關(guān)鍵詞：疲勞

疲勞極限

荷載我們都知道，構(gòu)件在靜力荷載作用下，如果其材料所受應(yīng)力不超過材料的彈性極限，那么卸除荷載之后構(gòu)件會完全恢復(fù)至原始狀態(tài)?；诖?，可能會有人推斷：只要構(gòu)件始終在彈性階段工作，即使相同的荷載施加很多次，構(gòu)件也不會失效。實際上，這樣的結(jié)論只適用于幾十次或幾百次荷載作用，如果荷載被施加幾千次甚至更多次，那就是另外一回事了——構(gòu)件極有可能在較小應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生另一種破壞。疲勞及疲勞破壞這種構(gòu)件受到反復(fù)較小荷載（彈性工作狀態(tài)）作用的現(xiàn)象叫做“疲勞”，這種情形下的破壞叫做“疲勞破壞”?？梢赃@么說，凡是受到相當(dāng)規(guī)模次數(shù)循環(huán)往復(fù)荷載作用的結(jié)構(gòu)或者機械部件，都要考慮疲勞破壞的風(fēng)險，而我們進行疲勞設(shè)計的目的，是確保結(jié)構(gòu)在服役期間內(nèi)，即使受到一定條件的循環(huán)荷載作用，也不至于破壞或影響結(jié)構(gòu)使用。在實際生活中，我們常常觀察到承受疲勞荷載的結(jié)構(gòu)（產(chǎn)品）的生命周期與荷載的加載次數(shù)息息相關(guān)。你比方說，工業(yè)廠房一般都設(shè)有吊車梁（圖1所示），通常一根吊車梁在25年服役期間內(nèi)要承受200萬次荷載（每天約300次加載）。圖1

吊車梁汽車在320公里的里程內(nèi)，曲軸會承受超過5億次加載（圖2所示）。圖2

汽車曲軸而更夸張的是渦輪機的渦輪葉片（圖3所示）在整個生命周期內(nèi)要承受幾千億次加載！圖3

渦輪機葉片疲勞破壞特征疲勞破壞有兩個主要特征。一是，荷載?。◤椥怨ぷ鳡顟B(tài)）、作用次數(shù)多；二是破壞方式為脆斷，即便構(gòu)件材料本身是延性材料。

疲勞破壞機理上面說的兩個特征與疲勞破壞的原理分不開。疲勞破壞的過程本質(zhì)上是構(gòu)件內(nèi)部缺陷在應(yīng)力作用下不斷擴展直至斷面貫穿構(gòu)件整個截面——即斷裂的過程。簡單來說，疲勞破壞的過程是這樣的。首先，得承認(rèn)，任何構(gòu)件內(nèi)部都或多或少存在缺陷。這些缺陷部位正是整個構(gòu)件范圍內(nèi)對應(yīng)力最為敏感的地方，也是最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域基于此，缺陷部位受到的實際應(yīng)力也大于根據(jù)所加荷載、構(gòu)件截面計算出來的那個較小應(yīng)力而首先被破壞，被破壞的方式就是缺陷向四周延申。缺陷擴展的結(jié)果就是減少了構(gòu)件有效承載截面，而導(dǎo)致實際所受應(yīng)力進一步加大。當(dāng)缺陷擴展造成的裂縫大到一定程度，也即有效承載截面小到一定程度，有效承載截面上的應(yīng)力將超過材料抗拉強度而突然斷裂。整個過程可以用圖4展示。圖4

疲勞破壞過程σ-n疲勞曲線與疲勞極限上面提到的次數(shù)只是構(gòu)件疲勞失效的因素之一，另一個因素則是疲勞荷載的大小，也可以說是構(gòu)件材料所受應(yīng)力的大小。荷載大小、加載次數(shù)基本決定了構(gòu)件的抗疲勞性能，有關(guān)這一點，我們可以用極限思維來考慮。譬如極端情況一，對構(gòu)件施加拉拔力至破壞，此時的荷載為P。有小伙伴可能會認(rèn)為這不就是靜力加載至破壞么。這么說也沒錯，但是這又何嘗不是加載次數(shù)為1次、應(yīng)力σ為抗拉強度σu（即σ=σu）的疲勞加載？又譬如極端情況二，對構(gòu)件不施加任何拉力，此時的荷載為P’=0，那么該構(gòu)件永遠(yuǎn)不會破壞。又有小伙伴會說這壓根就沒有加載?？墒?，這又何嘗不是加載次數(shù)為+∞、應(yīng)力σ’為0（即σ’=0）的疲勞加載？當(dāng)然，在實際工程中，不可能存在上面提到的兩個所謂疲勞極端的情形，但是幾乎所有的疲勞工況都必然介于二者之間極端情況一（σ=σu，次數(shù)n=1）………實際情況（σ=x，次數(shù)n=y）………極端情況二（σ’=0，次數(shù)n=+∞）從這個趨勢，可以推斷出來，隨著應(yīng)力減小，所能承受的荷載次數(shù)會增大，并且每一個應(yīng)力σ都對應(yīng)唯一的次數(shù)n。在對構(gòu)件進行疲勞試驗的時候，會根據(jù)若干潛在的實際荷載工況（P或σ）進行加載得到與荷載相對應(yīng)的加載次數(shù)（n），然后繪制成曲線——即所謂的σ-n曲線，如圖5所示。圖5

σ-n曲線對于任何一種材料來說，必然存在某個足夠低的應(yīng)力值，在這個應(yīng)力值作用下，構(gòu)件永遠(yuǎn)（或者8千萬次，或者1億次，主要看不同地域的標(biāo)準(zhǔn)要求）不會發(fā)生疲勞破壞，這樣的應(yīng)力值就是所謂的“疲勞極限”（或“疲勞強度”）?！捌跇O限”可以指導(dǎo)人們在荷載加載次數(shù)未知的情況下，作為一種偏保守的設(shè)計參數(shù)。其它因素除了加載大小、加載次數(shù)，影響構(gòu)件疲勞壽命的還有3個因素。其一，是構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，比如是否有對應(yīng)力敏感的應(yīng)力集中區(qū)域。其二，是加載頻率，這一點主要是通過影響構(gòu)件溫度來影響疲勞壽命?；驹硎沁@樣，加載初期，構(gòu)件內(nèi)部圍觀缺陷尚未成氣候，構(gòu)件在荷載作用下產(chǎn)生的變形也幾乎沒有產(chǎn)生熱量。但是隨著加載次數(shù)的增加，內(nèi)部缺陷逐漸擴展，擴展的過程即是缺陷“撕裂”的過程，不僅伴隨熱量產(chǎn)生，同時導(dǎo)致實際受力的截面面積變小——直接結(jié)果是原本較低的應(yīng)