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疲勞破壞類型及影響材料疲勞特性的若干主要因素

2021-08-20 13:39:20 作者：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 來源：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 分享至：

材料疲勞類型

應(yīng)變疲勞（低周疲勞）：應(yīng)力水平高，循環(huán)次數(shù)少。材料因應(yīng)變疲勞而破壞，一般用許用應(yīng)變值來控制。

應(yīng)力疲勞（高周疲勞）：應(yīng)力水平低，循環(huán)次數(shù)多。材料因應(yīng)力疲勞而破壞，一般用許用應(yīng)力值來控制。

次疲勞：應(yīng)力水平低于某一值時(shí)，裂紋會(huì)停止擴(kuò)展。

影響材料疲勞特性的因素

01 平均應(yīng)力

材料的疲勞性能，用作用應(yīng)力S與到破壞時(shí)的壽命N之間的關(guān)系描述。在疲勞載荷作用下，最簡(jiǎn)單的載荷譜是恒幅循環(huán)應(yīng)力。

應(yīng)力比R=-1時(shí)，對(duì)稱恒幅循環(huán)載荷控制下，試驗(yàn)給出的應(yīng)力-壽命關(guān)系，是材料的基本疲勞性能曲線。

下面討論應(yīng)力比R變化對(duì)疲勞性能的影響。

如上圖所示，應(yīng)力比R增大，表示循環(huán)平均應(yīng)力Sm增大。且應(yīng)力幅Sa給定時(shí)有：

一般情況下：當(dāng)Sa給定時(shí)，R增大，平均應(yīng)力Sm也增大。循環(huán)載荷中的拉伸部分增大，這對(duì)于疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展都是不利的，將使得疲勞壽命降低。

平均應(yīng)力對(duì)S-N曲線影響的一般趨勢(shì)如下圖所示。

平均應(yīng)力Sm=0時(shí)的S-N曲線是基本S-N曲線。當(dāng)Sm>0，即拉伸平均應(yīng)力作用時(shí)，S-N曲線下移，表示同樣應(yīng)力幅作用下的壽命下降，或者說在同樣壽命下的疲勞強(qiáng)度降低，對(duì)疲勞有不利的影響；Sm<0，即壓縮平均應(yīng)力作用時(shí)，S-N曲線上移，表示同樣應(yīng)力幅作用下的壽命增大，或者說在同樣壽命下的疲勞強(qiáng)度提高，壓縮平均應(yīng)力對(duì)疲勞的影響是有利的。

在給定壽命N下，研究循環(huán)應(yīng)力幅Sa與平均應(yīng)力Sm之關(guān)系，可得到如上圖結(jié)果。當(dāng)壽命給定時(shí)，平均應(yīng)力Sm越大，相應(yīng)的應(yīng)力幅Sa就越小；但無論如何，平均應(yīng)力Sm都不可能大于材料的極限強(qiáng)度Su。Su為高強(qiáng)脆性材料的極限抗拉強(qiáng)度或延性材料的屈服強(qiáng)度。

圖中給出了金屬材料N=10^7時(shí)的Sa-Sm關(guān)系，分別用疲勞極限S-1和Su進(jìn)行歸一化。因此，等壽命條件下的Sa-Sm關(guān)系可以表達(dá)為：

這是圖中的拋物線，稱為Gerber曲線，數(shù)據(jù)點(diǎn)基本上在此拋物線附近。

另一表達(dá)式，是圖中的直線，即：

上式稱為Goodman直線，所有的試驗(yàn)點(diǎn)基本都在這一直線的上方。直線形式簡(jiǎn)單，且在給定壽命下，由此作出的Sa-Sm關(guān)系估計(jì)是偏于保守，故在工程實(shí)際中常用。

02 載荷形式

材料的疲勞極限隨載荷形式的不同有下述變化趨勢(shì)：

S（彎） > S（拉） > S（扭）

假定作用應(yīng)力水平相同，拉壓時(shí)高應(yīng)力區(qū)體積等于試件整個(gè)試驗(yàn)段的體積；彎曲情形下的高應(yīng)力區(qū)體積則要小得多。我們知道疲勞破壞主要取決于作用應(yīng)力的大小（外因）和材料抵抗疲勞破壞的能力（內(nèi)因）二者，即疲勞破壞通常發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)或材料缺陷處。假如圖中的作用的循環(huán)最大應(yīng)力Smax相等，因?yàn)槔瓑貉h(huán)時(shí)高應(yīng)力區(qū)域的材料體積較大，存在缺陷并由此引發(fā)裂紋萌生的可能性也大。

所以，同樣的應(yīng)力水平作用下，拉壓循環(huán)載荷作用時(shí)的壽命比彎曲時(shí)短；或者說，同樣壽命下，拉壓循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度比彎曲時(shí)低。

扭轉(zhuǎn)時(shí)疲勞壽命降低，體積的影響不大，需由不同應(yīng)力狀態(tài)下的破壞判據(jù)解釋，在此不作進(jìn)一步討論。

03 尺寸效應(yīng)

不同試件尺寸對(duì)疲勞性能的影響，也可以用高應(yīng)力區(qū)體積的不同來解釋。應(yīng)力水平相同時(shí)，試件尺寸越大，高應(yīng)力區(qū)域材料體積就越大。疲勞發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)材料最薄弱處，體積越大，存在缺陷或薄弱處的可能就越大，故大尺寸構(gòu)件的疲勞抗力低于小尺寸試件。或者說，在給定壽命N下，大尺寸構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度下降；在給定的應(yīng)力水平下，大尺寸構(gòu)件的疲勞壽命降低。

04 表面光潔度

由疲勞的局部性顯然可知，若試件表面粗糙，將使局部應(yīng)力集中的程度加大，裂紋萌生壽命縮短。材料的基本S-N曲線是由精磨后光潔度良好的標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)得的。

05 表面處理

一般來說，疲勞裂紋總是起源于表面。為了提高疲勞性能，除前述改善光潔度外，常常采用各種方法在構(gòu)件的高應(yīng)力表面引入壓縮殘余應(yīng)力，以達(dá)到提高疲勞壽命的目的。

若循環(huán)應(yīng)力如上圖中1-2-3-4所示，平均應(yīng)力為Sm，則當(dāng)引入壓縮殘余應(yīng)力Sres后，實(shí)際循環(huán)應(yīng)力水平是原1-2-3-4各應(yīng)力與-Sres的疊加，成為1'-2'-3'-4‘，平均應(yīng)力降為S'm，疲勞性能將得到改善。

表面噴丸處理、零件冷擠壓加工、在構(gòu)件表面引入殘余壓應(yīng)力，都是提高疲勞壽命的常用方法。材料強(qiáng)度越高，循環(huán)應(yīng)力水平越低，壽命越長(zhǎng)，延壽效果越好。在有應(yīng)力梯度或缺口應(yīng)力集中處采用噴丸，效果更好。

表面滲氮或滲碳處理，可以提高表面材料的強(qiáng)度并在材料表面引入壓縮殘余應(yīng)力，這兩種作用對(duì)于提高材料疲勞性能都是有利的。試驗(yàn)表明，滲氮或滲碳處理可使鋼材疲勞極限提高一倍。對(duì)于缺口試件，效果更好。

06 環(huán)境和溫度的影響

材料的S-N曲線一般是在室溫、空氣環(huán)境下得到的。在諸如海水、酸堿溶液等腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的疲勞稱為腐蝕疲勞。腐蝕介質(zhì)的作用對(duì)疲勞是不利的。腐蝕疲勞過程是力學(xué)作用與化學(xué)作用的綜合過程，其破壞機(jī)理十分復(fù)雜。影響腐蝕疲勞的因素很多，一般有如下趨勢(shì)：

（1）載荷循環(huán)頻率的影響顯著。無腐蝕環(huán)境作用時(shí)，在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)（如200Hz以內(nèi)），頻率對(duì)材料S-N曲線的影響不大。但在腐蝕環(huán)境中，隨著頻率的降低，同樣循環(huán)次數(shù)經(jīng)歷的時(shí)間增長(zhǎng)，腐蝕的不利作用有較充分的時(shí)間顯示，使疲勞性能下降的影響明顯。

（2）在腐蝕介質(zhì)（如海水）中，半浸入狀態(tài)（或海水飛濺區(qū)）比完全浸入更不利。

（3）耐腐蝕鋼材，抗腐蝕疲勞的性能較好；許多普通碳鋼的疲勞極限則下降較多，甚至因腐蝕環(huán)境而消失。

（4）金屬材料的疲勞極限一般是隨溫度的降低而增加的。

但隨著溫度的下降，材料的斷裂韌性也下降，表現(xiàn)出低溫脆性。一旦出現(xiàn)裂紋，則易于發(fā)生失穩(wěn)斷裂。高溫將降低材料的強(qiáng)度，可能引起蠕變，對(duì)疲勞也是不利的。同時(shí)還應(yīng)注意，為改善疲勞性能而引入的殘余壓應(yīng)力，也會(huì)因溫度升高而消失。

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