金屬疲勞是指材料、零構件在循環(huán)應力或循環(huán)應變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。當材料和結(jié)構受到多次重復變化的載荷作用后，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料和結(jié)構的破壞現(xiàn)象，就叫做金屬的疲勞破壞。

    金屬材料是航空航天、軍工、核電、石油化工、機械等各行各業(yè)中最常使用的材料，其在交變載荷作用下可能產(chǎn)生疲勞失效的性質(zhì)對設備的安全工作產(chǎn)生重要影響。

    因金屬材料疲勞失效而造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失的事件非常多。例如，1998年6月3日，德國一列高速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡的嚴重后果。事后經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成事故的原因竟然是因為一節(jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂而引起，從而導致了這場近50年來德國最慘重鐵路事故的發(fā)生；1992年的阿姆斯特丹空難，就是因為發(fā)動機架的銷釘發(fā)生疲勞斷裂，兩個引擎同時掉落并且栽入住宅區(qū)，死亡47人；1989年美國聯(lián)合航空232次航班，尾部發(fā)動機葉片發(fā)生疲勞斷裂導致發(fā)動機解體，液壓系統(tǒng)失靈，飛機墜毀在跑道上，導致296人中111人死亡。

    圖1 曲軸疲勞斷裂

    圖2 列車車輪輻板疲勞斷裂

    因此，研究金屬材料的疲勞特性，探尋預測金屬材料的疲勞壽命的方法，對防止結(jié)構失效，保證各零部件安全正常平穩(wěn)工作，從而保證設備整體的安全性具有重要意義。

    1 疲勞斷裂

    1.1    疲勞裂紋的產(chǎn)生

    承受交變載荷的零件，在較低的應力（低于屈服極限）下，在其表面（當表面經(jīng)強化處理后可轉(zhuǎn)至表面以下或內(nèi)部）將出現(xiàn)不均勻的滑移帶。在某些強烈滑移帶內(nèi)，各小滑移帶的滑移不均勻性更為嚴重，其高度差造成許多如鋸齒狀顯微缺口。在兩側(cè)高度差較大的滑移面間較尖銳的缺口處，由于應力和應變集中的不斷加強，而形成滑移裂縫。

    1.2    疲勞斷裂特征

    1） 疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低；

    2） 不管脆性材料或塑性材料，其最終的斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性斷裂；

    3） 疲勞斷裂是損傷的積累，它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加裂紋逐漸擴展，材料逐漸硬化，直至余下的未裂開的截面積不足以承受外載荷時，零件就突然斷裂。在零件的斷口上可以清晰地看到這種情況。

    軸在彎矩、扭矩共同作用下疲勞斷裂的斷口如圖3所示。斷口明顯地分為兩個區(qū)域：一個是在變應力重復作用下裂紋兩邊相互擠壓、摩擦形成的表面光滑區(qū)；一個是最終發(fā)生脆性斷裂的粗粒狀區(qū)。

    疲勞斷裂不同于一般靜應力下的斷裂，它是材料損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。所以疲勞斷裂與應力循環(huán)次數(shù)（即使用期限或壽命）密切相關。

    圖3 彎、扭作用下的疲勞斷裂斷口

    1.3    疲勞斷口宏觀形貌特征

    彎曲應力、軸向應力、扭轉(zhuǎn)應力作用下的疲勞斷口的形貌匯總在圖4中。

    圖4 彎曲應力、軸向應力、扭轉(zhuǎn)應力作用下的疲勞斷口形態(tài)

    2 應力-壽命方法

    應力-壽命法又稱作S-N法。它是最早形成的疲勞設計方法，以材料或零件的S-N曲線為基礎，對照試件或結(jié)構疲勞危險部位的應力集中系數(shù)和名義應力，結(jié)合疲勞累積損傷理論，校核疲勞強度或計算疲勞壽命。應力-壽命法對高周疲勞（通常視循環(huán)次數(shù)大于106次的循環(huán)為高周循環(huán)）的預測效果較好。

    2.1    壽命預測的基本公式

    2.2    平均應力的影響

    以上四種修正方法對拉伸平均應力的影響，見圖8所示，其差別概括如下：

    1.      Soderberg 方法非常保守，使用較少；

    2.      試驗數(shù)據(jù)趨向于落在Goodman曲線和Gerber曲線之間；

    3.      對于抗拉極限強度與真實斷裂應力接近的硬鋼，Morrow曲線和Goodman曲線基本一致；對于韌性鋼（σf＞Su），Morrow曲線對平均應力的影響不夠靈敏；

    4.      對于大多數(shù)疲勞設計工況，以上四種理論得到的計算結(jié)果略有差別；

    在以上四種理論差別較大的區(qū)域（如R值接近1的區(qū)域），試驗數(shù)據(jù)較少，此區(qū)域常使用屈服準則來限定。

    3 應變-壽命方法

    當載荷水平較低時，應力和應變呈線性關系，在這個區(qū)域，載荷控制和應變控制實驗的結(jié)果相同。而在高載荷水平，或低周疲勞區(qū)域，應變控制方法能更準確的描述循環(huán)應力-應變響應以及材料的力學特性。

    早期疲勞實驗發(fā)現(xiàn)損傷主要依賴于塑性變形或應變。在應變-壽命方法中，塑性應變或變形可直接測量及量化，但在第2節(jié)中介紹的應力-壽命方法不能解釋塑性應變。對于高周疲勞，因應力-應變呈線性關系，塑性應變可忽略，應變-壽命法和應力-壽命法基本相同。

    3.1    單調(diào)應力-應變關系

    3.2    循環(huán)應力-應變關系

    4 計算舉例

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