浅谈金属材料的疲劳特性及应用

浅谈金属材料的疲劳特性及应用

周楠

周楠

（郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001）

中图分类号：TG115文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）07-217-01

摘要：本文通过分析金属材料的疲劳破坏特性，从生活中疲劳破坏现象说起，分析其产生的本质原因及机理，提出疲劳抗力的相关性能指标，总结了提高疲劳极限的方法及在现实中的应用。并强调了进一步探究疲劳性能的必要性。

关键词：金属；疲劳破坏；裂纹；断裂

发动机的曲轴在正常使用中突然断裂，在公路上正常行驶的汽车刹车系统突然失灵，铁制大桥突然坍塌，还有，二次大战后，英国的两架飞机在空中突然解体爆炸…………这些现象的发生，让我们的不得不对金属的性能有新的认识。

金属是生活中常用的材料之一。它以强度硬度高，耐酸碱腐蚀等优点而闻名。常用作汽车体盖、底盘，机器的主要零部件，例如，轴承，叶片，齿轮等。但是实际上，金属也有自身的缺点，在交变应力的作用下，即使零件所承受的应力比材料的屈服应力要低，而且构件也处于正常使用当中，但经长时间工作后，仍然会产生裂纹，累积到一定程度会发生断裂。这也即是金属疲劳。它是机械零件失效的主要原因之一。据统计，疲劳失效占断裂失效的百分之八十，且失效前机械处于正常运转状态，不易观察，这样会很容易造成重大事故。下面我就简要分析一下金属的疲劳破坏。

所谓金属疲劳是指材料内部薄弱区域的组织在变动应力的作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展到一定程度后突然断裂的过程，是一个从局部开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。机件在疲劳破坏前的时间我们称之为疲劳寿命，与其应力有一定的关系，应力高，寿命短。但是当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。

那么金属的疲劳破坏发生的内在原因是什么呢？

金属疲劳的破坏机理我们可以用疲劳裂纹的萌生，扩展和断裂这三个词来描述。实际上，金属内部的结构并不均匀，含有气孔、微裂纹、原子位错、环境介质等缺陷，在循环应力的作用下，会形成循环滑移带，随着循环次数的增加，滑移带加宽，进一步会出现挤出背和侵入沟，成为应力集中区，逐渐形成微裂纹。疲劳裂纹的扩展可以分为两个阶段：先是沿最大切应力方向向内扩展，此阶段扩展速度很慢，扩展总量很小，断口不易辨析。随后若是在室温无腐蚀条件下进行，疲劳裂纹是穿晶扩展的，随着循环次数的增加，扩展速率也在增加，并且可以用电子显微镜来观察其疲劳条带。最后是断裂，当裂纹扩展到一定程度，疲劳损伤就会发生，引发断裂。由此可知，疲劳损伤是材料在使用过程中逐渐累积的结果。

实际生产中，为了保证材料在给定的寿命内能够安全运行，我们可根据疲劳应力判据和断裂疲劳判据来决定合理的机械结构和零件尺寸。其中疲劳强度，过载持久值，过载损伤界，疲劳缺口敏感度等是常用的疲劳抗力指标。了解这些抗力指标及判据，对我们选用原材料，改进设计有着重大的指导意义。

疲劳强度是指在指定的疲劳寿命下，材料能够承受的上限循环应力，是由材料的根本性能和零件的局部应力状态来决定的。所以疲劳强度的设计是以零件或者材料最薄弱的区域为依据。

过载持久值、过载损伤界这两个指标是对机件工作中偶遇过载情况而提出的概念。过载持久值是指材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次，也称为有限疲劳寿命。它是表征材料对过载疲劳的抗力指标。材料能够承受的应力循环周次越多，对载荷的抗力越高。而过载损伤界是指把每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来即可得到。实验表明，并不是每次短期过载都可以引起过载损伤的，只有在运转一定的循环周次后，即是过载累积损伤形成的裂纹尺寸大于疲劳强度下的非扩展裂纹尺寸时，才会对材料造成损伤。

疲劳裂纹的扩展速率是指疲劳裂纹在亚稳扩展阶段的速率，随着应力的增加和循环次数的增多，裂纹扩展加快。

无限寿命的疲劳应力判据：或是，其中是循环应力的疲劳强度，是非循环应力的疲劳强度。它表示当循环应力低于某一临界值时，在此应力作用下，试样可经过无限次循环而不发生断裂。含裂纹不发生疲劳裂纹断裂的校核公式为：其中表示材料阻止裂纹的扩展能力，该值越大，材料抗疲劳裂纹的扩展能力就越强。这两个判据有利于材料疲劳的设计，只是前者适用于传统的疲劳强度设计和校核，后者适于裂纹件的设计与疲劳强度校核。

由以上分析可知裂纹源产生于应力集中部位，减少应力集中区域，可有效地提高疲劳强度。我们需要首先分析疲劳是高周疲劳还是低周疲劳，低周疲劳主要取决于材料的塑性变形，而高周疲劳我们可以通过以下几个方面努力提高其疲劳强度。

提高构件的表面强度其原理是提高表面的塑变抗力，降低表面抗压力的影响。这样既可以抑制表面裂纹的萌发与扩展，又可以使表面强度产生的残余压应力抵消表层工作的部分拉应力，降低表层总应力，制止疲劳断裂。例如，在钢铁或有色金属中加入万分之几的稀土元素，可大大提高金属抗疲劳本领，延长使用寿命。常用的方法有表面热处理或表面化学处理，表面喷丸或滚压，合金化等。

减少疲劳裂纹源常用方法有改善构件表面光滑度，改善表面应力集中，减小机件的尺寸。一般来说，受循环应力作用的机件都需要采用高强度材料，表面采用精细加工，提高构件表面的加工质量，若含有刀痕、擦伤或是大的缺陷，容易产生应力集中，降低其疲劳强度。另外，材料尺寸越大，也就越容易产生缺陷，疲劳抗力指标性能下降。

设计合理的构件外形工程上常用改变外形尺寸来减少应力集中，减少尺寸的剧烈变化,避免有尖角的孔和槽，注意使用退刀槽或圆角过渡，均可减少疲劳裂纹的产生。

减少间杂物，使用防震措施等也可以提高疲劳强度。

上述措施可以提高疲劳强度，因此也可以达到降低疲劳破坏的目的，除外，我们还可以定期用显微镜对材料构件进行检测，可以很好的预防疲劳破坏，避免一些重大事故的发生。

生活当中，金属疲劳在给我们带来烦恼与灾难的同时，也有不同一般的益处。利用金属疲劳断裂特性制造的应力断裂机已经诞生，对金属切口产生的疲劳断裂进行加工，所需要的时间极短，解决了切削材料的一大难题。所以对金属的疲劳课题进行深入探究已十分必要，对其扬长避短，使其更好的为人类服务。

结语：我们须要更深入的了解金属疲劳破坏性机制，探索出更好的提高金属疲劳极限的途径，以便能够提高金属的疲劳抗力指标，准确的预测材料构件的使用寿命。在生活生产中恰当的应用疲劳，更好的去为相关领域服务。

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