這個單元要來探討的主題是:材料的「疲勞強度」(Fatigue strength)和機械元件的「疲勞強度」(Fatigue strength)有甚麼不同嗎?
在探討「疲勞強度」可以區分兩個名詞:
1. 材料的「疲勞強度」
2. 機械元件的「疲勞強度」
有關材料的「疲勞強度」,是針對材料本身,以標準試件進行相關的疲勞試驗,參閱圖示左下方,常採用的疲勞試驗,例如:(1)迴轉彎曲疲勞試驗機(Rotating bending fatigue testing
machine)、(2)拉伸壓縮疲勞試驗(Tension-compression fatigue tests)、(3)扭轉疲勞試驗機(Torsional fatigue testing machine)。
進行疲勞試驗目的,都是在取得材料標準試件的「S-N 曲線圖」,參閱圖示左邊中間圖示,也就是「S最大波動應力振幅-N波動應力次數曲線圖」,重點說明如下:
1. 垂直軸
– Stress (MPa):就是試件所承受的最大波動應力振幅(S)。
2. 水平軸
– Number of cycle (N):就是試件在該承受最大波動應力振幅(S)狀態下,試件會斷裂破壞的波動應力次數(N)。
當N=1時,就是應力波動一次就斷裂。如圖示範例,其承載的波動應力(S)之應力振幅𝝈𝒂,大約是S=325 MPa,也就是材料的「抗拉強度」(ultimate strength),𝑺𝒖𝒕=325 MPa。
參閱「S-N 曲線圖」,隨著最大波動應力振幅(S)的增大,試件所能承受的波動應力次數(N),就會逐漸變少。一般認定,在N=10的6次方以上,會有無限的壽命(infinite life),在此N值,如圖示範例,對應的最大波動應力振幅(S),大約是S=200 MPa,所以材料的「疲勞強度」(Fatigue strength),𝑺’𝒆=200 MPa。因為是N=無限壽命,材料的「疲勞強度」也可稱為材料的「疲勞極限」(Endurance limit),𝑺’𝒆=200 MPa。
因此,要取得材料的「疲勞強度」,就是在指定N壽命次數(Life Cycle)下的「疲勞強度」,例如:
1. 在N=10的3次方時,如圖示範例,對應的最大波動應力振幅(S),大約是S=250 MPa,所以,材料壽命次數N=10的3次方時,材料的「疲勞強度」(Fatigue strength),𝑺’𝒆=250 MPa。
2. 在N=10的6次方時,如圖示範例,對應的最大波動應力振幅(S),大約是S=200 MPa,所以,材料壽命次數N=10的3次方時,材料的「疲勞強度」(Fatigue strength),𝑺’𝒆=200 MPa。
由於採用此材料,會以特定的加工方式,製造成一零組件,在考慮工作環境,有必要對材料的「疲勞強度」作補償修正,例如:零組件的加工、尺寸大小、工作溫度環境、或如電鍍處理、或惡劣工作環境等之影響,會降低材料的「疲勞強度」,所以,就定義:機械元件的「疲勞強度」,𝑺𝒆。
機械元件的「疲勞強度」,𝑺𝒆,修正計算方式如下:
𝑺𝒆=𝑲𝒂 𝑲𝒃 𝑲𝒄 𝑲𝒅
𝑲𝒆 𝑲𝒇 𝑺’𝒆
其中,
𝑺𝒆:機械元件的「疲勞強度」(Fatigue strength)
𝑺’𝒆:材料的「疲勞強度」(Fatigue strength)
𝑲𝒂:表面修正因子
𝑲𝒃:尺寸因子
𝑲𝒄:可靠度因子
𝑲𝒅:溫度因子
𝑲𝒆:應力集中因子
𝑲𝒇:其他因子
注意:所有的𝑲值大都是介於0~1之間,也就是這些環境、條件因子會降低材料的「疲勞強度」(Fatigue strength),𝑺’𝒆。因此,一般的狀況:機械元件的「疲勞強度」𝑺𝒆 會小於材料的「疲勞強度」𝑺’𝒆,也就是:𝑺𝒆 < 𝑺’𝒆。
這個單元主要在區別材料的「疲勞強度」(Fatigue strength)和機械元件的「疲勞強度」(Fatigue strength)有甚麼不同。
以上個人看法,請多指教!
王栢村