一文详解材料与结构的疲劳及腐蚀疲劳
认识疲劳
疲劳是材料（金属）承受循环应力或应变作用时，结构性能下降，并最终导致破坏的现象。疲劳失效是最常见的失效形式之一。文献中提供的数据显示，各种机械中，疲劳失效的零件占失效零件的60%~70%。疲劳断裂失效原则上属于低应力脆断失效，疲劳中难以观察到明显的塑性变形，因为这是以局部塑性变形为主，且主要发生在结构的固有缺陷上。虽然频率对疲劳失效有一定影响，但多数情况下疲劳失效主要与循环次数有关。 01 按引起疲劳失效的应力特点可以分为： 由机械应力引起的机械疲劳和热应力（交变热应力）引起的热疲劳等 02 从循环周次可分为： 高周、低周、超高周疲劳 03 根据载荷性质可分为： 拉-压疲劳、扭转疲劳以及弯曲疲劳等 04 根据工件的工作环境可分为： 腐蚀疲劳、低温疲劳、高温疲劳等 01 冲击疲劳 是指重复冲击载荷所引起的疲劳。当冲击次数N小于500~1000次即破坏时，零件的断裂形式与一次冲击相同；当冲击次数大于105次时的破坏，零件断裂属于疲劳断裂，并具有典型的疲劳断口特征。在设计计算中，当冲击次数大于100次时，用类似于疲劳的方法计算强度。 02 接触疲劳 零件在循环接触应力作用下产生局部永久性累计损伤，经过一定循环次数后，接触表面发生麻点、浅层或深层剥落的过程，称为接触疲劳。接触疲劳是齿轮、滚动轴承和凸轮轴的典型失效形式。 03 热疲劳 由于温度循环产生循环热应力所导致的材料或零件的疲劳称为热疲劳。温度循环变化导致材料体积循环变化，当材料的自由膨胀或收缩受到约束时，产生循环热应力或循环热应变。 1 零件的热胀冷缩受到固持零件的外加约束而产生热应力； 2 虽然没有外加约束，但两件各部分的温度不一致，存在着温度梯度，导致各部分热胀冷缩不一致而产生热应力。 温度交变作用，除了产生热应力外，还会导致材料内部组织变化，使强度和塑性降低。热疲劳条件下的温度分布不是均匀的，在温度梯度大的地方，塑性变形严重，热应变集中较大；当热应变超过弹性极限时，热应力与热应变就不呈线性关系，此时求解热应力就要按弹塑性关系处理。热疲劳裂纹从表面开始向内部扩展，方向与表面垂直。 热应力的大小与热胀系数成正比，热胀系数越大，热应力越大。所以在选材时要考虑材料的匹配，即不同材料热膨胀系数的差别不能太大。在相同的热应变条件下，材料的弹性模量越大，热应力就越大；温度循环变化越大，即上下限温差越大，则热应力就越大；材料的热导率越低，则快速加速或冷却过程中，温度梯度越陡，热应力也越大。 04 腐蚀疲劳 腐蚀介质和循环应力（应变）的复合作用所导致的疲劳称为腐蚀疲劳。腐蚀介质与静应力共同作用产生的腐蚀破坏称为应力腐蚀。两者的区别在于，应力腐蚀只有在特定的腐蚀环境中才发生，而腐蚀疲劳在任何腐蚀环境及循环应力复合作用下，都会发生腐蚀疲劳断裂。应力腐蚀开裂，有一个临界应力强度因子KISCC，当应力强度因子KI≤KISCC，就不会发生应力腐蚀开裂；而腐蚀疲劳不存在临界应力强度因子，只要在腐蚀环境中有循环应力继续作用，断裂总是会发生的。 疲劳寿命 当一个材料或机械部件失效时，总寿命通常由三部分组成： 裂纹萌生寿命，大量工程实践表明，实际服役过程中机械部件裂纹的萌生寿命占据疲劳寿命的绝大部分（甚至达到总寿命的90%）。 失稳扩展至断裂寿命。 金属材料的疲劳形式 金属材料的疲劳主要有以下几种： 一般的塑性变形 低周疲劳下的塑性变形 高周疲劳下的塑性变形 超高周疲劳下晶粒尺寸的微观塑性变形 影响材料与结构疲劳强度的因素 01 平均应力 02 应力集中 由于工作条件或加工工艺的要求，零件常带有台阶、小孔、键槽等，使截面发生突然变化，从而引起局部的应力集中，这将显著地降低材料的疲劳极限，但实验表明，疲劳极限降低的程度并不是与应力集中系数成正比。但如果要准确地预测机械部件的疲劳行为，就必须估计高应力区或者含制造缺陷的裂纹萌生寿命。 03 残余应力 文献研究指出，探讨残余应力对金属疲劳强度的影响，需在高周疲劳下才有意义，因为低周疲劳的高应变幅下残余应力将大幅度地松弛，所以在低周疲劳下显示不出多大的作用。表层残余压应力对于承受轴向载荷且疲劳裂纹起源于表面的零部件是有益的，但要注意核心部区域的残余拉应力叠加外载后发生屈服所引起的残余应力松弛问题。残余应力对零件缺口疲劳强度的作用十分显著，这是由于残余应力也存在应力集中现象和残余应力对疲劳裂纹扩展的影响更大的缘故。但残余应力的应力集中不仅与缺口几何因素有关，还与材料特性有关。 04 尺寸效应 材料的疲劳极限σ-1值通常是用小试样测定的，试样直径一般在7~12mm，而实际构件的截面往往大于该尺寸。试验指出，随着试样直径的加大，疲劳极限下降。其中，强度高的钢比强度低的钢下降的快。 05 构件表面状态 构件表面是疲劳裂纹核心易于产生的地方，而承受交变弯曲或交变扭转负荷的构件，表面应力最大。构件表面的粗糙度、机械加工的刀痕都会影响疲劳强度。表面损伤（刀痕、磨痕等）本身就是表面缺口，会产生应力集中。使其疲劳极限降低，且材料强度越高，缺口敏感性越显著，加工表面质量对疲劳极限的影响就越大。 06 环境因素 广义的高温疲劳是指高于常温的疲劳现象。但通常情况下，由于有些零件的工作温度虽然高于室温，但并不太高。只有当温度高于0.5Tm（Tm为以热力学温度表示的熔点），或在再结晶温度以上时，出现了蠕变与机械疲劳复合的疲劳现象，这时才称为高温疲劳。 07 载荷类型 不同载荷下疲劳极限的大小顺序为：旋转弯曲＜平面弯曲＜压缩载荷＜扭转载荷。在腐蚀介质中，加载频率的裂纹扩展的作用比较明显。在室温和试验环境下中，常规频率 (0.1~100Hz) 对钢和黄铜的裂纹扩展几乎没有任何影响。在试验中一般而言，如果试验加载频率低于250Hz，频率对金属材料的疲劳寿命的影响就较小。 08 材料缺陷 脆性材料不存在应力降低或加工硬化现象，一旦出现缺口，在较小的名义应力条件下就可能发生断裂。经验表明，当存在缺口时，金属的疲劳极限降低，并且塑性越差，缺口对疲劳极限的影响越大。 09 加工方式 文献中指出，在疲劳试验试样的制备过程应是导致试验数据离散性最重要的环节，如车、铣和校直等机械加工方式都与试样的最终制备质量有关。正是由于制备方式和热处理因素会影响材料的疲劳性能，尤其是热处理的影响较大，因而即使是同一批次和尺寸、形貌完全相同的试验也很难完全重复以前的疲劳试验结果。由此可见，工件的生产加工因素会导致零部件的实际疲劳寿命偏离分析计算的期望寿命值。 10 材料属性 疲劳试验数据的离散性 试验设备和试样本身是造成疲劳试验数据（或结果）离散性的根本原因。据文献分析介绍，在测定零构件的疲劳寿命时，名义载荷相对实际载荷有3%的误差，就会使疲劳寿命产生60%的误差，极端情况可能会导致120%的寿命误差。而对于疲劳试验机来说，3%误差是完全允许的。不过文中也提到，在静力破坏试验中，即使对强度分散性较大的铸造材料和玻璃等，也不像疲劳寿命那样存在严重的分散性。
