一般認(rèn)為零件在許用應(yīng)力下工作不會(huì)發(fā)生塑性變形，更不會(huì)發(fā)生斷裂，然而事實(shí)并非如此，工程中曾多次出現(xiàn)過在應(yīng)力低于許用應(yīng)力情況下，發(fā)生突然斷裂的**。
試驗(yàn)研究表明，由于金屬材料內(nèi)部不可避免地存在著各種宏觀缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)在材料中的作用相當(dāng)于裂紋，當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，這些裂紋的附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，如下圖1-11所示。由于應(yīng)力線的特點(diǎn)是不能在試樣內(nèi)部中斷，因而被迫繞過裂紋上下相連，使裂紋處的應(yīng)力線增多，產(chǎn)生應(yīng)力集中，使局部應(yīng)力**超過材料的允許應(yīng)力值，使得裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，直到終斷裂。
圖1-11 無裂紋和有裂紋試樣的應(yīng)力線；
斷裂韌度就是用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)張能力的性能指標(biāo)。通常用臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIc表示。
KIc=Yσc√a 式中Y--常數(shù)，與試樣材料、裂紋形狀及加載方式有關(guān)；a--裂紋長度；σc--斷裂應(yīng)力。
斷裂韌度是材料本身的一種力學(xué)性能指標(biāo)，同其他力學(xué)性能一樣，主要取決于材料的成分、**結(jié)構(gòu)及各種缺點(diǎn)，并與生產(chǎn)工藝過程有關(guān)。因此，適當(dāng)調(diào)整成分，通過合理冶煉、加工和熱處理以獲得佳的**，就能大幅度提高材料的斷裂韌度，從而也就提高了含裂紋構(gòu)件的承載能力。
許多機(jī)械零件如曲軸、齒輪、軸承、葉片和彈簧等，都是在交變載荷作用下工作的，這種載荷的大小、作用方向隨時(shí)間作周期性或無規(guī)則的變化，在金屬材料內(nèi)部引起的應(yīng)力也具有反復(fù)性和波動(dòng)性。這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。在交變載荷下，零件受的應(yīng)力雖然低于其屈服點(diǎn)，但經(jīng)過長時(shí)間的工作會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。金屬抵抗這種疲勞破壞的能力稱為疲勞強(qiáng)度。疲勞破壞是機(jī)械零件失效的一種主要形式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中，大約有80%以上是屬于疲勞破壞的。而且疲勞破壞事前并無明顯征兆，往往表現(xiàn)為突然破壞，所以危害極大。
疲勞強(qiáng)度是在疲勞試驗(yàn)機(jī)上測定的。曲線表明，金屬承受的交變應(yīng)力σ愈低，則斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)愈大。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí)，疲勞曲線變成與橫坐標(biāo)平行的直線。這一現(xiàn)象表明當(dāng)應(yīng)力低于此值時(shí)，試樣可經(jīng)受無限次周期循環(huán)而不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞強(qiáng)度，用σb表示。對于對稱循環(huán)應(yīng)力（如下圖1-13）的疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。
機(jī)械零件之所以產(chǎn)生疲勞破壞，是由于材料表面或內(nèi)部有缺點(diǎn)（如夾雜、劃痕、尖角等）。這些地方的局部應(yīng)力大于屈服點(diǎn)，從而產(chǎn)生局部塑性變形而開裂。這些微裂隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，使承載的截面積**減小，以致不能承受加載而突然破壞。
常說粗糙度和構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度有密切的聯(lián)系，實(shí)際上說得確切說是微觀表面波谷的曲率對疲勞強(qiáng)度有更大更直接的影響。越尖銳應(yīng)力集中也就越大。
為了提高零件的疲勞強(qiáng)度，除通過合理選材，細(xì)化晶粒、減少材料和零件的缺點(diǎn)，改善零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免應(yīng)力集中，減小零件表面粗糙度等方法外，還可以采取表面強(qiáng)化的方法，如為提高零件的表面質(zhì)量，可以采用豪克能技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化加工，有削峰填谷的作用，改善工件表面質(zhì)量，預(yù)支殘余壓應(yīng)力，極大降低應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。
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