[科普中国]-耐疲劳性

耐疲劳的定义

疲劳是指在循环加载下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程。经足够的应力或应变循环后，损伤累计可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂。出现可见裂纹或，或使裂纹进一步扩展至完全断裂，而耐疲劳性是指承受疲劳的能力。2

疲劳的特征疲劳破坏是一种损伤累计的过程，因此它的力学特征不同于静力破坏。不同之处主要表现为：

1、在循环应力远小于静强度极限的情况下破坏就有可能发生，但不是立刻发生的，而要经历一段时间，甚至很长时间。

2、疲劳破坏前，即使塑性材料（延性材料）有时也没有显著的残余变形。2

金属疲劳破坏三个阶段1、微观裂纹扩展阶段在循环加载下，由于物体内部微观组织结构的不均匀性，在某些薄弱部位首先形成微观裂纹，此后裂纹即沿着与主应力成45度角的最大剪切应力方向扩展。在此阶段，裂纹长度大致在0.05毫米以内。若继续加载，微观裂纹就会发展成为宏观裂纹。2

2、宏观裂纹扩展阶段裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。借助电子显微镜可在断口表面观察到此阶段中每一应力循环所遗留的疲劳条带。2

3、瞬时断裂阶段当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。2

疲劳寿命在循环加载下，产生疲劳破坏所需的应力和应变循环数成为疲劳寿命。对实际构件疲劳寿命常以工作小时计。构件在出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命或裂纹起始寿命。工程裂纹指宏观可见或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2--1毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命时二者之和。2

疲劳的分类高疲劳循环破坏循环次数高于10000--100000的疲劳，一般振动元件、传动轴等疲劳属此类。其特点作用在构件上的应力水平低，应力与应变成线性关系。2

低疲劳循环破坏循环次数低于10000--1000000的票咯，典型事例为压力容器、燃气轮机构件等。其特点作用于构件的应力水平比较较高，材料处于塑性状态。2

疲劳问题的应用范畴疲劳问题应用范畴极为广泛。按材料性质及其工作环境划分，除一般的金属疲劳外，还包括非金属疲劳、高温疲劳、热疲劳（由循环应力引起）、腐蚀疲劳、擦伤疲劳、声疲劳（由噪声引起）、冲击疲劳、接触疲劳等。2

表征耐疲劳性高循环疲劳的裂纹形成阶段的耐疲劳性能常以S-N曲线表征，S为应力水平，N为疲劳寿命。S-N曲线需要通过试验验证测定，试验采用小型标准件或实际构件。若采用小型标准构件，则试件裂纹扩展寿命较短，常以断裂时的循环次数作为裂纹形成寿命。2

表征低循环疲劳裂纹形成阶段的疲劳性能的有-N曲线（应变-寿命曲线）和循环应力-应变曲线，它们都是通过控制恒定的应变幅的试验测定的，所以低循环疲劳又称应变疲劳。2