3
2、传统的用材观念
“为了使用安全，过份追求材料的塑性和冲击韧性， 不息牺牲强度”；
后果是： （1）使用的材料强度水平低，疲劳寿命低，造成机 器粗大笨重；
（2）追求过大的一次冲击韧性，即使在承受小能量
冲击载荷场合下，使用寿命不长，也并不安全。
4
3、新的材料强度学观点
“材料的多次冲击疲劳抗力主要取决于以
2、降低 3、降低 Si﹤0.05-0.09% Mn﹤0.5%
4、加入Cr、Mo合金元素 5、Al、Ti、Ni或V、Nb微合金化
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7、某一零件不同部位的应力状态要求不同的强、塑、 韧合理配合
闪光对焊焊头 HRC36 37 39 40
44
46 B处正断部位
A处 剪切断裂部位
1）园环链可能发生的断裂部位
7
13.2 8.7 4.9
二、强、塑、韧合理配合与优化选 材、用材
1、应力状态与合理选材、用材
1）、拉、压、弯扭载荷的应力状态 应力状态的表征： 软性系数α =
t max max
零件在外加载荷作用下，其内部的某一点的最大应 力可分为最大切应力（tmax）和最大正应力σ max
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“软性”应力状态
1）、当α ＜1拉伸、弯曲载荷时的材料设计
在适当提高使用强度水平的同时，要求较高塑性、韧性相 配合。 ↑σ s、 σ b+较高的δ、ak、
采用中、低碳钢、合金钢高温或中温回火。
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2）、当α ﹥1扭转载荷时的材料设计
进一步提高材料使用强度水平，要求一定的塑性、韧性配合。 ↑σ s、 σ b+一定的δ、ak、
1.5Mn13)是制作坦克,拖拉机履带板等的传统材料。 可用低碳马氏体合金钢制作履带板、斗齿等零件。 21
2）、用材——论钢的回火
104 N ↑ 103
A1﹥A2 ﹥A3 ﹥A4 A4 A3 A2 A1
102 300 400 500 600
℃
50钢回火温度及不同能量下的多次冲击断裂周次的关系。 规律是： 随着A↓，所对应的最佳回火向低温方向转移。
多 次 冲 击 断 裂 次 数 N
钝缺口试样 104 滚压力1.5KN 材料40Cr 103
缺口未滚压
102 300 400 500 回火温度℃ 不同回火温度下滚压对提高多次冲击疲劳寿命的效果
在缺口未滚压前，40Cr钢淬火后获得最佳多次冲击疲劳寿命的回火温度为400℃中温回火。 在缺口滚压形变强化后，40Cr钢获得最佳多次冲击疲劳寿命的回火温度为200℃即低温回火。
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[例1]45钢与球墨铸铁的选择
σ s MPa ﹥600 ﹥600 σ b MPa ﹥340 ﹥420 δ% ﹥16 ﹥2 aKKg-m/cm2 ﹥8 ﹥1.5
冲 击 能 量 A J
5.0
45钢
球墨铸铁 2.5
45钢调质 球墨铸铁 结果说明: 球墨铸铁的塑性、韧性虽说很低，但对于按无限疲劳寿命设 计的某些零件如曲轴、连杆可以采用球墨铸铁取代45钢制 造。
350℃
500℃
最佳da/dn的回火温度向高温
方向移动。
回火温度 40CrNiMO钢 淬火后不同温度回火
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3）、Kt与钢的疲劳强度
Kt-σ -1、σ
弯 800 曲 疲 600 劳 强 度 400 200 0 600 2000 1500 1000 抗拉强度，σ b（MPa）
-1n的关系
， -1n
强度为主，要求一定的塑性和韧性配合”。
为了获得最佳的疲劳寿命，必须根据零件的
不同服役条件，通过不同的回火温度调节出 最佳的材料强、塑、韧合理配合”。
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[实例]提高一吨模锻锤锤杆使用寿命的工程试验
锤杆Φ 120×2360mm；205公斤重。
原来使用情况：
30CrMnSi或30CrNi3A优质合金钢， 淬火后650 ℃高温回火，250-300HB 使用寿命 1个月左右
200
经表面形变强化后，最佳回火温度由中温回火向低温回火方向转移。
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6、提高使用强度σ b水平与延迟断裂强度的关系
1）、延迟断裂的概念
延迟断裂 是在静止应力作用下的 材料，经过一定时间以 后，突然脆性破坏的一 种现象，是氢致脆化的 结果。
2500 延 2000 迟 断 1500 裂 强 1000 度 M 500 P a 0
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[例4]高锰奥氏体钢与低碳马氏体钢的选择
J
Mn13(奥氏体)
钢种及热处理 Mn13奥化体钢 1050℃淬火 27SiMn低碳马氏体 920 ℃淬火 200 ℃回火
A ↑
3.5 27SiMn低碳马氏体
σs MPa ≥ 560 1670
ψ % ≥ 15 10.1
ak KgM/Cm2 ≥ 20 3.2
σs
MPa 895
σb
MPa 1040
ψ
% 41
60Si2Mn
A(J)
2150
2300
1
104
105
N
内六角凸模（M18-20）冷墩材料： W18Cr4V钢 寿命 ﹤100件 60Si2Mn钢 寿命 1000件 失效形式由断裂转变为磨损。 在高的多次冲击能量作用下，可采用塑 性、韧性好的弹簧钢作冷墩模。
采用中碳钢、中碳合金钢中温回火。
3）、当α ﹥1压缩载荷时的材料设计
要求高的强度、硬度，可以使用应用硬而脆的材料。
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3）、实例： 举例[1]滚动轴承
用高碳合金钢Gcr15、淬火、低温回火；甚至用陶瓷轴承。
举例[2]弹簧
钢板弹簧受弯曲α =0.75，采用60si2mn,高温回火363-457HB 螺旋弹簧受扭转应力α =1，采用50Crv,中温回火427-514HB
（a）轴承钢（b）20CrMo钢渗碳淬火后不同温度回火 14
3）、滑动磨粒磨损与多次冲击磨粒磨损
各种碳钢经淬火，180 ℃回火后的磨损试验结果 1、滑动磨粒磨损的情况下，钢的含碳量越高，磨损量越小。 2、多次冲击磨粒磨损的情况下，T8钢（0.8%）的磨粒磨损量最小，位于磨损曲线上的低谷。
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4）、一般常咬合渗碳齿轮的表面硬度要求HRC58-63
当tmax＞ σ max(α ＞1)时
“硬性”应力状态
当tmax＜ σ max(α ＜ 1)时
不同载荷下的α
缺口拉伸 单向拉伸 α=0. 5 硬性应力状态
不同
弯曲 扭转 单向压缩
α=0.25
α=0. 74
较软
α=1
α=2
软性应力状态
应力状态α
不同，选材、用材的原则也不同
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2）、不同应力状态，有不同的强、塑、韧合理配合
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不同含碳量的钢多次冲击疲劳抗力高峰所对应的最佳回火温度。 规律是： 1）随着%C↑，最佳回火温度向高温方向转移。 2）反之， %C↓，最佳回火温度向低温方向转移。
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4、不同应力集中系数（Kt）与选材、用材
1）、缺口应力系数Kt↑，对应最佳多次冲击疲劳 的回火温度向中温回火方向移动。
例如：40钢的多次冲疲劳试验结果
对于承受多次冲击的变速箱换齿轮则须降至HTC56-60 综上，拉，压、弯、扭十多次冲击加载性质时，选材，用 材就略有不同。
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3、不同的载荷（A冲击能量或σ 应力） 大小与选材、用材
1）、与选材——论按用途分类选材原则的局限性
不同的冲击能量（A）作用下，不同强、塑、韧配合材 料的冲击疲劳抗力不同，选择材料的合理性也不同，例如：
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2、同一载荷，不同加载性质与选材、用材
当拉、压、弯、扭十多次冲击的场合： 1）、弯曲疲劳（脉动弯曲疲劳与多次冲击弯曲疲劳极 限的差异）
钢号及工艺 45钢正火 40Cr淬火200 ℃回火
缺口脉动弯曲疲劳极限 σ -1 Mpa 225 340
多次冲击弯曲缺口疲劳极限 σ -1 Mpa 105不断为基数 181 282
从材料强度学的观点论机械零 件疲劳寿命的优化
中国工程院院士 四川大学 教授
涂铭旌
2009.04.04
1
一、材料的强度、塑性、韧性 与使用寿命的辩证关系
1、材料的强度与塑、韧性及其异变关系
材料的强度、塑性、韧性判据
强度σs 、 σ b（Mpa） 塑性δ 、ψ （%） 韧性冲击α k （kg-M/cm2 → J）； 断裂韧性K1c（Mpa m ）
A可能发生剪切断裂。 B处为闪光对焊接头，可能
发生脉动拉应力疲劳断裂。
2）同一零件不同的A、B两部位 由于所处的应力状态不同，相应地各自 所要求的强、塑、韧配合也不同。 A处属软的应力状态； B处属硬的应力状态。
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3）设计强、塑、韧配合两全的热处理工艺
为了实现热处理后不同部位硬度的有利分布。
2
钢材经淬火、回火后，强度与塑性、韧性比消彼长
σs 、 σ b ↑↓ δ 、 α k ↑↓
40Cr淬火、不同温度回火的机械性能
840℃淬火 后回以温度 200 ℃回火 390 ℃回火 500 ℃回火 670 ℃回火
硬度 HRC 50 45 35 24
σs Mpa 1610 1400 1060 725
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断口失效分析：
受大压-小拉+弯曲复合交变应力，经历几十 万次多次冲击疲劳断裂。 改进技术措施：
热处理方案 供应状态40Cr钢材 40Cr淬油、650 ℃回火 40Cr淬油、500 ℃回火 40Cr淬油、450 ℃回火 冲击韧性αk kg-M/cm2 9.0 使用寿命 17天(25.5万次) 33天(49.5万次) 半年未断 4个月未断
σb Mpa 2005 1500 1120 810
δ % 6.4 11.1 13.7 22.9
ψ % 15.5 52.3 57.8 68.4