郝富杰

1 金屬疲勞的定義

金屬疲勞的概念，最早是由J.V.Poncelet于1830年在巴黎大學(xué)講演時(shí)采用的。當(dāng)時(shí)，“疲勞”一詞被用來(lái)描述在周期拉壓加載下材料強(qiáng)度的衰退。引述美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)(ASTM)在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)定義”(EZ06-72)中所作的定義:在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受撓動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)撓動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂時(shí)，材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程，稱為“疲勞”。

2 疲勞破壞的特征

由于疲勞而發(fā)生破壞的失效方式，稱為疲勞破壞。疲勞破壞和靜力破壞有著本質(zhì)的區(qū)別，主要有以下特征:

1 )只有在材料承受撓動(dòng)應(yīng)力作用條件下時(shí)，疲勞才會(huì)發(fā)生。所謂“撓動(dòng)應(yīng)力”(或稱交變應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)力)，是指隨時(shí)間變化的應(yīng)力。這種變化可以是有規(guī)律的，也可以是不規(guī)律的，甚至是隨機(jī)的。2)疲勞是一個(gè)“發(fā)展過(guò)程”，這一過(guò)程發(fā)生在一段時(shí)間內(nèi)(即壽命)。我們觀察到的“形成裂紋”和“斷裂”，是這一發(fā)展過(guò)程中不斷形成的損傷累積的結(jié)果。疲勞過(guò)程的發(fā)展必定會(huì)形成裂紋，斷裂是由于裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸造成的。它標(biāo)志著疲勞發(fā)展過(guò)程的終結(jié)。3)所謂“局部”，是疲勞的一個(gè)明顯的特點(diǎn)。疲勞通常在某局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生，而不是由整個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所控制。這種局部區(qū)域一般處在由于外載荷的作用、構(gòu)件幾何形狀變化、溫差、殘余應(yīng)力或材料的缺陷而引起應(yīng)力集中(或應(yīng)變集中)的地方，疲勞分析所關(guān)心的正是這些高應(yīng)力或高應(yīng)變區(qū)。4)疲勞過(guò)程是結(jié)構(gòu)內(nèi)部永久變化造成損傷的累積過(guò)程。這種永久變化是循環(huán)塑性變形的作用。如果只發(fā)生循環(huán)彈性變形，則因?yàn)閺椥宰冃蔚目苫謴?fù)性，將不出現(xiàn)疲勞破壞。循環(huán)塑性變形是產(chǎn)生疲勞破壞的根本原因。

3 疲勞破壞的影響因素

金屬材料受到外力作用后，其內(nèi)部即處于受脅和松弛這樣一種矛盾的狀態(tài)之中。受脅表明材料內(nèi)部能量升高，而松弛則可能使能量降低，松弛過(guò)程主要通過(guò)塑性變形和斷裂來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)金屬受脅達(dá)到飽和狀態(tài)而不能繼續(xù)再用塑性變形或根本就不能以塑性變形來(lái)松弛時(shí)，若再增加應(yīng)力，它就會(huì)以斷裂的形式來(lái)徹底松弛疲勞破壞。由于沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形，破壞十分突然，往往造成災(zāi)難性事故，引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究疲勞斷裂的原因，尋找提高材料抗疲勞的途徑以防止疲勞斷裂事故的發(fā)生，對(duì)于發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)都有重大的意義。

疲勞的實(shí)質(zhì)是微觀裂紋在連續(xù)重復(fù)載荷作用下不斷擴(kuò)展，直到最后達(dá)到臨界尺寸時(shí)出現(xiàn)的突發(fā)性斷裂破壞。破壞時(shí)截面上的應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至還可能低于屈服點(diǎn)，塑性變形很小。因此，疲勞破壞屬于沒(méi)有明顯變形的脆性破壞，有著較大的危險(xiǎn)性。即使是塑性材料，在循環(huán)載荷的作用下，也和脆性材料一樣，大都會(huì)發(fā)生疲勞破壞。然而疲勞又是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，從微觀到宏觀，疲勞行為受很多因素的影響。

由于疲勞裂紋經(jīng)常從零構(gòu)件的表面開(kāi)始，所以金屬零構(gòu)件的表面狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度會(huì)有顯著的影響。這里所指的表面就是表面加工光潔度、表面層的組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)等。大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，表面光潔度對(duì)疲勞強(qiáng)度有較大的影響，因?yàn)榱銟?gòu)件經(jīng)表面加工后所引起的表面缺陷是應(yīng)力集中的因素。特別是對(duì)高強(qiáng)度材料，表面稍有缺陷，就常成為極危險(xiǎn)的尖銳缺口，這是疲勞源的所在地。

載荷形式(彎曲、軸向或扭轉(zhuǎn))對(duì)疲勞強(qiáng)度有一定影響。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在應(yīng)力幅度相同時(shí)，彎曲疲勞的壽命大于軸向疲勞壽命;在給定的疲勞壽命時(shí)，軸向疲勞應(yīng)力幅度小于彎曲疲勞的應(yīng)力幅度，這種現(xiàn)象在高應(yīng)力低周疲勞中更加明顯(見(jiàn)圖1)。

出現(xiàn)這種矛盾的原因是存在應(yīng)變梯度、體積效應(yīng)、循環(huán)應(yīng)變硬化和軟化，以及表面裂紋萌生后裂紋擴(kuò)展的不同。由此可推想到旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命也應(yīng)當(dāng)小于反復(fù)彎曲疲勞壽命。旋轉(zhuǎn)彎曲試樣表面的所有材料，在不同的時(shí)間內(nèi)，均能受到最大應(yīng)力作用;而反復(fù)彎曲試樣只有上部和下部的最外層能承受到最大應(yīng)力，相比之下，旋彎試樣出現(xiàn)裂紋的幾率大，壽命短。

在對(duì)稱循環(huán)載荷下，得到的S—N曲線是基本S—N曲線，然而在構(gòu)件設(shè)計(jì)中，載荷往往并非對(duì)稱循環(huán)，即平均應(yīng)力不一定等于零。因此，要考慮到平均應(yīng)力對(duì)于材料疲勞性能的影響。一般說(shuō)來(lái)，在應(yīng)力幅相同的情況下，拉伸平均應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度和壽命降低，而壓縮平均應(yīng)力產(chǎn)生的影響則比較有利(見(jiàn)圖2)。

化學(xué)成分也直接影響材料的疲勞特性，因?yàn)樵娱g的化學(xué)結(jié)合力的性質(zhì)及強(qiáng)度決定材料的強(qiáng)度及韌度的可能變動(dòng)范圍。一切金屬及合金都受疲勞的支配。對(duì)于所有金屬，疲勞強(qiáng)度指數(shù)及疲勞韌度指數(shù)的可能范圍大致都是相同的。但是，疲勞強(qiáng)度系數(shù)及疲勞韌度系數(shù)的可能范圍卻視金屬的不同而有很大變化。化學(xué)成分由于變更結(jié)構(gòu)或影響某一硬化程序的有效性，因而也間接地影響疲勞特性。

夾雜物和缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響是多年來(lái)許多學(xué)者悉心研究的重要課題，特別是中、高強(qiáng)鋼或高硬度鋼，夾雜物和缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響更加顯著。鋼材中總是存在有各種各樣的缺陷和夾雜物，它們周圍應(yīng)力分布的不均勻?qū)ζ诹鸭y萌生和早期擴(kuò)展有重要作用，也是引起應(yīng)力集中的原因之一，對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大。但是，由于這個(gè)問(wèn)題的復(fù)雜性，要尋求一種統(tǒng)一的處理方法是相當(dāng)困難的。

4 問(wèn)題的補(bǔ)充

疲勞破壞同工程構(gòu)件的真實(shí)結(jié)構(gòu)完整密切相關(guān)，但不應(yīng)該忽視疲勞研究的機(jī)理性基礎(chǔ)和科學(xué)基礎(chǔ)。其理由如下:

1 )即便構(gòu)件的尺度和裂紋的尺寸比顯微組織的尺度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，疲勞裂紋頂端出現(xiàn)的永久損傷的尺寸范圍通常與材料的特征微觀尺度相當(dāng)。2)總壽命和斷裂力學(xué)概念提供了可以用來(lái)描述材料在循環(huán)載荷作用下的裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展阻力的方法。但是，單純利用這些概念并不能夠定量描述材料對(duì)疲勞的內(nèi)在阻力。只有當(dāng)充分了解失效的微觀機(jī)制時(shí)才能獲得這方面的信息。在各種各樣的材料上所做的工作充分表明，顯微組織(和環(huán)境)的細(xì)微變化可能顯著改變循環(huán)損傷程度和疲勞壽命。因此，只有掌握有關(guān)破壞機(jī)制的科學(xué)知識(shí)，才能達(dá)到優(yōu)化材料的組織結(jié)構(gòu)特征以提高疲勞阻力的目的。3)即便構(gòu)件設(shè)計(jì)偏于保守，也可能由于服役條件發(fā)生不可預(yù)測(cè)的變化而出現(xiàn)疲勞破壞。疲勞破壞的事啟分析中，經(jīng)常借助斷口上的微觀特征，例如貝殼狀條紋和疲勞條紋來(lái)追溯疲勞破壞源。這些特征能夠提供有關(guān)斷裂起始位置和失效構(gòu)件所承受的載荷值等有用信息。掌握有關(guān)疲勞斷口特征、破壞的微觀機(jī)制和裂紋宏觀擴(kuò)展速率之間相互聯(lián)系的基本知識(shí)，對(duì)于進(jìn)行事后分析是至關(guān)重要的。

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［2］ 麗腸明，奧脫·布克斯鮑姆，哈茨·羅華克.結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］ 林吉忠.金屬的缺陷、載荷與疲勞［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1993.

［4］ 陳傳堯，高大興，程育仁.疲勞斷裂基礎(chǔ)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1991：7.

［5］ 黃洪鐘.高強(qiáng)度螺栓的疲勞斷裂分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1992(3)：34-36.