概述金属疲劳产生的原因及影响因素

郝富杰

1 金属疲劳的定义

金属疲劳的概念，最早是由J.V.Poncelet于1830年在巴黎大学讲演时采用的。当时，“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会(ASTM)在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”(EZ06-72)中所作的定义:在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。

2 疲劳破坏的特征

由于疲劳而发生破坏的失效方式，称为疲劳破坏。疲劳破坏和静力破坏有着本质的区别，主要有以下特征:

1 )只有在材料承受挠动应力作用条件下时，疲劳才会发生。所谓“挠动应力”(或称交变应力、循环应力)，是指随时间变化的应力。这种变化可以是有规律的，也可以是不规律的，甚至是随机的。2)疲劳是一个“发展过程”，这一过程发生在一段时间内(即寿命)。我们观察到的“形成裂纹”和“断裂”，是这一发展过程中不断形成的损伤累积的结果。疲劳过程的发展必定会形成裂纹，断裂是由于裂纹扩展到临界尺寸造成的。它标志着疲劳发展过程的终结。3)所谓“局部”，是疲劳的一个明显的特点。疲劳通常在某局部区域内发生，而不是由整个结构或构件所控制。这种局部区域一般处在由于外载荷的作用、构件几何形状变化、温差、残余应力或材料的缺陷而引起应力集中(或应变集中)的地方，疲劳分析所关心的正是这些高应力或高应变区。4)疲劳过程是结构内部永久变化造成损伤的累积过程。这种永久变化是循环塑性变形的作用。如果只发生循环弹性变形，则因为弹性变形的可恢复性，将不出现疲劳破坏。循环塑性变形是产生疲劳破坏的根本原因。

3 疲劳破坏的影响因素

金属材料受到外力作用后，其内部即处于受胁和松弛这样一种矛盾的状态之中。受胁表明材料内部能量升高，而松弛则可能使能量降低，松弛过程主要通过塑性变形和断裂来实现。当金属受胁达到饱和状态而不能继续再用塑性变形或根本就不能以塑性变形来松弛时，若再增加应力，它就会以断裂的形式来彻底松弛疲劳破坏。由于没有明显的宏观塑性变形，破坏十分突然，往往造成灾难性事故，引起巨大的经济损失。因此，研究疲劳断裂的原因，寻找提高材料抗疲劳的途径以防止疲劳断裂事故的发生，对于发展国民经济和科学技术都有重大的意义。

疲劳的实质是微观裂纹在连续重复载荷作用下不断扩展，直到最后达到临界尺寸时出现的突发性断裂破坏。破坏时截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至还可能低于屈服点，塑性变形很小。因此，疲劳破坏属于没有明显变形的脆性破坏，有着较大的危险性。即使是塑性材料，在循环载荷的作用下，也和脆性材料一样，大都会发生疲劳破坏。然而疲劳又是一个非常复杂的过程，从微观到宏观，疲劳行为受很多因素的影响。

由于疲劳裂纹经常从零构件的表面开始，所以金属零构件的表面状态对疲劳强度会有显著的影响。这里所指的表面就是表面加工光洁度、表面层的组织结构及应力状态等。大量的试验研究结果表明，表面光洁度对疲劳强度有较大的影响，因为零构件经表面加工后所引起的表面缺陷是应力集中的因素。特别是对高强度材料，表面稍有缺陷，就常成为极危险的尖锐缺口，这是疲劳源的所在地。

载荷形式(弯曲、轴向或扭转)对疲劳强度有一定影响。大量的实验结果表明，在应力幅度相同时，弯曲疲劳的寿命大于轴向疲劳寿命;在给定的疲劳寿命时，轴向疲劳应力幅度小于弯曲疲劳的应力幅度，这种现象在高应力低周疲劳中更加明显(见图1)。

出现这种矛盾的原因是存在应变梯度、体积效应、循环应变硬化和软化，以及表面裂纹萌生后裂纹扩展的不同。由此可推想到旋转弯曲疲劳寿命也应当小于反复弯曲疲劳寿命。旋转弯曲试样表面的所有材料，在不同的时间内，均能受到最大应力作用;而反复弯曲试样只有上部和下部的最外层能承受到最大应力，相比之下，旋弯试样出现裂纹的几率大，寿命短。

在对称循环载荷下，得到的S—N曲线是基本S—N曲线，然而在构件设计中，载荷往往并非对称循环，即平均应力不一定等于零。因此，要考虑到平均应力对于材料疲劳性能的影响。一般说来，在应力幅相同的情况下，拉伸平均应力使疲劳强度和寿命降低，而压缩平均应力产生的影响则比较有利(见图2)。

化学成分也直接影响材料的疲劳特性，因为原子间的化学结合力的性质及强度决定材料的强度及韧度的可能变动范围。一切金属及合金都受疲劳的支配。对于所有金属，疲劳强度指数及疲劳韧度指数的可能范围大致都是相同的。但是，疲劳强度系数及疲劳韧度系数的可能范围却视金属的不同而有很大变化。化学成分由于变更结构或影响某一硬化程序的有效性，因而也间接地影响疲劳特性。

夹杂物和缺陷对疲劳强度的影响是多年来许多学者悉心研究的重要课题，特别是中、高强钢或高硬度钢，夹杂物和缺陷对疲劳强度的影响更加显著。钢材中总是存在有各种各样的缺陷和夹杂物，它们周围应力分布的不均匀对疲劳裂纹萌生和早期扩展有重要作用，也是引起应力集中的原因之一，对疲劳强度影响很大。但是，由于这个问题的复杂性，要寻求一种统一的处理方法是相当困难的。

4 问题的补充

疲劳破坏同工程构件的真实结构完整密切相关，但不应该忽视疲劳研究的机理性基础和科学基础。其理由如下:

1 )即便构件的尺度和裂纹的尺寸比显微组织的尺度大几个数量级，疲劳裂纹顶端出现的永久损伤的尺寸范围通常与材料的特征微观尺度相当。2)总寿命和断裂力学概念提供了可以用来描述材料在循环载荷作用下的裂纹萌生和裂纹扩展阻力的方法。但是，单纯利用这些概念并不能够定量描述材料对疲劳的内在阻力。只有当充分了解失效的微观机制时才能获得这方面的信息。在各种各样的材料上所做的工作充分表明，显微组织(和环境)的细微变化可能显著改变循环损伤程度和疲劳寿命。因此，只有掌握有关破坏机制的科学知识，才能达到优化材料的组织结构特征以提高疲劳阻力的目的。3)即便构件设计偏于保守，也可能由于服役条件发生不可预测的变化而出现疲劳破坏。疲劳破坏的事启分析中，经常借助断口上的微观特征，例如贝壳状条纹和疲劳条纹来追溯疲劳破坏源。这些特征能够提供有关断裂起始位置和失效构件所承受的载荷值等有用信息。掌握有关疲劳断口特征、破坏的微观机制和裂纹宏观扩展速率之间相互联系的基本知识，对于进行事后分析是至关重要的。

［1］ 徐 撷.疲劳强度［M］.北京：高等教育出版社，1988：8.

［2］ 丽肠明，奥脱·布克斯鲍姆，哈茨·罗华克.结构抗疲劳设计［M］.北京：机械工业出版社，1987.

［3］ 林吉忠.金属的缺陷、载荷与疲劳［M］.北京：中国铁道出版社，1993.

［4］ 陈传尧，高大兴，程育仁.疲劳断裂基础［M］.武汉：华中理工大学出版社，1991：7.

［5］ 黄洪钟.高强度螺栓的疲劳断裂分析［J］.机械设计与制造，1992(3)：34-36.