金屬材料疲勞研究綜述

1、金屬材料疲勞研究綜述 摘要：人會(huì)疲勞，金屬也會(huì)疲勞嗎？早在100多年前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬也是會(huì)疲勞的，并且發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞帶給人們各個(gè)方面的危害，所以研究金屬材料的疲勞是非常有必要的。本文主要講述了國內(nèi)外關(guān)于金屬疲勞的研究進(jìn)展，概述了金屬產(chǎn)生疲勞的原因及影響因素，以及金屬材料疲勞的試驗(yàn)方法。關(guān)鍵詞：金屬材料 疲勞裂紋 疲勞壽命一 引言金屬疲勞的概念，最早是由 J V Poncelet 于 1830 年在巴黎大學(xué)講演時(shí)采用的。當(dāng)時(shí)，“疲勞”一詞被用來描述在周期拉壓加載下材料強(qiáng)度的衰退。引述美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)( ASTM) 在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義”( EZ06-72) 中所作

2、的定義: 在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受撓動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)撓動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂時(shí)，材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為“疲勞”。金屬疲勞是指材料、零構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。在材料結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，就叫做金屬的疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)金屬材料失效80%是由于疲勞引起的，且表現(xiàn)為突然斷裂，無論材料為韌性材料還是塑性材料都表現(xiàn)為突然斷裂，危害極大，所以研究

3、金屬的疲勞是非常有必要的。 由于金屬材料的疲勞一般難以發(fā)現(xiàn)，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞給各個(gè)方面帶來的損害。由于但是條件的限制，還不能查明疲勞破壞的原因。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國的5000艘貨船共發(fā)生1000多次破壞事故，有238艘完全報(bào)廢，其中大部分要?dú)w咎于金屬的疲勞。2002 年 5 月， 華航一架波音747-200 型客機(jī)在由臺灣中正機(jī)場飛往香港機(jī)場途中空中解體，19 名機(jī)組人員及 206名乘客全部遇難。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)后部的金屬疲勞裂紋造成機(jī)體在空中解體，是導(dǎo)致此次空難的根本原因。直到出現(xiàn)了電子顯微鏡之后，人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得了新

4、的成果，才開發(fā)出一些發(fā)現(xiàn)和消除金屬疲勞的手段。二 金屬疲勞的有關(guān)進(jìn)展 1839年巴黎大學(xué)教授在講課中首先使用了“金屬疲勞”的概念。1850一1860年德國工程師提出了應(yīng)力-壽命圖和疲勞極限的概念。1870一1890年間，Gerber研究了平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響。Goodman提出了考慮平均應(yīng)力影響的簡單理論。1920年Griffith發(fā)表了關(guān)于脆性材料斷裂的理論和試驗(yàn)結(jié)果。發(fā)現(xiàn)玻璃的強(qiáng)度取決于所包含的微裂紋長度，Griffith理論的出現(xiàn)標(biāo)志著斷裂力學(xué)的開端。1945年Miner用公式表達(dá)出線性積累損傷理論。五十年代，力學(xué)理論上對提出應(yīng)力強(qiáng)度因子K的概念。六十年代，MansonCoffin公

5、式概括了塑性應(yīng)變幅值和疲勞壽命之間的關(guān)系。Paris在1963年提出疲勞裂紋擴(kuò)展速率dadN和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值k之間的關(guān)系。1974年，美國空軍頒布軍用規(guī)范A-83444，從此斷裂力學(xué)就成就為疲勞研究的重要理論工具。50年代以后，隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展和電子顯微鏡的應(yīng)用，疲勞裂紋擴(kuò)展的研究取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。疲勞裂紋擴(kuò)展的研究在微觀和宏觀兩方面同時(shí)展開。在微觀方面，主要是研究疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制和相關(guān)的微觀力學(xué)模型；宏觀方面，主要是研究疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)模型和疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式。人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得了新的成果，才開發(fā)出一些發(fā)現(xiàn)和消除金屬疲勞的手段。三 金屬材料疲勞產(chǎn)生原因及

6、影響因素金屬疲勞破壞是承受交變應(yīng)力的機(jī)械構(gòu)件高應(yīng)力集中區(qū)較弱的晶粒在經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)以后形成微裂紋然后發(fā)展成宏觀裂紋繼續(xù)擴(kuò)展導(dǎo)致最終斷裂的破壞過程。疲勞破壞以許多形式出現(xiàn)，包括僅有外加應(yīng)力或應(yīng)變波動(dòng)造成的機(jī)械疲勞，循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的蠕變疲勞，受循環(huán)載荷的作用下溫度也變動(dòng)的熱機(jī)械疲勞即熱疲勞與機(jī)械疲勞的組合，在存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加反復(fù)載荷時(shí)的腐蝕疲勞等。機(jī)器和結(jié)構(gòu)部件的失效大多是由于發(fā)生上述某一種疲勞過程造成的引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜態(tài)斷裂分析估算出來的安全載荷。影響疲勞的原因是多方面的，金屬材料受到外力作用后，其內(nèi)部即處于受脅和松弛這樣一種矛盾

7、的狀態(tài)之中。受脅表明材料內(nèi)部能量升高，而松弛則可能使能量降低，松弛過程主要通過塑性變形和斷裂來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)金屬受脅達(dá)到飽和狀態(tài)而不能繼續(xù)再用塑性變形或根本就不能以塑性變形來松弛時(shí)，若再增加應(yīng)力，它就會(huì)以斷裂的形式來徹底松弛疲勞破壞。由于沒有明顯的宏觀塑性變形，破壞十分突然，往往造成災(zāi)難性事故，引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于疲勞裂紋經(jīng)常從零構(gòu)件的表面開始，所以金屬零構(gòu)件的表面狀態(tài)對疲勞強(qiáng)度會(huì)有顯著的影響。這里所指的表面就是表面加工光潔度、表面層的組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)等。大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，表面光潔度對疲勞強(qiáng)度有較大的影響，因?yàn)榱銟?gòu)件經(jīng)表面加工后所引起的表面缺陷是應(yīng)力集中的因素。特別是對高強(qiáng)度材料，表面稍

8、有缺陷，就常成為極危險(xiǎn)的尖銳缺口，這是疲勞源的所在地。晶體結(jié)構(gòu)的影響：滑移在體心立方金屬中是分散的，不容易產(chǎn)生活移帶開裂。在體心立方金屬中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要更大的應(yīng)力。體心立方金屬的屈服強(qiáng)度通常較高一些，而且在這些材料中的加工硬化速率又較低，因此使疲勞極限接近于其極限強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度高于面心立方結(jié)構(gòu)的材料。堆垛層錯(cuò)能的影響：具有高層錯(cuò)能的材料(即擴(kuò)展位錯(cuò)寬度窄的)比較容易發(fā)生交滑移，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)可以通過交滑移的方式而繞過障礙使形變繼續(xù)進(jìn)行，因此，能促使持久滑移帶的形成，有利于疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。具有高層錯(cuò)能的材料的疲勞抗力是比較低的。相反，具有低縣錯(cuò)能的材料的疲勞抗力是比較高的。晶粒大小的影響：對大

9、多數(shù)金屬材料而言，其疲勞極限是隨著晶粒的減小而提高。第二相性質(zhì)的影響：對于起強(qiáng)化作用的第二相能夠有效的提高疲勞性能，而對于不起強(qiáng)化作用的第二相往往要降低疲勞性能。非金屬夾雜物的影響：減少夾雜物的數(shù)量，減少夾雜物的尺寸都能有效地提高疲勞極限。夾雜物和缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響是多年來許多學(xué)者悉心研究的重要課題，特別是中、高強(qiáng)鋼或高硬度鋼，夾雜物和缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響更加顯著。鋼材中總是存在有各種各樣的缺陷和夾雜物，它們周圍應(yīng)力分布的不均勻?qū)ζ诹鸭y萌生和早期擴(kuò)展有重要作用，也是引起應(yīng)力集中的原因之一，對疲勞強(qiáng)度影響很大。但是，由于這個(gè)問題的復(fù)雜性，要尋求一種統(tǒng)一的處理方法是相當(dāng)困難的。金屬表面的情況、

10、金屬所處的介質(zhì)環(huán)境等對金屬的疲勞都用影響。古人就知道了如何讓金屬“強(qiáng)壯”的方法，那就是鍛煉它們，令它們“百煉成鋼”。現(xiàn)在我們所說的“鍛煉身體”一詞，其實(shí)就來源于對金屬的鍛煉，我們應(yīng)該像鍛煉金屬一樣鍛煉自己的身體。鍛煉金屬的方法是熱處理，例如對鋼不斷回火和捶打，使其韌化。減弱金屬容易疲勞的特性，人們想到的另外一個(gè)方法是向單一金屬中摻入其他物質(zhì)，填補(bǔ)金屬中的空隙和瑕疵。如果摻入的物質(zhì)是金屬，就可以制造出合金，用兩種金屬相互填充空隙的方法來彌補(bǔ)瑕疵，并使得金屬強(qiáng)度增高。向金屬中加入碳，也可以彌補(bǔ)金屬中的瑕疵，制造出高強(qiáng)度碳鋼。在金屬材料中添加各種“維生素”，也是增強(qiáng)金屬抗疲勞的有效辦法。例如在鋼鐵和

11、有色金屬里，加進(jìn)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(lǐng)，延長使用壽命。在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，也應(yīng)盡量減少可能發(fā)生的金屬疲勞事故。比如，可以消除零件上的薄弱環(huán)節(jié)，減少開孔、挖槽、切口等，因?yàn)槠诹鸭y常發(fā)生在這些地方；提高零件表面的光潔度，保護(hù)表面不受生銹腐蝕之害，加工粗糙所產(chǎn)生的刻劃痕以及材料銹腐之處，都是容易產(chǎn)生微細(xì)裂紋的；對零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，比如，輾壓零件的表面，使材料表面強(qiáng)化，從而不易產(chǎn)生微細(xì)裂紋。四 金屬材料疲勞的試驗(yàn)方法疲勞試驗(yàn)用以測定材料或結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)的過程。疲勞是循環(huán)加載條件下，發(fā)生在材料某點(diǎn)處局部的、永久性的損傷遞增過程。經(jīng)足夠的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)

12、后，損傷積累可使材料發(fā)生裂紋，或是裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展至完全斷裂。出現(xiàn)可見裂紋或完全斷裂統(tǒng)稱疲勞破壞。按破壞循環(huán)次數(shù)的高低，疲勞試驗(yàn)分為兩類：（1）高循環(huán)疲勞（高周疲勞）試驗(yàn)，對于此種試驗(yàn)，施加的循環(huán)應(yīng)力水平較低；（2）低循環(huán)疲勞（低周疲勞）試驗(yàn)，此時(shí)循環(huán)應(yīng)力常超過材料的屈服極限，故通過控制應(yīng)變實(shí)施加載。按材料性質(zhì)劃分有金屬疲勞試驗(yàn)和非金屬疲勞試驗(yàn)；按工作環(huán)境劃分包括高溫疲勞試驗(yàn)、熱疲勞（由循環(huán)熱應(yīng)力引起）試驗(yàn)、腐蝕疲勞試驗(yàn)、微動(dòng)摩擦疲勞試驗(yàn)、聲疲勞（由噪聲激勵(lì)引起）試驗(yàn)、沖擊疲勞試驗(yàn)、接觸疲勞試驗(yàn)等。金屬疲勞試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間一般呈正弦波形變化，但有時(shí)也采用三角形、矩形等應(yīng)力波形。金屬疲勞試驗(yàn)時(shí)最

13、廣泛采用的是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和軸向加載疲勞試驗(yàn)。金屬在疲勞極限下實(shí)際所通過的最大循環(huán)次數(shù)稱為試驗(yàn)基數(shù)。鋼鐵及鈦合金等，基數(shù)一般為10；對于有色金屬、特殊鋼及在高溫、腐蝕等試驗(yàn)條件下，基數(shù)一般為10。一些金屬存在疲勞極限，對應(yīng)地在曲線上出現(xiàn)水平部分。一些金屬不存在疲勞極限，其曲線無水平部分；隨循環(huán)周次增加，金屬所能承受的應(yīng)力不斷減小，因此將對應(yīng)于規(guī)定周次的應(yīng)力稱為條件疲勞極限。金屬疲勞極限一般根據(jù)10 個(gè)以上相同試樣的疲勞試驗(yàn)結(jié)果所繪制的曲線求得或用升降法求得。金屬疲勞強(qiáng)度是一種對金屬外在缺陷、內(nèi)在缺陷、顯微組織和環(huán)境條件非常敏感的性能，通過疲勞試驗(yàn)所測定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般都很分散，疲勞斷口金屬疲勞

14、裂紋通常在表面層應(yīng)力集中處(滑移帶、夾雜、析出微粒、劃痕、缺口、冶金缺陷等)萌生、而后擴(kuò)展至斷裂。金屬疲勞斷裂表面的外觀形貌稱之為疲勞斷口。一般分為三區(qū)：即疲勞源（萌生疲勞裂紋的核心策源地）；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（擴(kuò)展過程中留下呈同心弧線的貝殼狀形貌，光亮平滑，顆粒細(xì)，有時(shí)呈瓷狀）；終斷區(qū)（剩余截面不足以支承峰值應(yīng)力因過載荷而靜斷，呈暗灰色纖維狀或晶粒狀）。斷口是試樣或零件在試驗(yàn)或使用過程中斷裂后形成的相匹配的表面,它是斷裂失效最主要的殘骸,也是斷裂失效分析最重要的物證。斷口忠實(shí)記錄了材料在載荷與環(huán)境作用下,斷裂前的不可逆變形以及裂紋萌生和擴(kuò)展直至斷裂的全過程。因此可以通過分析斷口的特征規(guī)律反推載荷和斷裂環(huán)境等信息。五 總結(jié) 為提高抗疲勞性能和分析的準(zhǔn)確性，充分利用材料潛力，結(jié)構(gòu)與材料的設(shè)計(jì)與制造，正朝著微觀組織結(jié)構(gòu)與應(yīng)力力應(yīng)變分布盡可能均勻化、表面加工盡可能光滑化和預(yù)測盡可能精確化的方向發(fā)展。六 參考文獻(xiàn)1 K.J.Miller.金屬疲勞過去、現(xiàn)在和未來J. 機(jī)械強(qiáng)度,1993,15（1）:77-80.2 陳傳堯.疲勞與斷裂M武漢: 華中科技大學(xué)出版社,2002:1-5.3 林吉忠.金屬的缺陷、載荷與疲勞M北京: 中國鐵道出版社,19934 楊先碧.破解金屬疲勞的奧秘N.大眾科技報(bào),2011-6-21(5).5 郝富杰.概述金屬疲勞