[拼音]：pilao

[外文]：fatigue

材料或構(gòu)件在變動(dòng)載荷的持續(xù)作用下產(chǎn)生裂紋，直至失效或斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞。無論材料的范性如何，疲勞斷裂時(shí)并不產(chǎn)生明顯宏觀范性形變，類似脆性斷裂。這種斷裂極易造成災(zāi)難性事故，如飛機(jī)失事、橋梁折斷、高壓容器爆裂等等（見形變和斷裂），成為目前最受關(guān)注的一種材料破壞方式。

遠(yuǎn)在19世紀(jì)中葉人們就在鐵路和礦山機(jī)械上發(fā)現(xiàn)了疲勞現(xiàn)象，德國人沃勒(A.W?hler)首先利用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)得到了鋼鐵的比較系統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果。在工程上引起疲勞破壞的應(yīng)力有時(shí)呈周期性的變化，有時(shí)是隨機(jī)的。循環(huán)應(yīng)力的波形很復(fù)雜，人們常常在疲勞試驗(yàn)時(shí)把它們簡化成等幅應(yīng)力循環(huán)的波形，并用一些參數(shù)來描述它。圖1中σ和σ是循環(huán)應(yīng)力的最大和最小代數(shù)值；是應(yīng)力比，也稱循環(huán)特征系數(shù)；是平均應(yīng)力；是應(yīng)力振幅。沃勒采用相當(dāng)于σ_m＝0，r＝-1的對稱交變載荷循環(huán)(見圖1a)，指出了交變應(yīng)力S(即上述的σ)和疲勞壽命(即斷裂循環(huán)次數(shù))N_f之間的關(guān)系，這就是后來大家熟知的S–N曲線。

疲勞曲線

(S–N )曲線

典型的S–N曲線見圖2。圖內(nèi)的交變應(yīng)力 S根據(jù)現(xiàn)行習(xí)慣用σ來表示，從圖中可以看到，高應(yīng)力下壽命較短，隨著應(yīng)力降低，壽命不斷增加，S–N曲線逐漸趨向于與N軸平行的某一漸近線，也就是說只有當(dāng)交變應(yīng)力超過一定數(shù)值時(shí)才能發(fā)生疲勞斷裂。經(jīng)過無限多次循環(huán)應(yīng)力作用而材料不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，稱為疲勞極限。疲勞極限的大小與應(yīng)力比r有關(guān)，通常用σ_r表示，而對稱交變應(yīng)力下的疲勞極限則用σ_-1表示。然而有的材料觀察不到明顯的疲勞極限，特別是有色金屬，它們的S–N曲線非常緩慢地趨近于漸近線或連續(xù)下降，這時(shí)就需要預(yù)先指定循環(huán)基數(shù)，例如N＝10⁷或10⁸，然后再求得能夠達(dá)到這一循環(huán)基數(shù)N 而又不發(fā)生斷裂的最大交變應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力叫做耐久極限或條件疲勞極限σ_N。疲勞極限和耐久極限都是表示材料抗疲勞性能的指標(biāo)，統(tǒng)稱為疲勞強(qiáng)度。

S–N–P曲線

大量實(shí)驗(yàn)表明只靠S–N曲線還不能充分反映疲勞斷裂的特點(diǎn)，有時(shí)還需要采用S–N–P曲線表示疲勞破壞的統(tǒng)計(jì)特性，其中P是存活率，即試樣不發(fā)生斷裂的幾率。圖3是鋁合金S–N–P曲線的一個(gè)實(shí)例，存活率越高，S–N曲線的位置越低。對于相同的壽命，只有降低應(yīng)力振幅才能有較高的存活率，減少出現(xiàn)斷裂的可能性。以特定的應(yīng)力進(jìn)行大量的疲勞試驗(yàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)疲勞壽命N_f以對數(shù)正態(tài)函數(shù)形式處在一個(gè)壽命分散帶上。

實(shí)際的疲勞斷裂十分復(fù)雜：按照工作環(huán)境分有高溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞；根據(jù)材料承受應(yīng)力、應(yīng)變的大小及達(dá)到破壞的循環(huán)次數(shù)的多少，可分為高周疲勞和低周疲勞；從應(yīng)力狀態(tài)分，有拉壓、拉伸、扭轉(zhuǎn)疲勞等；另外，還有常見的接觸疲勞，它們都遵循疲勞斷裂的基本過程。

疲勞的基本過程

疲勞過程的三個(gè)階段

在不存在裂紋或其他嚴(yán)重應(yīng)力集中的情況下，整個(gè)疲勞過程可以分成依次出現(xiàn)但有部分重迭的三個(gè)階段，即疲勞硬化或軟化、裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展。

疲勞的硬化與軟化

金屬和合金在循環(huán)載荷作用下，將出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，宏觀上表現(xiàn)為試樣整體硬度或流變強(qiáng)度的升高或降低，即循環(huán)硬化或軟化（圖4）。應(yīng)注意圖上的流變強(qiáng)度，是試樣經(jīng)不同的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)后，測定的數(shù)值。這種循環(huán)載荷引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，也表現(xiàn)于試樣的其他力學(xué)、電和磁性質(zhì)的變化。所有這些性能的變化都具有飽和的特征，即在循環(huán)載荷作用的一開始，變化很顯著；在不多循環(huán)后，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，稱為循環(huán)飽和。

如果用達(dá)到飽和后的流變強(qiáng)度對外加循環(huán)范性應(yīng)變幅作圖，就得到“循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線”。它是材料最重要的、可定量表示的疲勞特征之一，在循環(huán)載荷中的地位和作用相當(dāng)于單向加載的拉伸圖，是了解材料性能和進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。圖5示意地表示多晶材料單向拉伸曲線與循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較。應(yīng)該指出，在有范性形變的情況下，一般來說，高強(qiáng)度材料出現(xiàn)疲勞軟化，低強(qiáng)度材料則出現(xiàn)疲勞硬化。所以在使用高強(qiáng)度材料時(shí)要格外注意，否則就可能出現(xiàn)災(zāi)害性破壞。這種硬化一般成冪指數(shù)關(guān)系，即可用 σ＝k(ε_p)ⁿ表示循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中k是循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，n為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。對多數(shù)材料來說，n值在0.05～0.3之間。

駐留滑移帶的形成和疲勞裂紋的萌生

當(dāng)金屬受到一定大小的疲勞應(yīng)力的作用時(shí)，在開頭的幾百或幾千周內(nèi)，在一些取向有利的晶粒表面出現(xiàn)細(xì)直而均勻分布的滑移線。但隨循環(huán)載荷的繼續(xù)作用，少數(shù)滑移線突然變得集中且變寬而形成粗滑移帶，它們之間存在著很大一片沒有或很少有明顯的進(jìn)一步滑移的區(qū)域(圖6)。這些粗滑移帶的出現(xiàn)，近似地對應(yīng)于硬化進(jìn)入飽和。到了20世紀(jì)50年代福賽思(P.J.E.Forsyth)首先在Al-Cu合金中觀察到疲勞過程中有金屬薄片從這種滑移帶內(nèi)擠出，隨后湯普森(N.Thomp-son)等人發(fā)現(xiàn)這種滑移帶具有“駐留”(persistent)的性質(zhì)，即它們在試樣表面侵入得較深，不易用電解拋光去掉，即使能夠去掉，在進(jìn)一步的疲勞變形中它們還在原來的地方出現(xiàn)，因此稱為“駐留滑移帶”，簡寫為PSB(per-sistent slip band)。PSB 出現(xiàn)后，它們集中了大部分外加循環(huán)范性形變，而其間較硬的基體沒有或很少有變形。這種循環(huán)形變的局部化正是導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的主要原因之一。從50年代末開始，進(jìn)一步深入廣泛地研究了金屬疲勞后的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。目前基本上確立了面心立方純金屬在疲勞后的內(nèi)部或基體的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

在通常的情況下，疲勞裂紋在金屬的自由表面或接近表面下的某些“奇異點(diǎn)”萌生。概括起來，存在三種主要類型的疲勞裂紋成核位置，它們是駐留滑移帶(PSB)、晶粒間界和表面夾雜物。裂紋在 PSB內(nèi)萌生是一種最基本的裂紋成核方式。由于 PSB內(nèi)大量無規(guī)和不可逆的循環(huán)滑移形變，在表面形成滑移臺(tái)階、擠出片或侵入溝，從而發(fā)展成為一種具有嚴(yán)重應(yīng)力集中的區(qū)域，有利于裂紋萌生。高應(yīng)變疲勞時(shí)，不再出現(xiàn)與 PSB有關(guān)的循環(huán)形變局部化。當(dāng)晶界較弱時(shí)，它往往成為裂紋優(yōu)先成核的地點(diǎn)，但晶界型的成核也是由循環(huán)滑移過程控制的。夾雜物所造成的應(yīng)力集中效應(yīng)能夠引起循環(huán)滑移局部化，導(dǎo)致夾雜物與基體界面的脫開或夾雜物本身的開裂。

裂紋擴(kuò)展的一般規(guī)律

疲勞裂紋在試樣表面成核后，在進(jìn)一步的循環(huán)加載過程中，它們彼此聯(lián)結(jié)，并沿著具有最大切應(yīng)力的滑移面長大，這是疲勞裂紋擴(kuò)展的第Ⅰ階段。實(shí)際上，在這一階段中，大多數(shù)裂紋很快就停止了擴(kuò)展，一般來說只有某一條能夠達(dá)到幾個(gè)晶粒長度，并逐漸改變方向，最后沿著垂直于最大正應(yīng)力的方向擴(kuò)展，即進(jìn)入疲勞裂紋擴(kuò)展的第Ⅱ階段。裂紋擴(kuò)展平面由活動(dòng)滑移面到垂直應(yīng)力軸的過渡，通常稱為第Ⅰ階段（晶體學(xué)擴(kuò)展）到第Ⅱ階段（非晶體學(xué)擴(kuò)展）的轉(zhuǎn)變。

疲勞裂紋的第Ⅰ階段擴(kuò)展由外加應(yīng)力的切應(yīng)力分量控制，而第Ⅱ階段的非晶體學(xué)擴(kuò)展由正應(yīng)力分量控制，裂紋在這一階段的擴(kuò)展速率d??/dN 隨交變應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度(△K)的變化可用圖7所示的“S形曲線”近似地表示（??為裂紋寬度）。一般可分為A、B、C三個(gè)區(qū)域。A為低速區(qū)，d??/dN＜10^-5毫米/周，裂紋擴(kuò)展行為受材料組織結(jié)構(gòu)、加載條件和環(huán)境的明顯影響。在這一區(qū)域存在一應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度的臨界值△K_th，如外加應(yīng)力的 △K小于它，裂紋就不再擴(kuò)展，△K_th叫材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。B為中速區(qū)，典型速率約為d??/dN＝10^-6～10^-3毫米/周，裂紋擴(kuò)展速率服從Paris公式，即d??/dN＝c△K^m，其中c和m是材料常數(shù)。幾乎已經(jīng)測試的材料都符合這一關(guān)系，而且材料顯微結(jié)構(gòu)對此的影響很小。C為高速區(qū)，d??/dN>10^-3毫米/周；在這里由于K最大值接近K_Ic，裂紋擴(kuò)展速率增長很快，表現(xiàn)為靜載型的斷裂。在這個(gè)區(qū)域中，顯微組織、載荷條件和試樣尺寸都有較大的影響。

疲勞斷口

斷裂表面特征或斷口形態(tài)在疲勞裂紋擴(kuò)展的研究中具有重要意義。一個(gè)典型的疲勞宏觀斷口由疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展和最后破壞三個(gè)區(qū)域組成(圖8)。疲勞源區(qū)色澤光亮，是兩個(gè)斷裂面對磨造成的;疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)通常比較平整，具有表征裂紋擴(kuò)展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣（lines of arrest or beach markings），而最后破壞區(qū)具有靜載斷口的形態(tài)。掃描和透射電子顯微術(shù)揭示了疲勞斷口的許多微觀特征，它們與裂紋擴(kuò)展速率有關(guān)(見斷口分析)。

影響疲勞強(qiáng)度的因素與改善疲勞性能的途徑

應(yīng)力
集中的影響

從微觀和宏觀來說，范性形變在局部區(qū)域的集中是疲勞破壞的特點(diǎn)，也是誘發(fā)疲勞裂紋的根本原因。因此可以說對疲勞壽命影響最大的因素就是表面應(yīng)力集中。材料或構(gòu)件上的缺口、轉(zhuǎn)角、鍵槽和表面加工的粗糙部分等應(yīng)力集中區(qū)域都能顯著降低疲勞壽命，因此在抗疲勞設(shè)計(jì)中首先考慮的就是改善機(jī)器零件的幾何形狀設(shè)計(jì)和提高其表面加工質(zhì)量，以求達(dá)到零件上合理的應(yīng)力、應(yīng)變分布。

此外，不同金屬對應(yīng)力集中的敏感程度也各不相同，這種差別可以用應(yīng)力集中敏感系數(shù)q來表示。材料的q值介于0與1之間，例如軟鋼q＝0.3，對缺口不太敏感；而鋁合金q＝0.72，有很大的缺口敏感性。

材料靜載斷裂強(qiáng)度、塑性和抗疲勞性能的關(guān)系

在較低應(yīng)力下，各種因素對抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度的影響與對疲勞極限的影響大體上一致；但合金的晶體結(jié)構(gòu)對疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值有很大影響。例如這個(gè)比值對于鐵素體鋼是0.6，珠光體鋼是0.4，回火馬氏體鋼是0.55，奧氏體鋼是0.35，而時(shí)效硬化鋁合金僅為0.25～0.3。鋼的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，表示在圖9中。對于低應(yīng)力高周疲勞，裂紋起始壽命占總壽命的大部分，影響裂紋萌生的因素起主導(dǎo)作用，因此，阻礙滑移的因素都會(huì)推遲駐留滑移帶和微裂紋的形成，提高疲勞壽命。

對于低周高應(yīng)力疲勞情況則有所不同，裂紋擴(kuò)展壽命占疲勞總壽命的大部分，這時(shí)裂紋尖端區(qū)材料對范性形變的容納能力成為控制裂紋擴(kuò)展的因素，它對組織結(jié)構(gòu)的類型不敏感，疲勞壽命由應(yīng)變幅和材料的塑性來決定。

總之，在抗疲勞設(shè)計(jì)的選材時(shí)要根據(jù)實(shí)際的載荷條件來決定最佳的強(qiáng)度－塑性配合。為改善高周低應(yīng)力疲勞應(yīng)著重考慮合金的強(qiáng)度，特別是表面強(qiáng)度。其中滲碳、氮化、細(xì)化晶粒、減少夾雜物含量、縮小夾雜物尺寸等都是很有效的方法。但為了提高低周高應(yīng)力疲勞性能則還必須注意提高材料的塑性。

變幅載荷及疊加靜態(tài)載荷的作用

許多疲勞試驗(yàn)都是等幅的，但在實(shí)際使用中，零件載荷隨時(shí)間的變化卻往往是變幅的，在使用期內(nèi)經(jīng)歷不同大小的應(yīng)力的作用。為了考慮這種情況，工程上有時(shí)用線性損傷積累法則，作近似的處理。根據(jù)這一法則，首先假設(shè)材料在一定應(yīng)力下經(jīng)歷了n_i次疲勞循環(huán)的作用，則損傷分?jǐn)?shù)表示積累的疲勞損傷，其中N_i是該應(yīng)力下的疲勞斷裂壽命，如果材料經(jīng)歷了各種應(yīng)力幅的作用，那么當(dāng)損傷分?jǐn)?shù)之總和達(dá)到1時(shí)，材料就應(yīng)該發(fā)生斷裂，即

雖然這種估算方法用得比較廣泛，但與實(shí)際的差別仍然很大。載荷大小的次序，超載、欠載都有很大影響，例如少量但又超過臨界值的過載，可以加大原有裂紋前端的塑性區(qū)，阻礙裂紋進(jìn)一步傳播。由于這種影響相當(dāng)復(fù)雜，所以有時(shí)不得不采用費(fèi)用很高的模擬實(shí)驗(yàn)來估算一些關(guān)鍵零部件的壽命。

在疲勞載荷上疊加靜載荷也會(huì)影響疲勞強(qiáng)度。平均拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度，平均壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。在工程上，平均應(yīng)力有時(shí)以殘余應(yīng)力的形式出現(xiàn)。例如由于機(jī)械加工方法不當(dāng)，可以使零件形成很大的表面拉應(yīng)力，降低其疲勞強(qiáng)度；而對零件采用噴丸強(qiáng)化后，則形成表面壓應(yīng)力，能十分有效地提高其疲勞強(qiáng)度。

溫度和環(huán)境的影響

有些材料的疲勞可以在高溫振動(dòng)應(yīng)力的作用下發(fā)生，例如燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片在高溫燃?xì)饬?700～1000℃)的推動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)都能引起高溫疲勞破壞。還有另外一種情況，即材料在使用中形成相當(dāng)大的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力的多次反復(fù)也能引起疲勞破壞，稱為熱疲勞。無論高溫疲勞或熱疲勞都與高溫對疲勞過程的影響有關(guān)。

溫度升高，金屬的循環(huán)硬化指數(shù)和流變強(qiáng)度都下降，容易發(fā)生滑移，因此溫度對疲勞強(qiáng)度的影響與對屈服強(qiáng)度的影響類似，當(dāng)溫度升高時(shí)疲勞強(qiáng)度降低（只有軟鋼等很少的材料例外）。在大約熔點(diǎn)二分之一以上的溫度，蠕變的損傷變得更加重要起來。此時(shí)晶界弱化，有時(shí)晶界上產(chǎn)生蠕變空位，于是疲勞裂紋將在有空位的部分中傳播而加快了速度，降低疲勞壽命。上述這些機(jī)制受到時(shí)間和形變速率的影響，因此降低循環(huán)頻率能夠給蠕變空位的形成和長大提供有利條件，從而降低高溫疲勞強(qiáng)度。相反，在室溫下絕大多數(shù)金屬的疲勞壽命與頻率的關(guān)系不大。

此外，疲勞破壞不僅在空氣的環(huán)境中出現(xiàn)，真空、氫、水、海水、腐蝕介質(zhì)、燃料與灰分等對疲勞壽命都有很大影響，甚至臭氧、電離層、噪音、核輻射等等都在研究的范圍之內(nèi)。腐蝕疲勞正在迅速發(fā)展成為一個(gè)重要的分支學(xué)科(見金屬腐蝕)。腐蝕與疲勞同時(shí)發(fā)生時(shí)，其損傷往往大于二者分別作用的總和。在表1中列出了水、鹽水對各種材料彎曲疲勞強(qiáng)度的影響，從中看出鹽水的十分有害的作用。

腐蝕環(huán)境降低疲勞強(qiáng)度的原因很多，腐蝕引起的表面蝕坑是應(yīng)力集中源；腐蝕與交變應(yīng)力的聯(lián)合作用會(huì)促使表面的鈍化膜不斷地破壞和再形成，它影響著裂紋尖端區(qū)的腐蝕電位，介質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入裂紋尖端區(qū)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，腐蝕產(chǎn)物填塞或橋接在裂紋縫隙之中，影響裂紋的閉合或擴(kuò)展等等?？傊?，由于力學(xué)及電化學(xué)、表面化學(xué)等因素的聯(lián)合或交互作用，使機(jī)理十分復(fù)雜，目前還缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識。

接觸疲勞

齒輪、軸承、鋼軌等工件的表面在反復(fù)接觸應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生麻點(diǎn)或表面剝落，這就是接觸疲勞現(xiàn)象。麻點(diǎn)和剝落的產(chǎn)生主要是皮下反復(fù)切應(yīng)力造成的，是疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展的結(jié)果，也是常見的一種破壞形式。

參考書目

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標(biāo)簽：疲勞

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