金屬材料疲勞研究綜述

金屬材料疲勞研究綜述摘要：人會疲勞，金屬也會疲勞嗎？早在100多年前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬也是會疲勞的，并且發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞帶給人們各個方面的危害，所以研究金屬材料的疲勞是非常有必要的。本文主要講述了國內(nèi)外關于金屬疲勞的研究進展，概述了金屬產(chǎn)生疲勞的原因及影響因素，以及金屬材料疲勞的試驗方法。關鍵詞：金屬材料疲勞裂紋疲勞壽命引言金屬疲勞的概念，最早是由J．V．Poncelet于1830年在巴黎大學講演時采用的。當時，“疲勞”一詞被用來描述在周期拉壓加載下材料強度的衰退。引述美國試驗與材料協(xié)會(ASTM)在“疲勞試驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之有關術語的標準定義”(EZ06-72)中所作的定義:在某點或某些點承受撓動應力，且在足夠多的循環(huán)撓動作用之后形成裂紋或完全斷裂時，材料中所發(fā)生的局部永久結構變化的發(fā)展過程，稱為“疲勞”。金屬疲勞是指材料、零構件在循環(huán)應力或循環(huán)應變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。在材料結構受到多次重復變化的載荷作用后，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料和結構的破壞現(xiàn)象，就叫做金屬的疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計金屬材料失效80%是由于疲勞引起的，且表現(xiàn)為突然斷裂，無論材料為韌性材料還是塑性材料都表現(xiàn)為突然斷裂，危害極大，所以研究金屬的疲勞是非常有必要的。由于金屬材料的疲勞一般難以發(fā)現(xiàn)，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞給各個方面帶來的損害。由于但是條件的限制，還不能查明疲勞破壞的原因。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國的5000艘貨船共發(fā)生1000多次破壞事故，有238艘完全報廢，其中大部分要歸咎于金屬的疲勞。2002年5月，華航一架波音747-200型客機在由臺灣中正機場飛往香港機場途中空中解體，19名機組人員及206名乘客全部遇難。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機后部的金屬疲勞裂紋造成機體在空中解體，是導致此次空難的根本原因。直到出現(xiàn)了電子顯微鏡之后，人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得了新的成果，才開發(fā)出一些發(fā)現(xiàn)和消除金屬疲勞的手段。金屬疲勞的有關進展1839年巴黎大學教授在講課中首先使用了“金屬疲勞”的概念。1850一1860年德國工程師提出了應力-壽命圖和疲勞極限的概念。1870一1890年間，Gerber研究了平均應力對疲勞壽命的影響。Goodman提出了考慮平均應力影響的簡單理論。1920年Griffith發(fā)表了關于脆性材料斷裂的理論和試驗結果。發(fā)現(xiàn)玻璃的強度取決于所包含的微裂紋長度，Griffith理論的出現(xiàn)標志著斷裂力學的開端。1945年Miner用公式表達出線性積累損傷理論。五十年代，力學理論上對提出應力強度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性應變幅值和疲勞壽命之間的關系。Paris在1963年提出疲勞裂紋擴展速率da／dN和應力強度因子幅值?k之間的關系。1974年，美年來許多學者悉心研究的重要課題，特別是中、高強鋼或高硬度鋼，夾雜物和缺陷對疲勞強度的影響更加顯著。鋼材中總是存在有各種各樣的缺陷和夾雜物，它們周圍應力分布的不均勻?qū)ζ诹鸭y萌生和早期擴展有重要作用，也是引起應力集中的原因之一，對疲勞強度影響很大。但是，由于這個問題的復雜性，要尋求一種統(tǒng)一的處理方法是相當困難的。金屬表面的情況、金屬所處的介質(zhì)環(huán)境等對金屬的疲勞都用影響。古人就知道了如何讓金屬“強壯”的方法，那就是鍛煉它們，令它們“百煉成鋼”?，F(xiàn)在我們所說的“鍛煉身體”一詞，其實就來源于對金屬的鍛煉，我們應該像鍛煉金屬一樣鍛煉自己的身體。鍛煉金屬的方法是熱處理，例如對鋼不斷回火和捶打，使其韌化。減弱金屬容易疲勞的特性，人們想到的另外一個方法是向單一金屬中摻入其他物質(zhì)，填補金屬中的空隙和瑕疵。如果摻入的物質(zhì)是金屬，就可以制造出合金，用兩種金屬相互填充空隙的方法來彌補瑕疵，并使得金屬強度增高。向金屬中加入碳，也可以彌補金屬中的瑕疵，制造出高強度碳鋼。在金屬材料中添加各種“維生素”，也是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領，延長使用壽命。在設計機械時，也應盡量減少可能發(fā)生的金屬疲勞事故。比如，可以消除零件上的薄弱環(huán)節(jié)，減少開孔、挖槽、切口等，因為疲勞裂紋常發(fā)生在這些地方；提高零件表面的光潔度，保護表面不受生銹腐蝕之害，加工粗糙所產(chǎn)生的刻劃痕以及材料銹腐之處，都是容易產(chǎn)生微細裂紋的；對零件表面進行強化處理，比如，輾壓零件的表面，使材料表面強化，從而不易產(chǎn)生微細裂紋。金屬材料疲勞的試驗方法疲勞試驗用以測定材料或結構疲勞應力或應變循環(huán)數(shù)的過程。疲勞是循環(huán)加載條件下，發(fā)生在材料某點處局部的、永久性的損傷遞增過程。經(jīng)足夠的應力或應變循環(huán)后，損傷積累可使材料發(fā)生裂紋，或是裂紋進一步擴展至完全斷裂。出現(xiàn)可見裂紋或完全斷裂統(tǒng)稱疲勞破壞。按破壞循環(huán)次數(shù)的高低，疲勞試驗分為兩類：（1）高循環(huán)疲勞（高周疲勞）試驗，對于此種試驗，施加的循環(huán)應力水平較低；（2）低循環(huán)疲勞（低周疲勞）試驗，此時循環(huán)應力常超過材料的屈服極限，故通過控制應變實施加載。按材料性質(zhì)劃分有金屬疲勞試驗和非金屬疲勞試驗；按工作環(huán)境劃分包括高溫疲勞試驗、熱疲勞（由循環(huán)熱應力引起）試驗、腐蝕疲勞試驗、微動摩擦疲勞試驗、聲疲勞（由噪聲激勵引起）試驗、沖擊疲勞試驗、接觸疲勞試驗等。金屬疲勞試驗時，應力隨時間一般呈正弦波形變化，但有時也采用三角形、矩形等應力波形。金屬疲勞試驗時最廣泛采用的是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗和軸向加載疲勞試驗。金屬在疲勞極限下實際所通過的最大循環(huán)次數(shù)稱為試驗基數(shù)。鋼鐵及鈦合金等，基數(shù)一般為10；對于有色金屬、特殊鋼及在高溫、腐蝕等試驗條件下，基數(shù)一般為10。一些金屬存在疲勞極限，對應地在曲線上出現(xiàn)水平部分。一些金屬不存在疲勞極限，其曲線無水平部分；隨循環(huán)周次增加，金屬所能承受的應力不斷減小，因此將對應于規(guī)定周次的應力稱為條件疲勞極限。金屬疲勞極限一般根據(jù)10個以上相同試樣的疲勞試驗結果所繪制的曲線求得或用升降法求得。金屬疲勞強度是一種對金屬外在缺陷、內(nèi)在缺陷、顯微組織和環(huán)境條件非常敏感的性能，通過疲勞試驗所測定的試驗數(shù)據(jù)一般都很分散，疲勞斷口金屬疲勞裂紋通常在表面層應力集中處(滑移帶、夾雜、析出微粒、劃痕、缺口、冶金缺陷等)萌生、而后擴展至斷裂。金屬疲勞斷裂表面的外觀形貌稱之為疲勞斷口。一般分為三區(qū)：即疲勞源（萌生疲勞裂紋的核心策源地）；疲勞裂紋擴展區(qū)（擴展過程中留下呈同心弧線的貝殼狀形貌，光亮平滑，顆粒細，有時呈瓷狀）；終斷區(qū)（剩余截面不足以支承峰值應力因過載荷而靜斷，呈暗灰色纖維狀或晶粒狀）。斷口是試樣或零件在試驗或使用過程中斷裂后形成的相匹配的表面,它是斷裂失效最主要的殘骸,也是斷裂失效分析最重要的物證。斷口忠實記錄了材料在載荷與環(huán)境作用下,斷裂前的不可逆變形以及裂紋萌生和擴展直至斷裂的全過程。因此可以通過分析斷口的特征規(guī)律反推載荷和斷裂環(huán)境等信息?？偨Y為提高抗疲勞性能和分析的準確性，充分利用材料潛力，結構與材料的設計與制造，正朝著微觀組織結構與應力力應變分布盡可能均勻化、表面加工盡可能光滑化和預測盡可能精確化的方向發(fā)展。參考文獻[1]K.J.Miller.金屬疲勞——過去、現(xiàn)在和未來[J].機械強度,1993,15（1）:77-80.[2]陳傳堯.疲勞與斷裂[M]．武漢:華中科技大學出版社,2002:1-5.[3]林吉忠.金屬的缺陷、載荷與疲勞[M]．北京:中國鐵道出版社,1993．[4]楊先碧.破解金屬疲勞的奧秘[N].大眾科技報,2011-6-21(5).[5]郝富杰.概述金屬疲勞產(chǎn)生的原因及影響因素[J].山西建筑,2011,37（11）:51-52．[6]哈寬富.金屬力學性能的微觀理論[M].科學出版社,1983:550-551