淺論金屬材料發(fā)生疲憊斷裂的緣由及危害零件在這種交變動(dòng)載荷作用下，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲憊，因此疲憊是零件在循環(huán)或交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)生失效的現(xiàn)象。法國的J.-V彭賽列于1839年首先論述了疲憊問題并提出“疲憊”這一術(shù)語。但疲憊討論的奠基人則是德國的A.沃勒。他在19世紀(jì)50?60年月首先得到表征疲憊性能的S-N曲線，并提出疲憊極限的概念。疲憊討論雖有百余年歷史，文獻(xiàn)極多，但理論不夠完善。近年來，斷裂力學(xué)的進(jìn)展，豐富了傳統(tǒng)疲憊理論的內(nèi)容，促進(jìn)了疲憊理論的進(jìn)展。當(dāng)前的進(jìn)展趨勢(shì)是把微觀理論和宏觀理論結(jié)合起來從本質(zhì)上探究疲憊破壞的機(jī)理。為什么金屬疲憊時(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞作用呢？這是由于金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不勻稱，從而造成應(yīng)力傳遞的不平衡，有的地方會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時(shí)，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在很多微小的裂紋。在力的持續(xù)作用下，裂紋會(huì)越來越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來越少，直至剩余部分不能連續(xù)傳遞負(fù)載時(shí)，金屬構(gòu)件就會(huì)全部毀壞。金屬疲憊破壞可分為三個(gè)階段：①微觀裂紋擴(kuò)展階段。在循環(huán)加載下，由于物體內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的不勻稱性，某些薄弱部位首先形成微觀裂紋，此后，裂紋即沿著與主應(yīng)力約成45。角的最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展。在此階段，裂紋長(zhǎng)度大致在0.05毫米以內(nèi)。若連續(xù)加載,微觀裂紋就會(huì)進(jìn)展成為宏觀裂紋。②宏觀裂紋擴(kuò)展階段。裂紋基本上沿著與主應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展。借助電子顯微鏡可在斷口表面上觀看到此階段中每一應(yīng)力循環(huán)所遺留的疲憊條帶。③瞬時(shí)斷裂階段。當(dāng)裂紋擴(kuò)大到使物體殘存截面不足以反抗外載荷時(shí)一，物體就會(huì)在某一次加載下突然斷裂。在疲憊宏觀斷口上往往有兩個(gè)區(qū)域：光滑區(qū)域和顆粒狀區(qū)域。疲憊裂紋的起始點(diǎn)稱作疲憊源。實(shí)際構(gòu)件上的疲憊源總是消失在應(yīng)力集中區(qū)，裂紋從疲憊源向四周擴(kuò)展。由于反復(fù)變形，裂紋的兩個(gè)表面時(shí)而分別，時(shí)而擠壓，這樣就形成了光滑區(qū)域，即疲憊裂紋其次階段擴(kuò)展區(qū)域。第三階段的瞬時(shí)斷裂區(qū)域表面呈現(xiàn)較粗糙的顆粒狀。假如循環(huán)應(yīng)力的變化不是穩(wěn)態(tài)的，應(yīng)力幅不保持恒定，裂紋擴(kuò)展忽快、忽慢或者停頓，則在光滑區(qū)域上用肉眼可看到貝殼狀或海灘狀紋跡的疲憊弧線。疲憊破壞具有在時(shí)間上的突發(fā)性，在位置上的局部性及對(duì)環(huán)境和缺陷的敏感性等特點(diǎn)，故疲憊破壞常不易被準(zhǔn)時(shí)發(fā)覺且易造成事故。應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)是影響金屬疲憊的三個(gè)主要因素。疲憊破壞是在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下發(fā)生的。為了便于討論和分析疲憊問題，國際上對(duì)循環(huán)應(yīng)力表示法已作出統(tǒng)一規(guī)定。循環(huán)應(yīng)力的每一個(gè)周期變化稱作一個(gè)應(yīng)力循環(huán)。圖4所示的恒幅循環(huán)應(yīng)力由以下諸重量表示:①最大應(yīng)力Omax,應(yīng)力循環(huán)中最大代數(shù)值的應(yīng)力,以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。②最小應(yīng)力Omin,應(yīng)力循環(huán)中最小代數(shù)值的應(yīng)力,以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。③平均應(yīng)力Om，最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的代數(shù)平均值，即Om=(Omax+Omin)/2。④應(yīng)力幅小，最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的代數(shù)差的一半，即d=(Omax—Omin)/2。有些我國的文獻(xiàn)將小稱作交變應(yīng)力,但在中國常用交變應(yīng)力一詞表示循環(huán)應(yīng)力。⑤應(yīng)力變程Ao,又稱應(yīng)力范圍，是最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差，即應(yīng)力幅的兩倍。⑥應(yīng)力比R,又稱循環(huán)特征，是最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的代數(shù)比值，即R=Omin/Omax。R1的應(yīng)力循環(huán)稱為對(duì)稱循環(huán)，其最大應(yīng)力和最小應(yīng)力肯定值相等，符號(hào)相反，且平均應(yīng)力為零；R=0的應(yīng)力循環(huán)稱為脈動(dòng)循環(huán)，其最小應(yīng)力為零；R等于其他值的應(yīng)力循環(huán)稱為非對(duì)稱循環(huán)。恒幅循環(huán)應(yīng)變的表示法與此類似。應(yīng)力循環(huán)可以看成兩部分應(yīng)力的組合，一部分是數(shù)值等于平均應(yīng)力Qa的靜應(yīng)力，另一部分是在平均應(yīng)力上變化的動(dòng)應(yīng)力小。在四個(gè)應(yīng)力重量Omax、Omin、品、/中只有兩個(gè)是獨(dú)立的。任意給定兩個(gè)，其余兩個(gè)就能確定。用來確定應(yīng)力循環(huán)的一對(duì)應(yīng)力重量Omax、Omin或。a、前稱為應(yīng)力水平。對(duì)恒幅循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)給定R或Om時(shí)，應(yīng)力水平可由Omax或小表示。產(chǎn)生疲憊破壞所需的循環(huán)數(shù)取決于應(yīng)力水平的凹凸，破壞循環(huán)數(shù)越大，表示施加的應(yīng)力水平越低。在循環(huán)加載下，產(chǎn)生疲憊破壞所需的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲憊壽命。對(duì)實(shí)際構(gòu)件，疲憊壽命常以工作小時(shí)計(jì)。構(gòu)件在消失工程裂紋以前的疲憊壽命稱為裂紋形成壽命或裂紋起始?jí)勖?。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋，其長(zhǎng)度無統(tǒng)一規(guī)定，一般在0.2?1.0毫米范圍內(nèi)o自工程裂紋擴(kuò)展至完全斷裂的疲憊壽命稱為裂紋擴(kuò)展壽命?？倝勖嵌咧汀Ｓ捎诠こ塘鸭y長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，并將其四周材料視作勻稱的連續(xù)介質(zhì)，應(yīng)用斷裂力學(xué)方法討論裂紋擴(kuò)展規(guī)律。為了便于分析討論，經(jīng)常按破壞循環(huán)次數(shù)的凹凸將疲憊分為兩類：①高循環(huán)疲憊（高周疲憊）：破壞循環(huán)次數(shù)高于104?1（）5的疲憊,一般振動(dòng)元件、傳動(dòng)軸等的疲憊屬此類。其特點(diǎn)是：作用于構(gòu)件上的應(yīng)力水平較低，應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系。②低循環(huán)疲憊（低周疲憊）:破壞循環(huán)次數(shù)低于IO4?1（）5的疲憊，典型實(shí)例有壓力容器、燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件等的疲憊。其特點(diǎn)是：作用于構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，材料處于塑性狀態(tài)。很多實(shí)際構(gòu)件在變幅循環(huán)應(yīng)力作用下的疲憊既不是純高循環(huán)疲憊也不是純低循環(huán)疲憊，而是二者的綜合。相應(yīng)地，裂紋擴(kuò)展也分為高循環(huán)和低循環(huán)兩類。高循環(huán)疲憊裂紋擴(kuò)展規(guī)律可采用線彈性斷裂力學(xué)方法討論；低循環(huán)疲憊裂紋擴(kuò)展規(guī)律一般應(yīng)采納彈塑性斷裂力學(xué)方法討論，不過由于問題非常簡(jiǎn)單，尚未很好地解決。實(shí)踐表明，疲憊壽命分散性較大，高循環(huán)疲憊尤其如此，因此必需進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，考慮存活（概）率（即牢靠度）的問題。具有存活率p（如95%、99%、99.9%）的疲憊壽命Np的含義是：總體（母體）中有p的個(gè)體的疲憊壽命大于Np。而破壞（概）率等于（1-p）。對(duì)應(yīng)于高存活率或低破壞率的疲憊壽命，在設(shè)計(jì)上稱為平安壽命。疲憊問題范疇極為廣泛。按材料性質(zhì)及其工作環(huán)境劃分，除一般金屬疲憊外，還包括有非金屬疲憊、高溫疲憊、熱疲憊（由循環(huán)熱應(yīng)力引起）、腐蝕疲憊、擦傷疲憊、聲疲憊（由噪聲激勵(lì)引起）、沖擊疲憊、接觸疲憊等。金屬疲憊壽命預(yù)估側(cè)重于力學(xué)方面，并且是普遍關(guān)注的討論課題。為了進(jìn)行疲憊壽命的理論估算和試驗(yàn)，首先必需了解材料的疲憊性能，以此作為理論計(jì)算的依據(jù)。其次，疲憊壽命的長(zhǎng)短取決于所承受的循環(huán)載荷大小，為此還必需編制出供理論分析和全尺寸疲憊試驗(yàn)用的載荷譜。最終，依據(jù)材料的疲憊性能和載荷譜估算出疲憊壽命。以下分別加以介紹：材料反抗疲憊破壞的力量。高循環(huán)疲憊的裂紋形成階段的疲憊性能常以S-N曲線表征，S為應(yīng)力水平，N為疲憊壽命。S-N曲線需通過試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)采納小型標(biāo)準(zhǔn)試件或?qū)嶋H構(gòu)件。若采納小型標(biāo)準(zhǔn)試件,則試件裂紋擴(kuò)展壽命較短，常以斷裂時(shí)循環(huán)次數(shù)作為裂紋形成壽命。試驗(yàn)在給定應(yīng)力比R或平均應(yīng)力%的前提下進(jìn)行，依據(jù)不同應(yīng)力水平的試驗(yàn)結(jié)果，以最大應(yīng)力。max或應(yīng)力幅。a為縱坐標(biāo)，疲憊壽命N為橫坐標(biāo)繪制S-N曲線（圖5）o表示壽命的橫坐標(biāo)采納對(duì)數(shù)標(biāo)尺；表示應(yīng)力的縱坐標(biāo)采納算術(shù)標(biāo)尺或?qū)?shù)標(biāo)尺。在S-N曲線上，對(duì)應(yīng)某一壽命值的最大應(yīng)力Omax或應(yīng)力幅,稱為疲憊強(qiáng)度。疲憊強(qiáng)度一詞也泛指與疲憊有關(guān)的強(qiáng)度問題。為了模擬實(shí)際構(gòu)件缺口處的應(yīng)力集中以及討論材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感性，常需測(cè)定不同應(yīng)力集中系數(shù)下的S-N曲線。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，依據(jù)某一存活率p的平安壽命所繪制的應(yīng)力和平安壽命之間的關(guān)系曲線稱為p-S-N曲線。50%存活率的應(yīng)力和疲憊壽命之間的關(guān)系曲線稱為中值S-N曲線，也簡(jiǎn)稱S-N曲線。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力中的最大應(yīng)力Omax小于某一極限值時(shí)，試件可經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不產(chǎn)生疲憊裂紋；當(dāng)Max大于該極限值時(shí)，試件經(jīng)有限次應(yīng)力循環(huán)就會(huì)產(chǎn)生疲憊裂紋，該極限應(yīng)力值就稱為疲憊極限，或長(zhǎng)久極限。如圖5中S-