疲勞破壞

任何材料都會發生疲勞破壞，因此在設計零部件及工程結構等時必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時限，以免造成不必要的財產損失和人身傷亡事故。

對於鋼材，在疲勞破壞之前並沒有明顯的變形，是一種突然發生的斷裂，斷口平直，屬於反覆荷載作用下的脆性破壞。

在荷載反覆作用下，結構構件母材和連接缺陷處或應力集中部位形成微細的疲勞裂紋，並逐漸擴展以至最後斷裂的現象。它是一個累積損傷過程。結構細部構造、連接型式、應力循環次數、最大應力值和應力變化幅度(應力幅)是影響結構疲勞破壞的主要因素。疲勞破壞往往發生在名義應力小於材料抗拉強度甚至屈服點的情況。根據應力循環次數的範圍，疲勞破壞分成低周疲勞和高周疲勞二大類。 ^[1] 

材料在循環應力和應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環次數產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程。根據循環荷載的幅值和頻率，疲勞可以分為等幅疲勞、變幅疲勞和隨機疲勞;根據材料破壞前所經歷的循環次數(即壽命)以及疲勞荷載的應力水平，疲勞又可以分為高周疲勞、低周疲勞和亞臨界疲勞。

疲勞破壞時所經歷的應力、應變循環次數。

指定基數下的中值疲勞強度，對當循環基數為其他值時，稱為該循環基數下的條件疲勞極限，有時簡稱為該循環基數下的疲勞強度。

譜荷載下疲勞損傷的積累。線性損傷時常用循環比的和表示，即D= ΣCi，其中Ci為第i級應力水平下的循環比。

疲勞破壞時應力空間或應變空間破壞包絡面的數學表達式。可供工程中疲勞計算分析時使用，但它不解決對疲勞破壞的物理和力學機理的認識。

由疲勞的概念可知，疲勞破壞具有下列幾個方面的特點:

擾動應力是指隨着時間發生變化的應力，也稱為擾動載荷，載荷可以是力、應變、位移等等。

疲勞載荷的分類如圖1所示。一個載荷譜在一個確定的時間間隔內呈現規律性的、相等幅頻的重複稱為週期，此類具有周期性交變特徵的載荷稱作循環載荷。

疲勞破壞往往產生於局部，局部性是疲勞失效的重要特徵。因此，注意研究零部件的細節，尤其是應力應變集中處，盡力減小應力集中的發生，對提高零部件工作質量，延長構件壽命具有積極意義。

疲勞破壞是一個發展的過程。單就零部件疲勞破壞形式之一的斷裂來講，由疲勞裂紋產生到疲勞裂紋擴展，直至最後發生斷裂，這是一個疲勞損傷逐步累積的過程。由此可引出疲勞壽命的概念，疲勞壽命指的是疲累損傷累積過程中零部件所經歷的時間，或者説載荷循環次數。

國外的疲勞破壞研究工作在第二次世界大戰以後發展較快，具體表現主要有以下幾個方面:

①.應用電子顯微鏡、掃描電鏡等先進儀器介入疲勞機理研究。

②.通過對疲勞試驗現象分析剔除解釋和假説，但仍不能定量分析，多靠試驗 曲線分析。

③.疲勞累積損傷理論研究沒有顯著成效，估算疲勞壽命仍多用邁因納法則。

④.開展抗疲勞設計方法研究。

⑤.大量開展疲勞試驗，並進行疲勞故障分析。

⑥.特種疲勞問題研究領域擴展至腐蝕、微動磨損、隨機疲勞等方面。

國內相關研究起步較晚，上世紀50年代有科研單位開始一些疲勞試驗研究工作值60年代，研究取得一些進展並應用於解決生產問題。然後進入近二十年的停滯期，80年代研究重啓，現己有很多科研單位開始疲勞破壞研究。主要體現在:

①疲勞裂紋擴展方面工作較多。

②研究疲勞試驗數據處理方面取得較大進展，部分工作己達世界先進水平，尤其是航空航天結構壽命估計和壽命延長方面，有效保證了運行安全。

③疲勞失效分析、疲勞破壞機制等方面都有若干成果。

近20年來，我國在機械結構與材料疲勞破壞方面的理論、分析方法做了大量取得許多成績，但是，總的來講，研究水平與國外仍有一定差距。