论材料力学中提高构件疲劳强度的物理性技术措施

论材料力学中提高构件疲劳强度的物理性技术措施

曾耀斌

佛山市质量计量监督检测中心528225

摘要：构件使用于机械加工与制造、运输与结构框架、桥梁与楼房建设、支承与生产建设服务设施等，加强对构件疲劳强度的研究，特别是物理方面的技术研究，不仅能提高使用寿命，最大限度发挥构件应有的力学作用，还能提高生产、建设质量，加大安全性能保障，提高产品质量档次，对创建自主品牌、建设和谐和节约型社会具有重要意义。

关键词：材料力学；构件疲劳强度；物理性技术措施

引言：

材料力学，也就是研究构成工程器件物质内部受力情况的一门学科。其研究特点是将宏观的问题放到微观世界去解决，搭建解决材料变形、扭转等一系列问题。构件是材料力学与材料结构学的有机结合，是物理力学最重要的体现。掌握构件结构特点，目的在于提高构件抗疲劳的能力。结合材料力学的特点和物理特性，对此进行简要论述。

一、降低构件表面粗糙度

物理力学原理指出，构件的表面越精细，其应力集中的指向越趋向于平滑；构件表面越粗糙，其应力集中就越明显，造成构件疲劳的机会就越大。因此，减小在构件表面上因加工时刀具切削伤痕所造成的应力集中的影响，可大大提高构件的持久极限。

疲劳破坏一般起源于构件的表面，因此，构件表面的刀纹、伤痕等都会引起应力集中，降低持久极限，降低的程度可用表面质量系数β表示。要达到其表面光滑，需要做好以下几点：

1）尽量选取高质量的加工刀具，如数控机床、磨床、铣床等，以提高其构件的加工精度，确保表面光滑、美观；

2）选取优质钢材，针对不同的加工构件，设计定型的加工刀具和模具，以保障机械零部件在进行表面处理前达到技术要求；

3）对硬铝、镁合金等某些有色金属，即使应力循环的最大应力值十分低，经一定应力循环次数后也会断裂，既要考虑加工构件的外形，更应注意其加工技术，保证一次成功，不能过度强调光滑与弯曲度。

二、合理设计构件的形状

构件的疲劳破坏总从构件中应力最大处的材料产生疲劳裂纹开始的，构件应力最大处都在构件横截面的最外边缘处，或在有应力集中的地方。因此，要合理设计构件的形状，尽量避免在构件上开出方形或带尖角的孔槽，设法避免构件外形的急剧改变，尽可能使其改变有一缓冲和过渡，降低其应力集中系数。

由于结构和工艺的要求，大部分机械零件的形状都有变化，如零件上有螺纹、键槽、轴肩等，虽然这些都是零件必需，但如果处理不当，势必在截面变化处出现应力集中现象或引起应力集中错位，增大疲劳产生区域，这常是构件疲劳裂纹发生的根源。因此，有应力集中的构件，其持久极限比同尺寸的光滑试件应有所降低。

在构件对称循环下，应力集中对持久极限的影响，一般可用有效应力系数Kτ表示其降低程度，钢制阶梯轴，在弯曲、扭转、拉压对称循环时，有效应力集中系数不同，而且差距较大，因此在设计时应充分考虑应力系数，从应力系数和构件的外在形状出发，对在轴上存有螺纹、键槽、模孔时，有效应力集中系数应合理选择。

构件的形状与大小直接影响到应力的集中，设计时要合理注意外在表现，即形状的大小设计，对组合式的构件，电动机、曲轴、连接拉杆等，要全面考虑其应力集中，合理选择材料及构件，以保障组合构件能够正常工作。

三、强化构件表面工艺处理

除形状、尺寸、表面对构件的疲劳强度造成影响外，从力学角度讲，高温、腐蚀介质的作用、表面喷漆工艺处理等都对持久极限产生影响。因此，在做好合理设计、精心加工的基础上，应加强对构件表面工艺的处理，突出做好以下几点。

控制好加工温度。构件在加工过程中，除模具加工时需要高温定型外，整形、弯曲、扭转等制造的中间环节，也需要高温处理，二次高温处理是造成构件疲劳度的重要技术环节。因此，要使用计算机等先进控温手段，保障处理与加工过程做到优质控温，高效生产，保障质量。

选取优质无公害腐蚀介质方法和产品。（1）保障构件外表面无公害，（2）对使用者做到无公害（3）为环保做贡献。构件材料本身腐蚀质量的高低，直接影响到机械零部件的抗疲劳度，选取高环保、低成本、绿色腐蚀产品至关重要。

做好喷漆工艺处理。采用静电喷漆、电子喷漆、微电脑控制喷漆新技术，选取优质油漆，都能有效削除构件疲劳度，延缓构件的受损和腐蚀，提高产品质量。

另外，精心设计运输包装，避免造成二次伤害，也能大大提高构件抗疲劳程度。

四、突出材料内涵，研发优质钢材

解决材料的疲劳强度问题，实际上是研究材料的力学性能，表现在材料自身条件上重要的是材料质量，也就是材料内涵。因此，研发优质材料、加工优质构件是材料力学乃至理论物理研究的重大课题之一。

计划经济时期，我国构件使用的材料，一般集中在碳素钢、低合金钢、碳素铸钢、可锻铸铁、球墨铸铁、灰铸铁等几种。进入21世纪以来，新型钢材层出不穷，不仅填补我国钢铁工业的空白，对提高构件的抗疲劳度，强化应力集中表现也起到积极作用。随着我国特殊钢生产工艺技术装备水平的提高，产品将向特、精、高的方向发展，钢材价值量的增长将明显高于数量增长。用冷镦加工方法制造的紧固件、特殊连接件用的钢称为冷镦钢，主要生产汽车用标准件。冷镦钢占汽车用优质钢材总量的7%～12%，成为我国主导钢材产品之一。

冷镦是在常温下利用金属塑性成型的，冷镦工艺对原材料的质量要求较高。采用冷镦工艺制造紧固件，不但效率高，质量好，而且用料省、成本低。紧固件及冷冲压件是冷镦成型工艺生产的，在冷镦成型工艺过程中，每个零件的变形量很大（60%～85%），而且大多数是一次成型，因此要求冷镦钢具有很高的塑性，在冷镦变形中变形抗力小，不产生裂纹、裂缝等缺陷，加工硬化率低。同时要求冷镦钢材具有高的表面质量。

冷镦性能是冷镦钢的重要性能之一，是冷镦钢应具备的主要性能；对于冷镦钢变形要具有尽可能小的阻力和尽可能高的变形能力。一般要求冷镦钢的屈强比为0.5～0.65，断面收缩率大于50%。为避免在冷镦时表面开裂，要求钢材表面质量良好，同时钢材的表面脱碳要尽可能小。

结束语：

进入21世纪后，紧固件行业大量使用的冷镦钢，不仅品种全，而且品质优、性能好。有调质型合金钢、低温回火型合金结构钢、低碳低合金高强度钢、铁素体-马氏体双相钢等，具有代表性的典型牌号有ML20MnVB、ML40Cr、ML35CrMo、ML20、ML35、ML35Mn、SWRCH10A、SWRCH35K、10B21、15B25、SAE1018、SAE4140等，大大增强了构件的抗疲劳度，为理论物理研究工作者提供广阔的学习、研究天地。

参考文献

[1]张朝晖.ANSYS12.0热分析工程应用实战手册[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]曹用涛.金属力学性能测试进展[J].北京：理化检验-物理分册，2010，30（5）：22-25.