浅析材料的疲劳现象及影响因子

1、浅析材料的疲劳现象、影响因子及预防措施提起疲劳，人们可能会想到熬夜加班后的困倦和全身酸痛，或者电视里常常 报道的车祸“元凶”。材料在使用过程中也存在着疲劳现象，而且材料疲劳的危害 不亚于疲劳驾驶。船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁 路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失 效形式。在一些服役时间较长材料的开发与应用中，其疲劳性能也必须纳入考虑。 1.疲劳的概念及现象疲劳（Fatigue）是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生 局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完 全断裂的现象。早在19世纪就已查阅

2、到多起严重的疲劳破坏事故报道，由于当时显微观测 水平不够发达，疲劳损伤无法观测，疲劳破坏会在没有任何先兆的情况下产生， 所以疲劳一度被认为是材料中发生的一种不可思议的奇妙现象。1842年轰动欧 洲的法国凡尔赛铁路事故，使众多科学家开始对疲劳破坏展开深入的思考与讨论， 开启人们对金属疲劳系统的研究。时至今日，疲劳相关研究领域发展蓬勃，有关 疲劳研究的文章已超15万篇。图1描绘凡尔赛铁路事故惨状的油画图2铁轨的疲劳断裂2.疲劳性能的影响因素根据目前的研究，影响疲劳性能的因素有很多，主要总结如下:表1影响疲劳性能的因素工作条件工作温度、工作环境载荷条件应力状态、循环特征、高载效应、载荷交变频率零件几

3、何形状尺寸效应、缺口效应工件表面状态表面光洁度、表面防腐蚀、表面强化材料本质化学成分、金相组织、纤维方向、内部缺陷工作环境的影响：金属材料的疲劳极限一般是随着温度的降低而增加的。但 随着温度的下降，材料的断裂韧性也下降，表现出低温脆性。一旦出现裂纹，则 易于发生失稳断裂。对此，应当十分注意。高温将降低材料的强度，可能引起蠕 变，对疲劳也是不利的。同时还应注意，为改善疲劳性能而引入的残余应力，也会因温度升高而消失。在海水、水蒸气、酸、碱溶液等腐蚀介质环境下的疲劳，腐蚀介质的作用对 疲劳是不利的。腐蚀疲劳过程是力学作用与化学作用的综合过程，其破坏机理十 分复杂。腐蚀环境通常会使材料表面氧化。在一般

4、的情况下，氧化膜层可起保护作用，以免金属材料进一步受到腐蚀。但在疲劳载荷作用下，将使氧化膜层局部开裂，新的表面再次暴露于腐蚀环境中，造成再次腐蚀并在材料表面逐步形成腐 蚀坑。腐蚀使表面粗糙，腐蚀坑形成应力集中，加快了裂纹的萌生，使寿命缩短。这是对裂纹萌生阶段腐蚀疲劳的最一般的解释。图3这是对裂纹萌生阶段腐蚀疲劳的最一般的解释。图3桥梁的设计要考虑腐蚀疲劳载荷状态的影响：材料疲劳极限的大致规律是一一弯曲疲劳极限拉伸疲劳 极限扭转疲劳极限。假定作用应力水平相同，拉压时高应力区体积等于试件整个试验段的体积，如图4所示:拉伸拉伸图4不同载荷状态下的高应力区弯曲情形下的高应力区体积则要小得多。疲劳破坏主

5、要取决于作用应力的大 小和材料抵抗疲劳破坏的能力，故疲劳破坏通常发生在高应力区或材料缺陷处。 假如图中作用的循环最大应力相等，因为拉压循环时高应力区域的材料体积较大， 存在缺陷并由此引发裂纹萌生的可能性也大。所以，同样的应力水平作用下，拉 压循环载荷作用时的寿命比弯曲时短。或者说，同样寿命下，拉压循环下的疲劳 强度比弯曲时低。零件几何形状的影响：应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域材料体 积就越大。疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的 可能性就越大，故大尺寸构件的疲劳抗力低于小尺寸试件。或者说，在给定寿命 下，大尺寸构件的疲劳强度下降；在给定的应力水平下，大尺寸构件

6、的疲劳寿命 降低。这就是疲劳的尺寸效应。除此之外疲劳还存在缺口效应。在零件中难免出现孔洞这样的几何缺口。缺 口会引起应力不集中的现象，不同形状的缺口会引起程度的应力集中。在应力集 中区更容易萌生疲劳裂纹源，而且促进裂纹的扩展。尖锐的缺口会产生更加严重 的应力集中现象，位置很靠近的多个缺口导致的影响区相互叠加也会使材料更容 易产生疲劳现象。图5带孔试样拉伸试验时明显的应力集中表面状态的影响：由疲劳的局部性显然可知，若试件表面粗糙，将使局部应 力集中的程度加大，裂纹萌生寿命缩短。而且，材料强度越高，光洁度的影响越 大。另外，应力水平越低，寿命越长，光洁度的影响越大。表面加工时的划痕、 碰伤，可能就是潜在的裂纹源，应当注意防止碰划。除表面光洁度的影响外，对工件表面进行抗疲劳处理也可以改善疲劳性能。 表面喷丸处理，销、轴、螺栓类零件冷挤压加工，坚固件干涉配合等，在零构件 表面引入残余压应力，都是提高疲劳寿命常用的方法。材料强度越高，循环应力 水平越低，寿命越长，延长寿命的效果越好。在有应力梯度或缺口应力集中处采 用喷丸处理，效果更好。表面渗碳或渗氮处理，可以提高表面材料的强度并在材料表面引入压缩残余应力，这两种作用对于提高材料疲劳性能都是有利的。200 pni图6玻璃丸喷丸