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在以疲劳为主的应用场合,材料的选择可能是材料工程
师所面临的最困难的任务.
首先应当认识到,工程设计已经有、而且将来还会有过剩
的静强度储备,这是非常有用的.在所有情况下,对选材所要
求的都是各种性能的最佳可能组合,但这一点不能过分强调.
而且,为了获得已经改善的疲劳抗力,必须用牺牲静强度来换
取良好的疲劳抗力时,也是可以接受的.目前先进合金所采
用的冶金处理方法,一般都用牺牲静强度来优化包括韧性和
疲劳抗力在内的综合性能.
对于金属材料,首要的一点是明确在任一给定情况下裂
纹扩展第1阶段究竟占总寿命的多少.对连接件而言,实际
上可以不计第1阶段裂纹的扩展寿命,疲劳总寿命基本上决
定于宏观裂纹的扩展速率.对于象曲轴这类机械零件,虽然
不需要连接但却含有应力集中,因此第1阶段的寿命也许很
短;然而,有一个最优化的范围,而且值得考虑的是怎样才能
确定这一范围.如前所述,韧性材料的疲劳裂纹在很窄的强
滑移带中起始,提高屈服强度即可阻止这一过程.提高屈服
强度可以靠稳态的位错网和增加细小弥散粒子的数量等方法
来实现.另一方面,增加大的硬粒子数量也许能加速这一过
程,这在硬基体中尤为突出(因为在已破碎的金属间化合物上
起始的疲劳裂纹,在第1阶段裂纹改变方向之前就能扩展一
段较短的距离).当局部应力集中系数增加时,也会加速裂纹
的起始过程.
显然,在设计上应当优先考虑尽可能消除所有的应力集
中.由于要完全消除应力集中往往是不可能的,因此必须考
虑要尽可能把残余的应力集中效应减至最小,这可通过对所
有的外形和表面进行磨削和抛光的方法来达到.用表面滚
压、火焰硬化或渗氮等对关键部位的倒角与外形进行表面硬
化处理,也能进一步使之得到改善.
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