概述金屬疲勞產生的原因及影響因素

郝富杰

1 金屬疲勞的定義

金屬疲勞的概念，最早是由J.V.Poncelet于1830年在巴黎大學講演時采用的。當時，“疲勞”一詞被用來描述在周期拉壓加載下材料強度的衰退。引述美國試驗與材料協(xié)會(ASTM)在“疲勞試驗及數(shù)據統(tǒng)計分析之有關術語的標準定義”(EZ06-72)中所作的定義:在某點或某些點承受撓動應力，且在足夠多的循環(huán)撓動作用之后形成裂紋或完全斷裂時，材料中所發(fā)生的局部永久結構變化的發(fā)展過程，稱為“疲勞”。

2 疲勞破壞的特征

由于疲勞而發(fā)生破壞的失效方式，稱為疲勞破壞。疲勞破壞和靜力破壞有著本質的區(qū)別，主要有以下特征:

1 )只有在材料承受撓動應力作用條件下時，疲勞才會發(fā)生。所謂“撓動應力”(或稱交變應力、循環(huán)應力)，是指隨時間變化的應力。這種變化可以是有規(guī)律的，也可以是不規(guī)律的，甚至是隨機的。2)疲勞是一個“發(fā)展過程”，這一過程發(fā)生在一段時間內(即壽命)。我們觀察到的“形成裂紋”和“斷裂”，是這一發(fā)展過程中不斷形成的損傷累積的結果。疲勞過程的發(fā)展必定會形成裂紋，斷裂是由于裂紋擴展到臨界尺寸造成的。它標志著疲勞發(fā)展過程的終結。3)所謂“局部”，是疲勞的一個明顯的特點。疲勞通常在某局部區(qū)域內發(fā)生，而不是由整個結構或構件所控制。這種局部區(qū)域一般處在由于外載荷的作用、構件幾何形狀變化、溫差、殘余應力或材料的缺陷而引起應力集中(或應變集中)的地方，疲勞分析所關心的正是這些高應力或高應變區(qū)。4)疲勞過程是結構內部永久變化造成損傷的累積過程。這種永久變化是循環(huán)塑性變形的作用。如果只發(fā)生循環(huán)彈性變形，則因為彈性變形的可恢復性，將不出現(xiàn)疲勞破壞。循環(huán)塑性變形是產生疲勞破壞的根本原因。

3 疲勞破壞的影響因素

金屬材料受到外力作用后，其內部即處于受脅和松弛這樣一種矛盾的狀態(tài)之中。受脅表明材料內部能量升高，而松弛則可能使能量降低，松弛過程主要通過塑性變形和斷裂來實現(xiàn)。當金屬受脅達到飽和狀態(tài)而不能繼續(xù)再用塑性變形或根本就不能以塑性變形來松弛時，若再增加應力，它就會以斷裂的形式來徹底松弛疲勞破壞。由于沒有明顯的宏觀塑性變形，破壞十分突然，往往造成災難性事故，引起巨大的經濟損失。因此，研究疲勞斷裂的原因，尋找提高材料抗疲勞的途徑以防止疲勞斷裂事故的發(fā)生，對于發(fā)展國民經濟和科學技術都有重大的意義。

疲勞的實質是微觀裂紋在連續(xù)重復載荷作用下不斷擴展，直到最后達到臨界尺寸時出現(xiàn)的突發(fā)性斷裂破壞。破壞時截面上的應力低于材料的抗拉強度，甚至還可能低于屈服點，塑性變形很小。因此，疲勞破壞屬于沒有明顯變形的脆性破壞，有著較大的危險性。即使是塑性材料，在循環(huán)載荷的作用下，也和脆性材料一樣，大都會發(fā)生疲勞破壞。然而疲勞又是一個非常復雜的過程，從微觀到宏觀，疲勞行為受很多因素的影響。

由于疲勞裂紋經常從零構件的表面開始，所以金屬零構件的表面狀態(tài)對疲勞強度會有顯著的影響。這里所指的表面就是表面加工光潔度、表面層的組織結構及應力狀態(tài)等。大量的試驗研究結果表明，表面光潔度對疲勞強度有較大的影響，因為零構件經表面加工后所引起的表面缺陷是應力集中的因素。特別是對高強度材料，表面稍有缺陷，就常成為極危險的尖銳缺口，這是疲勞源的所在地。

載荷形式(彎曲、軸向或扭轉)對疲勞強度有一定影響。大量的實驗結果表明，在應力幅度相同時，彎曲疲勞的壽命大于軸向疲勞壽命;在給定的疲勞壽命時，軸向疲勞應力幅度小于彎曲疲勞的應力幅度，這種現(xiàn)象在高應力低周疲勞中更加明顯(見圖1)。

出現(xiàn)這種矛盾的原因是存在應變梯度、體積效應、循環(huán)應變硬化和軟化，以及表面裂紋萌生后裂紋擴展的不同。由此可推想到旋轉彎曲疲勞壽命也應當小于反復彎曲疲勞壽命。旋轉彎曲試樣表面的所有材料，在不同的時間內，均能受到最大應力作用;而反復彎曲試樣只有上部和下部的最外層能承受到最大應力，相比之下，旋彎試樣出現(xiàn)裂紋的幾率大，壽命短。

在對稱循環(huán)載荷下，得到的S—N曲線是基本S—N曲線，然而在構件設計中，載荷往往并非對稱循環(huán)，即平均應力不一定等于零。因此，要考慮到平均應力對于材料疲勞性能的影響。一般說來，在應力幅相同的情況下，拉伸平均應力使疲勞強度和壽命降低，而壓縮平均應力產生的影響則比較有利(見圖2)。

化學成分也直接影響材料的疲勞特性，因為原子間的化學結合力的性質及強度決定材料的強度及韌度的可能變動范圍。一切金屬及合金都受疲勞的支配。對于所有金屬，疲勞強度指數(shù)及疲勞韌度指數(shù)的可能范圍大致都是相同的。但是，疲勞強度系數(shù)及疲勞韌度系數(shù)的可能范圍卻視金屬的不同而有很大變化。化學成分由于變更結構或影響某一硬化程序的有效性，因而也間接地影響疲勞特性。

夾雜物和缺陷對疲勞強度的影響是多年來許多學者悉心研究的重要課題，特別是中、高強鋼或高硬度鋼，夾雜物和缺陷對疲勞強度的影響更加顯著。鋼材中總是存在有各種各樣的缺陷和夾雜物，它們周圍應力分布的不均勻對疲勞裂紋萌生和早期擴展有重要作用，也是引起應力集中的原因之一，對疲勞強度影響很大。但是，由于這個問題的復雜性，要尋求一種統(tǒng)一的處理方法是相當困難的。

4 問題的補充

疲勞破壞同工程構件的真實結構完整密切相關，但不應該忽視疲勞研究的機理性基礎和科學基礎。其理由如下:

1 )即便構件的尺度和裂紋的尺寸比顯微組織的尺度大幾個數(shù)量級，疲勞裂紋頂端出現(xiàn)的永久損傷的尺寸范圍通常與材料的特征微觀尺度相當。2)總壽命和斷裂力學概念提供了可以用來描述材料在循環(huán)載荷作用下的裂紋萌生和裂紋擴展阻力的方法。但是，單純利用這些概念并不能夠定量描述材料對疲勞的內在阻力。只有當充分了解失效的微觀機制時才能獲得這方面的信息。在各種各樣的材料上所做的工作充分表明，顯微組織(和環(huán)境)的細微變化可能顯著改變循環(huán)損傷程度和疲勞壽命。因此，只有掌握有關破壞機制的科學知識，才能達到優(yōu)化材料的組織結構特征以提高疲勞阻力的目的。3)即便構件設計偏于保守，也可能由于服役條件發(fā)生不可預測的變化而出現(xiàn)疲勞破壞。疲勞破壞的事啟分析中，經常借助斷口上的微觀特征，例如貝殼狀條紋和疲勞條紋來追溯疲勞破壞源。這些特征能夠提供有關斷裂起始位置和失效構件所承受的載荷值等有用信息。掌握有關疲勞斷口特征、破壞的微觀機制和裂紋宏觀擴展速率之間相互聯(lián)系的基本知識，對于進行事后分析是至關重要的。

［1］ 徐 擷.疲勞強度［M］.北京：高等教育出版社，1988：8.

［2］ 麗腸明，奧脫·布克斯鮑姆，哈茨·羅華克.結構抗疲勞設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987.

［3］ 林吉忠.金屬的缺陷、載荷與疲勞［M］.北京：中國鐵道出版社，1993.

［4］ 陳傳堯，高大興，程育仁.疲勞斷裂基礎［M］.武漢：華中理工大學出版社，1991：7.

［5］ 黃洪鐘.高強度螺栓的疲勞斷裂分析［J］.機械設計與制造，1992(3)：34-36.