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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：理化檢驗物理分冊來源：理化檢驗物理分冊分享至：

材料疲勞類型

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

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

次疲勞：應力水平低于某一值時，裂紋會停止擴展。

影響材料疲勞特性的因素

01 平均應力

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

應力比R=-1時，對稱恒幅循環(huán)載荷控制下，試驗給出的應力-壽命關系，是材料的基本疲勞性能曲線。

下面討論應力比R變化對疲勞性能的影響。

如上圖所示，應力比R增大，表示循環(huán)平均應力Sm增大。且應力幅Sa給定時有：

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

平均應力對S-N曲線影響的一般趨勢如下圖所示。

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

在給定壽命N下，研究循環(huán)應力幅Sa與平均應力Sm之關系，可得到如上圖結果。當壽命給定時，平均應力Sm越大，相應的應力幅Sa就越小；但無論如何，平均應力Sm都不可能大于材料的極限強度Su。Su為高強脆性材料的極限抗拉強度或延性材料的屈服強度。

圖中給出了金屬材料N=10^7時的Sa-Sm關系，分別用疲勞極限S-1和Su進行歸一化。因此，等壽命條件下的Sa-Sm關系可以表達為：

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

另一表達式，是圖中的直線，即：

上式稱為Goodman直線，所有的試驗點基本都在這一直線的上方。直線形式簡單，且在給定壽命下，由此作出的Sa-Sm關系估計是偏于保守，故在工程實際中常用。

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：

S（彎） > S（拉） > S（扭）

假定作用應力水平相同，拉壓時高應力區(qū)體積等于試件整個試驗段的體積；彎曲情形下的高應力區(qū)體積則要小得多。我們知道疲勞破壞主要取決于作用應力的大小（外因）和材料抵抗疲勞破壞的能力（內因）二者，即疲勞破壞通常發(fā)生在高應力區(qū)或材料缺陷處。假如圖中的作用的循環(huán)最大應力Smax相等，因為拉壓循環(huán)時高應力區(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，同樣的應力水平作用下，拉壓循環(huán)載荷作用時的壽命比彎曲時短；或者說，同樣壽命下，拉壓循環(huán)時的疲勞強度比彎曲時低。

扭轉時疲勞壽命降低，體積的影響不大，需由不同應力狀態(tài)下的破壞判據(jù)解釋，在此不作進一步討論。

03 尺寸效應

不同試件尺寸對疲勞性能的影響，也可以用高應力區(qū)體積的不同來解釋。應力水平相同時，試件尺寸越大，高應力區(qū)域材料體積就越大。疲勞發(fā)生在高應力區(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，大尺寸構件的疲勞強度下降；在給定的應力水平下，大尺寸構件的疲勞壽命降低。

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準試件測得的。

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件的高應力表面引入壓縮殘余應力，以達到提高疲勞壽命的目的。

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

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

表面滲氮或滲碳處理，可以提高表面材料的強度并在材料表面引入壓縮殘余應力，這兩種作用對于提高材料疲勞性能都是有利的。試驗表明，滲氮或滲碳處理可使鋼材疲勞極限提高一倍。對于缺口試件，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環(huán)境下的疲勞稱為腐蝕疲勞。腐蝕介質的作用對疲勞是不利的。腐蝕疲勞過程是力學作用與化學作用的綜合過程，其破壞機理十分復雜。影響腐蝕疲勞的因素很多，一般有如下趨勢：

（1）載荷循環(huán)頻率的影響顯著。無腐蝕環(huán)境作用時，在相當寬的頻率范圍內（如200Hz以內），頻率對材料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)經歷的時間增長，腐蝕的不利作用有較充分的時間顯示，使疲勞性能下降的影響明顯。

（2）在腐蝕介質（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度，可能引起蠕變，對疲勞也是不利的。同時還應注意，為改善疲勞性能而引入的殘余壓應力，也會因溫度升高而消失。

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