淺談結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能與疲勞斷裂的關(guān)系

時(shí)間：2021-06-04作者：深圳市訊科標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司瀏覽：214

結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能與疲勞斷裂的關(guān)系

材料疲勞

疲勞是材料（金屬）承受循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變作用時(shí)，結(jié)構(gòu)性能下降，并較終導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象。疲勞失效是較常見(jiàn)的失效形式之一。根據(jù)文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)顯示，各種機(jī)械中，疲勞失效的零件占失效零件的60~70%。疲勞斷裂失效原則上屬于低應(yīng)力脆斷失效，疲勞中難以觀察到明顯的塑性變形，因?yàn)檫@是以局部塑性變形為主，且主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)的固有缺陷上。雖然頻率對(duì)疲勞失效有一定影響，但多數(shù)情況下疲勞失效主要與循環(huán)次數(shù)有關(guān)。

●按引起疲勞失效的應(yīng)力特點(diǎn)可以分為：

由機(jī)械應(yīng)力引起的機(jī)械疲勞和熱應(yīng)力（交變熱應(yīng)力）引起的熱疲勞；

●從循環(huán)周次可分為：

高周、低周、**高周疲勞；

●根據(jù)載荷性質(zhì)可分為：

拉-壓疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞以及彎曲疲勞等；

●根據(jù)工件的工作環(huán)境可分為：

腐蝕疲勞、低溫疲勞、高溫疲勞。

一般把材料與結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷前的強(qiáng)度定義為“疲勞極限”。

01沖擊疲勞

是指重復(fù)沖擊載荷所引起的疲勞。當(dāng)沖擊次數(shù)N小于500~1000次即破壞時(shí)，零件的斷裂形式與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)大于105次時(shí)的破壞，零件斷裂屬于疲勞斷裂，并具有典型的疲勞斷口特征。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，當(dāng)沖擊次數(shù)大于100次時(shí)，用類似于疲勞的方法計(jì)算強(qiáng)度。

02接觸疲勞

零件在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生局部*性累計(jì)損傷，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后，接觸表面發(fā)生麻點(diǎn)、淺層或深層剝落的過(guò)程，稱為接觸疲勞。接觸疲勞是齒輪、滾動(dòng)軸承和凸輪軸的典型失效形式。

03熱疲勞

由于溫度循環(huán)產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力所導(dǎo)致的材料或零件的疲勞稱為熱疲勞。溫度循環(huán)變化導(dǎo)致材料體積循環(huán)變化，當(dāng)材料的自由膨脹或收縮受到約束時(shí)，產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力或循環(huán)熱應(yīng)變。

產(chǎn)生熱應(yīng)力情況主要有兩種：

?零件的熱脹冷縮受到固持零件的外加約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力；

?雖然沒(méi)有外加約束，但兩件各部分的溫度不一致，存在著溫度梯度，導(dǎo)致各部分熱脹冷縮不一致而產(chǎn)生熱應(yīng)力。

溫度交變作用，除了產(chǎn)生熱應(yīng)力外，還會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部組織變化，使強(qiáng)度和塑性降低。熱疲勞條件下的溫度分布不是均勻的，在溫度梯度大的地方，塑性變形嚴(yán)重，熱應(yīng)變集中較大；當(dāng)熱應(yīng)變**過(guò)彈性較**，熱應(yīng)力與熱應(yīng)變就不呈線性關(guān)系，此時(shí)求解熱應(yīng)力就要按彈塑性關(guān)系處理。熱疲勞裂紋從表面開(kāi)始向內(nèi)部擴(kuò)展，方向與表面垂直。

熱應(yīng)力的大小與熱脹系數(shù)成正比，熱脹系數(shù)越大，熱應(yīng)力越大。所以在選材時(shí)要考慮材料的匹配，即不同材料熱膨脹系數(shù)的差別不能太大。在相同的熱應(yīng)變條件下，材料的彈性模量越大，熱應(yīng)力就越大；溫度循環(huán)變化越大，即上下限溫差越大，則熱應(yīng)力就越大；材料的熱導(dǎo)率越低，則加速或冷卻過(guò)程中，溫度梯度越陡，熱應(yīng)力也越大。

04腐蝕疲勞

腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力（應(yīng)變）的復(fù)合作用所導(dǎo)致的疲勞稱為腐蝕疲勞。腐蝕介質(zhì)與靜應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的腐蝕破壞稱為應(yīng)力腐蝕。兩者的區(qū)別在于，應(yīng)力腐蝕只有在特定的腐蝕環(huán)境中才發(fā)生，而腐蝕疲勞在任何腐蝕環(huán)境及循環(huán)應(yīng)力復(fù)合作用下，都會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，有一個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI≤KISCC，就不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；而腐蝕疲勞不存在臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，只要在腐蝕環(huán)境中有循環(huán)應(yīng)力繼續(xù)作用，斷裂總是會(huì)發(fā)生的。

腐蝕疲勞與空氣中的疲勞區(qū)別在于，腐蝕疲勞過(guò)程中，除不銹鋼和滲氮鋼以外，機(jī)械零部件表面均變色。腐蝕疲勞形成的裂紋數(shù)目較多，即呈多裂紋。腐蝕疲勞的S-N曲線沒(méi)有水平部分，因此，對(duì)于腐蝕疲勞極限，一定要指出是某一壽命下的值，即只存在條件腐蝕疲勞極限。影響腐蝕疲勞強(qiáng)度的因素要比空氣中疲勞多而且復(fù)雜，如在空氣中，疲勞試驗(yàn)頻率小于1000HZ時(shí)，頻率基本上對(duì)疲勞極限沒(méi)有影響，但腐蝕疲勞在頻率的整個(gè)范圍內(nèi)都有影響。

疲勞壽命

當(dāng)一個(gè)材料或機(jī)械部件失效時(shí)，總壽命通常由三部分組成：

01裂紋萌生壽命，大量工程實(shí)踐表明，實(shí)際服役過(guò)程中機(jī)械部件裂紋的萌生壽命占據(jù)疲勞壽命的絕大部分（甚至達(dá)到總壽命的90%）。

02裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展壽命，多數(shù)情況下，當(dāng)一條微裂紋的深度達(dá)到該尺寸（約為0.1mm）時(shí)，它就沿著材料或者部件的截面穩(wěn)定擴(kuò)展。

03失穩(wěn)擴(kuò)展至斷裂壽命。

金屬疲勞形式

金屬材料的疲勞主要有以下幾種：

一般的塑性變形；

低周疲勞下的塑性變形；

高周疲勞下的塑性變形；

**高周疲勞下晶立尺寸的微觀塑性變形。

影響材料與結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素

01平均應(yīng)力

隨著平均應(yīng)力（統(tǒng)計(jì)應(yīng)力）的增加，材料的動(dòng)態(tài)抗疲勞應(yīng)力降低。對(duì)于同一屬性的力，平均應(yīng)力σm越大，則給定壽命的應(yīng)力幅σa就越小。

02應(yīng)力集中

由于工作條件或加工工藝的要求，零件常帶有臺(tái)階、小孔、鍵槽等，使截面發(fā)生突然變化，從而引起局部的應(yīng)力集中，這將顯著地降低材料的疲勞極限，但實(shí)驗(yàn)表明，疲勞極限降低的程度并不是與應(yīng)力集中系數(shù)成正比。但如果要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)機(jī)械部件的疲勞行為，就必須估計(jì)高應(yīng)力區(qū)或者含制造缺陷的裂紋萌生壽命。

03殘余應(yīng)力

文獻(xiàn)研究指出，探討殘余應(yīng)力對(duì)金屬疲勞強(qiáng)度的影響，需在高周疲勞下才有意義，因?yàn)榈椭芷诘母邞?yīng)變幅下殘余應(yīng)力將大幅度地松弛，所以在低周疲勞下顯示不出多大的作用。表層殘余壓應(yīng)力對(duì)于承受軸向載荷且疲勞裂紋起源于表面的零部件是有益的，但要注意**部區(qū)域的殘余拉應(yīng)力疊加外載后發(fā)生屈服所引起的殘余應(yīng)力松弛問(wèn)題。殘余應(yīng)力對(duì)零件缺口疲勞強(qiáng)度的作用十分顯著，這是由于殘余應(yīng)力也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象和殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響較大的緣故。但殘余應(yīng)力的應(yīng)力集中不僅與缺口幾何因素有關(guān)，還與材料特性有關(guān)。

04尺寸效應(yīng)

材料的疲勞極限σ-1值通常是用小試樣測(cè)定的，試樣直徑一般在7~12mm，而實(shí)際構(gòu)件的截面往往大于該尺寸。試驗(yàn)指出，隨著試樣直徑的加大，疲勞極限下降。其中，強(qiáng)度高的鋼比強(qiáng)度低的鋼下降的快。

05構(gòu)件表面狀態(tài)

構(gòu)件表面是疲勞裂紋**易于產(chǎn)生的地方，而承受交變彎曲或交變扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的構(gòu)件，表面應(yīng)力較大。構(gòu)件表面的粗糙度、機(jī)械加工的刀痕都會(huì)影響疲勞強(qiáng)度。表面損傷（刀痕、磨痕等）本身就是表面缺口，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其疲勞極限降低，且材料強(qiáng)度越高，缺口敏感性越顯著，加工表面質(zhì)量對(duì)疲勞極限的影響就越大。

06環(huán)境因素

金屬材料的疲勞性能還受到周圍液相或氣相等環(huán)境的影響。腐蝕疲勞是指金屬材料在腐蝕介質(zhì)和循環(huán)載荷交互作用下的響應(yīng)，它通常多用于描述水相環(huán)境下材料的疲勞行為。腐蝕疲勞、低溫疲勞、高溫疲勞，不同氣壓環(huán)境、濕度環(huán)境等都是材料與環(huán)境因素共同作用下的疲勞現(xiàn)象。

在大氣環(huán)境下，同一材料的破壞循環(huán)周次也遠(yuǎn)**真空環(huán)境。真空環(huán)境中的裂紋萌生壽命遠(yuǎn)大于大氣環(huán)境。當(dāng)工件工作環(huán)境壓力接近Pcr（壽命拐點(diǎn)處的氣壓定義為臨界氣壓）時(shí)，材料的疲勞壽命就變得異常敏感。大氣環(huán)境中材料的疲勞壽命（一般**真空環(huán)境）會(huì)隨著溫度的升高而降低，加速裂紋擴(kuò)展。環(huán)境濕度對(duì)高強(qiáng)度鉻鋼的耐久性影響較大。水汽（尤其是室溫環(huán)境）對(duì)多數(shù)金屬及合金的抗斷裂性能有不利影響，這種不利影響取決于應(yīng)力水平、載荷比、幅值等加載條件。微觀組織與環(huán)境之間具有強(qiáng)烈的相互作用，氣相環(huán)境顯著影響著斷口的形貌和位錯(cuò)滑移機(jī)制，環(huán)境與裂紋閉合之間存在著交互作用，尤其在近門檻區(qū)。環(huán)境影響程度取決于裂紋面的形貌，尤其是在深度方向上。

在低溫下，金屬的強(qiáng)度提高而塑性則降低。因此，在低溫下光滑試樣的高周疲勞強(qiáng)度比室溫下有所提高，而低周疲勞強(qiáng)度比室溫下低。對(duì)于有缺口的試樣，韌性和塑性降低得更多。缺口和裂紋對(duì)低溫較為敏感，即斷裂時(shí)的臨界疲勞裂紋長(zhǎng)度在低溫下會(huì)急劇減小。

廣義的高溫疲勞是指**常溫的疲勞現(xiàn)象。但通常情況下，由于有些零件的工作溫度雖然**室溫，但并不太高。只有當(dāng)溫度**0.5Tm（Tm為以熱力學(xué)溫度表示的熔點(diǎn)），或在再結(jié)晶溫度以上時(shí)，出現(xiàn)了蠕變與機(jī)械疲勞復(fù)合的疲勞現(xiàn)象，這是才稱為高溫疲勞。

07載荷類型

不同載荷下疲勞極限的大小順序?yàn)椋盒D(zhuǎn)彎曲＜平面彎曲＜?jí)嚎s載荷＜扭轉(zhuǎn)載荷。在腐蝕介質(zhì)中，加載頻率的裂紋擴(kuò)展的作用比較明顯。在室溫和試驗(yàn)環(huán)境下中，常規(guī)頻率(0.1~100HZ)對(duì)鋼和黃銅的裂紋擴(kuò)展幾乎沒(méi)有任何影響。在試驗(yàn)中一般而言，如果試驗(yàn)加載頻率**250HZ，頻率對(duì)金屬材料的疲勞壽命的影響就較小。

08材料缺陷

裂紋多萌生于表面，如在焊縫（孔眼）、鑄鋼（疏松）或次表面上（大夾雜改變了局部應(yīng)變場(chǎng)），而很少在內(nèi)部萌生。裂紋萌生還取決于夾雜的數(shù)量、尺寸、性質(zhì)和分布，同時(shí)也與外力的加載方向有關(guān)。此外，夾雜與基體的結(jié)合強(qiáng)度也不容忽視。顯微裂紋是百萬(wàn)周次壽命材料中較危險(xiǎn)的缺陷，顯微曲線則是控制著10億周次壽命材料的壽命。由于微觀尺寸下材料內(nèi)部存在缺陷的幾率遠(yuǎn)大于材料表面，因此**高周疲勞加載時(shí)內(nèi)部萌生裂紋的幾率自然大于表面。

脆性材料不存在應(yīng)力降低或加工硬化現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)缺口，在較小的名義應(yīng)力條件下就可能發(fā)生斷裂。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)存在缺口時(shí)，金屬的疲勞極限降低，并且塑性越差，缺口對(duì)疲勞極限的影響越大。

09加工方式

文獻(xiàn)中指出，在疲勞試驗(yàn)試樣的制備過(guò)程應(yīng)是導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較重要的環(huán)節(jié)，如車、銑和校直等機(jī)械加工方式都與試樣的較終制備質(zhì)量有關(guān)。正是由于制備方式和熱處理因素會(huì)影響材料的疲勞性能，尤其是熱處理的影響較大，因而即使是同一批次和尺寸、形貌完全相同的試驗(yàn)也很難完全重復(fù)以前的疲勞試驗(yàn)結(jié)果。由此可見(jiàn)，工件的生產(chǎn)加工因素會(huì)導(dǎo)致零部件的實(shí)際疲勞壽命偏離分析計(jì)算的期望壽命值。

10材料屬性

高周疲勞強(qiáng)度（N＞106時(shí)）與材料的硬度有關(guān)，而對(duì)于中低周疲勞，韌性是一種重要指標(biāo)。在高應(yīng)力條件下，高強(qiáng)度鋼由于韌性較差，其疲勞性能較低，而低應(yīng)力情況下，則具有較好的抗疲勞性能。低強(qiáng)度鋼與之相反，中強(qiáng)度鋼居中。一般說(shuō)來(lái)彈性模量越高，裂紋擴(kuò)展速率越低。晶粒尺寸的影響對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響僅存在于兩種較端擴(kuò)展的情況：△K→△Kth和△Kmax→△KC，對(duì)中速裂紋擴(kuò)展特性沒(méi)有明顯的影響。斷裂韌性KIC（或KC）與擴(kuò)展速率是相互聯(lián)系的。一般認(rèn)為，材料韌性的增加會(huì)降低裂紋的擴(kuò)展速度。

疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性

試驗(yàn)設(shè)備和試樣本身是造成疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)（或結(jié)果）離散性的根本原因。據(jù)文獻(xiàn)中分析介紹，在測(cè)定零構(gòu)件的疲勞壽命時(shí)，名義載荷相對(duì)實(shí)際載荷有3%的誤差，就會(huì)使疲勞壽命產(chǎn)生60%的誤差，較端情況可能會(huì)導(dǎo)致120%的壽命誤差。而對(duì)于疲勞試驗(yàn)機(jī)來(lái)說(shuō)，3%誤差是完全允許的。不過(guò)文中也提到，在靜力破壞試驗(yàn)中，即使對(duì)強(qiáng)度分散性較大的鑄造材料和玻璃等，也不像疲勞壽命那樣存在嚴(yán)重的分散性。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果的離散性與材料屬性有關(guān)，具體有：材料內(nèi)部的固有特性；試驗(yàn)的制備過(guò)程，試驗(yàn)的外部環(huán)境。其中，試驗(yàn)制備過(guò)程是導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散性較重要的環(huán)節(jié)，尤其是熱處理。材料內(nèi)的夾雜和*二相顆粒等是造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散的本質(zhì)原因，目前其作用機(jī)制仍不十分清楚。

結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

●安全壽命法：

設(shè)計(jì)應(yīng)力**疲勞極限，認(rèn)為結(jié)構(gòu)中無(wú)缺陷。

●失效安全法：

設(shè)計(jì)應(yīng)力與平面缺陷情況下的剩余強(qiáng)度有關(guān)，該設(shè)計(jì)方法允許存在可接受的缺陷。

●安全裂紋法：

允許存在確定性可預(yù)測(cè)的擴(kuò)展裂紋。

●局部失效法：

能夠解決金屬疲勞分析中的一些問(wèn)題，目前在法國(guó)廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代**高周疲勞試驗(yàn)技術(shù)的興起，充分說(shuō)明一些微觀缺陷（如夾渣、氣孔、鍛造形成的大尺寸晶粒等）對(duì)材料的疲勞壽命也具有重要的影響。

對(duì)于鋼材料，在缺少材料的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可由材料的拉伸強(qiáng)度極限做出近似的S-N曲線。把疲勞極限與拉伸強(qiáng)度和試樣斷裂伸長(zhǎng)率聯(lián)系起來(lái)是具有較高精度的一種估算方法。

在材料與結(jié)構(gòu)的疲勞分析中，要**從試驗(yàn)中得到結(jié)論而不是盲目地相信彈塑性計(jì)算，唯有如此，才能確保數(shù)據(jù)的可靠性。


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