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《振動噪音科普專欄》材料的疲勞強度和機械元件的疲勞強度有甚麼不同嗎?

這個單元要來探討的主題是:材料的「疲勞強度(Fatigue strength)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)

 

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)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=106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)𝑺𝒆=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)𝑺𝒆=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.      N=103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=103次方時,材料的「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆=250 MPa

2.      N=106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=103次方時,材料的「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆=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 𝑺𝒆

 

其中,

𝑺𝒆機械元件的「疲勞強度(Fatigue strength)

𝑺𝒆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)𝑺𝒆。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𝑺𝒆,也就是:𝑺𝒆 < 𝑺𝒆

 

這個單元主要在區別材料的「疲勞強度(Fatigue strength)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

2023.03.13