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弹簧材料的抗疲劳性



抗疲劳性在交变应力作用下,弹簧材料发生断裂的现象叫疲劳断裂,此时的应力值远低于抗拉强度。疲劳断裂在断裂前没有明显的塑性变形,其断口外观通常呈现为平滑区和粗颗粒区两部分
衡量材料抗疲劳性的主要指标是疲劳极限,其物理意义是:在交变载荷的条件下,材料承受无限多次的应力循环而不被破坏的极限应力。
在工程上提供疲劳性能的基本方法通常是依靠试验获得金属材料的疲劳曲线(S-N曲线),即建立应力幅S与相应的断裂周次N之间的实测关系曲线
应力种类(如反复弯曲、拉压、反复扭转或复合应力)不同时,其疲劳极限不同。材料的疲劳现象存在以下一些规律。
1)工件承受的变应力最大值越高,断裂前所能承受的应力循环周次N越小;而应力最大值越低,断裂前的应力循环周次 N 越大。在一定条件下,当应力最大值低于某值时,材料可经受无限次应力循环而不发生断裂。循环应力与断裂周次间的关系,即疲劳曲线(S-N曲线)。从该曲线可明显地看到,当应力最大值低于某值后,曲线逐渐与横坐标平行,成为定值,此时的应力值即为疲劳极限。
2)实践证明,大多数钢铁材料的疲劳曲线在10的7次方周次后变为水平,而有色金属和某些超高强度钢的疲劳曲线无明显水平部分,需经10的8次方周次或更多周次应力循环后才能有条件地确定疲劳极限。为了方便起见,常根据实际需要规定一有限值(一般为5×10的7次方或10的8次方周次),把应力循环周次超过此有限值而不断裂的最大应力称为材料的条件疲劳极限。
3)对于受正负交变循环应力作用的材料,在最大应力相同的前提下,应力为对称循环相比应力为不对称循环而言对材料造成的损害更大。当应力为不对称循环时,若最大应力相同,则应力循环不对称的程度越大,试件断裂前经受的应力循环周次越多,亦即对材料造成的损害越小。
4)不同材料,虽有相同的疲劳极限,但其疲劳曲线斜线部分的左右位置和倾斜角大小可能不同。这表明材料对疲劳过载荷(应力超过疲劳极限时的载荷)的抗力不同。疲劳曲线倾斜部分各点的应力水平与相对应的循环周次称为过载持久值或有限周次的疲劳强度。全面评价材料的疲劳抗力时,应有完整的疲劳曲线。
5)材料的疲劳曲线是由实验测定的,实验数据的分散性是很大的。严格地说S-N曲线实际上是一个曲线带。因此,疲劳曲线应看作是一组试验所得的分散带的均值。当疲劳数据足够多时,可将数据用概率统计法画出不同破坏概率的一组疲劳曲线,即P-S-N曲线,其中P表示疲劳破断概率。通常绘出的S-N曲线相当于破断概率P=50%的P-S-N曲线
6)影响疲劳性能的因素很多,除去材料本身外,零件的制作工艺、使用环境等都有不同的影响。因此对于一些重要的零件,在定型时需要进行疲劳试验。

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