如何提高金属材料耐疲劳性能

A. 如何评价金属材料的疲劳性能

为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。 早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。 在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。 金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而，也有另外的妙用。现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要1―2秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需要. 金属疲劳原理是：金属在一定振幅下能承受多少次的震动，超过这个次数就超过了金属的疲劳极限，就会发生变行 如果振幅很大，就直接产生变形了，如果振幅很小，次数就可打到无限次 金属疲劳 在交变应力作用下，金属材料发生的破坏现象。机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。

B. 如何提高材料的抗疲劳

首先，让我们了解一下疲劳的定义。疲劳是指材料在低于拉伸强度极限的交变应力（或应变）的反复作用下，材质逐渐劣化，逐渐萌生出疲劳裂纹，引起材料的失效。

材料疲劳失效问题在材料的使用过程中是需要特别注意的，我们必须了解疲劳的性质以及疲劳破坏的具体过程，找到提高疲劳强度的方法，在材料的使用过程中不断运用，尽量减少机械部件的疲劳失效，这是我们研究这个问题的最终目标。下面将对疲劳的性质、疲劳破坏以及怎样提高疲劳强度做一个简单的描述：

1

疲劳的三个性质

1）疲劳中的损伤性

由于材料本身性质的不同，我们无法对每个材料都作出几何学上的描述；而对于它们的演变，也由于微观测量和宏观力学量之间量级悬殊，也不能直接用于结构分析。

所以我们从热力学出发，由于损伤变量是一种内部变量，物质形态对于外力、温度、时间因素的依赖性隐含在内部变量对其他独立热力学变量的关系式演化方程中，所以这种内变量可用来描述损伤场的发展、演变。而对于唯象的损伤力学来说，可以认为应力、应变及其组合量如应变能密度等是控制损伤过程一级本质的物理量。

2）疲劳中的概率统计性

疲劳损伤动态过程是一个随机过程，因而它的疲劳寿命或疲劳强度表现出概率统计性。

金属材料组织本身的散乱是导致它损伤的散乱和疲劳寿命散乱的一个主要原因，组织的散乱又在于它的不均匀性，包括诸多的因素，作为近似可以将这些因素统一起来进行统计处理。

3）疲劳损伤中的局部性

疲劳损伤中的局部性现象，主要表现在疲劳失效首先在最薄弱环节处产生，这一事实是和疲劳中的随机概率性密切相关的；从疲劳寿命所遵从的Weibull分布来看，其本身的物理背景也充分体现了疲劳损伤的局部性。

2

疲劳破坏的三个阶段

1）裂纹形成阶段

在交变应力作用下，最高应力区金属晶体滑移带开裂成微观裂纹，形成疲劳源区。

2）裂纹扩展阶段

在交变应力作用下，裂纹尖端因应力集中而逐渐扩展，裂纹两面不断研磨形成光滑区，即裂纹扩展区。

3）瞬时断裂阶段

随着裂纹的不断扩展，截面削弱直至强度不足而突然断裂，形成断口的粗糙区，塑性材料表现为纤维状，脆性材料表现为结晶状。

3

提高金属结构疲劳强度的措施

1）合理设计构件的外形

构件截面改变越激烈，应力集中系数就越大。工程上常采用改变构件外形尺寸的方法来减小应力集中。设计构件外形时，应尽量避免带有尖角的孔和槽,在各类配合中采用缓和的方式。

2）提高构件的表面加工质量

一般构件表面的应力都很大，同时由于加工的原因，构件表层的刀痕或损伤处，又将引起应力集中。因此，对疲劳强度要求高的构件，应采用精加工方法，以获得较高的表面质量。

3）提高构件表面强度

常用方法有表面热处理和表面机械强化两种方法。表面热处理通常采用高频淬火、渗碳、氰化、氮化等措施，以提高构件表层材料的抗疲劳强度能力。表面机械强化通常采用对构件表面进行滚压、喷丸等，是使构件表面形成预压应力层，以降低最容易形成疲劳裂纹的拉应力，从而提高表层强度。

在对材料疲劳有了部分了解后，希望可以将此运用到材料的制作过程当中去，尽量减少由于材料疲劳而导致的失效问题。

C. 如何提高金属材料耐磨性

你的问题比较广泛，使用条件是什么？ 什么样的材料体系？是在表面简单改性还是重新增加耐磨层都是问题。提高耐磨性是个大方向的问题。硬度是一方面。不过有时候，硬度不高的情况下，耐磨性却很好。
1 常用的办法是淬火，增加其强度。
2 如果要求比较高，且不易淬火可以考虑渗碳、渗氮或者碳氮共渗。
3 如果实在要求太高，可以考虑增加涂层或者符合层。
主要还是看你有什么要求，增加耐磨性方法很多种，一般都是表面处理。表面处理冶标不冶本，如果有条件的话最好使用专业的耐磨钢板，瑞钢的Hardox系列，舞钢的NW系列以及宝钢等都有生产耐磨钢板。如果需要采购耐磨钢板可联系武宝钢铁免费专线4008-234-345武宝钢铁，楼主你最好说明白要用在什么地方，经济指标是什么，这样好做推荐。

D. 金属零件的疲劳强度，如何提高

1.选用高强度的金属材抄料。

2.合理的零件结构、形状设计。避免应力集中。

3.选用合理的热处理，消除材料内应力。

4.降低表面粗糙度，提高表面质量，可以消除初始裂纹存在的可能性。例如，大型发动机的重要紧固螺栓，表面粗糙度Ra1.6（螺帽除外）。

5.强力抛丸，强化表面

E. 如何提高金属材料的强度 详细

答：可通过以下5 种途径提高金属材料的强度 1）进行热处理工艺，按照所需专要的性能和组织进行属热处理，淬火 回火 正 火等。汽车零件，既要保留心部的韧性，又要改变表面的组织以提高硬 度就是采用表面高频淬火或渗碳、氰化等热处理工艺来提高。 2）表面进行喷丸处理也可以提高强度。高速弹丸流喷射到弹簧表面，使弹 簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的 残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受载荷时可以抵消一 部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度 3）晶界强化。进行控制轧制和控制冷却获得较细小的晶粒。如拖拉机的履 带、破碎机的颚板以及铁路的道岔等是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的4）位错强化。如一些单晶的物质有较高的强度，主要是里面位错较少，所 以减少位错也可以提高强度 5）通过形变和时效析出一些化合物可以提高强度。如合金淬火形成过饱 和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以 提高合金的硬度、强度等。

F. 如何提高金属材料的强度 详细

答：可通过以下5 种途径提高金属材料的强度 1）进行热处理工艺，按内照所需要的性能和组容织进行热处理，淬火 回火 正 火等。汽车零件，既要保留心部的韧性，又要改变表面的组织以提高硬 度就是采用表面高频淬火或渗碳、氰化等热处理工艺来提高。 2）表面进行喷丸处理也可以提高强度。高速弹丸流喷射到弹簧表面，使弹 簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的 残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受载荷时可以抵消一 部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度 3）晶界强化。进行控制轧制和控制冷却获得较细小的晶粒。如拖拉机的履 带、破碎机的颚板以及铁路的道岔等是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的4）位错强化。如一些单晶的物质有较高的强度，主要是里面位错较少，所 以减少位错也可以提高强度 5）通过形变和时效析出一些化合物可以提高强度。如合金淬火形成过饱 和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以 提高合金的硬度、强度等。

G. 如何提高金属材料的耐磨性能

金属材料是一种历史悠久发展成熟的工程材料。我国早在商朝即有青铜器出现，春秋战国时代开始使用铁器，铝合金的运用亦已有一百年的历史，就连钛合金都已发展六十多年了， 随着人类文明的演进，金属材料一直扮演着重要的角色，举凡与我们生活息息相关的食，衣，住，行，无不处处见其踪迹，例如陆、海、空、各类运输工具、桥梁、建筑、机械工具，国防重工业等不胜枚举。

在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。

但在复杂工况条件下，冶金、矿山、港口、电力、煤炭、建材及军事等各个工业行业中，许多工件及设备由于磨损而迅速失效。材料摩擦、磨损和腐蚀虽然很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。因此，在复杂工况下，耐磨损性能是对金属机械材料部件的新挑战。

金属磨损过程一般分三个阶段：

第一阶段金属磨合、精磨合阶段。采用特殊工艺，人为控制将金属表面凸出部分磨平。凹处补齐，使接触面积加大。光洁度提高。达到减少金属磨损目的，可以使汽车节油，设备节电。

第二阶段金属磨损稳定阶段。在这个阶段金属磨损极少，磨损量与润滑油、负载、速度、温度等条件有关。

第三阶段金属磨损加速阶段。由于磨损量日积月累达到一定程度后，就会发生振动，温度提高，金属表面剧烈磨损导致另件失效，事故发生。也可以发生汽车烧机油现象。

通常使用的提高金属材料耐磨性的办法是淬火，增加其强度。如果要求比较高，且不易淬火可以考虑渗碳、渗氮或者碳氮共渗。在渗碳、渗氮或者碳氮共渗均无法达到要求的情况下可以对金属材料进行表面处理，增加耐磨涂层。

在选择耐磨涂层时，首要考虑的当然是材料的耐磨性能，耐磨材料与金属材料的粘接力也是一个重要因素，材料耐磨性再好，如果无法和金属基材进行很好的粘接，短时间即引起脱落，再好的耐磨材料也不能得到有效的应用。此外，耐磨涂层的处理技术也至关重要，在对一些较复杂的金属材料进行涂层处理时，往往很多技术不易施展或是无法操作，相对来说，喷涂技术操作简单，易于施工，且不受基材的形状限制，处理起来比较方便。因此，选择粘接力强的耐磨材料对金属材料进行喷涂表面处理是一个较为实用提高金属材料耐磨性的方法。如果耐磨材料还能具备耐酸碱腐蚀、耐冲击，摩擦小就更加完美了。目前这类耐磨材料正是表面处理耐磨材料的研究和发展方向。

H. 如何提高金属的耐高温性能,简述其机理

金属材料常用的强化方式有细晶强化、固溶强化、第二相强化、加工硬化专。
细晶强化 通过细化晶粒而属使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细 化晶粒以提高材料强度。 其原理是通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目 来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属 有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分 散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶 界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提 高材料强度的方法称为细晶强化。