材料的疲劳强度

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第677页（672字）

选择以疲劳强度为主的零件的材料，是设计时最困难的任务。因为零件的疲劳失效和裂纹的萌生与扩展过程分不开。裂纹多数萌生在零件表面处。由于表面处的晶粒发生往复滑移而形成微小的凹陷，在交变应力作用下而发生扩展。裂纹扩展可分为两个阶段。第一阶段主要沿滑移平面扩展，称作微观裂纹扩展。在没有应力集中的试样中，第一阶段延续的时间约占试样总寿命的90%。第二阶段的扩展与材料的晶体结构无关，大约是沿着与最大张应力垂直的方向扩展，产生疲劳条纹，称作宏观裂纹扩展。第二阶段的扩展远快于第一阶段的扩展。

裂纹在第一阶段的萌生与扩展，主要取决于材料的基体强度。所以，如果零件没有应力集中源，则整个疲劳过程中主要由第一阶段构成，应选用高强度材料。但是，在高强度基体的前提下，还必须考虑其组织。例如铁索体—珠光体组织就不及调质组织，因前者有粗大的渗碳体(第二相)，容易在其界面处萌生裂纹。如果零件存在应力集中源，则裂纹扩展的第二阶段可能成为决定疲劳寿命的主要因素(占总疲劳寿命的90%以上)。此时应尽量减轻键槽、截面突变等处的应力集中状况，以提高零件的疲劳强度。减轻应力集中的有害影响最为有效的方法，是将该零件进行表面硬化处理(如渗碳、氮化、表面淬火)或在截面突变处施行表面强化(如辊压等)，以减低裂纹扩展速度。

对于非金属材料，如工程塑料和复合材料的疲劳强度，由于涉及因素(循环速度、温度等)太多，目前还无成熟的规则可循。