金属疲劳

金属疲劳（Metal Fatigue）是指材料、构件承受随着时间变化的载荷作用，经过一定周次的应力循环后产生裂纹或突然发生断裂的过程。

大小和方向随时间发生周期性变化的载荷称为交变载荷，所引起的应力称为交变应力。零件长期在交变的机械应力或热应力下工作，即使最大工作应力小于静载荷下的屈服极限

_n，但在长时间工作后也会产生裂纹或断裂，即产生疲劳破坏。交变应力在最大应力

_max和最小应力

min的极限值之间变化。最大应力与最小应力之和的一半称为平均应力

_m，即：

_m=½（

_max+

_min）。最大应力与最小应力之差的一半称为应力幅值

_a，即：

_a=½（

_max-

_min）。应力从最大应力值变化到最小应力值，再回到最大应力值的过程称为一个应力循环。交变应力变化的特点用循环特征系数

来表征，它对材料的疲劳强度有直接影响。在一个应力循环中，最小应力与最大应力之比称为循环特征系数

，即：

=

_min/

_max。当

=-1时，为对称循环，即最大应力值与最小应力值相等，方向相反；当

=0时，为脉动循环，即最小应力值为零。除

=-1的对称循环以外的应力循环皆称非对称循环，包括脉动循环。

表征零件材料抗疲劳性能的力学参数，主要有：疲劳极限、过载抗力、疲劳缺口敏感度等。

在交变载荷作用下，材料承受的最大交变应力与断裂前周数之间的关系如下图所示：

疲劳曲线

由

_max-lgN疲劳曲线可知，材料承受的最大交变应力

_max越大，循环的周数越少，即寿命越短；反之，N越多，寿命越长。当应力低于某一值时，循环无限次也不会发生疲劳断裂，该应力称为材料的疲劳极限。所以，材料的疲劳极限（或称疲劳强度）是材料经受无限次应力循环的作用而不被破坏的最大应力，用符号

₁，表示，故对称循环应力下的疲劳极限用

-1表示。材料的疲劳极限是由试验测定。例如，常温下的碳钢、合金结构和铸铁，在N达到10后曲线为水平，所以这类材料是以N=10时的最大应力作为疲劳极限。

机器在运转过程中，常常会出现短时间的过载，相应的零件处于短时间高于其材料的疲劳极限的工作应力状态。例如，柴油机紧急刹车、起动或超负荷运转等。为了保证安全运转，对于偶然短时间过载，应考虑其对材料的疲劳抗力的影响。一般来说，适当过载对材料的疲劳性能没有什么影响，因其未能引发材料内部微裂纹的显著扩展。而不适当过载（包括过载的大小和过载循环次数敢的多少）将会造成过载损伤，降低材料的疲劳极限，导致零件的疲劳破坏。这是由于过载引发了材料内部的微裂纹扩展达到了一定尺寸，在过载后的正常运转中不断扩展导致疲劳断裂。采用疲劳过载抗力来衡量过载工况对零件材料疲劳抗力的影响。过载抗力一般是用通过试验建立的过载损害区和损害界来表示，如下图所示：

材料的过载损害区和损害界

上图中的cde为过载损害区，cd为过载损害界。当零件在过载负荷

_i、循环周数N_a下工作，即工作点a在过载损害区以外时，过载对材料的疲劳极限

_-1无影响，短时间过载后恢复正常运转，零件也不会发生疲劳破坏；当零件在过载负荷

_i、循环周数N_b下工作，即工作点b进入过载损害区时，过载就会使材料的

_-1降低，在恢复正常运转后，零件将会发生过早的疲劳破坏，缩短零件的疲变劳寿命。由上图可以看出，材料的过载损害区越狭窄，或过载持久线ed越陡直，则过载抗力越高。过载持久值ed表示在超过疲劳极限的应力下直到断裂所能经受的最大应力循环周数。由于零件短时间过载不可避免，所以零件选材时宜选用过载损害区狭窄而又陡直的材料。

零件上开有键槽、油孔、台阶、螺纹等各种几何形状的缺口时，在使用中就会在缺口的根部产生应力集中，使材料的疲劳强度降低。一般采用缺口敏感度表示疲劳强度降低的程度，缺口敏感度q表达式为：q=（K_t-1）/（K_f-1）。

零件材料的疲劳强度除与材料本身的成分、组织和表面应力状态等有关外，还与零件的形状、尺寸、表面粗糙度和使用条件等有关。

由于零件表面上的台阶、键槽、油孔或螺纹等截面变化处及零件材料内部的缺陷均会引起应力集中，当应力最大值超过材料的许用应力时就会形成疲劳源，导致疲劳破坏。所以，应力集中是引起疲劳破坏的首要因素。试验表明，零件表面上缺口引起的应力集中使其疲劳强度降越低，缺口越尖锐，降低得越厉害。

表面状态是指零件加工表面的粗糙度、应力状态、成分和性能的变化等。表面粗糙度越低、表面越粗糙，疲劳强度越低。相同材料不同加工方法，零件的表面粗糙度不同，其疲劳强度也不一样。例如，钢、铝合金粗车后的疲劳强度较抛光后的低10%~20%。零件表面层处于残余压应力状态可有效地提高疲劳强度。采用滚压、喷丸等表面变形强化工艺可提高零件的疲劳强度。零件疲劳强度还会随尺寸增大而降低，因为尺寸增大，零件表面积增大，表面缺陷增多，相应增加疲劳破坏的概率。应力集中的大小可用应力集中系数k表示，k为最大正应力与平均正应力之比。

机器运转中，载荷状况、工作温度和环境介质等均对零件的疲劳劳强度有很大影响。过载将造成过载损伤使材料的疲劳强度降低。工作温度升高会使材料的疲劳强度降低；反之会增加。零件在腐蚀性介质中工作时，零件表面被腐蚀形成缺口，产生应力集中而使材料的疲劳强度降低。

金属的疲劳根据它所受应力的大小、应力交变频率的高低可以分为两类：一类是通常所说的疲劳，它在所受的应力较低而应力交变频率较高的情况下发生；另一类是低周疲劳，或称低周大应力疲劳，它在所受的应力较高（一般都接近或高于材料的屈服极限）、应力交变频率较低的情况下发生。金属的低周疲劳，断裂时应力交变次数约在10~10次之间。压力容器的疲劳破裂绝大部分都属于低周疲劳。工程上由于金属低周疲劳而断裂的机器零件时有发生，如飞机的起落架、潜艇的壳体、发动机的涡X等。

疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别：1、静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏，疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏，它不是短期内发生的，而是要经历一定的时间，甚至很长时间才发生破坏。2、当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。3、静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，哪怕是塑性良好的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。

1、疲劳为低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力高则寿命短，应力低则寿命长，当应力低于疲劳极限时，寿命可达无限长。这种寿命随应力不同而而变化的关系，可用疲劳曲线来说明。

2、疲劳为脆性断裂，由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有型预兆。它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和裂纹缓慢亚稳扩展到临界尺寸时才突然发生的，因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂，容易造成事故和经济损失。

3、疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。由于疲劳破坏是从局部开始的，所以其对缺陷具有高度的选择性。缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的局部强度，二者都会加快疲劳破坏的开始和发展。

4、疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，故具有明显的裂纹萌生和缓慢亚稳扩展阶段，相应的断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区，这是疲劳断裂的主要断口特征。只是在裂纹最后失稳扩展时才形成了瞬时断裂区，具有一股脆性断口的放射线、人字纹或结晶状形貌特征。

金属疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命由疲劳裂纹萌生期和裂纹亚稳扩展期所组成。

材料中疲劳裂纹的起始或萌生，也称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹成核处称为"裂纹源"。裂纹源通常萌生于高应力处。一般来说，裂纹源通常萌生于构件的表面或缺陷处，通常表面的应力较高(如承受弯曲或扭转的圆轴，其最大正应力或最大剪应力在截面半经最大的表面处)，后者因为缺陷处的几何不连续将引起应力集中，应力也较高。研究表明，疲劳微观裂纹是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。主要方式有表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。疲劳裂纹萌生主要包括：1、滑移带开裂产生裂纹，金属在循环应力长期作用下，即使是应力低于屈服应力，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。2、相界面开裂产生裂纹，很多疲劳源是由材料中的第二相或夹杂物引起的，便提出了第二相、夹杂物和基体界面开裂，或第二相、夹杂物本身开裂的疲劳裂纹机理。3、晶界开裂产生裂纹，多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内运动会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下，晶界处得应力集中得不到松弛，应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。

疲劳裂纹在高应力处由持久滑移带成核，是由最大剪应力控制的。形成的微裂纹与最大剪应力方向一致。在循环载荷作用下，由持久滑移带形成的微裂沿45°最大剪应力作用面继续扩展或相互连接。此后，有少数几条微裂纹达到几十微米的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最大剪应力面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。裂纹沿45°最大剪应力面的扩展是X阶段扩展，在最大拉应力面内的扩展是第二阶段的扩展。从X阶段向第二阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力的水平，但通常都在0.05mm范围内，即只有几个晶粒的尺寸。X阶段裂纹扩展的尺寸虽小，但对寿命的贡献却很大，对于高强材料尤其如此。

与X阶段相比，第二阶段的裂纹扩展更便于观察。C.Laird观察了循环应力作用下韧性材料中裂纹X几何形状的改变，提出了描述疲劳裂纹扩展的"塑性钝化模型"。随着循环应力的增加，裂纹逐步张开，裂尖材料由于高度的应力集中而沿最大剪应力方向滑移。应力进一步增大，裂纹充分张开，裂尖钝化成半圆形，并开创出新的表表面，卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失，它将在卸载引人的压应力作用下失稳而在裂尖处形成凹槽形。最后，在最大循环压应力作用下，又成为尖裂纹。下一循环，裂纹又张开、钝化、扩展、锐化，重复上述过程。这样，每一个应力循环都将在裂纹面上留下一条痕迹，称为疲劳辉纹。疲劳辉纹不同于前述的贝纹线，断口上的贝纹线一般是X（或用低倍放大镜）可见的；疲劳辉纹在晶粒级别出现，必须借助于高倍电子显微镜才能观察到，故一条贝纹线可以包含几千条甚至上万条疲劳辉纹。

疲劳损伤发生在受交变应力（或应变)作用的零件和构件。零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力（或应变）的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。

常规疲劳强度计算是以名义应力为基础的，可分为无限寿命计算和有限寿命计算。零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关，它们之间的关系可以用应力-寿命曲线（

-N曲线）和应变一寿命曲线（δ－Ν曲线）表示。应力-寿命曲线和应变-寿命曲线，统称为S-N曲线。根据试验，其数学表达式为：_σmN=C，式中，N为应力循环数，m、C为材料常数。在疲劳试验中，实际零件尺寸和表面状态与试样有差异，常存在由圆角、键槽等引起的应力集中，所以，在使用时必须引入应力集中系数K、尺寸系数ε和表面系数β。

提高疲劳寿命的方法有：1、工件外观，工件外观光洁度高，过渡圆滑；2、应力处理，消除拉应力，预置压应力；3、具体实施，利用豪克能技术可以使工件表面达到高光洁度，并可预置压应力，可以大大提高疲劳寿命。

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