第2章　疲勞失效影響因素與提高疲勞強度的措施

2.1　應力集中效應

2.1.1　應力分布及材料對應力集中的敏感性

在零件幾何形狀變化處，如軸肩、溝槽、橫孔、鍵槽等，零件的應力分布不均勻，局部應力遠大于名義應力的現象稱為應力集中效應。

圖28-2-1表示受拉寬板上圓孔附近的應力分布。通過孔中心的橫截面上的軸向應力σ_y和橫向應力σ_x分別為：

　　（28-2-1）

　　（28-2-2）

式中　σ_n——名義應力；

σ_y——軸向應力；

σ_x——橫向應力；

x——離孔中心的距離；

r——孔的半徑。

圖28-2-1（b）表示σ_y /σ_n和σ_x /σ_n隨x/r變化的曲線。可以看出，孔邊上的應力σ_y為名義應力的三倍，且σ_y值隨著離孔邊距離的增大而迅速降低。

在材料的彈性范圍內，最大局部應力σ_max與名義應力σ_n的比值α_σ，稱為理論應力集中系數，即

　　（28-2-3）

剪應力的理論應力集中系數定義為：

　　（28-2-4）

理論應力集中系數的大小，一般不能作為由于存在局部峰值應力而使疲勞強度降低的指標。應力集中區的局部峰值應力常超過屈服點，使部分材料產生塑性變形，從而使應力重新分配。應力集中對零部件疲勞強度的影響不僅取決于其幾何形狀，而且還與材料性質以及載荷類型等因素有關。

在循環應力條件下，把實際衡量應力集中對疲勞強度影響的系數，稱為有效應力集中系數K_σ或K_τ。在載荷條件和絕對尺寸相同時，循環應力下的有效應力集中系數，等于光滑試樣的疲勞極限與有應力集中試樣的疲勞極限之比，即

　　（28-2-5）

式中　σ_-1和τ_-1——光滑試樣對稱循環彎曲（或拉壓）的疲勞極限和對稱循環扭轉的疲勞極限；

（σ _-1）_K和（τ _-1）_K——有應力集中試樣對稱循環彎曲（或拉壓）的疲勞極限和對稱循環扭轉的疲勞極限。

有效應力集中系數K總是小于理論應力集中系數α。為了在數量上估計K與α之間的差別，引入了材料對應力集中的敏性系數q，它們之間的關系為

對彎曲或拉壓：

　　（28-2-6）

對扭轉：

　　（28-2-7）

或寫成

　　（28-2-8）

如q_σ=0和q_τ=0，則K_σ=1和K_τ=1，表明材料對應力集中不敏感。如q_σ=1和q_τ=1，則K_σ=α_σ和K_τ=α_τ，表明材料對應力集中十分敏感。q值一般在0～1之間，在實際應用中，常設q_σ=q_τ=q。

敏性系數的統計參數，見表28-2-1。

鋼材的敏性系數q，可查圖28-2-2。

2.1.2　理論應力集中系數

在一定的應力狀態下，理論應力集中系數α 是幾何參數，僅由零件的幾何形狀決定。假設材料是各向同性均勻的，在材料的彈性極限范圍內，局部最大應力σ_max（τ_max）可以用彈性力學解析法、光彈法或有限元法求得，從而得到不同幾何形狀的試樣在不同載荷下的理論應力集中系數。

2.1.3　有效應力集中系數

求有效應力集中系數有兩種方法：一是直接用零部件在特定材料及形狀下試驗求得；另一種是按照式（28-2-8）的關系，由零件的幾何形狀查得相應的理論應力集中系數α，當該材料與有關尺寸確定的敏性系數q已知時，即可求得有效應力集中系數。前者最能表征實際情況，所以在疲勞強度設計中，應盡可能采用。

某些典型的零件結構的有效應力集中系數如圖28-2-3～圖28-2-33及表28-2-2、表28-2-3所示。

2.1.3.1　帶臺肩圓角的機械零件的有效應力集中系數

2.1.3.2　帶溝槽的機械零件的有效應力集中系數

2.1.3.3　開孔的機械零件的有效應力集中系數

2.1.3.4　其他常用零件的有效應力集中系數

2.2　尺寸效應

在疲勞試驗機上試驗所用的試樣直徑通常為6～10mm，而一般零件的尺寸與試樣有很大差別。尺寸因素對疲勞機械主要有如下影響：

1）尺寸增大時，材料的疲勞極限降低；

2）強度高的合金鋼比強度低的合金鋼尺寸影響大；

3）應力分布不均勻性增大時，尺寸影響大。

為在設計中計入這種影響，引入尺寸系數ε。

尺寸系數的定義為：當應力集中情況相同時，尺寸為d的零件的疲勞極限與標準試樣的疲勞極限之比值，即

　（28-2-9）

式中　（σ _-1）_d 、（τ _-1）_d ——尺寸為d的零件對稱循環彎曲疲勞極限和對稱循環扭轉疲勞極限；

σ _-1、τ _-1 ——標準直徑試樣的對稱循環彎曲疲勞極限和對稱循環扭轉疲勞極限。

尺寸系數ε的數據很分散，對于重型及一般機械設計，推薦圖28-2-34，這是鍛鋼的尺寸系數值；對于鑄鋼，應將圖28-2-34的數據再降低5%～10%；對于制造質量控制嚴格的鍛鋼件，尺寸系數可適當提高。對于低合金結構鋼，建議用碳素鋼這條曲線。

表28-2-4～表28-2-6分別給出鋼試樣的尺寸系數ε的統計參數，絕對尺寸影響系數ε_σ、ε_τ和光滑鋼軸和階梯鋼軸對稱循環下的彎曲疲勞試驗結果。

2.3　表面狀態效應

2.3.1　表面精度影響

疲勞試驗的標準試樣表面都經過磨光，而實際零件的表面加工方法則多種多樣，表面加工粗糙相當于存在很多微缺口，在零件承受載荷時就產生應力集中。不管零件承受彎曲或扭轉或兩者聯合作用的載荷，都是零件表面應力最大，所以疲勞源多從表面開始。因此表面質量不同，其抗疲勞強度也不同。粗糙表面導致疲勞強度降低。為了計入這一影響，在疲勞強度計算中引入了表面加工系數β₁，其定義為

　　（28-2-10）

式中　（σ_-1）_β——某種表面加工情況下試樣的疲勞極限；

σ_-1——磨光試樣的疲勞極限。

圖28-2-35為鋼試樣彎曲或拉壓循環載荷時的表面加工系數。對于扭轉疲勞，在缺乏試驗數據時，可取彎曲時的表面加工系數代之。

表28-2-7是表面加工系數的統計參數。

2.3.2　表面強化效應

由于機械零件的疲勞裂紋常開始于表層，所以強化表層是提高零件疲勞強度的有效方法。表面強化工藝可分為三類：①機械方法，如噴丸及輥壓等；②化學方法，如滲碳及氮化等；③熱處理，如高頻、中頻

及工頻淬火，火焰淬火等。由此引入了表面強化系數β₂，即

　　（28-2-11）

式中　（σ_-1）_j ——經強化工藝試樣的疲勞極限；

σ_-1——未經強化工藝試樣的疲勞極限。

各種強化工藝的表面強化系數β₂見表28-2-8。

表28-2-9～表28-2-16為感應加熱淬火、滲氮、滲碳、輥壓等強化處理后的疲勞試驗結果。

表28-2-8　表面強化系數β₂薦用值

表28-2-12　　氮化與未氮化的疲勞極限 　　MPa

2.4　載荷影響

載荷影響包括載荷類型、載荷頻率及平均應力影響等。

2.4.1　載荷類型影響

機械零件承受載荷類型有拉、壓、彎、扭及以上4種的組合作用。疲勞數據多是用旋轉彎曲疲勞試驗獲得的。在缺少其他加載方式的試驗數據時，用載荷系數C_L來修正。一般取拉、壓的載荷系數C_L=0.85，扭轉的載荷系數C_L=0.58。

對于重要的零構件，應該用相同載荷類型下試驗得到的數據來進行計算或設計。

2.4.2　載荷頻率影響

對于高周疲勞，在空氣中，室溫下進行試驗，頻率對疲勞極限影響很小。但在腐蝕環境或高溫條件下試驗時，頻率對疲勞極限影響很大。圖28-2-36是幾種材料的頻率-疲勞極限曲線。由圖可見，當頻率小于1000Hz時，疲勞極限隨著頻率的增加稍有增加，其后出現最大值。當頻率再增加時，疲勞極限下降。

因此，在室溫下工作的機械，一般不考慮頻率的影響。在腐蝕及高溫環境下工作的機械，則必須考慮頻率的影響。

2.4.3　平均應力影響

不同的平均應力可用應力比r反映。表28-2-17和表28-2-18是國產鋼不同應力比下的拉-壓和扭轉的疲勞極限。有平均應力的載荷稱為不對稱載荷，其相應的應力稱為不對稱循環應力。在進行強度計算時，常將不對稱循環應力折算成等效的對稱循環應力。等效應力幅σ_A=σ_a+ψσ_m，ψ稱不對稱循環度系數或平均應力影響系數。

表28-2-19是7種國產鋼的平均應力影響系數。圖28-2-37和圖28-2-38是國產45鋼和40Cr在3種應力集中系數α_σ下的疲勞極限線圖（或稱等壽命曲線圖）。圖28-2-39是不同應力集中系數對平均應力影響系數的影響曲線。應用圖28-2-39中曲線可查出不同應力集中下的ψ_σ值。在缺少數據的情況下，用光滑試樣的ψ_σ值來代替有應力集中條件下的ψ_σ，對于設計來說是偏于安全的。

其他加載情況和表面狀態條件對ψ_σ值也有影響，見表28-2-20和表28-2-21。

2.5　環境因素

疲勞試驗通常是使試樣表面與周圍大氣直接接觸，加循環拉壓或彎曲載荷并在室溫下進行的。但在某些實際應用中，要求零件在高于或低于室溫的溫度下工作，或要求在腐蝕環境中工作。這里所講的溫度、腐蝕環境等，都屬于環境因素。

2.5.1　腐蝕環境

在腐蝕環境中進行疲勞試驗與在空氣中進行試驗的結果有很大區別。空氣中試驗的S-N曲線一般有水平部分，在腐蝕環境中試驗的S-N曲線則沒有水平部分。由于腐蝕介質的作用，使材料的疲勞強度降低很多，降低的程度，隨材料不同而不一樣。圖28-2-40表示多種金屬試樣，在空氣中及鹽水和鹽水噴霧中進行拉壓疲勞試驗所得的S-N曲線，試驗頻率為37Hz。

2.5.1.1　載荷頻率的影響

在腐蝕環境中，試驗頻率對腐蝕疲勞強度有很大影響。當試驗頻率降低時，腐蝕疲勞極限也隨之降低。圖28-2-41是20Cr鋼的試驗頻率和腐蝕系數的關系。

圖28-2-42為鑄鋼ZG20SiMn和ZG0Gr13Ni4Mo在淡水介質中的腐蝕疲勞極限與試驗頻率的關系曲線。當頻率降低，腐蝕疲勞極限也隨之降低。

2.5.1.2　腐蝕方式的影響

腐蝕方式有噴霧、滴流和浸入等。噴霧時，腐蝕介質中的含氧量最多，滴流次之，浸入最少。含氧量高，腐蝕介質的活性大，對試樣的腐蝕作用嚴重，使其疲勞強度降低明顯。表28-2-22為水輪機轉輪常用材料在淡水中的疲勞極限，并與空氣中的相比較。

除此以外，試驗前試樣浸入介質中的時間也對疲勞強度有影響，圖28-2-43和圖28-2-44分別為預腐蝕對鋁合金和鋼試樣疲勞極限的影響。

2.5.1.3　腐蝕介質的影響

圖28-2-45表示在低于疲勞極限的工作應力下pH值對w_C=0.18%鋼腐蝕疲勞壽命的影響，從圖中可以看出，pH值在4以下時，pH值下降時腐蝕疲勞壽命降低，pH值在4～10之間壽命保持恒定；pH值在10～12時壽命顯著增加；pH>12時，疲勞極限接近于空氣中的疲勞極限。

2.5.1.4　結構尺寸與形狀的影響

腐蝕疲勞壽命主要由裂紋的擴展階段所決定，當尺寸增大時，裂紋穿過橫截面所需的循環數增大，即壽命增長。表28-2-23為w_C=0.22%時低碳鋼旋轉彎曲的疲勞試驗數據，試驗是將試樣浸在鹽水中進行的。

圖28-2-46給出了20Cr鋼的尺寸系數，由圖中可以看出，在淡水介質中的腐蝕尺寸系數大于1.0，其試驗數據見表28-2-24。

圖28-2-47為20Cr鋼的光滑試樣及有缺口試樣，在空氣、潤滑油及水中對稱循環應力下的腐蝕疲勞曲線。

設已知有缺口試樣在空氣中試驗的有效應力集中系數K_σ，則在腐蝕環境中，有效應力集中系數K_σf可近似用下式求得，即

　　（28-2-12）

式中　σ_-1——光滑試樣在空氣中試驗的疲勞極限；

σ'_-1——有缺口試樣在空氣中試驗的疲勞極限；

（σ_-1）_f——光滑試樣在腐蝕環境中試驗的疲勞極限；

（σ'_-1）_f——有缺口試樣在腐蝕環境中試驗的疲勞極限。

β₃——腐蝕系數。

表28-2-25表示光滑試樣及有應力集中的試樣，在空氣或腐蝕環境中試驗得到的數據，還給出了由式（28-2-12）算得的有效應力集中系數K_σf值，并與試驗得到的K_σf值相比較。

2.5.2　溫度的影響

2.5.2.1　低溫的影響

低溫下的疲勞強度，與室溫相比，都隨溫度的降低而升高，幾乎所有的金屬都是如此，而且溫度越低，疲勞強度越高。

溫度降低時疲勞極限提高的數值，軟金屬比硬金屬大，特別是碳鋼最大。

低溫下材料疲勞強度的提高，缺口試樣比光滑試樣低，即金屬在低溫下，應力集中的敏性系數特別大。因此，在低溫下工作的重要零部件，應盡量減少應力集中，以防止在低溫下出現脆性斷裂。

表28-2-26和表28-2-27為低溫下材料疲勞極限數據。表28-2-28是將各種材料在低溫下的疲勞極限處理后得到的平均值，表中大多數的數據是在循環數N=10⁶次循環下試驗得到。

圖28-2-48為溫度對鋁合金及鋼的疲勞極限的影響。圖28-2-49為在300K以及在78K和4K低溫下由5種材料測得的S-N曲線。

表28-2-29為材料在低溫下的有效應力集中系數。圖28-2-50及圖28-2-51為金屬在低溫下的有效應力集中系數。圖28-2-52為鋼的光滑試樣與缺口試樣在低溫和室溫下疲勞極限均值的比值。

2.5.2.2　高溫的影響

低碳鋼在400℃以下，鋁合金或鎂合金在100℃或150℃以下時，溫度對疲勞極限的影響很小，溫度高于以上值，繼續升高時，疲勞極限降低很快。疲勞強度隨溫度提高的變化情況，隨不同的金屬而異。

高溫下材料的疲勞極限之所以降低得很多，主要是因為高溫下的疲勞總是伴隨著蠕變。由于蠕變作用，頻率效應就變得很大，破壞有取決于應力作用的總時間的趨勢。

高溫對材料疲勞極限的影響見圖28-2-53～圖28-2-57。

高溫時材料的S-N曲線見圖28-2-58～圖28-2-69。

高溫對金屬疲勞性能影響的主要因素包括：材料因素、溫度因素、頻率因素、應力集中因素、表面狀態因素以及平均應力因素。

（1）材料因素

試驗表明，疲勞強度（σ_-1）與強度極限（R_m）之間存在著一定的關系，但是在不同的材料和不同的組織狀態下，這種關系可在很寬的范圍內變化。材料的疲勞極限與強度極限的比值σ_-1/R_m稱為疲勞比。對大多數材料，疲勞比隨溫度的升高而增高。表28-2-30示出了不同材料在不同溫度下的疲勞比。由此可見，材料在不同溫度下的疲勞極限和強度極限均需單獨試驗確定，不宜借助疲勞比相互換算。

（2）溫度因素

隨著溫度的升高，疲勞強度一般有降低的趨勢，越接近熔點，降低趨勢越明顯。疲勞強度的降低是由于發生了再結晶、擴散和溶解等過程引起的。但也有某些過程能提高疲勞強度，如時效硬化和應變硬化。因此，有些材料在高溫時的疲勞強度反而比室溫時高，疲勞強度隨溫度的變化規律比較復雜。表28-2-31～表28-2-34也是溫度對疲勞強度的影響數據。

表28-2-33　不同溫度下材料的疲勞極限（N=1.2×10⁸）σ_-1　　MPa

（3）頻率因素

高溫疲勞的頻率效應顯著，主要是由于存在著蠕變作用的關系。頻率低，應力作用的時間長，使蠕變的成分增加，裂紋擴展速度加快。此外，隨頻率的改變，斷裂的特征也不同。頻率較高時為穿晶斷裂，較低時為沿晶斷裂，中間則為混合斷裂。圖28-2-70示出了 A-286合金的斷口形態與頻率的關系。圖28-2-71示出了頻率對U-700鎳基高溫合金疲勞壽命的影響。

（4）應力集中因素

在高溫下缺口產生的應力集中，大多數情況下會導致疲勞強度降低。缺口越尖銳，應力集中越嚴重，疲勞強度降低越多。表28-2-35為缺口對疲勞極限的影響。

一般講，在有缺口時，高溫疲勞強度是降低的。但是當應力比r不同時，也會出現不同的結果。圖28-2-61為S-816合金在900℃時的S-N曲線。當靜載荷時，r = +1，α_σ=3.4的缺口試樣在同一應力水平下的壽命大于光滑試樣。當r=0.2，即在蠕變和疲勞復合作用的情況下，在低壽命區，缺口試樣的疲勞強度低于光滑試樣；在高壽命區，缺口試樣的疲勞強度高于光滑試樣。當r=-1，即在對稱應力循環下，缺口試樣的疲勞強度低于光滑試樣。

圖28-2-72為在旋轉彎曲試驗時，鋼試樣的應力集中敏性系數q隨溫度的變化曲線。圖28-2-73為高溫下碳鋼的有效應力集中系數。

（5）表面狀態因素

材料的疲勞強度與表面狀態有很大關系。表面粗糙度增加，疲勞強度就降低。各種表面強化工藝，對高溫下材料疲勞強度的影響，隨著溫度的升高而降低。表28-2-36為各種加工工藝對鎳基合金GH3032（CrNi77TiAl）試樣疲勞壽命的影響。表28-2-37為表面噴丸對鈷基合金缺口試樣疲勞強度的影響，試樣為邊長15.2mm的方形截面，材料為鈷基合金S-816，進行平面彎曲疲勞試驗，缺口為有60°的V形槽，槽深1.9mm，槽的根部圓角半徑0.76mm。將試樣先經磨削引入殘余拉應力，再經噴丸引入殘余壓應力。由于槽部磨削引入殘余拉應力，使有效應力集中系數K_σ在室溫下大于α_σ；表面噴丸引入殘余壓應力，使K_σ在室溫下比α_σ值小得多。但隨著溫度的升高，磨削的有害效應及噴丸的有利效應將逐漸消失。表28-2-38為表面殘余壓應力對鐵基合金疲勞性能的影響。

（6）平均應力因素

平均應力σ_m對材料疲勞強度的影響可用等壽命曲線來表示。在高溫疲勞中，隨著溫度的提高，整個曲線向原點移動，即蠕變強度及疲勞強度都降低。圖28-2-74為鈷基合金S-816在室溫24℃及高溫下的等壽命曲線，實線為光滑試樣，虛線為缺口試樣（α_σ=3.4）。圖28-2-75為N-155合金的等壽命曲線。

2.6　提高零件疲勞強度的方法

機械零部件的疲勞強度，主要取決于三個環節，即選材、設計及制造工藝。提高機械零部件疲勞強度的方法，也是從選材合理、設計先進及采用強化工藝三方面來考慮的。

2.6.1　合理選材

在零件設計選材時，既要滿足靜強度要求，又要注意材料應具有良好的抗疲勞性能。過去在靜強度設計時，對于重要的重載零件，有一個基本選材準則，即要求“比強度”高，也即要求材料的抗拉強度與材料的密度的比值高。但是在疲勞強度設計時，一般應從下列幾方面進行選材：①在使用期內允許達到的應力值；②材料的應力集中敏感性；③裂紋擴展速度和斷裂時的臨界裂紋尺寸；④材料的塑性、韌性和強度指標；⑤材料的抗腐蝕性能、高溫性能和微動磨損疲勞性能等。

2.6.2　材料改性

材料在制取合成、加工成材后，為了充分發揮材料的性能潛力，往往要通過熱處理、表面改性等技術進行處理。常規熱處理是材料改性的基本手段，對材料進行整體加熱、保溫和冷卻，改變材料整體的性能。有通常所說的“四把火”之稱，即退火、正火、淬火和回火。

熱處理后材料的內部組織發生轉變。實踐證明，晶粒度大小對疲勞強度有影響。晶界能阻止材料的滑移、裂紋形成和擴展。細化晶粒能提高室溫下的材料疲勞強度。而在高溫條件下，粗晶粒的疲勞強度反而比細晶粒高。

2.6.3　改進結構

大多數的機械零件，由于幾何結構和受載等原因，在某些應力集中嚴重的部位，往往出現峰值應力，成為首先產生裂紋的地方。所以有經驗的設計人員，在設計中特別重視可能成為結構件危險部位的細節的設計，避免不必要的應力集中和設法減小應力集中。改進結構無疑是減小應力集中的一個主要措施。為此，提出下列一些設計原則：

1）在零件設計中，盡量避免橫截面有急劇突變，在零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方，應盡可能用較大的圓角光滑過渡。例如，軸上安裝滾動軸承時，因滾動軸承側面的軸向圓角半徑很小，致使軸肩的過渡圓角取值有困難，此時可在軸肩與滾動軸承之間加裝內圓倒角墊圈，達到增大軸肩過渡圓角的目的。

2）鉚釘孔和螺栓孔等都是產生應力集中的地方，孔的不同排列得到的峰值應力是不同的，因此要尋求最合理的排列形式，以減小峰值應力。孔的邊緣最好用倒角，或在孔的邊緣進行擠壓，使該處產生殘余壓應力，以提高該處的疲勞強度。

3）零件或構件上應盡可能少開缺口，特別是在受拉表面盡量不開缺口。如果必須開缺口，則應特別注意缺口的形狀，以減小由此產生的應力集中系數。例如，長軸與正應力方向一致的橢圓孔，其應力集中系數最小；方孔的四個角必須有過渡圓角，而且過渡圓角的半徑不能太小。

4）如有可能，應盡量采用對稱結構，并避免帶有偏心的結構。在不對稱的地方，要注意由于局部彎曲而引起的附加應力。可以在不對稱結構的局部采取加強措施，以提高其剛度，確保不出現過大的附加應力。

5）高速機械經疲勞強度設計計算確定了主要零件的尺寸后，必須對運動系統進行動態分析，如發現有振幅太大的現象，應改進結構，將振幅降到設計任務書中所規定的容許值以下。

6）焊縫是應力集中的部位，設計焊接件時，要合理布置焊縫。焊縫最好能對稱布置，并盡量使其接近中性軸，這樣有利于減小焊接變形；應避免焊縫匯交和密集，讓次要焊縫中斷，主要焊縫連續，這有利于主焊縫采用自動焊接，提高焊接質量，減少焊縫中的缺陷；應使焊縫避開應力集中部位、加工面和表面熱處理面。此外，應對焊縫進行磨削加工使焊縫平滑，這是減小焊縫處應力集中的有效措施。

7）零件上用硬印打上的號碼和標志，是容易被忽視的產生應力集中的地方。所以，打印的位置要有規定，應選擇在低應力部位。如有可能，應采用無損傷的標記方法，某些重要零件在加工過程中，為了劃線，可能被打上樣沖眼，這種尖底的樣沖眼，如打在零件的高應力區，可能成為疲勞裂紋源。所以，工藝上應規定在零件加工完后，必須將樣沖眼打磨掉。

8）在應力集中部位（如橫向圓孔）附近，可開卸載溝槽，以降低峰值應力。

表28-2-39為正確的結構設計舉例。

2.6.4　表面強化

在循環載荷作用下，最大應力總是出現在零件表層的某一范圍內。因此，對零件采用表層強化工藝，改善表層的應力狀況和化學成分，可以提高零件的疲勞強度。疲勞試驗結果表明，平均壓應力能夠改善零件的抗疲勞能力，抑制或減緩疲勞裂紋的形成和擴展；平均拉應力則具有相反的效果。凡是能在零件表層引入殘余壓應力的，都能起到提高疲勞強度的作用，若引入殘余拉應力，就會使疲勞強度降低。

表層強化工藝常用的有噴丸、輥壓、表面熱處理、滲碳、氮化等。

2.6.4.1　表面噴丸

表面噴丸是用靠壓縮空氣得到很高速度的直徑為0.4～2mm的鋼丸或鑄鐵丸，噴向零件表面進行錘擊，使表層材料產生加工硬化，以提高零件的疲勞強度。由于噴丸使零件表層產生了殘余壓應力，降低了零件受載時表層的最大拉應力，故提高了零件的壽命。由于噴丸工藝受零件幾何形狀的限制很小，故應用很廣。

噴丸強化的效果與噴丸參數、材料性能和零件的表面狀態有關。一般材料強度越高，零件表面有應力集中，表面粗糙或有表面缺陷時，噴丸強化的效果越好。

圖28-2-76、圖28-2-77示出了經表面噴丸后產生的表層殘余壓應力。圖28-2-78示出了殘余壓應力對疲勞強度的影響，當壓應力層厚度約為裂紋深度的5倍時，疲勞極限提高到飽和值。

表28-2-40為噴丸對彈簧鋼疲勞極限的影響。

將零件加載使其變形，然后在變形表面進行噴丸，這種工藝稱為應力噴丸。應力噴丸較普通噴丸有更高的殘余壓應力，因而有更高的疲勞極限。應力噴丸在彈簧生產中得到廣泛應用。但應注意，施加的預應力方向一定要與工作應力方向一致。

噴丸強化后，如能使材料表層獲得最佳殘余壓應力場，則可更大幅度地提高零件的疲勞強度（圖28-2-79）。

噴丸強度也可改善腐蝕疲勞性能（圖28-2-80）、高溫疲勞性能（圖28-2-81）和微動磨損疲勞性能（圖28-2-82）。此外，噴丸對提高鋼的電鍍零件的疲勞性能有特別顯著的效果。由圖28-2-83和表28-2-41可知，鋼件經過鍍鉻（或鍍鎳）或鍍鎳鎘之后，疲勞極限通常可降低1/4～1/3，而噴丸后再行電鍍，則可避免由于電鍍而給材料帶來的損失。

2.6.4.2　表面輥壓

輥壓強化工藝適用于軸類及圓形零件、各種溝槽的圓角根部，它不適用于形狀復雜的零件。

輥壓強化效果與輥壓參數（輥壓力、輥子半徑等）有關。試樣尺寸和形狀、輥壓參數不同，其效果也不一樣。

材料本身的組織與性能對輥壓也有很大影響，如表28-2-42、表28-2-43所示。

材料的疲勞極限隨輥壓力的增大而增大，但過高的輥壓力會使材料表面產生微裂紋，從而導致疲勞極限下降（見圖28-2-84）。

表28-2-44為不同強度級別的42CrMo鋼輥壓前后的板材三點彎曲疲勞試驗的結果。

2.6.4.3　內孔擠壓

許多帶孔的零件，疲勞裂紋往往起源于孔周圍的尖角部位，例如，連桿大頭的內孔，各種梳狀接頭上的螺栓孔，各種梁上的螺栓孔，飛機機翼整體壁板螺栓孔等。提高內孔部位疲勞強度的有效途徑之一，是采用內孔擠壓強化。對于內徑為6～10mm的孔，擠壓后的直徑增大0.2～0.3mm，其疲勞強度就能顯著提高。

圖28-2-85～圖28-2-87分別為7075-T651、2024-T351鋁合金和4340鋼中心孔板材試樣內孔擠壓前后的拉-拉疲勞S-N曲線，對于鋁合金，內孔擠壓強化可使條件疲勞極限（N=10⁶）提高40%～70%；而對于鋼（R_m=1200MPa），擠壓強化可使疲勞極限（N=10⁶）提高17%。

30CrMnSiNi2A高強鋼中心孔（?6mm）板材試樣（厚8mm、寬23mm）擠壓前后的疲勞極限（N=10⁶）分別為330MPa和610MPa，擠壓后的疲勞極限提高85%。

2.6.4.4　表面化學熱處理

鋼經滲碳、氮化和碳氮共滲等化學熱處理后，得到軟的心部和硬的表層。硬化的表面層及所存在的表面層殘余壓應力，可提高彎曲、扭轉和接觸疲勞強度以及抗磨損能力。

滲碳件的疲勞強度，受著滲碳層厚度、滲層組織和性能、表面層殘余應力及心部強度等因素的綜合影響。圖28-2-88為滲碳層厚度對疲勞極限的影響。表28-2-45為耐熱鑄鋼固體滲碳的滲碳層厚度。表28-2-46為滲氮對疲勞極限的影響。表28-2-47為模具鋼的滲氮性能。表28-2-48為合金結構鋼滲氮后的疲勞極限。表28-2-49為滲氮與碳氮共滲對合金結構鋼疲勞極限的影響。

2.6.4.5　表面淬火

表面淬火包括火焰加熱淬火和感應加熱淬火等。火焰加熱淬火多用氧-乙炔焰，也有用其他火焰的，如冶金廠用的氧氣-焦爐煤氣火焰等。鋼經火焰加熱淬火后 ，硬層厚度為3～6mm。

感應加熱淬火分高頻、中頻和工頻三種。一般情況下，高頻的頻率為20000Hz以上，用于直徑小于100mm的零件，硬層厚度為0.5～5mm；中頻的頻率為2000～8000Hz，用于直徑為80～300mm的零件，硬層厚度為6～10mm；工頻的頻率為50Hz，用于直徑大于1000mm的零件，硬層厚度達20mm以上。

圖28-2-89及圖28-2-90分別為表面淬火硬層厚度和回火溫度對抗扭強度的影響。

對于截面變化較大的零件，感應加熱淬火存在的最大缺點是在截面變化處產生一個過渡區，此區往往淬不上火，并產生很大的殘余拉應力，疲勞強度很低。如采用淬透性低的鋼，經強烈淬火后，零件輪廓表面獲得一層馬氏體組織，這種方法稱為薄殼淬火。同感應加熱淬火一樣，因表面強化并存在很大的殘余壓應力，使零件的疲勞強度顯著提高。與感應加熱淬火比較，薄殼淬火特別適用于短而粗且有截面變化的零件，現已在生產中得到應用。

2.6.4.6　表面激光處理

表面激光處理能夠極大地細化表層材料的晶粒（或亞晶粒），增高表層硬度。如果處理得當，還可使危險截面產生殘余壓應力，所以表面激光處理是改善疲勞強度的另一個有效措施。

圖28-2-91為1045鋼表面激光處理前后的旋轉彎曲疲勞S-N曲線。激光處理后的表面硬度提高很多，疲勞極限（N=10⁶）可提高約40%。

內燃機鑄鐵活塞環采用激光處理后的表面硬度可達約800HV。這種工藝處理不僅可提高活塞環的疲勞強度，同時也改善了其耐磨性能。

圖28-2-92為2024-T3鋁合金帶中心孔板表面激光處理前后的疲勞S-N曲線。由于孔周圍采取了輻照防護措施，所以處理后孔的周圍產生殘余壓應力，孔附近的最大殘余壓應力約為55MPa。當外加應力逐漸增高到接近于材料的屈服點（R_m=344MPa），由于殘余壓應力的松弛，從而對疲勞強度的貢獻降低，所以在S-N曲線的高應力區，兩種試樣的疲勞強度趨向一致。但在低循環應力范圍內，激光處理使孔周圍形成的殘余壓應力使疲勞強度提高。

激光處理可以用于螺栓孔、鉚釘孔、葉片燕尾槽等零件的表面強化。由于它的生產效率高，所以適用于零件的成批生產。