金屬疲勞

金屬疲勞英文詞條名：fatigue of metal。金屬疲勞是指一種在交變應力作用下，金屬材料發生破壞的現象。機械零件在交變壓力作用下，經過一段時間後，在局部高應力區形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴展以致斷裂。疲勞破壞具有在時間上的突發性，在位置上的局部性及對環境和缺陷的敏感性等特點，故疲勞破壞常不易被及時發現且易於造成事故。應力幅值、平均應力大小和循環次數是影響金屬疲勞的三個主要因素。

金屬內部結構並不均勻，從而造成應力傳遞的不平衡，有的地方會成為應力集中區。與此同時，金屬內部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續作用下，裂紋會越來越大，材料中能夠傳遞應力部分越來越少，直至剩餘部分不能繼續傳遞負載時，金屬構件就會全部毀壞。

早在100多年以前，人們就發現了金屬疲勞給各個方面帶來的損害。但由於技術的落後，還不能查明疲勞破壞的原因。直到顯微鏡和電子顯微鏡相繼出現之後，使人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得新的成果，並且有了巧妙的辦法來對付這個大敵。

在金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬裏，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領，延長使用壽命。隨着科學技術的發展，現已出現“金屬免疫療法”新技術，通過事先引入的辦法來增強金屬的疲勞強度，以抵抗疲勞損壞。此外，在金屬構件上，應儘量減少薄弱環節，還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度，以免發生鏽蝕。對產生震動的機械設備要採取防震措施，以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候，要進行對金屬內部結構的檢測，對防止金屬疲勞也很有好處。

金屬疲勞所產生的裂紋會給人類帶來災難。然而，也有另外的妙用。利用金屬疲勞斷裂特性製造的應力斷料機已經誕生。可以對各種性能的金屬和非金屬在某一切口產生疲勞斷裂進行加工。這個過程只需要2秒鐘以下的時間，而且，越是難以切削的材料，越容易通過這種加工來滿足人們的需要。

材料力學是根據靜力實驗來確定材料的機械性能(比如彈性極限、屈服極限、強度極限)的，這些機械性能沒有充分反映材料在交變應力作用下的特性。因此，在交變載荷作用下工作的零件或結構，如果還是按靜載荷去設計，在使用過程中往往會發生突發性故障。

疲勞破壞與傳統的靜力破壞有着許多明顯的本質區別:

(1)靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞:疲勞破壞是多次反覆載荷作用下的破壞，它不是短期內發生的，而是要經歷一定的時間，甚至很長時間才發生破壞。

(2)當靜應力小於屈服極限或強度極限時，不會發生靜力破壞;而交變應力在遠小於靜強度極限，甚至小於屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發生。

(3)靜力破壞通常有明顯的塑性變形產生:疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，哪怕是塑性良好的金屬也這樣，就像脆性破壞一樣，事先不易覺察出來，這就表明疲勞破壞具有更大的危險性。

1、疲勞為低應力循環延時斷裂，即具有壽命的斷裂，其斷裂應力水平往往低於材料抗拉強度，甚至屈服強度。

2、疲勞為脆性斷裂，由於一般疲勞的應力水平比屈服強度低，所以不論是韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前均不會發生塑性變形及有型預兆。

3、疲勞對缺陷十分敏感，由於疲勞破壞是從局部開始的，所以它對缺陷具有高度的選擇性。

疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩擴展及最後失穩擴展三個階段，其疲勞壽命Nf由疲勞裂紋萌生期Ni和裂紋亞穩擴展期Np所組成。

疲勞裂紋萌生主要包括：

1、滑移帶開裂產生裂紋，金屬在循環應力長期作用下，即使是應力低於屈服應力，也會發生循環滑移並形成循環滑移帶。

2、相界面開裂產生裂紋，很多疲勞源是由材料中的第二相或夾雜物引起的，便提出了第二相、夾雜物和基體界面開裂，或第二相、夾雜物本身開裂的疲勞裂紋機理。

3、晶界開裂產生裂紋，多晶體材料由於晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯在某一晶粒內運動會受到晶界的阻礙作用，在晶界處發生位錯塞積和應力集中現象。在應力不斷循環下，晶界處得應力集中得不到鬆弛，應力峯越來越高，當超過晶界強度時就會在晶界處產生裂紋。

常規疲勞強度計算是以名義應力為基礎的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應力、應變水平有關，它們之間的關係可以用應力一壽命曲線（σ-N曲線）和應變一壽命曲線（δ－Ν曲線）表示。應力一壽命曲線和應變一壽命曲線，統稱為S-N曲線。根據試驗，有三種數學表達式：

1、冪函數式：(σ^m)*N=C

式中：N應力循環數，m、C材料常數。

2、指數式：exp{mσ}*N=C

式中：N為應力循環數，m、C為材料常數。

3、考慮疲勞強度，則冪函數式演變為三參數式：[(σ-σ_f)_^m]*N=C

式中：N為應力循環數，m、C為材料常數,σ_f為疲勞強度。

在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集中，所以，在使用時必須引入應力集中係數K、尺寸係數ε和表面係數β。