金屬材料的疲勞強度對各種外部和內部因素非常敏感。外部因素包括零件的形狀和尺寸、表面光潔度和使用條件,而內部因素包括材料本身的成分、組織狀態(tài)、純度和殘余應力。這些因素的細微變化都會引起材料疲勞性能的波動甚至較大變化。
各種因素對疲勞強度的影響是疲勞研究的一個重要方面。該研究將為零件的合理結構設計、材料的正確選擇以及各種冷、熱加工工藝的合理制定提供依據(jù),從而保證零件的高疲勞性能。
應力集中對疲勞的影響
常規(guī)疲勞強度是通過仔細加工的光滑試樣測量的。然而,實際的機械零件難免有不同形式的缺口,如臺階、鍵槽、螺紋和油孔等。這些缺口的存在造成應力集中,使缺口根部的最大實際應力遠大于零件所承受的名義應力,零件的疲勞失效往往從這里開始。

尺寸因素的影響
由于材料結構的不均勻性和內部缺陷的存在,尺寸的增大會增加材料的失效概率,從而降低材料的疲勞極限。尺寸效應的存在是將實驗室小樣品測得的疲勞數(shù)據(jù)應用于大型實際零件的重要問題。由于無法在小樣本上重現(xiàn)實際尺寸零件上的應力集中和應力梯度,因此實驗室結果與某些特定零件的疲勞失效脫節(jié)。
表面加工狀態(tài)對疲勞的影響
加工表面總是存在凹凸不平的加工痕跡,相當于微小的缺口,造成材料表面應力集中,從而降低材料的疲勞強度。試驗表明,對于鋼和鋁合金,粗加工(粗車削)的疲勞極限比縱向精拋降低10%~20%或更多。材料的強度越高,對表面光潔度越敏感。
化學成分的影響
材料在一定條件下的疲勞強度和抗拉強度之間存在著密切的關系。因此,在一定條件下,凡是能提高抗拉強度的合金元素,都能提高材料的疲勞強度。相比較而言,碳是影響材料強度的最主要因素。但是,一些在鋼中形成夾雜物的雜質元素對疲勞強度有不利影響。
熱處理和顯微組織對疲勞的影響
不同的熱處理條件會導致不同的顯微組織。因此,熱處理對疲勞強度的影響本質上是組織的影響。同一種成分的材料,雖然熱處理方式不同,可以獲得相同的靜態(tài)強度,但疲勞強度會因組織不同而有相當大的變化范圍。
在相同強度水平下,片狀珠光體的疲勞強度明顯低于粒狀珠光體。滲碳體顆粒越細,疲勞強度越高。

夾雜物的影響
夾雜物本身或其產生的孔洞相當于微小的缺口,在交變載荷作用下會產生應力集中和應變集中,成為疲勞斷裂的裂紋源,對材料的疲勞性能造成不利影響。夾雜物對疲勞強度的影響不僅取決于夾雜物的種類、性質、形狀、大小、數(shù)量和分布,還與材料的強度等級、所受應力的大小和狀態(tài)有關。
不同類型的夾雜物具有不同的機械物理性能,與母材的性能不同,對疲勞性能的影響也不同。一般來說,容易變形的塑性夾雜物(如硫化物)對鋼的疲勞性能影響不大,而脆性夾雜物(如氧化物、硅酸鹽等)則危害很大。
膨脹系數(shù)比基體大的夾雜物(如硫化物)受基體壓應力影響較小,而膨脹系數(shù)比基體小的夾雜物(如氧化鋁)受基體拉應力影響較大。
夾雜物和母材的致密性也影響疲勞強度。硫化物易變形并與母材緊密結合,而氧化物易與母材分離,造成應力集中。因此,從夾雜物的種類來看,硫化物影響不大,而氧化物、氮化物和硅酸鹽則危害較大。
表面性質變化和殘余應力的影響
表面狀態(tài)的影響除上述表面光潔度外,還包括表面力學性能的變化和殘余應力對疲勞強度的影響。表面力學性能的變化可由表面化學成分和結構的差異引起,也可由變形強化引起。
滲碳、滲氮、碳氮共滲等表面熱處理不僅可以增加零件的耐磨性,而且可以提高零件的疲勞強度,尤其是提高腐蝕疲勞和抗咬蝕能力的有效手段。
表面化學熱處理對疲勞強度的影響主要取決于加載方式、滲碳層中碳和氮的濃度、表面硬度和梯度、表面硬度與芯部硬度的比值、滲層深度以及殘余壓應力的大小和分布。表面處理形成的應力。大量試驗表明,只要先對缺口進行機加工,再進行化學熱處理,一般來說,缺口越尖銳,疲勞強度的提高越大。
不同加載方式下表面處理對疲勞性能的影響不同。在軸向載荷下,表層應力與層下應力相同,因為應力沿層深沒有不均勻分布。在這種情況下,表面處理只能提高表層的疲勞性能。由于芯材沒有得到強化,疲勞強度的提高有限。在彎曲和扭轉條件下,應力分布集中在表層。表面處理形成的殘余應力與這種附加應力疊加,使表面的實際應力減小。同時,由于表面材料的強化,可以有效提高彎曲和扭轉條件下的疲勞強度。