宣布时间：2022-02-07点击：1659
一、认识疲劳
疲劳是质料（金属）蒙受循环应力或应变作用时 ，结构性能下降 ，并***终导致破坏的现象。疲劳失效是***常见的失效形式之一。凭据文献提供的数据显示 ，种种机械中 ，疲劳失效的零件占失效零件的60~70%。疲劳断裂失效原则上属于低应力脆断失效 ，疲劳中难以视察到明显的塑性变形 ，因为这是以局部塑性变形为主 ，且主要爆发在结构的固有缺陷上。虽然频率对疲劳失效有一定影响 ，但大都情况下疲劳失效主要与循环次数有关。
●按引起疲劳失效的应力特点可以分为：
由机械应力引起的机械疲劳和热应力（交变热应力）引起的热疲劳 ；
●从循环周次可分为：
高周、低周、超高周疲劳 ；
●凭据载荷性质可分为：
拉-压疲劳、扭转疲劳以及弯曲疲劳等 ；
●凭据工件的事情情况可分为：
腐化疲劳、低温疲劳、高温疲劳。
一般把质料与结构爆发疲劳损伤前的强度界说为“疲劳极限”。
01攻击疲劳
是指重复攻击载荷所引起的疲劳。当攻击次数N小于500~1000次即破坏时 ，零件的断裂形式与一次攻击相同 ；当攻击次数大于105次时的破坏 ，零件断裂属于疲劳断裂 ，并具有典范的疲劳断口特征。在设计盘算中 ，当攻击次数大于100次时 ，用类似于疲劳的要领盘算强度。
02接触疲劳
零件在循环接触应力作用下爆发局部永久性累计损伤 ，经过一定循环次数后 ，接触外貌爆发麻点、浅层或深层剥落的历程 ，称为接触疲劳。接触疲劳是齿轮、转动轴承和凸轮轴的典范失效形式。
03热疲劳
由于温度循环爆发循环热应力所导致的质料或零件的疲劳称为热疲劳。温度循环变革导致质料体积循环变革 ，当质料的自由膨胀或收缩受到约束时 ，爆发循环热应力或循环热应变。
爆发热应力情况主要有两种：
?零件的热胀冷缩受到固持零件的外加约束而爆发热应力 ；
?虽然没有外加约束 ，但两件各部分的温度纷歧致 ，保存着温度梯度 ，导致各部分热胀冷缩纷歧致而爆发热应力。
温度交变作用 ，除了爆发热应力外 ，还会导致质料内部组织变革 ，使强度和塑性降低。热疲劳条件下的温度漫衍不是均匀的 ，在温度梯度大的地方 ，塑性变形严重 ，热应变集中较大 ；当热应变凌驾弹性极限时 ，热应力与热应变就不呈线性关系 ，此时求解热应力就要按弹塑性关系处理。热疲劳裂纹从外貌开始向内部扩展 ，偏向与外貌笔直。
热应力的巨细与热胀系数成正比 ，热胀系数越大 ，热应力越大。所以在选材时要考虑质料的匹配 ，即差别质料热膨胀系数的差别不可太大。在相同的热应变条件下 ，质料的弹性模量越大 ，热应力就越大 ；温度循环变革越大 ，即上下限温差越大 ，则热应力就越大 ；质料的热导率越低 ，则快速加速或冷却历程中 ，温度梯度越陡 ，热应力也越大。
04腐化疲劳
腐化介质和循环应力（应变）的复相助用所导致的疲劳称为腐化疲劳。腐化介质与静应力配相助用爆发的腐化破坏称为应力腐化。两者的区别在于 ，应力腐化只有在特定的腐化情况中才爆发 ，而腐化疲劳在任何腐化情况及循环应力复相助用下 ，都会爆发腐化疲劳断裂。应力腐化开裂 ，有一个临界应力强度因子KISCC ，当应力强度因子KI≤KISCC ，就不会爆发应力腐化开裂 ；而腐化疲劳不保存临界应力强度因子 ，只要在腐化情况中有循环应力继续作用 ，断裂总是会爆发的。
腐化疲劳与空气中的疲劳区别在于 ，腐化疲劳历程中 ，除不锈钢和渗氮钢以外 ，机械零部件外貌均变色。腐化疲劳形成的裂纹数目较多 ，即呈多裂纹。腐化疲劳的S-N曲线没有水平部分 ，因此 ，关于腐化疲劳极限 ，一定要指出是某一寿命下的值 ，即只保存条件腐化疲劳极限。影响腐化疲劳强度的因素要比空气中疲劳多并且庞大 ，如在空气中 ，疲劳试验频率小于1000HZ时 ，频率基本上对疲劳极限没有影响 ，但腐化疲劳在频率的整个规模内都有影响。
二、疲劳寿命
当一个质料或机械部件失效时 ，总寿命通常由三部分组成：
01裂纹萌生寿命 ，大宗工程实践标明 ，实际服役历程中机械部件裂纹的萌生寿命占据疲劳寿命的绝大部分（甚至抵达总寿命的90%）。
02裂纹稳定扩展寿命 ，大都情况下 ，当一条微裂纹的深度抵达该尺寸（约为0.1mm）时 ，它就沿着质料或者部件的截面稳定扩展。
03失稳扩展至断裂寿命。
三、金属质料的疲劳形式
金属质料的疲劳主要有以下几种：
一般的塑性变形 ；
低周疲劳下的塑性变形 ；
高周疲劳下的塑性变形 ；
超高周疲劳下晶立尺寸的微观塑性变形。
四、影响质料与结构疲劳强度的因素
01平均应力
随着平均应力（统计应力）的增加 ，质料的动态抗疲劳应力降低。关于同一属性的力 ，平均应力σm越大 ，则给定寿命的应力幅σa就越小。
02应力集中
由于事情条件或加工工艺的要求 ，零件常带有台阶、小孔、键槽等 ，使截面爆发突然变革 ，从而引起局部的应力集中 ，这将显著地降低质料的疲劳极限 ，但实验标明 ，疲劳极限降低的水平并不是与应力集中系数成正比。但如果要准确地预测机械部件的疲劳行为 ，就必须预计高应力区或者含制造缺陷的裂纹萌生寿命。
03剩余应力
文献研究指出 ，探讨剩余应力对金属疲劳强度的影响 ，需在高周疲劳下才有意义 ，因为低周疲劳的高应变幅下剩余应力将大幅度地松弛 ，所以在低周疲劳下显示不出多大的作用。表层剩余压应力关于蒙受轴向载荷且疲劳裂纹起源于外貌的零部件是有益的 ，但要注意焦点部区域的剩余拉应力叠加外载后爆发屈服所引起的剩余应力松弛问题。剩余应力对零件缺口疲劳强度的作用十分显著 ，这是由于剩余应力也保存应力集中现象和剩余应力对疲劳裂纹扩展的影响更大的缘故。但剩余应力的应力集中不但与缺口几何因素有关 ，还与质料特性有关。
04尺寸效应
质料的疲劳极限σ-1值通常是用小试样测定的 ，试样直径一般在7~12mm ，而实际构件的截面往往大于该尺寸。试验指出 ，随着试样直径的加大 ，疲劳极限下降。其中 ，强度高的钢比强度低的钢下降的快。
05构件外貌状态
构件外貌是疲劳裂纹焦点易于爆发的地方 ，而蒙受交变弯曲或交变扭转负荷的构件 ，外貌应力***大。构件外貌的粗糙度、机械加工的刀痕都会影响疲劳强度。外貌损伤（刀痕、磨痕等）自己就是外貌缺口 ，会爆发应力集中 ，使其疲劳极限降低 ，且质料强度越高 ，缺口敏感性越显著 ，加工外貌质量对疲劳极限的影响就越大。
06情况因素
金属质料的疲劳性能还受到周围液相或气相等情况的影响。腐化疲劳是指金属质料在腐化介质和循环载荷交互作用下的响应 ，它通常多用于描述水相情况下质料的疲劳行为。腐化疲劳、低温疲劳、高温疲劳 ，差别气压情况、湿度情况等都是质料与情况因素配相助用下的疲劳现象。
在大气情况下 ，同一质料的破坏循环周次也远低于真空情况。真空情况中的裂纹萌生寿命远大于大气情况。当工件事情情况压力接近Pcr（寿命拐点处的气压界说为临界气压）时 ，质料的疲劳寿命就变得异常敏感。大气情况中质料的疲劳寿命（一般低于真空情况）会随着温度的升高而降低 ，加速裂纹扩展� Ｇ榭鍪榷愿咔慷雀醺值哪途眯杂跋旖洗�。水汽（尤其是室温情况）对大都金属及合金的抗断裂性能有倒运影响 ，这种倒运影响取决于应力水平、载荷比、幅值等加载条件。微观组织与情况之间具有强烈的相互作用 ，气相情况显著影响着断口的形貌和位错滑移机制 ，情况与裂纹闭合之间保存着交互作用 ，尤其在近门槛区� Ｇ榭鲇跋焖饺【鲇诹盐泼娴男蚊� ，尤其是在深度偏向上。
在低温下 ，金属的强度提高而塑性则降低。因此 ，在低温下平滑试样的高周疲劳强度比室温下有所提高 ，而低周疲劳强度比室温下低。关于有缺口的试样 ，韧性和塑性降低得更多。缺口和裂纹对低温较为敏感 ，即断裂时的临界疲劳裂纹长度在低温下会急剧减小。
广义的高温疲劳是指高于常温的疲劳现象。但通常情况下 ，由于有些零件的事情温度虽然高于室温 ，但并不太高。只有当温度高于0.5Tm（Tm为以热力学温度体现的熔点） ，或在再结晶温度以上时 ，泛起了蠕变与机械疲劳复合的疲劳现象 ，这是才称为高温疲劳。
07载荷类型
差别载荷下疲劳极限的巨细顺序为：旋转弯曲＜平面弯曲＜压缩载荷＜扭转载荷。在腐化介质中 ，加载频率的裂纹扩展的作用比较明显。在室温和试验情况下中 ，通例频率 (0.1~100HZ) 对钢和黄铜的裂纹扩展险些没有任何影响。在试验中一般而言 ，如果试验加载频率低于250HZ ，频率对金属质料的疲劳寿命的影响就较小。
08质料缺陷
裂纹多萌生于外貌 ，如在焊缝（孔眼）、铸钢（疏松）或次外貌上（大夹杂改变了局部应变�。� ，而很少在内部萌生。裂纹萌生还取决于夹杂的数量、尺寸、性质和漫衍 ，同时也与外力的加载偏向有关。别的 ，夹杂与基体的结合强度也禁止忽视。显微裂纹是百万周次寿命质料中***危险的缺陷 ，显微曲线则是控制着10亿周次寿命质料的寿命。由于微观尺寸下质料内部保存缺陷的几率远大于质料外貌 ，因此超高周疲劳加载时内部萌生裂纹的几率自然大于外貌。
脆性质料不保存应力降低或加工硬化现象 ，一旦泛起缺口 ，在较小的名义应力条件下就可能爆发断裂。经验标明 ，当保存缺口时 ，金属的疲劳极限降低 ，并且塑性越差 ，缺口对疲劳极限的影响越大。
09加工方法
文献中指出 ，在疲劳试验试样的制备历程应是导致试验数据离散性***重要的环节 ，如车、铣和校直等机械加工方法都与试样的***终制备质量有关。正是由于制备方法和热处理因素会影响质料的疲劳性能 ，尤其是热处理的影响较大 ，因而纵然是同一批次和尺寸、形貌完全相同的试验也很难完全重复以前的疲劳试验结果。由此可见 ，工件的生产加工因素会导致零部件的实际疲劳寿命偏离剖析盘算的期望寿命值。
10质料属性
高周疲劳强度（N＞106时）与质料的硬度有关 ，而关于中低周疲劳 ，韧性是一种重要指标。在高应力条件下 ，高强度钢由于韧性较差 ，其疲劳性能较低 ，而低应力情况下 ，则具有较好的抗疲劳性能。低强度钢与之相反 ，中强度钢居中。一般说来弹性模量越高 ，裂纹扩展速率越低。晶粒尺寸的影响对裂纹扩展的影响仅保存于两种极端扩展的情况：△K→△Kth和△Kmax→△KC ，对中速裂纹扩展特性没有明显的影响。断裂韧性KIC（或KC）与扩展速率是相互联系的。一般认为 ，质料韧性的增加会降低裂纹的扩展速度。
五、疲劳试验数据的离散性
试验设备和试样自己是造成疲劳试验数据（或结果）离散性的基础原因。据文献中剖析介绍 ，在测定零构件的疲劳寿命时 ，名义载荷相对实际载荷有3%的误差 ，就会使疲劳寿命爆发60%的误差 ，极端情况可能会导致120%的寿命误差。而关于疲劳试验机来说 ，3%误差是完全允许的。不过文中也提到 ，在静力破坏试验中 ，纵然对强度疏散性较大的铸造质料和玻璃等 ，也不像疲劳寿命那样保存严重的疏散性。
疲劳试验结果的离散性与质料属性有关 ，具体有：质料内部的固有特性 ；试验的制备历程 ，试验的外部情况。其中 ，试验制备历程是导致数据离散性***重要的环节 ，尤其是热处理。质料内的夹杂和第二相颗粒等是造成试验数据离散的实质原因 ，目前其作用机制仍不十分清楚。
六、结构疲劳设计要领的生长
● 宁静寿命法：
设计应力低于疲劳极限 ，认为结构中无缺陷。
● 失效宁静法：
设计应力与平面缺陷情况下的剩余强度有关 ，该设计要领允许保存可接受的缺陷。
● 宁静裂纹法：
允许保存确定性可预测的扩展裂纹。
● 局部失效法：
能够解决金属疲劳剖析中的一些问题 ，目前在法国广泛应用。20世纪90年代超高周疲劳试验技术的兴起 ，充辩白明一些微观缺陷（如夹渣、气孔、铸造形成的大尺寸晶粒等）对证料的疲劳寿命也具有重要的影响。
关于钢质料 ，在缺少质料的疲劳试验数据时 ，可由质料的拉伸强度极限做出近似的S-N曲线。把疲劳极限与拉伸强度和试样断裂伸长率联系起来是具有较高精度的一种估算要领。
在质料与结构的疲劳剖析中 ，要优先从试验中获得结论而不是盲目地相信弹塑性盘算 ，唯有如此 ，才华确保数据的可靠性。
来源：材易通
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