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在以疲勞為主的應(yīng)用場合,材料的選擇可能是材料工程
師所面臨的最困難的任務(wù).
首先應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到,工程設(shè)計已經(jīng)有、而且將來還會有過剩
的靜強度儲備,這是非常有用的.在所有情況下,對選材所要
求的都是各種性能的最佳可能組合,但這一點不能過分強調(diào).
而且,為了獲得已經(jīng)改善的疲勞抗力,必須用犧牲靜強度來換
取良好的疲勞抗力時,也是可以接受的.目前先進合金所采
用的冶金處理方法,一般都用犧牲靜強度來優(yōu)化包括韌性和
疲勞抗力在內(nèi)的綜合性能.
對于金屬材料,首要的一點是明確在任一給定情況下裂
紋擴展第1階段究竟占總壽命的多少.對連接件而言,實際
上可以不計第1階段裂紋的擴展壽命,疲勞總壽命基本上決
定于宏觀裂紋的擴展速率.對于象曲軸這類機械零件,雖然
不需要連接但卻含有應(yīng)力集中,因此第1階段的壽命也許很
短;然而,有一個最優(yōu)化的范圍,而且值得考慮的是怎樣才能
確定這一范圍.如前所述,韌性材料的疲勞裂紋在很窄的強
滑移帶中起始,提高屈服強度即可阻止這一過程.提高屈服
強度可以靠穩(wěn)態(tài)的位錯網(wǎng)和增加細小彌散粒子的數(shù)量等方法
來實現(xiàn).另一方面,增加大的硬粒子數(shù)量也許能加速這一過
程,這在硬基體中尤為突出(因為在已破碎的金屬間化合物上
起始的疲勞裂紋,在第1階段裂紋改變方向之前就能擴展一
段較短的距離).當(dāng)局部應(yīng)力集中系數(shù)增加時,也會加速裂紋
的起始過程.
顯然,在設(shè)計上應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮盡可能消除所有的應(yīng)力集
中.由于要完全消除應(yīng)力集中往往是不可能的,因此必須考
慮要盡可能把殘余的應(yīng)力集中效應(yīng)減至最小,這可通過對所
有的外形和表面進行磨削和拋光的方法來達到.用表面滾
壓、火焰硬化或滲氮等對關(guān)鍵部位的倒角與外形進行表面硬
化處理,也能進一步使之得到改善.
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