金属疲劳寿命的研究现状

1、金属疲劳寿命的研究现状The Researching Progress about Fatigue Life of Metal Materi 摘要:金属材料的疲劳不易被发现,且影响疲劳寿命的因素很多目前预测方法主要有:名义应力法,局部应力应变法,断裂力学法等。简述了当前国内外在这方面的研究进展,以及疲劳寿命预测在结构寿命设计及损伤容限设计上的重要意义。关键词:金属材料疲劳寿命寿命预测Abstract:It is not easy to find the metal material fatigue life. And there are many objectives affect the m

2、etal material fatigue life Nowdays,the prediction methods are nominal stress method,local stress-strain method, fracture force mechanics method,etc.This paper introduced the recent researching progress in the world,and introduced the important significance of fatigue life prediction in structure lif

3、e design and damage limitation design.Key words: metal material; fatigue life; Life prediction一.引言随着人们生活水平的日益提高,金属也越来越广泛地应用于各行各业,因而金属的疲劳性能也越来越被人们关注。什么是金属的疲劳?这里引用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”(ASTM E206-72中所作的定义:在某点或某些点承受扰动应力,且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程,称为疲劳由于金属材料的疲劳一般难以发现,

4、因此常常造成突然的事故。早在100多年以前,人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后,还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间,美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故,有238艘完全报废,其中大部分要归咎于金属的疲劳。直到出现了电子显微镜之后,人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果,才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。二.疲劳寿命的有关研究由于金属材料的疲劳一般难以发现,因此常常造成突然的事故。早在100多年以前,人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后,还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间,美国的5000艘货船共发生10

5、00多次破坏事故,有238艘完全报废,其中大部分要归咎于金属的疲劳。直到出现了电子显微镜之后,人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果,才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。科学研究表明,金属疲劳并非完全难以检测。近年来,应用科学的检测手段避免了不少因金属疲劳而可能发生的事故。科学家证实,汽车刹车突然失灵而掉下悬崖、飞机发动机突然爆裂、强风使铁桥崩塌等惨祸发生前,刹车、机身、桥梁上都会产生异常震动,这实际上就是“金属疲劳”的一种征兆。所以,当工程师设计飞机、汽车、桥梁或其他机械时,都必须考虑到金属疲劳问题,并对这些金属建筑或机械定期“体检”,以确保安全。所有金属表面都存在微小缺陷,有的

6、肉眼看得见,有的肉眼看不见。这些瑕疵都会使得应力在该处产生,从而导致金属开始裂开,所以,当一次负载过重或是多次猛烈晃动,都会导致金属疲劳而从瑕疵处裂开。现在,冶金学家使可以用显微镜来检视金属表面看不见的瑕疵,他们研究如何以最好的方法来保护金属,以免使得金属疲劳。给金属过度加压或扭转会导致金属疲劳,由于这个原因,在使用金属部件时,工程师必须要测试金属的结构,用电子计量器可以测量压力以及因压力所造成的伤害。冶金学家通过研究金属的破裂状况,能更加了解金属的结构,以便如何研究减少金属破裂的概率。日本原子能研究所的研究人员还研制出了一种“聪明涂料”,这种涂料初看和普通涂料没什么区别,但实际上涂料中掺入了

7、钛酸铅粉末。将“聪明涂料”涂在金属板上,再敲击金属板使其震动,结果涂膜中会产生电流,这便可作为研究人员分析金属疲劳程度的信息。例如,将“聪明涂料”涂在飞机机翼上,然后经常测定涂膜中产生的电流,一旦发现异常电流,立即实施紧急精密检查,及时查明原因,便可排除事故隐患。在现今这个机器时代和未来的机器人时代,如何防止金属疲劳显得尤为重要。现在人们已经知道了一些改进和强化金属,相当于提高了金属的“健康”程度,可以让金属尽量少出现“疲劳”现象。古人就知道了如何让金属“强壮”的方法,那就是锻炼它们,令它们“百炼成钢”。现在我们所说的“锻炼身体”一词,其实就来源于对金属的锻炼,我们应该像锻炼金属一样锻炼自己的

8、身体。锻炼金属的方法是热处理,例如对钢不断回火和捶打,使其韧化,减弱金属容易疲劳的特性。人们想到的另外一个方法是向单一金属中掺入其他物质,填补金属中的空隙和瑕疵。如果掺入的物质是金属,就可以制造出合金,用两种金属相互填充空隙的方法来弥补瑕疵,并使得金属强度增高。向金属中加入碳,也可以弥补金属中的瑕疵,制造出高强度碳钢。在金属材料中添加各种“维生素”,也是增强金属抗疲劳的有效办法。例如在钢铁和有色金属里,加进万分之几或千万分之几的稀土元素,就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领,延长使用寿命。在设计机械时,也应尽量减少可能发生的金属疲劳事故。比如,可以消除零件上的薄弱环节,减少开孔、挖槽、切口等,因

9、为疲劳裂纹常常发生在这些地方;提高零件表面的光洁度,保护表面不受生锈腐蚀之害,加工粗糙所产生的刻划痕以及材料锈腐之处,都是容易产生微细裂纹的;对零件表面进行强化处理,比如,辗压零件的表面,使材料表面强化,从而不易产生微细裂纹。疲劳破坏是承受交变应力的机械构件高应力集中区较弱的晶粒在经过一定的循环次数以后形成微裂纹然后发展成宏观裂纹继续扩展导致最终断裂的破坏过程。疲劳破坏以许多形式出现,包括仅有外加应力或应变波动造成的机械疲劳,循环载荷同高温联合作用引起的蠕变疲劳,受循环载荷的作,用下温度也变动的热机械疲劳即热疲劳与机械疲劳的组合,在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳等

10、。机器和结构部件的失效大多是由于发生上述某一种疲劳过程造成的引起疲劳失效的循环载荷的峰值一般远远小于静态断裂分析估算出来的安全载荷。在工程实际中,常常发生结构在低于设计许用应力下的失效,造成重大的财产损失及人员伤亡,尤其是交变应力作用下构件发生的疲劳断裂事故往往带来更惨重的损失,而且疲劳断裂往往是发生在比许用应力低得多的交变载荷下,其影响因素也相当复杂,使得金属结构的疲劳性能分析和疲劳寿,命预测变得相当困难,然而在工程实际中绝大部分的构件是处于交变载荷作用下的,因此,有关金属结构的疲劳断裂和寿命预测研究越来越受到理论工作者和工程技术人员的普遍关注。目前,预测金属结构的疲劳寿命仍主要依赖于试验。

11、三.研究方法金属材料在使用过程中受到的交变载荷称为疲劳载荷,把相应的应力称为疲劳应力,而把载荷和应力随时间变化的历程分别称为载荷谱和应力谱。当载荷谱或应力谱的幅值和频率都不变时称为常幅加载。与静力破坏相比,疲劳破坏的特点主要表现在以下几点:时效性。静力破坏是一次性承受最大载荷的破坏,历时较短;疲劳破坏是承受多次反复载荷作用而产生的破坏,它的发生需要经历一个相当长的时期。应力大小。当静载拉伸(压缩时静应力小于屈服极限或强度极限时,静力破坏不会发生;而当交变应力小于强度极限或屈服极限时,疲劳破坏就可能发生。破坏形式。金属结构的静力破坏取决于材料本身;但无论是脆性材料还是塑性材料,它们的疲劳破坏均属

12、于无显著变形的脆性破坏。断面特征。静力破坏构件的断面通常只呈现粗粒状或纤维状特征;而疲劳破坏构件的断面,总是呈现出两个区域特征,一部分是平滑的,另一部分是粗粒状或纤维状。影响因素。静力破坏的抗力主要取决于材料本身;而疲劳破坏与材料的微观结构、构件的形状和尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。因此,对于同一种材料,静力性能数据比较集中,而疲劳数据具有相当的分散性,需要利用数理统计知识进行分析。目前,预测构件的疲劳寿命主要有以下几种方法。1.名义应力法。名义应力法是一种传统的疲劳寿命设计方法,其主要思想是以名义应力为控制参数,通过疲劳试验获得名义应力一寿命曲线,即S一N 曲线,通过载荷谱分

13、析损伤法则,即可计算,构件的疲劳寿命由于这种方法以实验为基础,具有较高的可靠度,因而在工程上得到了广泛应用. 但完全由疲劳试验获得的S一N曲线,费时费力. 且很不经济,因而用名义应力法计算构件的疲劳寿命受到了较大的限制.2.局部应力应变法。局部应力应变法用来计算裂纹的形成寿命,裂纹扩展到最后破坏的寿命则由断裂力学来完成,局部应力应变法是将决根部的局部应力应变分布作为寿命预测的依据它基于这种思想构件的几何变化处存在着应力集中现象,构件在这些局部易产生塑性变形,因而使得疲劳裂纹萌生所以决定构件疲劳强度和寿命的主导因素是应力应变集中区的局部应力和应变,并假定只要局部应力应变相同,其疲劳寿命就完全一致

14、,因而只要知道材料的局部应力应变,就可以通过光滑材料试件的S一N曲线来预测构件的疲劳寿命。3.断裂力学方法随着断裂力,学的发展人,们开始利用断裂力学原理和方法预测构件的疲劳裂纹扩展寿命对于存在气孔,裂纹,夹渣等缺陷的金属结构,人们用断裂力学理论建立金属结构的损伤容限设讨,方法预测金属结构的疲劳裂纹扩展寿命,由于裂纹的复杂性,材质的不均匀性,加之短裂纹疲劳扩展的特殊规律,闭合效应等一系列问题的存在,使得用断裂力学方法预测金属构件的疲劳扩展寿命变得十分复杂因而,近年来人们致力于建立各种计算金属结构应力应变场的数值计算方法,来研究金属结构的疲劳裂纹扩展规律,并取得了许多有益的成果,随着断裂力学理论研

15、究的不断进展,金属结构疲劳扩,展寿命的断裂力学方法必将得到更大的发展。四.总结随着科技的进步,已经研制出更多含有金属的复合材料,如金属和玻璃纤维或塑料的合成物。这些复合材料使得金属不但保留了原来的强度,而且增加了纤维和塑料的韧性,使得金属不再轻易疲劳。相信在不远的将来,金属的疲劳不会再给我们带来麻烦,随着科学的发展,我们会解决更多的已知和未知的问题!参考文献:1 Tso-Liang Teng,Peng-Hsiang Chang. Fatigue Crack Initia- tion Life Prediction for a Flat Plate with a Central HoleJ .J

16、OURNAL OF C.C.I.T, 2003, 32 (1 :176 .2 Antonio Carlos de Oliveira Miranda,Marco Antonio Meggi- olaro.et al. Fatigue life prediction of complex 2D components undermixed-mode variable amplitude loadingJ.Internatio- nal Journal of Fatigue, 2003, (25 :1157-11673 武养洲.浅谈金属材料疲劳寿命的研究进展D. 中电投电力工程有限公司,20084 郭盛杰.金属材料超高周疲劳寿命分布和元件高可靠性研究D. 南京航空航天大学,2006 5 王 英 玉 . 金 属 材 料 的 多 轴 疲 劳 行 为 与 寿 命 估 算 D. 南 京 航 空 航 天 大 学,2005 6 高文柱,吴欢,赵永庆. 金属材料疲劳裂纹扩展研究综述J. 钛工业进展, 2007,(06 . 7 王 英 玉 . 金 属 材 料 的 多 轴 疲 劳 行 为 与 寿 命 估 算 D. 南