6-5 耐疲劳性和表面处理

疲劳（fatigue）是当一个物体反复受力时，即使应力小于物体的抗拉强度，裂纹也会逐渐出现并扩大，更终的结果是会被破坏。许多产品和零件损坏的原因都是由于这种疲劳造成的，因此需要有足够的余量进行设计。尤其是汽车、飞机等重要的安全部件，必须要足够小心，如定期更换部件，通过无损检测检查表面裂纹等。

负载应力包括拉伸、弯曲和扭转，当这些重复施加时，更大应力分别作用在物体表面上。也就是说，首先出现的裂纹是在表面上，然后反复施加的应力导致裂纹扩展，更终导致断裂。这表明，通过强化产品和零件的表面，可以延缓裂纹的形成，从而提高抗疲劳性。

疲劳强度（疲劳强度）取决于静态抗拉强度，所以提高硬度基本上是有利的。而且，如上所述，裂纹首先出现在表面，因此提高表面硬度可以延缓裂纹产生的时间。

如表1所示，作为提高耐疲劳性的处理，实施高频淬火等表面硬化处理、渗碳淬火等热扩散处理、喷丸处理。所有这些都使表面硬化并有助于提高耐磨性，但在表面上形成的大压缩应力大大提高了疲劳强度。

表 1 旨在提高抗疲劳性的主要表面处理方法及其强化机制

在某些情况下，例如汽车齿轮，通过组合多种表面处理（如炭烧后喷丸和回火）获得了显着的协同效应。目前，炭烧、回火、回火后的喷丸处理不仅应用于汽车零部件，还应用于抗疲劳性更为重要的零部件。此外，进行渗氮后的高频淬火和渗碳、淬火和回火后的渗氮。

一般来说，疲劳强度的测量是通过疲劳（fatigue）试验来进行的，从得到的SN曲线中可以知道材料的疲劳极限，作为设计时的指导。疲劳试验主要包括以铁路和汽车车轴为前提的旋转弯曲疲劳试验，以及拉伸压缩疲劳试验、平面弯曲疲劳试验和扭转疲劳试验。JIS还规定了各种材料的疲劳（疲劳）试验，采用金属材料的旋转弯曲疲劳试验方法（JIS Z 2274）和金属材料的平弯曲疲劳试验方法（JIS Z 2275），规定了试验机等。例如，图 1 显示了使用常用于钢材疲劳测试的疲劳测试仪（拉伸/压缩）的测试状态。

图 1 疲劳试验机的试验情况（拉伸/压缩）

SN 曲线显示为纵轴为应力 (S)，横轴为重复次数 (N)。例如，图 2 为 SMn420 渗碳氮化处理后的旋转弯曲疲劳试验得到的 SN 曲线。可以看出，这种情况下的疲劳强度优于处理后的材料-2，硬化层硬度高，硬化层深度大。

图2 SMn420在850℃渗碳、氮化、淬火和回火后的SN曲线。

由该图可知，在反复次数(N)为106～107左右时，钢材的曲线变得平坦，存在在此时的应力以下不断裂的点。这个应力就是疲劳极限（fatigue limit），是设计零件时的指导。但必须考虑到，疲劳极限受产品形状、表面粗糙度等材料因素，以及使用过程中受到的应力等外部因素影响较大。