CN1500207A - 金属材料的长寿命疲劳强度设计法 - Google Patents

Abstract

提供了一种金属材料的长寿命疲劳强度设计法，该设计法由于考虑了按照机械零件的使用假定寿命的ODA(用金属显微镜观察能看到黑色的氢影响区域)尺寸的扩大，能设计根据设定使用年限的最佳机械零件。由于设计机械零件时，首先从疲劳试验结果求得达到断裂的应力反复次数和受到捕获的氢影响的夹杂物周围的氢影响区域尺寸之间的函数关系。然后根据上述函数关系，求得作为与采用金属材料的机械零件的使用假定应力反复次数相对应的夹杂物扩大后的尺寸的等价缺陷尺寸，并将等价缺陷尺寸用于容许应力之类的长寿命疲劳强度的计算，所以能进行考虑了对应于机械零件的使用假定寿命的ODA尺寸扩大的断裂寿命设计。

Description

金属材料的长寿命疲劳强度设计法

技术领域

本发明涉及汽车变速装置、弹簧和车辆轴承之类在使用期限内需要承受相当反复应力的机械零件所使用的金属材料的长寿命疲劳强度设计法。

背景技术

以往，汽车变速装置和车辆轴承之类的机械零件，在其使用时要承受相当次数的反复应力。因此，在设计时需要掌握这类机械零件所使用的金属材料在多少次反复应力下会被破坏的性能，同时还要考虑机械零件的尺寸、形状和使用期限等方面。此外，对于这类机械零件所使用的金属材料，若是经10⁷次试验不被破坏，则为永久不发生疲劳破坏，可决定所谓的疲劳极限。

但是，近年来最新发现即使是能够承受10⁷次疲劳试验的金属材料，在按照以往定义的疲劳极限以下的应力下，当反复次数超过10⁷次时也会出现被破坏的现象。金属的疲劳强度除了材料本身的强度之外，还受到材料中所包含的缺陷的影响。这种缺陷是应力的集中源，是发生疲劳破坏的起点。金属材料所包含的非金属夹杂物(以下称为夹杂物)是这类缺陷的一种。因此，在以往的疲劳强度设计中，一般采用按照形成疲劳破坏起点的夹杂物尺寸用其面积的平方根表示的 来考虑夹杂物应力集中效果之类的方法。

另一方面，该夹杂物除了应力集中之外，还具有捕获氢的作用，金属中的氢一般认为在材料中会对金属的微观破坏机理产生影响。这种倾向对于高强度钢特性明显。受氢影响的夹杂物周围的区域的表面粗糙，用金属显微镜观察时只能见到黑色，该区域被称为ODA(Optically Dark Area，视觉黑色区域)。疲劳试验的结果表明，捕获的氢使夹杂物周围的疲劳强度下降。这种作用可认为是捕获的氢从强度方面实质上扩大了夹杂物的尺寸。

但是，通过金属显微镜观察该捕获的氢的影响，经详细研究后表明，断裂寿命从约10⁵～10⁸以上随着变长，ODA尺寸变大。但是，在以往的疲劳强度设计中，由于是根据夹杂物的初始尺寸 进行的，所以不能形成按照机械零件所设定的使用期限的最佳断裂寿命设计。

因此，本发明提供了考虑按机械零件的假定使用寿命的ODA尺寸的扩大，能设计出根据所设定的使用年限的最佳机械零件的金属材料的长寿命疲劳强度设计法。

发明的揭示

图1表示捕获了氢的夹杂物尺寸和达到断裂的应力的反复次数的关系图。

图1所示的夹杂物(A₀)周围的ODA区域(A₁)是氢影响区域。在图1中将形成断裂起点的夹杂物尺寸用其面积的平方根

来表示，夹杂物面积和ODA面积合计的(面积′)的平方根

与

之比 (＞1)作为无因次ODA尺寸由纵轴表示，达到断裂的应力反复次数Nf用横轴表示，定量地表示ODA随应力反复次数Nf一起扩大的倾向。

从图1可知，ODA的尺寸越是在长寿命断裂时越大。达到断裂的应力反复次数Nf，即达到断裂的寿命短时ODA小，意味着由于负载的应力高，无需借助捕获的氢，夹杂物就发生疲劳裂纹，进而被破坏。与此相反，应力低时，在借助氢的同时，受到多次反复就逐渐产生裂纹，进而还要借助于氢。而且，负载的应力单独使裂纹进展直至充分得大，ODA的尺寸扩大后，引起没有氢影响的疲劳裂纹。为此，ODA的外侧在没有氢影响的疲劳裂纹的进展区域，形成与ODA内不同的疲劳破坏面。

这样，夹杂物由于受到应力的反复，其本身因捕获的氢的影响，将作为等价缺陷的该夹杂物扩大后的尺寸的等价缺陷尺寸扩大下去。因此，根据将设计的机械零件的使用年限设定为多少年或是多少反复次数下使用，其等价缺陷尺寸的扩大程度不同。

即，本发明的金属材料的长寿命疲劳强度设计法是含有周围捕获了氢的夹杂物的金属材料的长寿命疲劳强度设计法，该方法的特征是由以下3个步骤构成：第1步骤是从疲劳试验结果求得达到断裂时的应力反复次数和受到捕获的氢影响的夹杂物周围的氢影响区域尺寸之间的函数关系；第2步骤是根据上述函数关系，求得作为与采用金属材料的机械零件的使用假定应力反复次数对应的夹杂物扩大后的尺寸的等价缺陷尺寸；第3步骤是将等价缺陷尺寸用于容许应力之类的长寿命疲劳强度的计算，进行机械零件的设计。这样，就能求得与使用假定应力反复次数相对应的等价缺陷尺寸，就能进行考虑了对应于机械零件的使用假定寿命的ODA尺寸的扩大的断裂寿命设计。

例如，上述第1步骤中，将达到断裂的应力反复次数Nf以及金属材料所含的夹杂物中形成断裂起点的夹杂物面积A₀和氢影响区域面积A₁之合计面积A₀+A₁用平方根表示的等价缺陷尺寸 与形成断裂起点的夹杂物面积A₀用平方根表示的夹杂物初始尺寸

之比 分别用座标轴表示，根据绘图后的图像求得函数关系。上述第2步骤中，在上述图像的Nf轴上取使用假定应力反复次数，根据函数关系求得对应的

轴上的值，再求得对应于夹杂物初始尺寸 的等价缺陷尺寸

但是，夹杂物尺寸显示出统计学上的差异。对疲劳强度起决定性影响的是机械零件中所含的最大夹杂物，对于机械零件中所含夹杂物的预测，可以利用本发明者已经提出的极值统计。图2表示形成疲劳破坏起点的夹杂物的极值统计分布。图2是累计频率表示于纵座标，夹杂物尺寸表示于横座标，将从疲劳试验的试片所得到的数据绘图后的图像。如上所述，夹杂物由于氢的存在恰如应力的反复次数，其尺寸显示出成长的趋势，所以要考虑氢的影响，按照使用假定寿命来修正极值统计图示数据。该修正可利用图1的关系图。

即，本发明的金属材料长寿命疲劳强度设计法还包括对于金属材料所含夹杂物中形成断裂起点的夹杂物尺寸绘制极值统计分布的步骤。上述第2步骤中，根据等价缺陷尺寸 与上述夹杂物初始尺寸 的关系，将上述极值统计分布平行移动，在该平行移动后的直线上，计算与实际机械零件的尺寸和生产量相应的递归时间，将对应于用于上述机械零件的实际金属材料所含的夹杂物中的最大夹杂物的最大等价缺陷尺寸 用于容许应力的计算。这样，将金属材料中所含的最大夹杂物对应的等价缺陷尺寸假定为设计的缺陷尺寸，就能进行更合适的断裂寿命设计。

上述第3步骤的机械零件设计，例如可以使用以下以最大等价缺陷尺寸

为参数的公式：

式中，σ表示与使用假定应力反复次数对应的容许应力(MPa)，HV表示维氏硬度(MPa)，R表示应力比(＝最小应力/最大应力)，α＝0.226+HV/9.8×10^-4。

本发明对于承受相当次数反复应力的机械零件所使用的金属材料，在考虑了形成疲劳裂纹发生起点的缺陷、即考虑了夹杂物所捕获的氢的影响后，求得与实际机械零件的尺寸、生产量及设计寿命相对应的最大等价缺陷尺寸，并用于容许应力等的计算，能够更切实地保证汽车变速装置、弹簧及车辆轴承之类的机械零件的安全。

附图的简单说明

图1是捕获了氢的夹杂物尺寸和达到断裂的应力反复次数的关系图。

图2是表示形成疲劳破坏起点的夹杂物的极值统计分布的图。

图3是表示使用材料中所含的夹杂物的极值统计分布的图。

图4是表示ODA的成长和达到断裂的反复次数之间的关系的图。

图5是表示根据实际机械零件的尺寸、生产量及设计寿命的最大缺陷尺寸的决定顺序的图。

实施发明的最佳方式

下面，参考图3～图5对本发明的实施方式中的用于机械零件的金属材料长寿命疲劳强度设计法加以说明。

图3是表示使用材料所含的夹杂物的极值统计分布的图，图4是表示ODA的成长和达到断裂的反复次数之间的关系的图，图5是表示根据实际机械零件的尺寸、生产量及设计寿命的最大缺陷尺寸的决定顺序的图。

(1)利用设计的机械零件所使用的金属材料试片进行疲劳试验，如图3所示，累积频率表示于纵座标，夹杂物尺寸表示于横座标，对于使用材料所含的夹杂物绘制与图2相当的极值统计分布图。

(2)根据该疲劳试验的结果，如图4所示求得达到断裂的应力反复次数Nf和捕获的氢产生影响的夹杂物周围的无因次ODA尺寸(

)之间的函数关系。无因次ODA尺寸是形成断裂起点的夹杂物面积A₀和ODA面积A₁合计的面积A₀+A₁用平方根表示的尺寸

与夹杂物面积A₀用平方根表示的夹杂物尺寸

之比。作为许多材料都适用的图表可以近似使用图1。但是，要根据金属材料所含有的氢量，对图1中图示的曲线加以变化。

(3)采用图4，求得与机械零件的使用假定应力反复次数相对应的夹杂物扩大后的尺寸，即等价缺陷尺寸

例如，假定Nf＝3×10⁸，取于图4的横座标上，则 轴上的值约为3，所以可估计等价缺陷尺寸

的值为夹杂物初始尺寸 的3倍。但是，实际的机械零件比试片的尺寸大，含有比实验所得的夹杂物大得多的夹杂物，所以为了推定其尺寸，根据机械零件的使用假定反复次数将图3的数据向右侧平行移动(参照图5)，再在该平行移动后的直线上，计算对应于实际机械零件的尺寸和生产量的递归时间T＝T^*，求得预想含有的最大等价夹杂物尺寸 即，将该最大等价夹杂物尺寸 作为对应于实际的机械零件尺寸、生产量及设计寿命的最大等价缺陷尺寸。

(4)将等价缺陷尺寸 用于设计的容许应力等的计算时，例如可利用本发明者已提出的以下的 参数模型。

式中，σ表示与使用假定应力反复次数对应的容许应力(MPa)，HV表示维氏硬度(MPa)，R表示应力比(＝最小应力/最大应力)，α＝0.226+HV/9.8×10^-4。而且，作为等价缺陷尺寸 导入由以上决定的包含ODA的最大等价缺陷尺寸

计算出对应于使用假定应力反复次数的容许应力(MPa)。此外，不使用上式，而使用其他设计式时，若不进行将上述等价缺陷尺寸(最大等价缺陷尺寸 )考虑在内的疲劳强度设计，就不能确保安全。例如，在以往的方法中，只根据少数试片或实际零件的测试结果来决定对应于使用假定应力反复次数的容许应力，没有考虑到实际上更多零件中含有的最大夹杂物的影响，而且也没有考虑由于氢的影响夹杂物从初始尺寸开始的裂纹扩大的影响，所以不能确保疲劳强度的可靠性。

如上所述，从疲劳试验结果求得达到断裂的应力反复次数Nf和夹杂物周围的氢影响区域的尺寸

之间的函数关系，求得作为与使用假定应力反复次数相对应的夹杂物扩大后的尺寸的等价缺陷尺寸，并将该等价缺陷尺寸用于容许应力等的长寿命疲劳强度计算来设计机械零件，能够进行考虑了对应于机械零件的使用假定寿命的ODA尺寸扩大的断裂寿命设计。

产业上利用的可能性

本发明的金属材料的长寿命疲劳强度设计法，适用于汽车变速装置、弹簧及车辆轴承之类在使用期限内需要承受相当的反复应力的机械零件的设计。

Claims (6)

1.金属材料的长寿命疲劳强度设计法，它是含有周围捕获了氢的非金属夹杂物的金属材料的长寿命疲劳强度设计法，其特征在于，由以下3个步骤构成：第1步骤是从疲劳试验结果求得达到断裂时的应力反复次数和上述受到捕获的氢影响的非金属夹杂物周围的氢影响区域的尺寸之间的函数关系；第2步骤是根据上述函数关系，求得作为与采用上述金属材料的机械零件的使用假定应力反复次数对应的非金属夹杂物扩大后的尺寸的等价缺陷尺寸；第3步骤是将上述等价缺陷尺寸用于容许应力之类的超长寿命疲劳强度的计算，进行上述机械零件的设计。

2.如权利要求1所述的金属材料的长寿命疲劳强度设计法，其特征还在于，上述第1步骤中，将上述达到断裂的应力反复次数Nf以及上述金属材料所含的非金属夹杂物中形成断裂起点的非金属夹杂物面积A₀和上述氢影响区域面积A₁之合计面积A₀+A₁用平方根表示的等价缺陷尺寸

与上述形成断裂起点的非金属夹杂物面积A₀用平方根表示的夹杂物初始尺寸

之比

分别用座标轴表示，根据绘图后的图像求得函数关系；上述第2步骤中，在上述图像的Nf轴上取上述使用假定应力反复次数，根据上述函数关系求得对应的

轴上的值，再求得对应于夹杂物初始尺寸 的等价缺陷尺寸

3.如权利要求2所述的金属材料的长寿命疲劳强度设计法，其特征还在于，还包括对于上述金属材料所含非金属夹杂物中形成断裂起点的非金属夹杂物尺寸绘制极值统计分布的步骤；上述第2步骤中，根据等价缺陷尺寸

与上述夹杂物初始尺寸

的关系，将上述极值统计分布平行移动，在该平行移动后的直线上，计算与实际机械零件的尺寸和生产量相应的递归时间，将对应于用于上述机械零件的实际金属材料所含的非金属夹杂物中的最大非金属夹杂物的最大等价缺陷尺寸

用于容许应力的计算。

4.如权利要求2所述的金属材料的长寿命疲劳强度设计法，其特征还在于，上述第3步骤中，用以上述最大等价缺陷尺寸

为参数的公式：

进行上述机械零件的设计，式中，σ表示与使用假定应力反复次数对应的容许应力(MPa)，HV表示维氏硬度(MPa)，R表示应力比(＝最小应力/最大应力)，α＝0.226+HV/9.8×10^-4。

5.如权利要求3所述的金属材料的长寿命疲劳强度设计法，其特征还在于，上述第3步骤中，用以上述最大等价缺陷尺寸

为参数的公式：

进行上述机械零件的设计，式中，σ表示与使用假定应力反复次数对应的容许应力(MPa)，HV表示维氏硬度(MPa)，R表示应力比(＝最小应力/最大应力)，α＝0.226+HV/9.8×10^-4。

6.如权利要求1～5中任一项所述的金属材料的长寿命疲劳强度设计法，其特征还在于，上述金属材料为高强度钢。

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