的回火
104 N ↑ 103
A1﹥A2 ﹥A3 ﹥A4 A4 A3 A2 A1
102 300 400 500 600
℃
50钢回火温度及不同能量下的多次冲击断裂周次的关系。 规律是： 随着A↓，所对应的最佳回火向低温方向转移。
22
不同含碳量的钢多次冲击疲劳抗力高峰所对应的最佳回火温度。 规律是： 1）随着%C↑，最佳回火温度向高温方向转移。 2）反之， %C↓，最佳回火温度向低温方向转移。
23
4、不同应力集中系数（Kt）与选材、用材
1）、缺口应力系数Kt↑，对应最佳多次冲击疲劳 的回火温度向中温回火方向移动。
例如：40钢的多次冲疲劳试验结果
6
断口失效分析：
受大压-小拉+弯曲复合交变应力，经历几十 万次多次冲击疲劳断裂。 改进技术措施：
热处理方案 供应状态40Cr钢材 40Cr淬油、650 ℃回火 40Cr淬油、500 ℃回火 40Cr淬油、450 ℃回火 冲击韧性αk kg-M/cm2 9.0 使用寿命 17天(25.5万次) 33天(49.5万次) 半年未断 4个月未断
从材料强度学的观点论机械零 件疲劳寿命的优化
中国工程院院士 四川大学 教授
涂铭旌
2009.04.04
1
一、材料的强度、塑性、韧性 与使用寿命的辩证关系
1、材料的强度与塑、韧性及其异变关系
材料的强度、塑性、韧性判据
强度σs 、 σ b（Mpa） 塑性δ 、ψ （%） 韧性冲击α k （kg-M/cm2 → J）； 断裂韧性K1c（Mpa m ）
13
2）、接触疲劳寿命与硬度的关系
静态接触疲劳寿命的峰值硬度～HRC62 冲击接触疲劳寿命的峰值硬度为HRC58-60
110
60
平均寿命
100 90 80 70 60 58 60 62 64 66
多种接触寿命
50 40 30 20 10 0 56 58 60 62 64 66
HRC
HRC
接触疲劳寿命与硬度的关系
12
2、同一载荷，不同加载性质与选材、用材
当拉、压、弯、扭十多次冲击的场合： 1）、弯曲疲劳（脉动弯曲疲劳与多次冲击弯曲疲劳极 限的差异）
钢号及工艺 45钢正火 40Cr淬火200 ℃回火
缺口脉动弯曲疲劳极限 σ -1 Mpa 225 340
多次冲击弯曲缺口疲劳极限 σ -1 Mpa 105不断为基数 181 282
2、降低 3、降低 Si﹤0.05-0.09% Mn﹤0.5%
4、加入Cr、Mo合金元素 5、Al、Ti、Ni或V、Nb微合金化
31
7、某一零件不同部位的应力状态要求不同的强、塑、 韧合理配合
闪光对焊焊头 HRC36 37 39 40
44
46 B处正断部位
A处 剪切断裂部位
1）园环链可能发生的断裂部位
1）、当α ＜1拉伸、弯曲载荷时的材料设计
在适当提高使用强度水平的同时，要求较高塑性、韧性相 配合。 ↑σ s、 σ b+较高的δ、ak、
采用中、低碳钢、合金钢高温或中温回火。
10
2）、当α ﹥1扭转载荷时的材料设计
进一步提高材料使用强度水平，要求一定的塑性、韧性配合。 ↑σ s、 σ b+一定的δ、ak、
104
105
106
N
加载循环次数
18
[例2]低碳马氏体具有高的多次冲击疲劳抗力
不同含碳量的碳钢经过淬火、低温回火后，进行多次冲击疲劳寿命比较试验。
加 载 N 循 环 次 数
0.4
A1
A1﹤A2
A2 0.8 %C
钢中含碳量
19
[例3]高速钢与弹簧钢作为模具钢的选择
钢种及热处理 60Si2Mn 920 ℃油淬 520 ℃回火 W18Cr4V W18Cr4V 1180 ℃油淬 560 ℃三次回火
200
经表面形变强化后，最佳回火温度由中温回火向低温回火方向转移。
29
6、提高使用强度σ b水平与延迟断裂强度的关系
1）、延迟断裂的概念
延迟断裂 是在静止应力作用下的 材料，经过一定时间以 后，突然脆性破坏的一 种现象，是氢致脆化的 结果。
2500 延 2000 迟 断 1500 裂 强 1000 度 M 500 P a 0
20
[例4]高锰奥氏体钢与低碳马氏体钢的选择
J
Mn13(奥氏体)
钢种及热处理 Mn13奥化体钢 1050℃淬火 27SiMn低碳马氏体 920 ℃淬火 200 ℃回火
A ↑
3.5 27SiMn低碳马氏体
σs MPa ≥ 560 1670
ψ % ≥ 15 10.1
ak KgM/Cm2 ≥ 20 3.2
500
1000
1500
2000
强度σ b对低合金马氏体钢延迟断裂敏 感性的影响
30
2）使用高强度钢时受到延迟断裂危险的限制。
当σ b﹥1200Mpa时，钢的延迟断裂强度便急剧降低。 对于紧固件、弹簧、链条等零件的高强度化受到限制。
3）国内外正在开发
超高强度和耐延迟断裂的高强度螺栓钢，应用强度1300-1400 （1500）Mpa 措施：1、纯净化、S、P≤0.015%

先采用800Hz低频感应加热对园环链进行淬火， 再用感应加热回火到500-520℃。
由于感应线圈加热的不均匀性，即焊接接头B处的回火温度高，硬
度HRC36，A处的回火温度低，HRC44-46，达到了同一零件不同 部位强、塑、韧的有利配合。
33
三、本讲小结
1、最佳强、塑、韧合理配合 的变异规律
钢的σb↑， σ -1、 Fra Baidu bibliotek -1n ↑ σ -1与σ b．ψ呈线性关系 说明： 钢的疲劳强度σ -1与σ b和塑性的乘积呈直线关系；在相同 强度条件下，塑性越高， σ -1则也就提高。
σ
-1
σ
26
600
σ -1MPa
1400 疲 1000 劳 极 限 600 （ ） 200 2 6 10 14 σ b(MPa)×ψ ×104
（a）轴承钢（b）20CrMo钢渗碳淬火后不同温度回火 14
3）、滑动磨粒磨损与多次冲击磨粒磨损
各种碳钢经淬火，180 ℃回火后的磨损试验结果 1、滑动磨粒磨损的情况下，钢的含碳量越高，磨损量越小。 2、多次冲击磨粒磨损的情况下，T8钢（0.8%）的磨粒磨损量最小，位于磨损曲线上的低谷。
15
4）、一般常咬合渗碳齿轮的表面硬度要求HRC58-63
强度为主，要求一定的塑性和韧性配合”。
为了获得最佳的疲劳寿命，必须根据零件的
不同服役条件，通过不同的回火温度调节出 最佳的材料强、塑、韧合理配合”。
5
[实例]提高一吨模锻锤锤杆使用寿命的工程试验
锤杆Φ 120×2360mm；205公斤重。
原来使用情况：
30CrMnSi或30CrNi3A优质合金钢， 淬火后650 ℃高温回火，250-300HB 使用寿命 1个月左右
当tmax＞ σ max(α ＞1)时
“硬性”应力状态
当tmax＜ σ max(α ＜ 1)时
不同载荷下的α
缺口拉伸 单向拉伸 α=0. 5 硬性应力状态
不同
弯曲 扭转 单向压缩
α=0.25
α=0. 74
较软
α=1
α=2
软性应力状态
应力状态α
不同，选材、用材的原则也不同
9
2）、不同应力状态，有不同的强、塑、韧合理配合
多 次 冲 击 断 裂 次 数 N
钝缺口试样 104 滚压力1.5KN 材料40Cr 103
缺口未滚压
102 300 400 500 回火温度℃ 不同回火温度下滚压对提高多次冲击疲劳寿命的效果
在缺口未滚压前，40Cr钢淬火后获得最佳多次冲击疲劳寿命的回火温度为400℃中温回火。 在缺口滚压形变强化后，40Cr钢获得最佳多次冲击疲劳寿命的回火温度为200℃即低温回火。
7
13.2 8.7 4.9
二、强、塑、韧合理配合与优化选 材、用材
1、应力状态与合理选材、用材
1）、拉、压、弯扭载荷的应力状态 应力状态的表征： 软性系数α =
t max max
零件在外加载荷作用下，其内部的某一点的最大应 力可分为最大切应力（tmax）和最大正应力σ max
8
“软性”应力状态
350℃
500℃
最佳da/dn的回火温度向高温
方向移动。
回火温度 40CrNiMO钢 淬火后不同温度回火
25
3）、Kt与钢的疲劳强度
Kt-σ -1、σ
弯 800 曲 疲 600 劳 强 度 400 200 0 600 2000 1500 1000 抗拉强度，σ b（MPa）
-1n的关系
， -1n
采用中碳钢、中碳合金钢中温回火。
3）、当α ﹥1压缩载荷时的材料设计
要求高的强度、硬度，可以使用应用硬而脆的材料。
11
3）、实例： 举例[1]滚动轴承
用高碳合金钢Gcr15、淬火、低温回火；甚至用陶瓷轴承。
举例[2]弹簧
钢板弹簧受弯曲α =0.75，采用60si2mn,高温回火363-457HB 螺旋弹簧受扭转应力α =1，采用50Crv,中温回火427-514HB
3
2、传统的用材观念
“为了使用安全，过份追求材料的塑性和冲击韧性， 不息牺牲强度”；
后果是： （1）使用的材料强度水平低，疲劳寿命低，造成机 器粗大笨重；
（2）追求过大的一次冲击韧性，即使在承受小能量
冲击载荷场合下，使用寿命不长，也并不安全。
4
3、新的材料强度学观点
“材料的多次冲击疲劳抗力主要取决于以
17
[例1]45钢与球墨铸铁的选择
σ s MPa ﹥600 ﹥600 σ b MPa ﹥340 ﹥420 δ% ﹥16 ﹥2 aKKg-m/cm2 ﹥8 ﹥1.5
冲 击 能 量 A J
5.0
45钢
球墨铸铁 2.5
45钢调质 球墨铸铁 结果说明: 球墨铸铁的塑性、韧性虽说很低，但对于按无限疲劳寿命设 计的某些零件如曲轴、连杆可以采用球墨铸铁取代45钢制 造。