材料疲勞和結構疲勞

曉昀

一、什么是疲勞？

     疲勞是材料（金屬）承受循環(huán)應力或應變作用時，結構性能下降，并最終導致破壞的現(xiàn)象。疲勞失效是最常見的失效形式之一。據(jù)文獻中提供的數(shù)據(jù)顯示，各種機械中，疲勞失效的零件占失效零件的60~70%。疲勞斷裂失效原則上屬于低應力脆斷失效，疲勞中難以觀察到明顯的塑性變形，因為這是以局部塑性變形為主，且主要發(fā)生在結構的固有缺陷上。雖然頻率對疲勞失效有一定影響，但多數(shù)情況下疲勞失效主要與循環(huán)次數(shù)有關。

01  按引起疲勞失效的應力特點可以分為：

由機械應力引起的機械疲勞和熱應力（交變熱應力）引起的熱疲勞；

02  從循環(huán)周次可分為：

高周、低周、超高周疲勞；

03  根據(jù)載荷性質可分為：

拉-壓疲勞、扭轉疲勞以及彎曲疲勞等；

04 根據(jù)工件的工作環(huán)境可分為：

腐蝕疲勞、低溫疲勞、高溫疲勞。


     一般把材料與結構發(fā)生疲勞損傷前的強度定義為“疲勞極限”。

01 沖擊疲勞

     是指重復沖擊載荷所引起的疲勞。當沖擊次數(shù)N小于500~1000次即破壞時，零件的斷裂形式與一次沖擊相同；當沖擊次數(shù)大于105次時的破壞，零件斷裂屬于疲勞斷裂，并具有典型的疲勞斷口特征。在設計計算中，當沖擊次數(shù)大于100次時，用類似于疲勞的方法計算強度。

02 接觸疲勞

     零件在循環(huán)接觸應力作用下產(chǎn)生局部永久性累計損傷，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后，接觸表面發(fā)生麻點、淺層或深層剝落的過程，稱為接觸疲勞。接觸疲勞是齒輪、滾動軸承和凸輪軸的典型失效形式。

03 熱疲勞

      由于溫度循環(huán)產(chǎn)生循環(huán)熱應力所導致的材料或零件的疲勞稱為熱疲勞。溫度循環(huán)變化導致材料體積循環(huán)變化，當材料的自由膨脹或收縮受到約束時，產(chǎn)生循環(huán)熱應力或循環(huán)熱應變。

      產(chǎn)生熱應力情況主要有兩種：

1  零件的熱脹冷縮受到固持零件的外加約束而產(chǎn)生熱應力；


2  雖然沒有外加約束，但兩件各部分的溫度不一致，存在著溫度梯度，導致各部分熱脹冷縮不一致而產(chǎn)生熱應力。

     溫度交變作用，除了產(chǎn)生熱應力外，還會導致材料內部組織變化，使強度和塑性降低。熱疲勞條件下的溫度分布不是均勻的，在溫度梯度大的地方，塑性變形嚴重，熱應變集中較大；當熱應變超過彈性極限時，熱應力與熱應變就不呈線性關系，此時求解熱應力就要按彈塑性關系處理。熱疲勞裂紋從表面開始向內部擴展，方向與表面垂直。

     熱應力的大小與熱脹系數(shù)成正比，熱脹系數(shù)越大，熱應力越大。所以在選材時要考慮材料的匹配，即不同材料熱膨脹系數(shù)的差別不能太大。在相同的熱應變條件下，材料的彈性模量越大，熱應力就越大；溫度循環(huán)變化越大，即上下限溫差越大，則熱應力就越大；材料的熱導率越低，則快速加速或冷卻過程中，溫度梯度越陡，熱應力也越大。

04腐蝕疲勞
     腐蝕介質和循環(huán)應力（應變）的復合作用所導致的疲勞稱為腐蝕疲勞。腐蝕介質與靜應力共同作用產(chǎn)生的腐蝕破壞稱為應力腐蝕。兩者的區(qū)別在于，應力腐蝕只有在特定的腐蝕環(huán)境中才發(fā)生，而腐蝕疲勞在任何腐蝕環(huán)境及循環(huán)應力復合作用下，都會發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。應力腐蝕開裂，有一個臨界應力強度因子KISCC，當應力強度因子KI≤KISCC，就不會發(fā)生應力腐蝕開裂；而腐蝕疲勞不存在臨界應力強度因子，只要在腐蝕環(huán)境中有循環(huán)應力繼續(xù)作用，斷裂總是會發(fā)生的。

      腐蝕疲勞與空氣中的疲勞區(qū)別在于，腐蝕疲勞過程中，除不銹鋼和滲氮鋼以外，機械零部件表面均變色。腐蝕疲勞形成的裂紋數(shù)目較多，即呈多裂紋。腐蝕疲勞的S-N曲線沒有水平部分，因此，對于腐蝕疲勞極限，一定要指出是某一壽命下的值，即只存在條件腐蝕疲勞極限。影響腐蝕疲勞強度的因素要比空氣中疲勞多而且復雜，如在空氣中，疲勞試驗頻率小于1000HZ時，頻率基本上對疲勞極限沒有影響，但腐蝕疲勞在頻率的整個范圍內都有影響。

二、疲勞壽命

     當一個材料或機械部件失效時，總壽命通常由三部分組成：

      裂紋萌生壽命，大量工程實踐表明，實際服役過程中機械部件裂紋的萌生壽命占據(jù)疲勞壽命的絕大部分（甚至達到總壽命的90%）。

      裂紋穩(wěn)定擴展壽命，多數(shù)情況下，當一條微裂紋的深度達到該尺寸（約為0.1mm）時，它就沿著材料或者部件的截面穩(wěn)定擴展。

      失穩(wěn)擴展至斷裂壽命。

三、金屬材料的疲勞形式

     金屬材料的疲勞主要有以下幾種：

一般的塑性變形；

低周疲勞下的塑性變形；

高周疲勞下的塑性變形；

超高周疲勞下晶立尺寸的微觀塑性變形。

四、影響材料與結構疲勞強度的因素

01. 平均應力

      隨著平均應力（統(tǒng)計應力）的增加，材料的動態(tài)抗疲勞應力降低。對于同一屬性的力，平均應力σm越大，則給定壽命的應力幅σa就越小。

02. 應力集中

     由于工作條件或加工工藝的要求，零件常帶有臺階、小孔、鍵槽等，使截面發(fā)生突然變化，從而引起局部的應力集中，這將顯著地降低材料的疲勞極限，但實驗表明，疲勞極限降低的程度并不是與應力集中系數(shù)成正比。但如果要準確地預測機械部件的疲勞行為，就必須估計高應力區(qū)或者含制造缺陷的裂紋萌生壽命。

03. 殘余應力

     文獻研究指出，探討殘余應力對金屬疲勞強度的影響，需在高周疲勞下才有意義，因為低周疲勞的高應變幅下殘余應力將大幅度地松弛，所以在低周疲勞下顯示不出多大的作用。表層殘余壓應力對于承受軸向載荷且疲勞裂紋起源于表面的零部件是有益的，但要注意核心部區(qū)域的殘余拉應力疊加外載后發(fā)生屈服所引起的殘余應力松弛問題。殘余應力對零件缺口疲勞強度的作用十分顯著，這是由于殘余應力也存在應力集中現(xiàn)象和殘余應力對疲勞裂紋擴展的影響更大的緣故。但殘余應力的應力集中不僅與缺口幾何因素有關，還與材料特性有關。

04. 尺寸效應

     材料的疲勞極限σ-1值通常是用小試樣測定的，試樣直徑一般在7~12mm，而實際構件的截面往往大于該尺寸。試驗指出，隨著試樣直徑的加大，疲勞極限下降。其中，強度高的鋼比強度低的鋼下降的快。

05. 構件表面狀態(tài)


      構件表面是疲勞裂紋核心易于產(chǎn)生的地方，而承受交變彎曲或交變扭轉負荷的構件，表面應力最大。構件表面的粗糙度、機械加工的刀痕都會影響疲勞強度。表面損傷（刀痕、磨痕等）本身就是表面缺口，會產(chǎn)生應力集中。使其疲勞極限降低，且材料強度越高，缺口敏感性越顯著，加工表面質量對疲勞極限的影響就越大。

06. 環(huán)境因素


     金屬材料的疲勞性能還受到周圍液相或氣相等環(huán)境的影響。腐蝕疲勞是指金屬材料在腐蝕介質和循環(huán)載荷交互作用下的響應，它通常多用于描述水相環(huán)境下材料的疲勞行為。腐蝕疲勞、低溫疲勞、高溫疲勞，不同氣壓環(huán)境、濕度環(huán)境等都是材料與環(huán)境因素共同作用下的疲勞現(xiàn)象。

     在大氣環(huán)境下，同一材料的破壞循環(huán)周次也遠低于真空環(huán)境。真空環(huán)境中的裂紋萌生壽命遠大于大氣環(huán)境。當工件工作環(huán)境壓力接近Pcr（壽命拐點處的氣壓定義為臨界氣壓）時，材料的疲勞壽命就變得異常敏感。大氣環(huán)境中材料的疲勞壽命（一般低于真空環(huán)境）會隨著溫度的升高而降低，加速裂紋擴展。環(huán)境濕度對高強度鉻鋼的耐久性影響較大。水汽（尤其是室溫環(huán)境）對多數(shù)金屬及合金的抗斷裂性能有不利影響，這種不利影響取決于應力水平、載荷比、幅值等加載條件。微觀組織與環(huán)境之間具有強烈的相互作用，氣相環(huán)境顯著影響著斷口的形貌和位錯滑移機制，環(huán)境與裂紋閉合之間存在著交互作用，尤其在近門檻區(qū)。環(huán)境影響程度取決于裂紋面的形貌，尤其是在深度方向上。

     在低溫下，金屬的強度提高而塑性則降低。因此，在低溫下光滑試樣的高周疲勞強度比室溫下有所提高，而低周疲勞強度比室溫下低。對于有缺口的試樣，韌性和塑性降低得更多。缺口和裂紋對低溫較為敏感，即斷裂時的臨界疲勞裂紋長度在低溫下會急劇減小。

    廣義的高溫疲勞是指高于常溫的疲勞現(xiàn)象。但通常情況下，由于有些零件的工作溫度雖然高于室溫，但并不太高。只有當溫度高于0.5Tm（Tm為以熱力學溫度表示的熔點），或在再結晶溫度以上時，出現(xiàn)了蠕變與機械疲勞復合的疲勞現(xiàn)象，這時才稱為高溫疲勞。

07. 載荷類型


    不同載荷下疲勞極限的大小順序為：旋轉彎曲＜平面彎曲＜壓縮載荷＜扭轉載荷。在腐蝕介質中，加載頻率的裂紋擴展的作用比較明顯。在室溫和試驗環(huán)境下中，常規(guī)頻率 (0.1~100HZ) 對鋼和黃銅的裂紋擴展幾乎沒有任何影響。在試驗中一般而言，如果試驗加載頻率低于250HZ，頻率對金屬材料的疲勞壽命的影響就較小。

08. 材料缺陷


     裂紋多萌生于表面，如在焊縫（孔眼）、鑄鋼（疏松）或次表面上（夾雜改變了局部應變場），而很少在內部萌生。裂紋萌生還取決于夾雜的數(shù)量、尺寸、性質和分布，同時也與外力的加載方向有關。此外，夾雜與基體的結合強度也不容忽視。顯微裂紋是百萬周次壽命材料中最危險的缺陷，顯微曲線則是控制著10億周次壽命材料的壽命。由于微觀尺寸下材料內部存在缺陷的幾率遠大于材料表面，因此超高周疲勞加載時內部萌生裂紋的幾率自然大于表面。

     脆性材料不存在應力降低或加工硬化現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)缺口，在較小的名義應力條件下就可能發(fā)生斷裂。經(jīng)驗表明，當存在缺口時，金屬的疲勞極限降低，并且塑性越差，缺口對疲勞極限的影響越大。

09. 加工方式


     文獻中指出，在疲勞試驗試樣的制備過程應是導致試驗數(shù)據(jù)離散性最重要的環(huán)節(jié)，如車、銑和校直等機械加工方式都與試樣的最終制備質量有關。正是由于制備方式和熱處理因素會影響材料的疲勞性能，尤其是熱處理的影響較大，因而即使是同一批次和尺寸、形貌完全相同的試驗也很難完全重復以前的疲勞試驗結果。由此可見，工件的生產(chǎn)加工因素會導致零部件的實際疲勞壽命偏離分析計算的期望壽命值。

10  材料屬性

     高周疲勞強度（N＞106時）與材料的硬度有關，而對于中低周疲勞，韌性是一種重要指標。在高應力條件下，高強度鋼由于韌性較差，其疲勞性能較低，而低應力情況下，則具有較好的抗疲勞性能。低強度鋼與之相反，中強度鋼居中。一般說來彈性模量越高，裂紋擴展速率越低。晶粒尺寸的影響對裂紋擴展的影響僅存在于兩種極端擴展的情況：△K→△Kth和△Kmax→△KC，對中速裂紋擴展特性沒有明顯的影響。斷裂韌性KIC（或KC）與擴展速率是相互聯(lián)系的。一般認為，材料韌性的增加會降低裂紋的擴展速度。

五、疲勞試驗數(shù)據(jù)的離散性

     試驗設備和試樣本身是造成疲勞試驗數(shù)據(jù)（或結果）離散性的根本原因。據(jù)文獻分析介紹，在測定零構件的疲勞壽命時，名義載荷相對實際載荷有3%的誤差，就會使疲勞壽命產(chǎn)生60%的誤差，極端情況可能會導致120%的壽命誤差。而對于疲勞試驗機來說，3%誤差是完全允許的。不過文中也提到，在靜力破壞試驗中，即使對強度分散性較大的鑄造材料和玻璃等，也不像疲勞壽命那樣存在嚴重的分散性。

     疲勞試驗結果的離散性與材料屬性有關，具體有：材料內部的固有特性；試驗的制備過程，試驗的外部環(huán)境。其中，試驗制備過程是導致數(shù)據(jù)離散性最重要的環(huán)節(jié)，尤其是熱處理。材料內的夾雜和第二相顆粒等是造成試驗數(shù)據(jù)離散的本質原因，目前其作用機制仍不十分清楚。

六、結構疲勞設計方法的發(fā)展

安全壽命法

     設計應力低于疲勞極限，認為結構中無缺陷。

失效安全法

     設計應力與平面缺陷情況下的剩余強度有關，該設計方法允許存在可接受的缺陷

安全裂紋法


     允許存在確定性可預測的擴展裂紋。


局部失效法


      能夠解決金屬疲勞分析中的一些問題，目前在法國廣泛應用。20世紀90年代超高周疲勞試驗技術的興起，充分說明一些微觀缺陷（如夾渣、氣孔、鍛造形成的大尺寸晶粒等）對材料的疲勞壽命也具有重要的影響。

     對于鋼材料，在缺少材料的疲勞試驗數(shù)據(jù)時，可由材料的拉伸強度極限做出近似的S-N曲線。把疲勞極限與拉伸強度和試樣斷裂伸長率聯(lián)系起來是具有較高精度的一種估算方法。

     在材料與結構的疲勞分析中，要優(yōu)先從試驗中得到結論而不是盲目地相信彈塑性計算，唯有如此，才能確保數(shù)據(jù)的可靠性。

大熊貓1008

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