金属疲劳

　　金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。

金属疲劳现象的发现

　　材料的金属疲劳研究经历了一段较为长远的探索过程。从通过专门的试验对金属疲劳问题开始进行研究时起，距今已有150多年。

　　金属疲劳现象的发现是在diyi次工业革命之后，第二次工业革命之前，随着蒸汽机车等大功率设备的使用，人们发现部分构件会在使用一段时间后发生破坏，比如在铁路上，人们观察到列车车轴的轴颈部位会因使用时间较久而开裂，而破坏事故的原因人们却没有得到一个清晰的解释。

　　有记载的相关试验是1829年德国矿采工程师W.A.艾伯特根据当时的铁链重复载荷试验提出了“金属疲劳”的现象。虽然之后“金属疲劳”一词已经被多次提及，但首先在文献中采用“金属疲劳”一词的是法国人波克莱特，他于1839年描述了在反复施加荷载作用下结构的破坏现象。

　　在这之后将“金属疲劳”一词作为正式题目提及的diyi篇文章是1854年由博雷士威特在伦敦土木工程年会上发表的论文。在1860年为解决火车轴断裂失效Z先提出了绘制金属疲劳曲线的想法(Z基本的S-N曲线)，由于该金属疲劳曲线的绘制是维勒(Wohler)提出的，所以后人也称该曲线为维勒曲线。

金属疲劳的危害

　　1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部金属疲劳的金属断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国Z惨重铁路事故的发生。

　　人们所见到的金属，看起来熠光闪闪、铮铮筋骨，被广泛用来制作机器、兵刃、舰船、飞机等等。其实，金属也有它的短处。在各种外力的反复作用下，可以产生金属疲劳状态，而且，一旦产生金属疲劳就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。

　　据150多年来的统计，金属部件中有80%以上的损坏是由于金属疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在骑行的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。

　　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，还不能查明金属疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。

　　在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗金属疲劳的有效办法。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金属疲劳的本领，延长使用寿命。

　　随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的金属疲劳强度，以抵抗金属疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。

　　金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而，也有另外的妙用。现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生金属疲劳断裂进行加工。这个过程只需要1～2秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需要。

金属疲劳研究的发展

　　1901年，拜尔斯研究了循环荷载下的应力-应变曲线。他测出了滞回曲线，并进行了多级金属疲劳试验。在现今金属疲劳领域的试验研究中，应力-应变曲线是十分有效的研究手段。与他同期的英国人高夫对金属疲劳机制的揭示贡献很大。他通过研究多轴金属疲劳，说明了弯、扭的复合作用，并在1924年发表了一本巨著《金属疲劳》。

　　对钢构件进行金属疲劳研究的试验是在20世纪30至40年代。1929年，美国人Peterson提出了尺寸效应的概念并进行了一系列的试验，他提出了应力集中系数的理论值。

　　1945年，美国人Miner在对金属疲劳的累积损伤问题进行了大量试验研究的基础上，将Palmgren1924年提出的线性累积损伤理论公式化，获得了Z简单、Z、使用Z广的Palmgren-Miner线性累积损伤理论(中音译为：帕姆格伦一迈因纳定理)，此理论至今仍在广泛应用。

　　50年代，金属疲劳研究有三大突破性进展：

　　(1)研制出了闭环控制的电液伺服金属疲劳试验机，从而在材料构件的金属疲劳试验中可以模拟机器的实际使用工况，促进了金属疲劳试验的发展，当今的金属疲劳试验机多数是在其基础上研制出的。

　　(2)电子显微镜的出世，给金属疲劳损伤的形成与发展机制的研究开拓了新的纪元，它一般用于分析金属疲劳断口的形成与发展，观察层板的损伤机理等。

　　(3)1952年美国国家航空和航天管理局NASA刘易斯研究所的Manson和Coffin在大量实验数据的基础上提出了表达塑性应变和金属疲劳寿命间关系的Manson-Coffin方程，奠定了低周金属疲劳的基础。

　　1964年，在日内瓦召开的国际标准化组织会议发表的题为“金属疲劳试验的一般原理"的报告中给出了金属疲劳的定义：在应力或者应变的交替反复作用下金属材料所发生的性能变化。

材料的金属疲劳

　　日常生活中使用的多数金属材料机械零部件承受的载荷都是随时间变化而变化的。材料在交变载荷作用下，发生的破损或断裂叫做金属疲劳破坏。

　　金属疲劳破坏的特征和静力作用下的破坏有着本质的不同，主要有以下特征：

　　在交变载荷作用下，材料所受的应力，即使低于材料的屈服强度，金属疲劳破坏也会发生，力的大小并不是决定金属疲劳发生与否的决定因素。而静载荷作用下的破坏，一般发生在力较大高于屈服强度时。

　　不管脆性材料或者塑性材料，金属疲劳断裂时都不会表现出明显的塑性形变，而是突然断裂，这种突然性会更让人猝不及防，从而产生更大的危险。

　　材料发生金属疲劳破坏时，一般是在局部发生。所以对于某些受力比较集中的部位，以及容易产生金属疲劳破坏的部位，通过定期的更换材料，可以改善金属疲劳情况，严重整体部件的使用寿命。

　　材料发生金属疲劳破坏时，并不是一蹴而就的。金属疲劳破坏是一个由裂纹萌生、扩展、Z终导致断裂的过程。过程时间的长短取决于金属疲劳发生的条件和所处的环境。

金属疲劳的分类

　　一般情况下，金属疲劳是指材料在室温空气中，受交变载荷作用下，发生的金属疲劳。在实际工作中，常遇到不同载荷条件、环境温度或介质情况，因而产生不同类型的金属疲劳。

　　1、按金属疲劳过程中的应力类型来分类：

　　①高周金属疲劳：交变应力低于材料屈限点且循环周次一般大于的金属疲劳;

　　②低周金属疲劳：交变应力超过屈服点且循环周次在以下的金属疲劳。

　　2、按载荷条件来分类：

　　①随机金属疲劳：零件在随机载荷作用下的金属疲劳;

　　②冲击金属疲劳：零件受到重复冲击载荷的作用导致的金属疲劳;

　　③微动磨损金属疲劳：变化的载荷中引起摩擦从而产生的金属疲劳。

金属疲劳断裂的影响因素

　　1、化学成分

　　不同的材料，性能有非常明显的差异,有的材料硬度较大，但仅受一个很小的力就会使其断裂;有的材料硬度较小，但却能承受多次的交变载荷的力而不发生断裂。同种混合金属材料，其成分的比例不同，对材料的抗金属疲劳性能也会产生不同的影响。

　　究其根本，这是因为不同的材料，内部组织结构不一样、原子排列也不同，导致强度和塑性的差异，金属疲劳性能也随之改变。回火马氏体比珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体具有更高的抗金属疲劳能力;铁素体加珠光体组织钢材的金属疲劳抗力随珠光体组织相对含量的增加而增加。

　　在大多数的工程材料中，会存在各种夹杂，如在合金的熔炼制造过程中引入的杂质。以及渣痕、焊接缺陷，大的硫松等，都被视为材料的缺陷，这些缺陷都会导致材料的抗金属疲劳性能出现异常，在交变载荷作用下，这些缺陷很有可能发展为金属疲劳破坏的起源点。

　　2、表面状况的影响

　　在裂纹起始阶段，金属疲劳是一个表面现象。金属疲劳裂纹常从零件构件的表面产生并开始扩展，因此表面加工状态的优劣对金属疲劳裂纹的产生及其扩展有重要影响。表面状况不好可以缩短裂纹起始阶段的条件。

　　表面加工状态的优劣是指表面加工粗糙度、表面层的组织结构及应力状态等。如表面粗糙、加工造成的刀痕等都能引起应力集中效应，使金属疲劳强度降低。此外，由于表面处理或加工不当，使零件表层留有残余拉应力，也会使金属疲劳强度降低。

　　一般材料的表面缺陷是金属疲劳起源的潜在位置，这些潜在位置在受到金属疲劳载荷时，会逐渐形成裂纹并且不断扩展，Z终导致金属疲劳断裂，大大降低了金属疲劳寿命。

　　一般来说表面越光滑的构件，其金属疲劳强度和金属疲劳寿命会越好。表面加工情况是影响金属疲劳性能的Z直接的关键因素之一，也是Z能直观观察到的因素。

　　3、环境的影响

　　环境对金属疲劳裂纹的起始和裂纹的扩展都有影响。材料的金属疲劳性能在腐蚀环境中和非腐蚀环境中有着明显的区别。金属材料在某些较极端的环境中，如强酸，高温等，抗金属疲劳性能会表现出明显的减弱。极大的影响了构件的正常运转，以及机器的安全性能，稍有不慎就会酿成大祸。据研究表明高温和腐蚀介质可以加速金属疲劳裂纹的萌生和扩展。

　　大多数材料的强度随温度的升高而降低，不同温度下材料的金属疲劳性能也随之改变，而且材料在高温中长期静载荷作用下存在着蠕变现象，温度愈高，在一定应力下，材料的蠕变变形就越快，破坏所需要的时间就越短。在腐蚀的介质下工作的零部件，再加上金属疲劳载荷，就很容易发生腐蚀金属疲劳。

　　金属疲劳载荷能加快腐蚀的作用，而腐蚀又能加快金属疲劳发生的过程，两者相互促进，Z终加速材料在区部的破坏，从而影响整个零部件的金属疲劳性能。

　　4、应力集中的影响

　　在机械零件中，由于结构上的要求，不可避免的存在沟槽、轴肩、孔、拐角、切口等不连续部分致使截面形状发生突变。由于零件几何形状的不连续而引起局部应力较大的现象叫做“应力集中”。应力集中的地方，一般都是金属疲劳容易起源的潜在位置，这些位置在金属疲劳载荷作用下，很容易就发生金属疲劳破坏。

　　5、表面残余应力

　　零部件在加工制造过程中，会受到各种因素的作用与影响，这些因素消失之后，没有其他外力作用下时，以平衡状态存在于物体内部的应力，称为残余应力。在很多实际问题中，残余应力对于金属疲劳有着重要意义。无意中引入的参与拉伸应力对于金属疲劳抗力是有害的，而残余压缩应力，则可以显著提高金属疲劳性能。

　　其产生的原因多是不均匀塑性变形或是材料本身内部不均匀所造成的，它的影响可以分为两种：一种是对金属疲劳等材料强度的影响。另外一种是对加工时或加工后产生尺寸偏差等有害变形的影响，作为对材料承受动载荷性能的影响而言，残余应力对材料的金属疲劳强度的影响是重要的，一般认为，在金属疲劳过程中残余应力起平均应力的作用。

　　喷丸强化是一种在构件材料表面引入有利残余应力的众所周知的工艺，在多种实际应用中被用来预防金属疲劳或应力腐蚀问题。喷丸强化使材料表层发生塑性伸长。由于表层必须和弹性基体保持紧密结合，参与压缩应力就在表面形成。残余应力可使构件发生翘曲，但有时采用对称喷丸操作可以避免尺寸变形。