引言

    在變動載荷下工作的工件（如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥子、葉片及橋梁等），其失效形式主要是疲勞斷裂。據統計，疲勞破壞在整個失效中約占80%左右。

    疲勞破壞的形式：1）機械疲勞—外加應力/應變波動造成的。2）蠕變疲勞—循環載荷與高溫聯合作用下的疲勞。3）熱機械疲勞—循環受載部件的溫度變動時材料的疲勞。4）腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動疲勞、電致疲勞等。

    1、疲勞破壞的變動應力：工件在變動載荷和應變長期作用下，因累計損傷而引起的斷裂現象。

    變動載荷：載荷大小方向隨時間變化；

    變動應力：變動載荷除以單位面積的平均值；分為循環應力和隨機應力；

    循環應力：周期性變化的應力，變化的波形有正弦波、矩形波、三角波等；

    循環應力分為對稱循環（旋轉軸）、不對稱循環（發動機連桿、螺栓）、脈動循環（齒輪齒根、壓力容器）、波動循環（發動機氣缸蓋、螺栓）；

    隨機應力：隨機變化，如因道路氣候因素，運行時的汽車、拖拉機、飛機的零件，工作應力隨時間隨機變化。

    2、1）疲勞破壞的概念：

    疲勞的破壞過程：變動應力→薄弱區域的組織→逐漸發生變化和損傷累積、開裂→裂紋擴展→突然斷裂。

    疲勞破壞：循環應力引起的延時斷裂，其斷裂應力水平往往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。

    疲勞壽命：機件疲勞失效前的工作時間。

    2）疲勞的分類：按應力狀態不同：彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞及復合疲勞；

    按接觸和環境情況不同：分大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、接觸疲勞、熱疲勞等。

    按斷裂壽命和應力高低不同：分高周疲勞（Nf﹥105 ,σ﹤σs，也稱低應力疲勞）；低周疲勞（Nf=102~105，σ≧σs，有塑性應變發生， 也稱高應力疲勞。

    3）疲勞破壞的特點：（1） 一種潛藏的突發性破壞，呈脆性斷裂。

    （2） 疲勞破壞屬低應力循環延時斷裂， 是具有壽命的斷裂。

    （3） 對缺陷（缺口、裂紋等）具有高度的敏感性。

    （4） 疲勞斷裂也是裂紋萌生和擴展過程，但因應力水平低，故有明顯的裂紋萌生和緩慢亞穩擴展階段，相應的斷口上有明顯的疲勞源和疲勞擴展區，這是疲勞斷裂的主要斷口特征。

    4）疲勞宏觀斷口分析：

    （1）、典型疲勞斷口具有3個特征區

    —疲勞源、疲勞裂紋擴展區（疲勞區）、瞬斷區。

    （2）、疲勞源特點：

    多出現在機件表面，常和缺口、裂紋等缺陷及內部冶金缺陷（夾雜、白點等）有關。

    疲勞源區比較光亮，該區表面硬度有所提高。

    疲勞源可以是一個，也可以是多個。

    3、1）疲勞區特點：（1） 斷口較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣），有時還有裂紋擴展臺階。

    （2） 斷口光滑是疲勞源區的延續，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱；

    （3） 貝紋線是疲勞區的最典型特征，一般認為是因載荷變動引起的。

    每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向。

    2）瞬斷區特點：（1） KⅠ≥KⅠc時，裂紋就失穩快速擴展，導致機件瞬時斷裂。斷口粗糙，脆性斷口呈結晶狀；韌性斷口在心部平面應變區呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區則有剪切唇區存在。（2） 瞬斷區一般應在疲勞源對側。

    4、1）疲勞裂紋的萌生和擴展：

    1、疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開裂引起。

    ①表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物與基體相界面或夾雜物本身斷裂；晶界或亞晶界處開裂。

    ②在循環載荷作用下，即使循環應力不超過屈服強度，也會在試件表面形成滑移帶， 稱為循環滑移帶。

    ③拉伸時形成的滑移帶分布較均勻，而循環滑移帶則集中于某些局部區域。而且在循環滑移帶中會出現擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。

    2）疲勞裂紋的擴展：

    疲勞裂紋擴展可分為兩個階段：

    第I階段，裂紋沿著最大切應力方向向內擴展，即在切應力最大的滑移面內擴展。

    第I階段裂紋擴展的距離一般都很小，約為2－3個晶粒。

    第II階段，裂紋沿垂直拉應力方向向前擴展形成。在電子顯微鏡下可顯示出疲勞條帶。疲勞帶是每次循環加載形成的。

    5、陶瓷材料疲勞破壞的機理：

    研究屬于起步階段；

    陶瓷材料常溫下難以塑性變形，裂紋尖端不存在循環應力的疲勞效應；裂紋同樣經歷了萌生、擴展和瞬時斷裂過程，對材料表面的缺陷十分敏感；強烈依賴于最大應力強度因子KI、環境、成分、組織結構；斷口上不易觀測到疲勞貝紋和條帶，沒有明顯的疲勞區和瞬斷區；

    分為靜態疲勞、動態疲勞、循環疲勞、熱疲勞

    靜態疲勞－靜載荷作用下，陶瓷承載能力隨時間延長而下降，斷裂，對應于金屬材料中的應力腐蝕和高溫蠕變斷裂；

    動態疲勞－恒定載荷速率加載，陶瓷承載能力隨時間延長而下降，斷裂，對應于金屬材料中慢應變速率拉伸；

    循環疲勞－循環載荷下的低應力斷裂，慢速龜裂擴展；

    熱疲勞－溫度周期下產生的疲勞斷裂。

    6、復合材料疲勞破壞的機理：

    和金屬材料相比，復合材料具有良好的疲勞性能，有以下特點：

    （1） 有多種疲勞損傷形式：如界面脫粘、分層、纖維斷裂等；

    （2） 不會發生瞬時的疲勞破壞：常用疲勞過程中材料彈性模量下降的百分數等判據

    （3） 較大的應變會使纖維基體變形不協調引起纖維基體界面開裂形成疲勞源，對應變尤其是壓縮應變特別敏感；

    （4） 疲勞性能和纖維取向有關：沿纖維方向好。

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責任編輯：殷鵬飛

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