金屬材料的長壽命疲勞強度設計法的製作方法

2023-06-14 21:22:51 2

專利名稱：金屬材料的長壽命疲勞強度設計法的製作方法
技術領域：
本發明涉及汽車變速裝置、彈簧和車輛軸承之類在使用期限內需要承受相當反覆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的反覆應力。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覆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，對於這類機械零件所使用的金屬材料，若是經107次試驗不被破壞，則為永久不發生疲勞破壞，可決定所謂的疲勞極限。
但是，近年來最新發現即使是能夠承受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，當反覆次數超過107次時也會出現被破壞的現象。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，一般採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生影響。這種傾向對於高強度鋼特性明顯。受氫影響的夾雜物周圍的區域的表面粗糙，用金屬顯微鏡觀察時只能見到黑色，該區域被稱為ODA(Optically Dark Area，視覺黑色區域)。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，經詳細研究後表明，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，由於是根據夾雜物的初始尺寸 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覆次數的關係圖。
圖1所示的夾雜物(A0)周圍的ODA區域(A1)是氫影響區域。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，達到斷裂的應力反覆次數Nf用橫軸表示，定量地表示ODA隨應力反覆次數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。達到斷裂的應力反覆次數Nf，即達到斷裂的壽命短時ODA小，意味著由於負載的應力高，無需藉助捕獲的氫，夾雜物就發生疲勞裂紋，進而被破壞。與此相反，應力低時，在藉助氫的同時，受到多次反覆就逐漸產生裂紋，進而還要藉助於氫。而且，負載的應力單獨使裂紋進展直至充分得大，ODA的尺寸擴大後，引起沒有氫影響的疲勞裂紋。為此，ODA的外側在沒有氫影響的疲勞裂紋的進展區域，形成與ODA內不同的疲勞破壞面。
這樣，夾雜物由於受到應力的反覆，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後的尺寸的等價缺陷尺寸擴大下去。因此，根據將設計的機械零件的使用年限設定為多少年或是多少反覆次數下使用，其等價缺陷尺寸的擴大程度不同。
即，本發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，該方法的特徵是由以下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覆次數和受到捕獲的氫影響的夾雜物周圍的氫影響區域尺寸之間的函數關係；第2步驟是根據上述函數關係，求得作為與採用金屬材料的機械零件的使用假定應力反覆次數對應的夾雜物擴大後的尺寸的等價缺陷尺寸；第3步驟是將等價缺陷尺寸用於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覆次數相對應的等價缺陷尺寸，就能進行考慮了對應於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覆次數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，根據繪圖後的圖像求得函數關係。上述第2步驟中，在上述圖像的Nf軸上取使用假定應力反覆次數，根據函數關係求得對應的 軸上的值，再求得對應於夾雜物初始尺寸 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，對於機械零件中所含夾雜物的預測，可以利用本發明者已經提出的極值統計。圖2表示形成疲勞破壞起點的夾雜物的極值統計分布。圖2是累計頻率表示於縱座標，夾雜物尺寸表示於橫座標，將從疲勞試驗的試片所得到的數據繪圖後的圖像。如上所述，夾雜物由於氫的存在恰如應力的反覆次數，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計圖示數據。該修正可利用圖1的關係圖。
即，本發明的金屬材料長壽命疲勞強度設計法還包括對於金屬材料所含夾雜物中形成斷裂起點的夾雜物尺寸繪製極值統計分布的步驟。上述第2步驟中，根據等價缺陷尺寸 與上述夾雜物初始尺寸 的關係，將上述極值統計分布平行移動，在該平行移動後的直線上，計算與實際機械零件的尺寸和生產量相應的遞歸時間，將對應於用於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 用於容許應力的計算。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 為參數的公式 式中，σ表示與使用假定應力反覆次數對應的容許應力(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。
本發明對於承受相當次數反覆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生起點的缺陷、即考慮了夾雜物所捕獲的氫的影響後，求得與實際機械零件的尺寸、生產量及設計壽命相對應的最大等價缺陷尺寸，並用於容許應力等的計算，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覆次數的關係圖。
圖2是表示形成疲勞破壞起點的夾雜物的極值統計分布的圖。
圖3是表示使用材料中所含的夾雜物的極值統計分布的圖。
圖4是表示ODA的成長和達到斷裂的反覆次數之間的關係的圖。
圖5是表示根據實際機械零件的尺寸、生產量及設計壽命的最大缺陷尺寸的決定順序的圖。
實施發明的最佳方式下面，參考圖3～圖5對本發明的實施方式中的用於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計分布的圖，圖4是表示ODA的成長和達到斷裂的反覆次數之間的關係的圖，圖5是表示根據實際機械零件的尺寸、生產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，累積頻率表示於縱座標，夾雜物尺寸表示於橫座標，對於使用材料所含的夾雜物繪製與圖2相當的極值統計分布圖。
(2)根據該疲勞試驗的結果，如圖4所示求得達到斷裂的應力反覆次數Nf和捕獲的氫產生影響的夾雜物周圍的無因次ODA尺寸( )之間的函數關係。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，要根據金屬材料所含有的氫量，對圖1中圖示的曲線加以變化。
(3)採用圖4，求得與機械零件的使用假定應力反覆次數相對應的夾雜物擴大後的尺寸，即等價缺陷尺寸 例如，假定Nf＝3×108，取於圖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，根據機械零件的使用假定反覆次數將圖3的數據向右側平行移動(參照圖5)，再在該平行移動後的直線上，計算對應於實際機械零件的尺寸和生產量的遞歸時間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 作為對應於實際的機械零件尺寸、生產量及設計壽命的最大等價缺陷尺寸。
(4)將等價缺陷尺寸 用於設計的容許應力等的計算時，例如可利用本發明者已提出的以下的 參數模型。
式中，σ表示與使用假定應力反覆次數對應的容許應力(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 計算出對應於使用假定應力反覆次數的容許應力(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，只根據少數試片或實際零件的測試結果來決定對應於使用假定應力反覆次數的容許應力，沒有考慮到實際上更多零件中含有的最大夾雜物的影響，而且也沒有考慮由於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覆次數Nf和夾雜物周圍的氫影響區域的尺寸 之間的函數關係，求得作為與使用假定應力反覆次數相對應的夾雜物擴大後的尺寸的等價缺陷尺寸，並將該等價缺陷尺寸用於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於機械零件的使用假定壽命的ODA尺寸擴大的斷裂壽命設計。
產業上利用的可能性本發明的金屬材料的長壽命疲勞強度設計法，適用於汽車變速裝置、彈簧及車輛軸承之類在使用期限內需要承受相當的反覆應力的機械零件的設計。
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，其特徵在於，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覆次數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域的尺寸之間的函數關係；第2步驟是根據上述函數關係，求得作為與採用上述金屬材料的機械零件的使用假定應力反覆次數對應的非金屬夾雜物擴大後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於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，其特徵還在於，上述第1步驟中，將上述達到斷裂的應力反覆次數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，根據繪圖後的圖像求得函數關係；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覆次數，根據上述函數關係求得對應的 軸上的值，再求得對應於夾雜物初始尺寸 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，其特徵還在於，還包括對於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製極值統計分布的步驟；上述第2步驟中，根據等價缺陷尺寸 與上述夾雜物初始尺寸 的關係，將上述極值統計分布平行移動，在該平行移動後的直線上，計算與實際機械零件的尺寸和生產量相應的遞歸時間，將對應於用於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 用於容許應力的計算。
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，其特徵還在於，上述第3步驟中，用以上述最大等價缺陷尺寸 為參數的公式 進行上述機械零件的設計，式中，σ表示與使用假定應力反覆次數對應的容許應力(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，其特徵還在於，上述第3步驟中，用以上述最大等價缺陷尺寸 為參數的公式 進行上述機械零件的設計，式中，σ表示與使用假定應力反覆次數對應的容許應力(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，其特徵還在於，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，該設計法由於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域)尺寸的擴大，能設計根據設定使用年限的最佳機械零件。由於設計機械零件時，首先從疲勞試驗結果求得達到斷裂的應力反覆次數和受到捕獲的氫影響的夾雜物周圍的氫影響區域尺寸之間的函數關係。然後根據上述函數關係，求得作為與採用金屬材料的機械零件的使用假定應力反覆次數相對應的夾雜物擴大後的尺寸的等價缺陷尺寸，並將等價缺陷尺寸用於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於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 優先權日2001年3月23日
發明者村上敬宜 申請人:株式會社產學連攜機構九州, 日本精工株式會社