[科普中国]-疲劳破坏

简介

任何材料都会发生疲劳破坏，因此在设计零部件及工程结构等时必须考虑到材料遭受疲劳破坏的时限，以免造成不必要的财产损失和人身伤亡事故。

对于钢材，在疲劳破坏之前并没有明显的变形，是一种突然发生的断裂，断口平直，属于反复荷载作用下的脆性破坏。

在荷载反复作用下，结构构件母材和连接缺陷处或应力集中部位形成微细的疲劳裂纹，并逐渐扩展以至最后断裂的现象。它是一个累积损伤过程。结构细部构造、连接型式、应力循环次数、最大应力值和应力变化幅度(应力幅)是影响结构疲劳破坏的主要因素。疲劳破坏往往发生在名义应力小于材料抗拉强度甚至屈服点的情况。根据应力循环次数的范围，疲劳破坏分成低周疲劳和高周疲劳二大类。1

基本概念疲劳材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。根据循环荷载的幅值和频率，疲劳可以分为等幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳;根据材料破坏前所经历的循环次数(即寿命)以及疲劳荷载的应力水平，疲劳又可以分为高周疲劳、低周疲劳和亚临界疲劳。

疲劳寿命疲劳破坏时所经历的应力、应变循环次数。

疲劳极限指定基数下的中值疲劳强度，对当循环基数为其他值时，称为该循环基数下的条件疲劳极限，有时简称为该循环基数下的疲劳强度。

疲劳累积损伤谱荷载下疲劳损伤的积累。线性损伤时常用循环比的和表示，即D= ΣCi，其中Ci为第i级应力水平下的循环比。

疲劳破坏准则疲劳破坏时应力空间或应变空间破坏包络面的数学表达式。可供工程中疲劳计算分析时使用，但它不解决对疲劳破坏的物理和力学机理的认识。

疲劳破坏特征由疲劳的概念可知，疲劳破坏具有下列几个方面的特点:

扰动应力作用扰动应力是指随着时间发生变化的应力，也称为扰动载荷，载荷可以是力、应变、位移等等。

疲劳载荷的分类如图所示。一个载荷谱在一个确定的时间间隔内呈现规律性的、相等幅频的重复称为周期，此类具有周期性交变特征的载荷称作循环载荷。

疲劳破坏具有明显的局部性
疲劳破坏往往产生于局部，局部性是疲劳失效的重要特征。因此，注意研究零部件的细节，尤其是应力应变集中处，尽力减小应力集中的发生，对提高零部件工作质量，延长构件寿命具有积极意义。

疲劳破坏是一个发展的过程
单就零部件疲劳破坏形式之一的断裂来讲，由疲劳裂纹产生到疲劳裂纹扩展，直至最后发生断裂，这是一个疲劳损伤逐步累积的过程。由此可引出疲劳寿命的概念，疲劳寿命指的是疲累损伤累积过程中零部件所经历的时间，或者说载荷循环次数。

国内外情况与发展水平国外的疲劳破坏研究工作在第二次世界大战以后发展较快，具体表现主要有以下几个方面:
①.应用电子显微镜、扫描电镜等先进仪器介入疲劳机理研究。
②.通过对疲劳试验现象分析剔除解释和假说，但仍不能定量分析，多靠试验 曲线分析。
③.疲劳累积损伤理论研究没有显著成效，估算疲劳寿命仍多用迈因纳法则。
④.开展抗疲劳设计方法研究。
⑤.大量开展疲劳试验，并进行疲劳故障分析。
⑥.特种疲劳问题研究领域扩展至腐蚀、微动磨损、随机疲劳等方面。

国内相关研究起步较晚，上世纪50年代有科研单位开始一些疲劳试验研究工作值60年代，研究取得一些进展并应用于解决生产问题。然后进入近二十年的停滞期，80年代研究重启，现己有很多科研单位开始疲劳破坏研究。主要体现在:

①疲劳裂纹扩展方面工作较多。

②研究疲劳试验数据处理方面取得较大进展，部分工作己达世界先进水平，尤其是航空航天结构寿命估计和寿命延长方面，有效保证了运行安全。

③疲劳失效分析、疲劳破坏机制等方面都有若干成果。
近20年来，我国在机械结构与材料疲劳破坏方面的理论、分析方法做了大量取得许多成绩，但是，总的来讲，研究水平与国外仍有一定差距。