金属疲劳问题的起源与发展

第一次工业革命后，随着蒸汽机等装备的相继发明，随之而来的是大量的断裂事故。人们发现：在循环载荷作用下，构件的使用寿命远小于设计寿命，甚至不到设计寿命的一半。随后人们开展了一些有针对性的研究，金属构件疲劳断裂的面纱渐渐被掀开。从此，人们逐步了解疲劳问题的本质，并看到了战胜金属疲劳的曙光。

对金属构件疲劳问题的最初理解始于19世纪。

起初人们很难理解，为什么在循环载荷或交变载荷下服役的金属构件的寿命远远小于设计寿命。在这段时间里，一些刻骨铭心的失效事件让人无比心痛，这也开启了人们对金属构件疲劳问题的认识。

William Albert于1837年首次发表了一篇金属疲劳的文章，并建立了循环载荷和金属构件耐久度(durability)之间的关系。

两年以后，也就是1839年，Jean-Victor Poncelet，球磨机(mill wheels)铸铁轴的设计者，首次使用了疲劳(fatigue)这个专业词汇。

19世纪一起最为严重的铁路事故在1842年发生了，大概在凡尔赛附近，火车头的车轴断裂了。

William John Macquorn Rankine是这起事故的调查员，他来自英国轨道车辆公司，针对这起失效车轴的事故分析表明：它的失效源于沿径向的脆性开裂。

1860-1870年间，August Wöler随后做了一些开拓性的工作，在他研究车轴失效机制的时候应用了受控负载循环。他引进了旋转弯曲疲劳测试，这项工作接下来直接促进了S-N曲线图的发展，S-N曲线图主要用于评估疲劳寿命和耐久度或金属的疲劳极限。疲劳极限代表在某一应力水平下金属将拥有无限或非常高的疲劳寿命。

在1886年，Johann Bauschinger写了第一篇关于材料循环应力-应变行为的文章。在19世纪末，Gerber和Goodman研究了平均应力对疲劳参数的影响并提出疲劳寿命简化理论。基于这些理论，设计者和工程师开始在产品研发时进行疲劳分析，对构件的寿命预测比以往更准确了。

在20世纪初叶，J. A. Ewing证实疲劳失效起源于微观裂纹。1910年，O.H. Baskin使用Wöler测试数据定义了一个典型的S-N曲线的形状并提出了对数关系。L. Bairstow接下来研究了金属在循环载荷条件下的循环硬化和软化行为。

Alan A. Griffith在1920年的工作直接导致断裂力学的诞生，他研究了裂纹在脆性玻璃中的扩展。当断裂力学的观点渗透到疲劳裂纹的表征后极大地加深了人们对疲劳断裂的理解。然而，尽管有了这样的发展，疲劳和断裂分析仍然不能被设计者熟练掌握和实践。

今天，我们的汽车、轮船和飞机等大型装备，其构件在进行生产之前都进行了抗疲劳设计，这种设计在较大程度上保证了在设计寿命范围内的安全。

安全并不是绝对的，随着人们对机械设备更高、更快、更苛刻的功能要求，金属疲劳还是无法避免，应引起人们更大的重视。因为它给金属构件带来的破坏是致命的和灾难性的。