如果讓你徒手掰斷一根堅(jiān)硬的鐵絲，你會(huì)怎么做？
徒手掰斷鐵絲非常困難，但反復(fù)彎折數(shù)次后鐵絲便變得容易許多。多次的彎折作用導(dǎo)致材料的機(jī)械性能下降，最終表現(xiàn)為金屬斷裂。如同我們的身體處于長期工作狀態(tài)會(huì)疲勞，長期的反復(fù)彎折也會(huì)導(dǎo)致金屬疲勞，金屬在這種情況下的失效便是“疲勞失效"。
圖片源自網(wǎng)絡(luò)
疲勞失效是指材料在反復(fù)加載的條件下，由于長期承受循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變而導(dǎo)致的失效現(xiàn)象。
與一次性超過材料強(qiáng)度極限的靜態(tài)失效不同，疲勞失效通常發(fā)生在應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度甚至抗拉強(qiáng)度的情況下。疲勞失效廣泛存在于機(jī)械結(jié)構(gòu)、工程材料和電子元器件中，是影響系統(tǒng)可靠性和使用壽命的重要因素。
高溫金屬疲勞測試
疲勞失效的發(fā)生過程可以分為三個(gè)階段：
1. 裂紋萌生階段：在材料表面或內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域，微小的缺陷、孔洞、夾雜物或材料的異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。在反復(fù)加載的作用下，這些區(qū)域逐漸積累塑性變形，最終形成初始裂紋。
2. 裂紋擴(kuò)展階段：一旦裂紋形成，隨后的每一個(gè)載荷循環(huán)都會(huì)導(dǎo)致裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展的速率取決于材料的韌性、循環(huán)應(yīng)力幅值以及環(huán)境因素。疲勞裂紋擴(kuò)展的特征是每個(gè)循環(huán)引發(fā)的裂紋擴(kuò)展長度非常小，但累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致裂紋逐漸擴(kuò)展至危險(xiǎn)長度。
3. 最終失效階段：當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一臨界尺寸時(shí)，剩余的未損傷截面無法承受外部載荷，導(dǎo)致材料的突然斷裂或失效。這種斷裂通常發(fā)生在一個(gè)加載周期內(nèi)，因此常被視為突發(fā)性的。
傳動(dòng)軸斷面
疲勞失效是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜過程，以下是幾種主要的影響因素：
1. 應(yīng)力水平和應(yīng)力比：應(yīng)力幅值越大，疲勞壽命越短。應(yīng)力比（最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值）也會(huì)顯著影響疲勞行為，正應(yīng)力比（拉應(yīng)力占主導(dǎo)）通常更容易導(dǎo)致疲勞失效。
2. 應(yīng)力集中：孔洞、刻痕、焊縫等局部幾何不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，極大地加速疲勞失效的進(jìn)程。
3. 材料微觀結(jié)構(gòu)：晶粒尺寸、相界面、夾雜物和沉淀相等微觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有重要影響。例如，細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)通常具有較好的抗疲勞性能。
4. 表面狀態(tài)：材料表面的粗糙度、殘余應(yīng)力、氧化層或腐蝕狀況都會(huì)影響疲勞失效。光滑的表面和有殘余壓應(yīng)力的表面通常能夠提高材料的疲勞壽命。
5. 環(huán)境因素：環(huán)境溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)等會(huì)加速疲勞裂紋的擴(kuò)展過程。例如，在腐蝕環(huán)境下發(fā)生的腐蝕疲勞會(huì)比純機(jī)械疲勞更加嚴(yán)重。
疲勞壽命預(yù)測是工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟，常用的疲勞壽命預(yù)測方法包括應(yīng)力壽命法、應(yīng)變壽命法和斷裂力學(xué)法。
應(yīng)力壽命法（S-N 法）：該方法通過實(shí)驗(yàn)測量材料在不同應(yīng)力幅值下的疲勞壽命，并繪制 S-N 曲線（應(yīng)力-壽命曲線）。S-N 法適用于高周疲勞（循環(huán)次數(shù)大于 104 次）的情況，特別是低應(yīng)力高循環(huán)疲勞。
摘自 GB/T 3075-2021 標(biāo)準(zhǔn)
應(yīng)變壽命法（ε-N 法）：該方法適用于低周疲勞（循環(huán)次數(shù)小于 104 次）情況，尤其是在塑性變形占主導(dǎo)的條件下。通過應(yīng)變控制實(shí)驗(yàn)，可以獲得材料的應(yīng)變-壽命曲線，從而預(yù)測疲勞壽命。
應(yīng)力-應(yīng)變遲滯曲線
摘自 GB/T 26077-2021 標(biāo)準(zhǔn)
斷裂力學(xué)法：該方法通過分析裂紋擴(kuò)展速率和裂紋臨界長度來預(yù)測疲勞壽命。該方法在預(yù)測含裂紋結(jié)構(gòu)或高應(yīng)力集中區(qū)域的疲勞壽命時(shí)尤為有效。
摘自 GB/T 6398-2017 標(biāo)準(zhǔn)
為防止疲勞失效，設(shè)計(jì)師和工程師通常采取以下措施：
1. 優(yōu)化設(shè)計(jì)：通過減少應(yīng)力集中區(qū)域（如圓角代替尖角）和優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局來降低局部應(yīng)力水平。
2. 材料選擇：選用具有優(yōu)良抗疲勞性能的材料，如細(xì)晶粒材料、疲勞裂紋擴(kuò)展速率低的合金材料等。
3. 表面處理：通過表面硬化、噴丸處理、拋光或涂覆保護(hù)層等方法提高材料表面的抗疲勞性能。
4. 控制使用環(huán)境：通過減少腐蝕介質(zhì)的接觸，控制環(huán)境溫度和濕度，可以有效延長材料的疲勞壽命。
5. 定期檢測與維護(hù)：在實(shí)際使用中，定期進(jìn)行無損檢測（如超聲波、X 射線檢測）以發(fā)現(xiàn)早期裂紋，并及時(shí)修復(fù)或更換關(guān)鍵部件，防止疲勞失效的發(fā)生。
疲勞失效是機(jī)械結(jié)構(gòu)和工程材料中常見的失效形式之一，其復(fù)雜的形成機(jī)制和多樣的影響因素使得預(yù)測和預(yù)防疲勞失效具有很高的技術(shù)挑戰(zhàn)性。
通過深入理解疲勞失效的機(jī)理，合理應(yīng)用疲勞壽命預(yù)測方法，以及采取有效的預(yù)防措施，可以顯著提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，從而減少工程事故和經(jīng)濟(jì)損失。
本期小英筆記就到這里
什么是疲勞失效
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