疲勞是指機(jī)件和構(gòu)件在服役過程中，由于承受變動(dòng)載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以致斷裂失效的全過程。變動(dòng)載荷是引起疲勞破壞的外力，是指載荷大小甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力分為循環(huán)應(yīng)力和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

　　疲勞的特點(diǎn)是，具有壽命的斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度;疲勞是脆性斷裂(突發(fā)性);對(duì)缺陷(缺口、裂紋及組織缺陷)十分敏感。

　　在載荷下進(jìn)行試驗(yàn)，以提供材料或零部件的某種疲勞數(shù)據(jù)的試驗(yàn)稱為疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)按失效循環(huán)次數(shù)可分為高周疲勞試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn)，高周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)力為基本控制參數(shù);低周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)變?yōu)榛究刂茀?shù)。疲勞試驗(yàn)按載荷和環(huán)境可分為室溫疲勞試驗(yàn)、高溫疲勞試驗(yàn)、低溫疲勞試驗(yàn)、熱疲勞試驗(yàn)、腐蝕疲勞試驗(yàn)、接觸疲勞試驗(yàn)和沖擊疲勞試驗(yàn)。

　　疲勞斷口

　　疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程。由于應(yīng)力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個(gè)區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)(裂紋源)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。

　　疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線

　　I區(qū)：裂紋初始擴(kuò)展階段，10-8~10-6mm/周次，快速提高，但△K變化范圍很小所以提高有限;

　　II區(qū)：裂紋擴(kuò)展主要階段，10-5~10-2mm/周次，da/dN~△K 呈冪函數(shù)關(guān)系，△K變化范圍很大，擴(kuò)展壽命長(zhǎng)。

　?、髤^(qū)：裂紋擴(kuò)展最后階段，da/dN很大，并隨△K增加而很快地增大，只需擴(kuò)展很少周次即會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。

　　疲勞源

　　該區(qū)最光亮(該斷面經(jīng)多次摩擦擠壓);裂紋源位于裂紋擴(kuò)展區(qū)的貝紋弧線凹向一側(cè)的焦點(diǎn)位置;可以有一個(gè)或者多個(gè)(與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān));對(duì)于多個(gè)裂紋源，一般源區(qū)越亮、裂紋擴(kuò)展區(qū)越大、貝紋線越密，則該裂紋源越早產(chǎn)生。

　　疲勞區(qū)

　　是裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。斷口比較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。貝紋線是載荷變動(dòng)引起的，貝紋線是一簇以裂紋源為圓心的平行弧線，近源處則貝紋線距越密，遠(yuǎn)離源處則貝紋線距越疏。

　　瞬斷區(qū)

　　是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。該斷口區(qū)比疲勞區(qū)粗糙，與靜載的斷口相似(脆性材料斷口呈結(jié)晶狀，韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在)，位置一般處于裂紋源的對(duì)側(cè)。區(qū)域大小與材料承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應(yīng)力或低韌性材料，最后斷裂區(qū)大，反之，最后斷裂區(qū)小。

　　疲勞曲線與疲勞極限

　　疲勞曲線：是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線，用于確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。

　　典型的幾種材料的疲勞曲線

　　疲勞極限：指材料抵抗無限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo);條件疲勞極限指材料抵抗有限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)。二者統(tǒng)稱為疲勞強(qiáng)度。

　　對(duì)稱循環(huán)載荷是一種常規(guī)載荷，有對(duì)稱彎曲、對(duì)稱扭轉(zhuǎn)及對(duì)稱拉壓等。其對(duì)應(yīng)的疲勞極限稱為σ-1、τ-1、σ-1p。其中，σ-1是常用的對(duì)稱循環(huán)疲勞極限?？估瓘?qiáng)度越大，疲勞極限越大。

　　鋼的疲勞極限σ-1與抗拉強(qiáng)度σb的關(guān)系

　　疲勞試驗(yàn)方法

　　金屬材料疲勞極限試驗(yàn)，是通過模擬結(jié)構(gòu)或部件的實(shí)際工作情況，在試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定材料的疲勞曲線，用以估計(jì)結(jié)構(gòu)或部件的疲勞特性。

　　一般該類試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，所需設(shè)備比較復(fù)雜，但是由于一般的力學(xué)試驗(yàn)如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗(yàn)，都不能夠提供材料在反復(fù)交變載荷作用下的性能，因此對(duì)于重要的零構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是必須的。

　　常用試驗(yàn)方法及其特點(diǎn)

　　單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法

　　單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法適用于金屬材料構(gòu)件在室溫、高溫或腐蝕空氣中旋轉(zhuǎn)彎曲載荷條件下服役的情況。

　　試驗(yàn)設(shè)備：彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、抗壓試驗(yàn)機(jī)。

　　試樣要求：試樣數(shù)量為8~10根;試樣尺寸要求最小截面直徑d一般取6，7.8，9mm，偏差小于0.005d。

　　(a) 圓柱形試樣;(b) 圓錐形試樣;(c)漏斗形試樣

　　試樣形狀示意圖

　　升降法疲勞試驗(yàn)

　　升降法疲勞試驗(yàn)主要用于測(cè)定中、長(zhǎng)壽命區(qū)材料或結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的隨機(jī)特性。在常規(guī)疲勞試驗(yàn)方法測(cè)定疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，或在指定壽命的材料、結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度無法通過試驗(yàn)直接測(cè)定的情況下，一般采用升降法疲勞試驗(yàn)間接測(cè)定疲勞強(qiáng)度。

　　試驗(yàn)設(shè)備：抗壓疲勞試驗(yàn)機(jī)。

　　(a) 圓形截面試樣;(b) 矩形截面試樣

　　試樣形狀示意圖(試樣數(shù)量：約16根)

　　升降法示意圖

　　試驗(yàn)方法：

　　1) 試驗(yàn)從高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力水平開始，然后逐級(jí)降低(如疲勞強(qiáng)度未知，可選用材料的靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度Rp0.2或ReL);

　　2) 在應(yīng)力水平下進(jìn)行第一根試驗(yàn)，如果在指定壽命N=107次之前發(fā)生破壞，則下一根試樣就要在低一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行，反之，則要在高一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行，直至完成全部試樣;

　　3) 各級(jí)應(yīng)力水平之差叫做“應(yīng)力增量”，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，應(yīng)力增量應(yīng)保持不變。

　　數(shù)據(jù)處理：將出現(xiàn)第一對(duì)相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)舍棄;以Vi表示在第i級(jí)應(yīng)以水平σi下進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)，n表示有效試驗(yàn)總次數(shù)，m表示升降應(yīng)力水平的級(jí)數(shù)。

　　高頻振動(dòng)疲勞試驗(yàn)法

　　高頻振動(dòng)試驗(yàn)利用試驗(yàn)器材產(chǎn)生含有循環(huán)載荷頻率為1000Hz左右特性的交變慣性力作用于疲勞試樣上，可以滿足在高頻、低幅、高循環(huán)環(huán)境條件下服役金屬材料的疲勞性能研究。高頻振動(dòng)試驗(yàn)主要用于軍民機(jī)械工程的需要。

　　高頻振動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖

　　試樣要求：試樣形狀同單點(diǎn)疲勞試樣相同;試樣材料一般選用高強(qiáng)度鋼。

　　數(shù)據(jù)處理：將獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以試驗(yàn)應(yīng)力σ為縱坐標(biāo)，以疲勞壽命的對(duì)數(shù)lgN為橫坐標(biāo)，由如下公式按照最小二乘法擬合直線的原理，使各數(shù)據(jù)點(diǎn)到直線的水平距離的平方和為最?。簂gN=a+b(σ-σ0)。

　　超聲波疲勞試驗(yàn)

　　超聲法疲勞試驗(yàn)是一種加速共振式的疲勞試驗(yàn)方法，其測(cè)試頻率 (20kHz) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)疲勞測(cè)試頻率 (小于200Hz)。超聲法疲勞試驗(yàn)一般用于超高周疲勞試驗(yàn)，主要針對(duì)109以上周次疲勞試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)裝置主要包括：

　　1) 超聲頻率發(fā)生器(將超聲正弦波電信號(hào)由50Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?0kHz);

　　2) 壓力陶瓷換能器(將電源提供的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動(dòng)信號(hào));

　　3) 位移放大器(放大位移振幅使試樣獲得所需的應(yīng)變振幅)。

　　試驗(yàn)裝置原理：由壓電陶瓷換能器、位移放大器和試樣組成的超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)成了一個(gè)力學(xué)振動(dòng)系統(tǒng)，試樣的加載是由外加信號(hào)激勵(lì)試樣發(fā)生諧振，在試樣中產(chǎn)生諧振波來實(shí)現(xiàn)。

　　超聲法疲勞試驗(yàn)裝置示意圖

　　試樣分為拉壓試樣和三點(diǎn)彎曲試樣。

　　(a) 拉壓試樣;(b) 三點(diǎn)彎曲試樣

　　試樣示意圖

　　數(shù)據(jù)處理：試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Basquin方程描述：σa=σf ’(2Nf)bλ。其中σa表示應(yīng)力幅，σf表示應(yīng)表示疲勞強(qiáng)度系數(shù)，Nf表示試驗(yàn)所得疲勞壽命，以Nf為橫坐標(biāo)，以σa為縱坐標(biāo)繪制超聲疲勞S-N曲線。

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