專利名稱：金屬材料的長壽命疲勞強度設計法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及汽車變速裝置、彈簧和車輛軸承之類在使用期限內(nèi)需要承受相當反復應力的機械零件所使用的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法。
背景技術：
以往，汽車變速裝置和車輛軸承之類的機械零件，在其使用時要承受相當次數(shù)的反復應力。因此，在設計時需要掌握這類機械零件所使用的金屬材料在多少次反復應力下會被破壞的性能，同時還要考慮機械零件的尺寸、形狀和使用期限等方面。此外，對于這類機械零件所使用的金屬材料，若是經(jīng)107次試驗不被破壞，則為永久不發(fā)生疲勞破壞，可決定所謂的疲勞極限。
但是，近年來最新發(fā)現(xiàn)即使是能夠承受107次疲勞試驗的金屬材料，在按照以往定義的疲勞極限以下的應力下，當反復次數(shù)超過107次時也會出現(xiàn)被破壞的現(xiàn)象。金屬的疲勞強度除了材料本身的強度之外，還受到材料中所包含的缺陷的影響。這種缺陷是應力的集中源，是發(fā)生疲勞破壞的起點。金屬材料所包含的非金屬夾雜物(以下稱為夾雜物)是這類缺陷的一種。因此，在以往的疲勞強度設計中，一般采用按照形成疲勞破壞起點的夾雜物尺寸用其面積的平方根表示的 來考慮夾雜物應力集中效果之類的方法。
另一方面，該夾雜物除了應力集中之外，還具有捕獲氫的作用，金屬中的氫一般認為在材料中會對金屬的微觀破壞機理產(chǎn)生影響。這種傾向?qū)τ诟邚姸蠕撎匦悦黠@。受氫影響的夾雜物周圍的區(qū)域的表面粗糙，用金屬顯微鏡觀察時只能見到黑色，該區(qū)域被稱為ODA(Optically Dark Area，視覺黑色區(qū)域)。疲勞試驗的結果表明，捕獲的氫使夾雜物周圍的疲勞強度下降。這種作用可認為是捕獲的氫從強度方面實質(zhì)上擴大了夾雜物的尺寸。
但是，通過金屬顯微鏡觀察該捕獲的氫的影響，經(jīng)詳細研究后表明，斷裂壽命從約105～108以上隨著變長，ODA尺寸變大。但是，在以往的疲勞強度設計中，由于是根據(jù)夾雜物的初始尺寸 進行的，所以不能形成按照機械零件所設定的使用期限的最佳斷裂壽命設計。
因此，本發(fā)明提供了考慮按機械零件的假定使用壽命的ODA尺寸的擴大，能設計出根據(jù)所設定的使用年限的最佳機械零件的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法。
發(fā)明的揭示

圖1表示捕獲了氫的夾雜物尺寸和達到斷裂的應力的反復次數(shù)的關系圖。
圖1所示的夾雜物(A0)周圍的ODA區(qū)域(A1)是氫影響區(qū)域。在圖1中將形成斷裂起點的夾雜物尺寸用其面積的平方根 來表示，夾雜物面積和ODA面積合計的(面積′)的平方根 與 之比 (＞1)作為無因次ODA尺寸由縱軸表示，達到斷裂的應力反復次數(shù)Nf用橫軸表示，定量地表示ODA隨應力反復次數(shù)Nf一起擴大的傾向。
從圖1可知，ODA的尺寸越是在長壽命斷裂時越大。達到斷裂的應力反復次數(shù)Nf，即達到斷裂的壽命短時ODA小，意味著由于負載的應力高，無需借助捕獲的氫，夾雜物就發(fā)生疲勞裂紋，進而被破壞。與此相反，應力低時，在借助氫的同時，受到多次反復就逐漸產(chǎn)生裂紋，進而還要借助于氫。而且，負載的應力單獨使裂紋進展直至充分得大，ODA的尺寸擴大后，引起沒有氫影響的疲勞裂紋。為此，ODA的外側(cè)在沒有氫影響的疲勞裂紋的進展區(qū)域，形成與ODA內(nèi)不同的疲勞破壞面。
這樣，夾雜物由于受到應力的反復，其本身因捕獲的氫的影響，將作為等價缺陷的該夾雜物擴大后的尺寸的等價缺陷尺寸擴大下去。因此，根據(jù)將設計的機械零件的使用年限設定為多少年或是多少反復次數(shù)下使用，其等價缺陷尺寸的擴大程度不同。
即，本發(fā)明的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法是含有周圍捕獲了氫的夾雜物的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，該方法的特征是由以下3個步驟構成第1步驟是從疲勞試驗結果求得達到斷裂時的應力反復次數(shù)和受到捕獲的氫影響的夾雜物周圍的氫影響區(qū)域尺寸之間的函數(shù)關系；第2步驟是根據(jù)上述函數(shù)關系，求得作為與采用金屬材料的機械零件的使用假定應力反復次數(shù)對應的夾雜物擴大后的尺寸的等價缺陷尺寸；第3步驟是將等價缺陷尺寸用于容許應力之類的長壽命疲勞強度的計算，進行機械零件的設計。這樣，就能求得與使用假定應力反復次數(shù)相對應的等價缺陷尺寸，就能進行考慮了對應于機械零件的使用假定壽命的ODA尺寸的擴大的斷裂壽命設計。
例如，上述第1步驟中，將達到斷裂的應力反復次數(shù)Nf以及金屬材料所含的夾雜物中形成斷裂起點的夾雜物面積A0和氫影響區(qū)域面積A1之合計面積A0+A1用平方根表示的等價缺陷尺寸 與形成斷裂起點的夾雜物面積A0用平方根表示的夾雜物初始尺寸 之比 分別用座標軸表示，根據(jù)繪圖后的圖像求得函數(shù)關系。上述第2步驟中，在上述圖像的Nf軸上取使用假定應力反復次數(shù)，根據(jù)函數(shù)關系求得對應的 軸上的值，再求得對應于夾雜物初始尺寸 的等價缺陷尺寸 但是，夾雜物尺寸顯示出統(tǒng)計學上的差異。對疲勞強度起決定性影響的是機械零件中所含的最大夾雜物，對于機械零件中所含夾雜物的預測，可以利用本發(fā)明者已經(jīng)提出的極值統(tǒng)計。圖2表示形成疲勞破壞起點的夾雜物的極值統(tǒng)計分布。圖2是累計頻率表示于縱座標，夾雜物尺寸表示于橫座標，將從疲勞試驗的試片所得到的數(shù)據(jù)繪圖后的圖像。如上所述，夾雜物由于氫的存在恰如應力的反復次數(shù)，其尺寸顯示出成長的趨勢，所以要考慮氫的影響，按照使用假定壽命來修正極值統(tǒng)計圖示數(shù)據(jù)。該修正可利用圖1的關系圖。
即，本發(fā)明的金屬材料長壽命疲勞強度設計法還包括對于金屬材料所含夾雜物中形成斷裂起點的夾雜物尺寸繪制極值統(tǒng)計分布的步驟。上述第2步驟中，根據(jù)等價缺陷尺寸 與上述夾雜物初始尺寸 的關系，將上述極值統(tǒng)計分布平行移動，在該平行移動后的直線上，計算與實際機械零件的尺寸和生產(chǎn)量相應的遞歸時間，將對應于用于上述機械零件的實際金屬材料所含的夾雜物中的最大夾雜物的最大等價缺陷尺寸 用于容許應力的計算。這樣，將金屬材料中所含的最大夾雜物對應的等價缺陷尺寸假定為設計的缺陷尺寸，就能進行更合適的斷裂壽命設計。
上述第3步驟的機械零件設計，例如可以使用以下以最大等價缺陷尺寸 為參數(shù)的公式 式中，σ表示與使用假定應力反復次數(shù)對應的容許應力(MPa)，HV表示維氏硬度(MPa)，R表示應力比(＝最小應力/最大應力)，α＝0.226+HV/9.8×10-4。
本發(fā)明對于承受相當次數(shù)反復應力的機械零件所使用的金屬材料，在考慮了形成疲勞裂紋發(fā)生起點的缺陷、即考慮了夾雜物所捕獲的氫的影響后，求得與實際機械零件的尺寸、生產(chǎn)量及設計壽命相對應的最大等價缺陷尺寸，并用于容許應力等的計算，能夠更切實地保證汽車變速裝置、彈簧及車輛軸承之類的機械零件的安全。
附圖的簡單說明圖1是捕獲了氫的夾雜物尺寸和達到斷裂的應力反復次數(shù)的關系圖。
圖2是表示形成疲勞破壞起點的夾雜物的極值統(tǒng)計分布的圖。
圖3是表示使用材料中所含的夾雜物的極值統(tǒng)計分布的圖。
圖4是表示ODA的成長和達到斷裂的反復次數(shù)之間的關系的圖。
圖5是表示根據(jù)實際機械零件的尺寸、生產(chǎn)量及設計壽命的最大缺陷尺寸的決定順序的圖。
實施發(fā)明的最佳方式下面，參考圖3～圖5對本發(fā)明的實施方式中的用于機械零件的金屬材料長壽命疲勞強度設計法加以說明。
圖3是表示使用材料所含的夾雜物的極值統(tǒng)計分布的圖，圖4是表示ODA的成長和達到斷裂的反復次數(shù)之間的關系的圖，圖5是表示根據(jù)實際機械零件的尺寸、生產(chǎn)量及設計壽命的最大缺陷尺寸的決定順序的圖。
(1)利用設計的機械零件所使用的金屬材料試片進行疲勞試驗，如圖3所示，累積頻率表示于縱座標，夾雜物尺寸表示于橫座標，對于使用材料所含的夾雜物繪制與圖2相當?shù)臉O值統(tǒng)計分布圖。
(2)根據(jù)該疲勞試驗的結果，如圖4所示求得達到斷裂的應力反復次數(shù)Nf和捕獲的氫產(chǎn)生影響的夾雜物周圍的無因次ODA尺寸( )之間的函數(shù)關系。無因次ODA尺寸是形成斷裂起點的夾雜物面積A0和ODA面積A1合計的面積A0+A1用平方根表示的尺寸 與夾雜物面積A0用平方根表示的夾雜物尺寸 之比。作為許多材料都適用的圖表可以近似使用圖1。但是，要根據(jù)金屬材料所含有的氫量，對圖1中圖示的曲線加以變化。
(3)采用圖4，求得與機械零件的使用假定應力反復次數(shù)相對應的夾雜物擴大后的尺寸，即等價缺陷尺寸 例如，假定Nf＝3×108，取于圖4的橫座標上，則 軸上的值約為3，所以可估計等價缺陷尺寸 的值為夾雜物初始尺寸 的3倍。但是，實際的機械零件比試片的尺寸大，含有比實驗所得的夾雜物大得多的夾雜物，所以為了推定其尺寸，根據(jù)機械零件的使用假定反復次數(shù)將圖3的數(shù)據(jù)向右側(cè)平行移動(參照圖5)，再在該平行移動后的直線上，計算對應于實際機械零件的尺寸和生產(chǎn)量的遞歸時間T＝T*，求得預想含有的最大等價夾雜物尺寸 即，將該最大等價夾雜物尺寸 作為對應于實際的機械零件尺寸、生產(chǎn)量及設計壽命的最大等價缺陷尺寸。
(4)將等價缺陷尺寸 用于設計的容許應力等的計算時，例如可利用本發(fā)明者已提出的以下的 參數(shù)模型。
式中，σ表示與使用假定應力反復次數(shù)對應的容許應力(MPa)，HV表示維氏硬度(MPa)，R表示應力比(＝最小應力/最大應力)，α＝0.226+HV/9.8×10-4。而且，作為等價缺陷尺寸 導入由以上決定的包含ODA的最大等價缺陷尺寸 計算出對應于使用假定應力反復次數(shù)的容許應力(MPa)。此外，不使用上式，而使用其他設計式時，若不進行將上述等價缺陷尺寸 (最大等價缺陷尺寸 )考慮在內(nèi)的疲勞強度設計，就不能確保安全。例如，在以往的方法中，只根據(jù)少數(shù)試片或?qū)嶋H零件的測試結果來決定對應于使用假定應力反復次數(shù)的容許應力，沒有考慮到實際上更多零件中含有的最大夾雜物的影響，而且也沒有考慮由于氫的影響夾雜物從初始尺寸開始的裂紋擴大的影響，所以不能確保疲勞強度的可靠性。
如上所述，從疲勞試驗結果求得達到斷裂的應力反復次數(shù)Nf和夾雜物周圍的氫影響區(qū)域的尺寸 之間的函數(shù)關系，求得作為與使用假定應力反復次數(shù)相對應的夾雜物擴大后的尺寸的等價缺陷尺寸，并將該等價缺陷尺寸用于容許應力等的長壽命疲勞強度計算來設計機械零件，能夠進行考慮了對應于機械零件的使用假定壽命的ODA尺寸擴大的斷裂壽命設計。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，適用于汽車變速裝置、彈簧及車輛軸承之類在使用期限內(nèi)需要承受相當?shù)姆磸蛻Φ臋C械零件的設計。
權利要求
1.金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，它是含有周圍捕獲了氫的非金屬夾雜物的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，其特征在于，由以下3個步驟構成第1步驟是從疲勞試驗結果求得達到斷裂時的應力反復次數(shù)和上述受到捕獲的氫影響的非金屬夾雜物周圍的氫影響區(qū)域的尺寸之間的函數(shù)關系；第2步驟是根據(jù)上述函數(shù)關系，求得作為與采用上述金屬材料的機械零件的使用假定應力反復次數(shù)對應的非金屬夾雜物擴大后的尺寸的等價缺陷尺寸；第3步驟是將上述等價缺陷尺寸用于容許應力之類的超長壽命疲勞強度的計算，進行上述機械零件的設計。
2.如權利要求1所述的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，其特征還在于，上述第1步驟中，將上述達到斷裂的應力反復次數(shù)Nf以及上述金屬材料所含的非金屬夾雜物中形成斷裂起點的非金屬夾雜物面積A0和上述氫影響區(qū)域面積A1之合計面積A0+A1用平方根表示的等價缺陷尺寸 與上述形成斷裂起點的非金屬夾雜物面積A0用平方根表示的夾雜物初始尺寸 之比 分別用座標軸表示，根據(jù)繪圖后的圖像求得函數(shù)關系；上述第2步驟中，在上述圖像的Nf軸上取上述使用假定應力反復次數(shù)，根據(jù)上述函數(shù)關系求得對應的 軸上的值，再求得對應于夾雜物初始尺寸 的等價缺陷尺寸
3.如權利要求2所述的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，其特征還在于，還包括對于上述金屬材料所含非金屬夾雜物中形成斷裂起點的非金屬夾雜物尺寸繪制極值統(tǒng)計分布的步驟；上述第2步驟中，根據(jù)等價缺陷尺寸 與上述夾雜物初始尺寸 的關系，將上述極值統(tǒng)計分布平行移動，在該平行移動后的直線上，計算與實際機械零件的尺寸和生產(chǎn)量相應的遞歸時間，將對應于用于上述機械零件的實際金屬材料所含的非金屬夾雜物中的最大非金屬夾雜物的最大等價缺陷尺寸 用于容許應力的計算。
4.如權利要求2所述的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，其特征還在于，上述第3步驟中，用以上述最大等價缺陷尺寸 為參數(shù)的公式 進行上述機械零件的設計，式中，σ表示與使用假定應力反復次數(shù)對應的容許應力(MPa)，HV表示維氏硬度(MPa)，R表示應力比(＝最小應力/最大應力)，α＝0.226+HV/9.8×10-4。
5.如權利要求3所述的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，其特征還在于，上述第3步驟中，用以上述最大等價缺陷尺寸 為參數(shù)的公式 進行上述機械零件的設計，式中，σ表示與使用假定應力反復次數(shù)對應的容許應力(MPa)，HV表示維氏硬度(MPa)，R表示應力比(＝最小應力/最大應力)，α＝0.226+HV/9.8×10-4。
6.如權利要求1～5中任一項所述的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，其特征還在于，上述金屬材料為高強度鋼。
全文摘要
提供了一種金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，該設計法由于考慮了按照機械零件的使用假定壽命的ODA(用金屬顯微鏡觀察能看到黑色的氫影響區(qū)域)尺寸的擴大，能設計根據(jù)設定使用年限的最佳機械零件。由于設計機械零件時，首先從疲勞試驗結果求得達到斷裂的應力反復次數(shù)和受到捕獲的氫影響的夾雜物周圍的氫影響區(qū)域尺寸之間的函數(shù)關系。然后根據(jù)上述函數(shù)關系，求得作為與采用金屬材料的機械零件的使用假定應力反復次數(shù)相對應的夾雜物擴大后的尺寸的等價缺陷尺寸，并將等價缺陷尺寸用于容許應力之類的長壽命疲勞強度的計算，所以能進行考慮了對應于機械零件的使用假定壽命的ODA尺寸擴大的斷裂壽命設計。
文檔編號G01N33/20GK1500207SQ0280721
公開日2004年5月26日 申請日期2002年3月11日 優(yōu)先權日2001年3月23日
發(fā)明者村上敬宜 申請人:株式會社產(chǎn)學連攜機構九州, 日本精工株式會社