材料力学中提高构件疲劳强度的物理性技术措施

肖飞龙 黄结

摘 要 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。

关键词 材料力学；构件；疲劳强度；物理措施

构件，一般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、基本的农机具的底盘与结构载体等，因此，加强对构件疲劳强度的研究，特别是物理方面的技术研究，不仅能够提高使用寿命，最大限度发挥构件应有的力学作用，重要的是能够提高生产、建设质量，加大安全性能保障，提高产品质量档次，对于创建自主品牌、建设和谐和节约型社会都具有重要的现实意义。

1 要合理设计构件的形状，满足应力需求

根据物理力学原理可知，构件的疲劳破坏总是从构件中应力最大处的材料产生疲劳裂纹开始的。在一般情况下，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，尽可能地使其改变有一缓冲和过渡，从而降低其应力集中系数。

众所周知，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的，但如果处理不当，势必在截面变化处出现应力集中现象或者引起应力集中错位，增大疲劳产生区域。这常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。

根据物理力学原理，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，有理论研究表明，钢制阶梯轴，在弯曲、扭转、拉压对称循环时，有效应力集中系数是不同的，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，对于组合式的构件，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。

2 降低构件表面粗糙度，减小表面应力集中影响

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；反之，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。

通过学习物理的材料力学可知，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，从而降低持久极限，降低的程度可用表面质量系数β表示，即：

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）对于硬铝、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。

3 强化构件表面工艺处理，提高抗疲劳能力

除形状、尺寸、表面对构件的疲劳强度造成影响外，从力学的角度讲，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 构件的加工是一个复杂的再生产过程，除工人师傅的技术外，还要注意研究腐蚀介质的品种、质量，做好选取优质、无公害腐蚀液，一是能够保障构件外表面无公害，二是对使用者做到无公害，三是为环保做贡献。实验证明，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，所以说选取高环保、低成本、绿色腐蚀产品，至关重要。

做好喷漆工艺处理 实践证明，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，都能有效地削除构件疲劳度，延缓构件的受损和腐蚀，提高产品的质量。

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。

4 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的质量，也就是材料的内涵。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，不仅填补了我国钢铁工业的空白，重要的对于提高构件的抗疲劳度，强化应力集中表现，起到积极的作用。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長。用冷镦加工方法制造的紧固件、特殊连接件（螺栓、螺母、螺钉、铆钉等）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%，2007年达到和超过了850万吨，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。为此，一般要求冷镦钢的屈强比为0.5～0.65，断面收缩率大于50%。此外，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。

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了广阔的学习、研究天地。

参考文献

[1]东南大学，等.物理学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1992.