淺析材料的疲勞現象及影響因子

1、淺析材料的疲勞現象、影響因子及預防措施提起疲勞，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象，而且材料疲勞的危害 不亞于疲勞駕駛。船舶、汽車、動力機械、工程機械、冶金、石油等機械以及鐵 路橋梁等的主要零件和構件，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)與應用中，其疲勞性能也必須納入考慮。 1.疲勞的概念及現象疲勞（Fatigue）是指材料、零件和構件在循環(huán)加載下，在某點或某些點產生 局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完 全斷裂的現象。早在19世紀就已查閱

2、到多起嚴重的疲勞破壞事故報道，由于當時顯微觀測 水平不夠發(fā)達，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生， 所以疲勞一度被認為是材料中發(fā)生的一種不可思議的奇妙現象。1842年轟動歐 洲的法國凡爾賽鐵路事故，使眾多科學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，疲勞相關研究領域發(fā)展蓬勃，有關 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目前的研究，影響疲勞性能的因素有很多，主要總結如下:表1影響疲勞性能的因素工作條件工作溫度、工作環(huán)境載荷條件應力狀態(tài)、循環(huán)特征、高載效應、載荷交變頻率零件幾

3、何形狀尺寸效應、缺口效應工件表面狀態(tài)表面光潔度、表面防腐蝕、表面強化材料本質化學成分、金相組織、纖維方向、內部缺陷工作環(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，表現出低溫脆性。一旦出現裂紋，則 易于發(fā)生失穩(wěn)斷裂。對此，應當十分注意。高溫將降低材料的強度，可能引起蠕 變，對疲勞也是不利的。同時還應注意，為改善疲勞性能而引入的殘余應力，也會因溫度升高而消失。在海水、水蒸氣、酸、堿溶液等腐蝕介質環(huán)境下的疲勞，腐蝕介質的作用對 疲勞是不利的。腐蝕疲勞過程是力學作用與化學作用的綜合過程，其破壞機理十 分復雜。腐蝕環(huán)境通常會使材料表面氧化。在一般

4、的情況下，氧化膜層可起保護作用，以免金屬材料進一步受到腐蝕。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橋梁的設計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 極限扭轉疲勞極限。假定作用應力水平相同，拉壓時高應力區(qū)體積等于試件整個試驗段的體積，如圖4所示:拉伸拉伸圖4不同載荷狀態(tài)下的高應力區(qū)彎曲情形下的高應力區(qū)體積則要小得多。疲勞破壞主

5、要取決于作用應力的大 小和材料抵抗疲勞破壞的能力，故疲勞破壞通常發(fā)生在高應力區(qū)或材料缺陷處。 假如圖中作用的循環(huán)最大應力相等，因為拉壓循環(huán)時高應力區(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，同樣的應力水平作用下，拉 壓循環(huán)載荷作用時的壽命比彎曲時短?；蛘哒f，同樣壽命下，拉壓循環(huán)下的疲勞 強度比彎曲時低。零件幾何形狀的影響：應力水平相同時，試件尺寸越大，高應力區(qū)域材料體 積就越大。疲勞發(fā)生在高應力區(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，故大尺寸構件的疲勞抗力低于小尺寸試件。或者說，在給定壽命 下，大尺寸構件的疲勞強度下降；在給定的應力水平下，大尺寸構件

6、的疲勞壽命 降低。這就是疲勞的尺寸效應。除此之外疲勞還存在缺口效應。在零件中難免出現孔洞這樣的幾何缺口。缺 口會引起應力不集中的現象，不同形狀的缺口會引起程度的應力集中。在應力集 中區(qū)更容易萌生疲勞裂紋源，而且促進裂紋的擴展。尖銳的缺口會產生更加嚴重 的應力集中現象，位置很靠近的多個缺口導致的影響區(qū)相互疊加也會使材料更容 易產生疲勞現象。圖5帶孔試樣拉伸試驗時明顯的應力集中表面狀態(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 力集中的程度加大，裂紋萌生壽命縮短。而且，材料強度越高，光潔度的影響越 大。另外，應力水平越低，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，應當注意防止碰劃。除表面光潔度的影響外，對工件表面進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，堅固件干涉配合等，在零構件 表面引入殘余壓應力，都是提高疲勞壽命常用的方法。材料強度越高，循環(huán)應力 水平越低，壽命越長，延長壽命的效果越好。在有應力梯度或缺口應力集中處采 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度并在材料表面引入壓縮殘余應力，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