如何提高金屬材料耐疲勞性能

A. 如何評價金屬材料的疲勞性能

為什麼金屬疲勞時會產生破壞作用呢？這是因為金屬內部結構並不均勻，從而造成應力傳遞的不平衡，有的地方會成為應力集中區。與此同時，金屬內部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續作用下，裂紋會越來越大，材料中能夠傳遞應力部分越來越少，直至剩餘部分不能繼續傳遞負載時，金屬構件就會全部毀壞。 早在100多年以前，人們就發現了金屬疲勞給各個方面帶來的損害。但由於技術的落後，還不能查明疲勞破壞的原因。直到顯微鏡和電子顯微鏡相繼出現之後，使人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得新的成果，並且有了巧妙的辦法來對付這個大敵。 在金屬材料中添加各種「維生素」是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領，延長使用壽命。隨著科學技術的發展，現已出現「金屬免疫療法」新技術，通過事先引入的辦法來增強金屬的疲勞強度，以抵抗疲勞損壞。此外，在金屬構件上，應盡量減少薄弱環節，還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度，以免發生銹蝕。對產生震動的機械設備要採取防震措施，以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候，要進行對金屬內部結構的檢測，對防止金屬疲勞也很有好處。 金屬疲勞所產生的裂紋會給人類帶來災難。然而，也有另外的妙用。現在，利用金屬疲勞斷裂特性製造的應力斷料機已經誕生。可以對各種性能的金屬和非金屬在某一切口產生疲勞斷裂進行加工。這個過程只需要1―2秒鍾的時間，而且，越是難以切削的材料，越容易通過這種加工來滿足人們的需要. 金屬疲勞原理是：金屬在一定振幅下能承受多少次的震動，超過這個次數就超過了金屬的疲勞極限，就會發生變行 如果振幅很大，就直接產生變形了，如果振幅很小，次數就可打到無限次 金屬疲勞 在交變應力作用下，金屬材料發生的破壞現象。機械零件在交變壓力作用下，經過一段時間後，在局部高應力區形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴展以致斷裂。疲勞破壞具有在時間上的突發性，在位置上的局部性及對環境和缺陷的敏感性等特點，故疲勞破壞常不易被及時發現且易於造成事故。應力幅值、平均應力大小和循環次數是影響金屬疲勞的三個主要因素。

B. 如何提高材料的抗疲勞

首先，讓我們了解一下疲勞的定義。疲勞是指材料在低於拉伸強度極限的交變應力（或應變）的反復作用下，材質逐漸劣化，逐漸萌生出疲勞裂紋，引起材料的失效。

材料疲勞失效問題在材料的使用過程中是需要特別注意的，我們必須了解疲勞的性質以及疲勞破壞的具體過程，找到提高疲勞強度的方法，在材料的使用過程中不斷運用，盡量減少機械部件的疲勞失效，這是我們研究這個問題的最終目標。下面將對疲勞的性質、疲勞破壞以及怎樣提高疲勞強度做一個簡單的描述：

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疲勞的三個性質

1）疲勞中的損傷性

由於材料本身性質的不同，我們無法對每個材料都作出幾何學上的描述；而對於它們的演變，也由於微觀測量和宏觀力學量之間量級懸殊，也不能直接用於結構分析。

所以我們從熱力學出發，由於損傷變數是一種內部變數，物質形態對於外力、溫度、時間因素的依賴性隱含在內部變數對其他獨立熱力學變數的關系式演化方程中，所以這種內變數可用來描述損傷場的發展、演變。而對於唯象的損傷力學來說，可以認為應力、應變及其組合量如應變能密度等是控制損傷過程一級本質的物理量。

2）疲勞中的概率統計性

疲勞損傷動態過程是一個隨機過程，因而它的疲勞壽命或疲勞強度表現出概率統計性。

金屬材料組織本身的散亂是導致它損傷的散亂和疲勞壽命散亂的一個主要原因，組織的散亂又在於它的不均勻性，包括諸多的因素，作為近似可以將這些因素統一起來進行統計處理。

3）疲勞損傷中的局部性

疲勞損傷中的局部性現象，主要表現在疲勞失效首先在最薄弱環節處產生，這一事實是和疲勞中的隨機概率性密切相關的；從疲勞壽命所遵從的Weibull分布來看，其本身的物理背景也充分體現了疲勞損傷的局部性。

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疲勞破壞的三個階段

1）裂紋形成階段

在交變應力作用下，最高應力區金屬晶體滑移帶開裂成微觀裂紋，形成疲勞源區。

2）裂紋擴展階段

在交變應力作用下，裂紋尖端因應力集中而逐漸擴展，裂紋兩面不斷研磨形成光滑區，即裂紋擴展區。

3）瞬時斷裂階段

隨著裂紋的不斷擴展，截面削弱直至強度不足而突然斷裂，形成斷口的粗糙區，塑性材料表現為纖維狀，脆性材料表現為結晶狀。

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提高金屬結構疲勞強度的措施

1）合理設計構件的外形

構件截面改變越激烈，應力集中系數就越大。工程上常採用改變構件外形尺寸的方法來減小應力集中。設計構件外形時，應盡量避免帶有尖角的孔和槽,在各類配合中採用緩和的方式。

2）提高構件的表面加工質量

一般構件表面的應力都很大，同時由於加工的原因，構件表層的刀痕或損傷處，又將引起應力集中。因此，對疲勞強度要求高的構件，應採用精加工方法，以獲得較高的表面質量。

3）提高構件表面強度

常用方法有表面熱處理和表面機械強化兩種方法。表面熱處理通常採用高頻淬火、滲碳、氰化、氮化等措施，以提高構件表層材料的抗疲勞強度能力。表面機械強化通常採用對構件表面進行滾壓、噴丸等，是使構件表面形成預壓應力層，以降低最容易形成疲勞裂紋的拉應力，從而提高表層強度。

在對材料疲勞有了部分了解後，希望可以將此運用到材料的製作過程當中去，盡量減少由於材料疲勞而導致的失效問題。

C. 如何提高金屬材料耐磨性

你的問題比較廣泛，使用條件是什麼？ 什麼樣的材料體系？是在表面簡單改性還是重新增加耐磨層都是問題。提高耐磨性是個大方向的問題。硬度是一方面。不過有時候，硬度不高的情況下，耐磨性卻很好。
1 常用的辦法是淬火，增加其強度。
2 如果要求比較高，且不易淬火可以考慮滲碳、滲氮或者碳氮共滲。
3 如果實在要求太高，可以考慮增加塗層或者符合層。
主要還是看你有什麼要求，增加耐磨性方法很多種，一般都是表面處理。表面處理冶標不冶本，如果有條件的話最好使用專業的耐磨鋼板，瑞鋼的Hardox系列，舞鋼的NW系列以及寶鋼等都有生產耐磨鋼板。如果需要采購耐磨鋼板可聯系武寶鋼鐵免費專線4008-234-345武寶鋼鐵，樓主你最好說明白要用在什麼地方，經濟指標是什麼，這樣好做推薦。

D. 金屬零件的疲勞強度，如何提高

1.選用高強度的金屬材抄料。

2.合理的零件結構、形狀設計。避免應力集中。

3.選用合理的熱處理，消除材料內應力。

4.降低表面粗糙度，提高表面質量，可以消除初始裂紋存在的可能性。例如，大型發動機的重要緊固螺栓，表面粗糙度Ra1.6（螺帽除外）。

5.強力拋丸，強化表面

E. 如何提高金屬材料的強度 詳細

答：可通過以下5 種途徑提高金屬材料的強度 1）進行熱處理工藝，按照所需專要的性能和組織進行屬熱處理，淬火 回火 正 火等。汽車零件，既要保留心部的韌性，又要改變表面的組織以提高硬 度就是採用表面高頻淬火或滲碳、氰化等熱處理工藝來提高。 2）表面進行噴丸處理也可以提高強度。高速彈丸流噴射到彈簧表面，使彈 簧表層發生塑性變形，而形成一定厚度的強化層，強化層內形成較高的 殘余應力，由於彈簧表面壓應力的存在，當彈簧承受載荷時可以抵消一 部分抗應力，從而提高彈簧的疲勞強度 3）晶界強化。進行控制軋制和控製冷卻獲得較細小的晶粒。如拖拉機的履 帶、破碎機的顎板以及鐵路的道岔等是利用加工硬化來提高其硬度和耐磨性的4）位錯強化。如一些單晶的物質有較高的強度，主要是裡面位錯較少，所 以減少位錯也可以提高強度 5）通過形變和時效析出一些化合物可以提高強度。如合金淬火形成過飽 和固溶體後，將其置於室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以 提高合金的硬度、強度等。

F. 如何提高金屬材料的強度 詳細

答：可通過以下5 種途徑提高金屬材料的強度 1）進行熱處理工藝，按內照所需要的性能和組容織進行熱處理，淬火 回火 正 火等。汽車零件，既要保留心部的韌性，又要改變表面的組織以提高硬 度就是採用表面高頻淬火或滲碳、氰化等熱處理工藝來提高。 2）表面進行噴丸處理也可以提高強度。高速彈丸流噴射到彈簧表面，使彈 簧表層發生塑性變形，而形成一定厚度的強化層，強化層內形成較高的 殘余應力，由於彈簧表面壓應力的存在，當彈簧承受載荷時可以抵消一 部分抗應力，從而提高彈簧的疲勞強度 3）晶界強化。進行控制軋制和控製冷卻獲得較細小的晶粒。如拖拉機的履 帶、破碎機的顎板以及鐵路的道岔等是利用加工硬化來提高其硬度和耐磨性的4）位錯強化。如一些單晶的物質有較高的強度，主要是裡面位錯較少，所 以減少位錯也可以提高強度 5）通過形變和時效析出一些化合物可以提高強度。如合金淬火形成過飽 和固溶體後，將其置於室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以 提高合金的硬度、強度等。

G. 如何提高金屬材料的耐磨性能

金屬材料是一種歷史悠久發展成熟的工程材料。我國早在商朝即有青銅器出現，春秋戰國時代開始使用鐵器，鋁合金的運用亦已有一百年的歷史，就連鈦合金都已發展六十多年了， 隨著人類文明的演進，金屬材料一直扮演著重要的角色，舉凡與我們生活息息相關的食，衣，住，行，無不處處見其蹤跡，例如陸、海、空、各類運輸工具、橋梁、建築、機械工具，國防重工業等不勝枚舉。

在機械製造業中，一般機械零件都是在常溫、常壓和非強烈腐蝕性介質中使用的，且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為機械性能（或稱為力學性能）。金屬材料的機械性能是零件的設計和選材時的主要依據。外載入荷性質不同（例如拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、循環載荷等），對金屬材料要求的機械性能也將不同。常用的機械性能包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。

但在復雜工況條件下，冶金、礦山、港口、電力、煤炭、建材及軍事等各個工業行業中，許多工件及設備由於磨損而迅速失效。材料摩擦、磨損和腐蝕雖然很少引起金屬工件災難性的危害，但其造成的經濟損失卻是相當驚人的。因此，在復雜工況下，耐磨損性能是對金屬機械材料部件的新挑戰。

金屬磨損過程一般分三個階段：

第一階段金屬磨合、精磨合階段。採用特殊工藝，人為控制將金屬表面凸出部分磨平。凹處補齊，使接觸面積加大。光潔度提高。達到減少金屬磨損目的，可以使汽車節油，設備節電。

第二階段金屬磨損穩定階段。在這個階段金屬磨損極少，磨損量與潤滑油、負載、速度、溫度等條件有關。

第三階段金屬磨損加速階段。由於磨損量日積月累達到一定程度後，就會發生振動，溫度提高，金屬表面劇烈磨損導致另件失效，事故發生。也可以發生汽車燒機油現象。

通常使用的提高金屬材料耐磨性的辦法是淬火，增加其強度。如果要求比較高，且不易淬火可以考慮滲碳、滲氮或者碳氮共滲。在滲碳、滲氮或者碳氮共滲均無法達到要求的情況下可以對金屬材料進行表面處理，增加耐磨塗層。

在選擇耐磨塗層時，首要考慮的當然是材料的耐磨性能，耐磨材料與金屬材料的粘接力也是一個重要因素，材料耐磨性再好，如果無法和金屬基材進行很好的粘接，短時間即引起脫落，再好的耐磨材料也不能得到有效的應用。此外，耐磨塗層的處理技術也至關重要，在對一些較復雜的金屬材料進行塗層處理時，往往很多技術不易施展或是無法操作，相對來說，噴塗技術操作簡單，易於施工，且不受基材的形狀限制，處理起來比較方便。因此，選擇粘接力強的耐磨材料對金屬材料進行噴塗表面處理是一個較為實用提高金屬材料耐磨性的方法。如果耐磨材料還能具備耐酸鹼腐蝕、耐沖擊，摩擦小就更加完美了。目前這類耐磨材料正是表面處理耐磨材料的研究和發展方向。

H. 如何提高金屬的耐高溫性能,簡述其機理

金屬材料常用的強化方式有細晶強化、固溶強化、第二相強化、加工硬化專。
細晶強化 通過細化晶粒而屬使金屬材料力學性能提高的方法稱為細晶強化，工業上將通過細 化晶粒以提高材料強度。 其原理是通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內晶粒的數目 來表示，數目越多，晶粒越細。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬 有更高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為細晶粒受到外力發生塑性變形可分 散在更多的晶粒內進行，塑性變形較均勻，應力集中較小；此外，晶粒越細，晶 界面積越大，晶界越曲折，越不利於裂紋的擴展。故工業上將通過細化晶粒以提 高材料強度的方法稱為細晶強化。