1、.金屬材料疲勞概念金屬疲勞（Metal Fatigue）：許多機(jī)械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過(guò)程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。在循環(huán)加載下，發(fā)生在材料某點(diǎn)處局部的、永久性的損傷遞增過(guò)程。經(jīng)足夠的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)后，損傷累積可使材料產(chǎn)生裂紋 （圖1），或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展至完全斷裂（圖2）。出現(xiàn)可見(jiàn)裂紋或者完全斷裂都叫疲勞破壞。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Test

2、ing Materials, ASTM）將疲勞定義為：“材料某一點(diǎn)或某一些點(diǎn)在承受交變應(yīng)力和應(yīng)變條件下，使材料產(chǎn)生局部的永久性的逐步發(fā)展的結(jié)構(gòu)性變化過(guò)程。在足夠多的交變次數(shù)后，它可能造成裂紋的累積或材料完全斷裂”。法國(guó)的J.-V.彭賽列于1839年首先論述了疲勞問(wèn)題并提出“疲勞”這一術(shù)語(yǔ)。但疲勞研究的奠基人則是德國(guó)的A.沃勒。他在19世紀(jì)5060年代首先得到表征疲勞性能的S-N曲線,并提出疲勞極限的概念。疲勞研究雖有百余年歷史，文獻(xiàn)極多，但理論不夠完善。近年來(lái)，斷裂力學(xué)的進(jìn)展，豐富了傳統(tǒng)疲勞理論的內(nèi)容，促進(jìn)了疲勞理論的發(fā)展。當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是把微觀理論和宏觀理論結(jié)合起來(lái)從本質(zhì)上探究疲勞破壞的機(jī)理

3、。為什么金屬疲勞時(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞作用呢？這是因?yàn)榻饘賰?nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，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)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續(xù)作用下，裂紋會(huì)越來(lái)越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來(lái)越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負(fù)載時(shí)，金屬構(gòu)件就會(huì)全部毀壞。早在100多年以前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞給各個(gè)方面帶來(lái)的損害。但由于技術(shù)的落后，還不能查明疲勞破壞的原因。直到顯微鏡和電子顯微鏡相繼出現(xiàn)之后，使人類在揭開(kāi)金屬疲勞秘密的道路上不斷取得新的成果，并且有了巧妙的辦法來(lái)對(duì)付這個(gè)大敵。疲勞特征：疲勞破壞是一種損傷積累的過(guò)程，因此它的力學(xué)特征不同于靜力破壞。不同之處主要表現(xiàn)

4、為：在循環(huán)應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限（見(jiàn)材料的力學(xué)性能的情況下破壞就可能發(fā)生，但不是立刻發(fā)生的，而要經(jīng)歷一段時(shí)間，甚至很長(zhǎng)的時(shí)間；疲勞破壞前，即使塑性材料（延性材料）有時(shí)也沒(méi)有顯著的殘余變形。金屬疲勞破壞可分為三個(gè)階段：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)的不均勻性，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)。若繼續(xù)加載,微觀裂紋就會(huì)發(fā)展成為宏觀裂紋。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察到此階段中每一應(yīng)力循環(huán)所遺留的疲勞條帶。瞬時(shí)斷裂階段。當(dāng)裂紋

5、擴(kuò)大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時(shí)，物體就會(huì)在某一次加載下突然斷裂。 在疲勞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。疲勞裂紋的起始點(diǎn)稱作疲勞源。實(shí)際構(gòu)件上的疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)，裂紋從疲勞源向四周擴(kuò)展。由于反復(fù)變形，裂紋的兩個(gè)表面時(shí)而分離，時(shí)而擠壓，這樣就形成了光滑區(qū)域，即疲勞裂紋第二階段擴(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。如果循環(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勞弧線 （圖3）。 循環(huán)應(yīng)力：疲勞破壞是在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下發(fā)生的。為了便于研究和分析疲勞問(wèn)題，國(guó)際上對(duì)循

6、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)力由以下諸分量表示:最大應(yīng)力max,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)。最小應(yīng)力min,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)。平均應(yīng)力m，最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的代數(shù)平均值，即m(max+min)/2。應(yīng)力幅a,最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的代數(shù)差的一半，即a=(maxmin)/2。有些國(guó)家的文獻(xiàn)將a稱作交變應(yīng)力,但在中國(guó)常用交變應(yīng)力一詞表示循環(huán)應(yīng)力。應(yīng)力變程，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。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=min/

7、max。R =1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)力絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，且平均應(yīng)力為零；R0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a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a。在四個(gè)應(yīng)力分量max、min、m、a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(lái)確定應(yīng)力循環(huán)的一對(duì)應(yīng)力分量max、min或a、m稱為應(yīng)力水平。對(duì)恒幅循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)給定R或m時(shí)，應(yīng)力水平可由max或a表示。產(chǎn)生疲勞破壞所需的循環(huán)數(shù)取決于應(yīng)力水平的高低，破壞循環(huán)數(shù)越大，表示施

8、加的應(yīng)力水平越低。 疲勞壽命：在循環(huán)加載下，產(chǎn)生疲勞破壞所需的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。對(duì)實(shí)際構(gòu)件，疲勞壽命常以工作小時(shí)計(jì)。構(gòu)件在出現(xiàn)工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命或裂紋起始?jí)勖９こ塘鸭y指宏觀可見(jiàn)的或可檢的裂紋，其長(zhǎng)度無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，一般在0.21.0毫米范圍內(nèi)。自工程裂紋擴(kuò)展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴(kuò)展壽命?？倝勖嵌咧?。因?yàn)楣こ塘鸭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，并將其周圍材料視作均勻的連續(xù)介質(zhì)，應(yīng)用斷裂力學(xué)方法研究裂紋擴(kuò)展規(guī)律。為了便于分析研究，常常按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲勞分為兩類：高循環(huán)疲勞（高周疲勞）：破壞循環(huán)次數(shù)高于104105的疲勞，一般振動(dòng)元

9、件、傳動(dòng)軸等的疲勞屬此類。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。低循環(huán)疲勞（低周疲勞）：破壞循環(huán)次數(shù)低于104105的疲勞，典型實(shí)例有壓力容器、燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件等的疲勞。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)力作用下的疲勞既不是純高循環(huán)疲勞也不是純低循環(huán)疲勞，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)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律可利用線彈性斷裂力學(xué)方法研究；低循環(huán)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律一般應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)方法研究，不過(guò)由于問(wèn)題十分復(fù)雜，尚未很好地解決。安全壽命：實(shí)踐表明，疲勞壽命分散性較大，高循環(huán)疲勞尤其如此，因此必須進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分

10、析,考慮存活（概）率(即可靠度)的問(wèn)題。具有存活率p(如95、99、99.9)的疲勞壽命Np的含義是：總體（母體）中有p的個(gè)體的疲勞壽命大于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勞壽命，在設(shè)計(jì)上稱為安全壽命。疲勞問(wèn)題范疇極為廣泛。按材料性質(zhì)及其工作環(huán)境劃分，除一般金屬疲勞外，還包括有非金屬疲勞、高溫疲勞、熱疲勞（由循環(huán)熱應(yīng)力引起）、腐蝕疲勞、擦傷疲勞、聲疲勞（由噪聲激勵(lì)引起）、沖擊疲勞、接觸疲勞等。金屬疲勞壽命預(yù)估側(cè)重于力學(xué)方面，并且是普遍關(guān)注的研究課題。為了進(jìn)行疲勞壽命的理論估算和試驗(yàn)，首先必須了解材料的疲勞性能，以此作為理論計(jì)算的依據(jù)。其次，疲勞壽命的長(zhǎng)短取決于

11、所承受的循環(huán)載荷大小，為此還必須編制出供理論分析和全尺寸疲勞試驗(yàn)用的載荷譜。最后，根據(jù)材料的疲勞性能和載荷譜估算出疲勞壽命。以下分別加以介紹：疲勞性能： 材料抵抗疲勞破壞的能力。高循環(huán)疲勞的裂紋形成階段的疲勞性能常以S-N曲線表征，S為應(yīng)力水平，N為疲勞壽命。S-N曲線需通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)采用小型標(biāo)準(zhǔn)試件或?qū)嶋H構(gòu)件。若采用小型標(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m的前提下進(jìn)行，根據(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)，疲勞壽命N為橫坐標(biāo)繪制S-N曲線(圖5)。表示壽命的橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)標(biāo)尺；表示應(yīng)力的縱坐標(biāo)采用算術(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max或應(yīng)力幅a稱為疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度一詞也泛指與疲勞有關(guān)的強(qiáng)度問(wèn)題。為了模擬實(shí)際構(gòu)件缺口處的應(yīng)力集中以及研究材料對(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，根據(jù)某一存活率p的安全壽命所繪制的應(yīng)力和安全壽命之間的關(guān)系曲線稱為p-S-N曲線。50存活率的應(yīng)力和疲勞壽命之間的關(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max小于某一極限值時(shí)，試件可經(jīng)受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不產(chǎn)生疲勞裂紋；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)生疲勞裂紋，該極限應(yīng)