淺析材料的疲勞現(xiàn)象及影響因子

1、淺析材料的疲勞現(xiàn)象、影響因子及預(yù)防措施提起疲勞，人們可能會想到熬夜加班后的困倦和全身酸痛，或者電視里常常 報道的車禍“元兇”。材料在使用過程中也存在著疲勞現(xiàn)象，而且材料疲勞的危害 不亞于疲勞駕駛。船舶、汽車、動力機(jī)械、工程機(jī)械、冶金、石油等機(jī)械以及鐵 路橋梁等的主要零件和構(gòu)件，大多在循環(huán)變化的載荷下工作，疲勞是其主要的失 效形式。在一些服役時間較長材料的開發(fā)與應(yīng)用中，其疲勞性能也必須納入考慮。 1.疲勞的概念及現(xiàn)象疲勞（Fatigue）是指材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生 局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完 全斷裂的現(xiàn)象。早在19世紀(jì)就已查閱

2、到多起嚴(yán)重的疲勞破壞事故報道，由于當(dāng)時顯微觀測 水平不夠發(fā)達(dá)，疲勞損傷無法觀測，疲勞破壞會在沒有任何先兆的情況下產(chǎn)生， 所以疲勞一度被認(rèn)為是材料中發(fā)生的一種不可思議的奇妙現(xiàn)象。1842年轟動歐 洲的法國凡爾賽鐵路事故，使眾多科學(xué)家開始對疲勞破壞展開深入的思考與討論， 開啟人們對金屬疲勞系統(tǒng)的研究。時至今日，疲勞相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)展蓬勃，有關(guān) 疲勞研究的文章已超15萬篇。圖1描繪凡爾賽鐵路事故慘狀的油畫圖2鐵軌的疲勞斷裂2.疲勞性能的影響因素根據(jù)目前的研究，影響疲勞性能的因素有很多，主要總結(jié)如下:表1影響疲勞性能的因素工作條件工作溫度、工作環(huán)境載荷條件應(yīng)力狀態(tài)、循環(huán)特征、高載效應(yīng)、載荷交變頻率零件幾

3、何形狀尺寸效應(yīng)、缺口效應(yīng)工件表面狀態(tài)表面光潔度、表面防腐蝕、表面強(qiáng)化材料本質(zhì)化學(xué)成分、金相組織、纖維方向、內(nèi)部缺陷工作環(huán)境的影響：金屬材料的疲勞極限一般是隨著溫度的降低而增加的。但 隨著溫度的下降，材料的斷裂韌性也下降，表現(xiàn)出低溫脆性。一旦出現(xiàn)裂紋，則 易于發(fā)生失穩(wěn)斷裂。對此，應(yīng)當(dāng)十分注意。高溫將降低材料的強(qiáng)度，可能引起蠕 變，對疲勞也是不利的。同時還應(yīng)注意，為改善疲勞性能而引入的殘余應(yīng)力，也會因溫度升高而消失。在海水、水蒸氣、酸、堿溶液等腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的疲勞，腐蝕介質(zhì)的作用對 疲勞是不利的。腐蝕疲勞過程是力學(xué)作用與化學(xué)作用的綜合過程，其破壞機(jī)理十 分復(fù)雜。腐蝕環(huán)境通常會使材料表面氧化。在一般

4、的情況下，氧化膜層可起保護(hù)作用，以免金屬材料進(jìn)一步受到腐蝕。但在疲勞載荷作用下，將使氧化膜層局部開裂，新的表面再次暴露于腐蝕環(huán)境中，造成再次腐蝕并在材料表面逐步形成腐 蝕坑。腐蝕使表面粗糙，腐蝕坑形成應(yīng)力集中，加快了裂紋的萌生，使壽命縮短。這是對裂紋萌生階段腐蝕疲勞的最一般的解釋。圖3這是對裂紋萌生階段腐蝕疲勞的最一般的解釋。圖3橋梁的設(shè)計(jì)要考慮腐蝕疲勞載荷狀態(tài)的影響：材料疲勞極限的大致規(guī)律是一一彎曲疲勞極限拉伸疲勞 極限扭轉(zhuǎn)疲勞極限。假定作用應(yīng)力水平相同，拉壓時高應(yīng)力區(qū)體積等于試件整個試驗(yàn)段的體積，如圖4所示:拉伸拉伸圖4不同載荷狀態(tài)下的高應(yīng)力區(qū)彎曲情形下的高應(yīng)力區(qū)體積則要小得多。疲勞破壞主

5、要取決于作用應(yīng)力的大 小和材料抵抗疲勞破壞的能力，故疲勞破壞通常發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)或材料缺陷處。 假如圖中作用的循環(huán)最大應(yīng)力相等，因?yàn)槔瓑貉h(huán)時高應(yīng)力區(qū)域的材料體積較大， 存在缺陷并由此引發(fā)裂紋萌生的可能性也大。所以，同樣的應(yīng)力水平作用下，拉 壓循環(huán)載荷作用時的壽命比彎曲時短。或者說，同樣壽命下，拉壓循環(huán)下的疲勞 強(qiáng)度比彎曲時低。零件幾何形狀的影響：應(yīng)力水平相同時，試件尺寸越大，高應(yīng)力區(qū)域材料體 積就越大。疲勞發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)材料最薄弱處，體積越大，存在缺陷或薄弱處的 可能性就越大，故大尺寸構(gòu)件的疲勞抗力低于小尺寸試件?；蛘哒f，在給定壽命 下，大尺寸構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度下降；在給定的應(yīng)力水平下，大尺寸構(gòu)件

6、的疲勞壽命 降低。這就是疲勞的尺寸效應(yīng)。除此之外疲勞還存在缺口效應(yīng)。在零件中難免出現(xiàn)孔洞這樣的幾何缺口。缺 口會引起應(yīng)力不集中的現(xiàn)象，不同形狀的缺口會引起程度的應(yīng)力集中。在應(yīng)力集 中區(qū)更容易萌生疲勞裂紋源，而且促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。尖銳的缺口會產(chǎn)生更加嚴(yán)重 的應(yīng)力集中現(xiàn)象，位置很靠近的多個缺口導(dǎo)致的影響區(qū)相互疊加也會使材料更容 易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。圖5帶孔試樣拉伸試驗(yàn)時明顯的應(yīng)力集中表面狀態(tài)的影響：由疲勞的局部性顯然可知，若試件表面粗糙，將使局部應(yīng) 力集中的程度加大，裂紋萌生壽命縮短。而且，材料強(qiáng)度越高，光潔度的影響越 大。另外，應(yīng)力水平越低，壽命越長，光潔度的影響越大。表面加工時的劃痕、 碰傷，可能就是潛在的裂紋源，應(yīng)當(dāng)注意防止碰劃。除表面光潔度的影響外，對工件表面進(jìn)行抗疲勞處理也可以改善疲勞性能。 表面噴丸處理，銷、軸、螺栓類零件冷擠壓加工，堅(jiān)固件干涉配合等，在零構(gòu)件 表面引入殘余壓應(yīng)力，都是提高疲勞壽命常用的方法。材料強(qiáng)度越高，循環(huán)應(yīng)力 水平越低，壽命越長，延長壽命的效果越好。在有應(yīng)力梯度或缺口應(yīng)力集中處采 用噴丸處理，效果更好。表面滲碳或滲氮處理，可以提高表面材料的強(qiáng)度并在材料表面引入壓縮殘余應(yīng)力，這兩種作用對于提高材料疲勞性能都是有利的。200 pni圖6玻璃丸噴丸