疲勞失效

金屬零件產(chǎn)生疲勞斷裂的原因各不相同，歸納起來(lái)可以從內(nèi)因（材料的化學(xué)成分、組織、內(nèi)部缺陷、材料強(qiáng)韌化、材料的選擇及熱處理狀況等）和外因（零件幾何形狀及表面狀態(tài)、裝配與連接、使用環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷特性等）兩個(gè)方面來(lái)考慮。

1、表面狀態(tài)

表面的粗糙度對(duì)材料的靜強(qiáng)度影響不大，但對(duì)疲勞強(qiáng)度則有非常明顯的影響。承受彎曲疲勞及扭轉(zhuǎn)疲勞負(fù)荷的構(gòu)件，其表面應(yīng)力最高。大量疲勞失效分析表明，疲勞斷裂絕大多數(shù)起源于構(gòu)件的表面。因此，凡是制造工藝過(guò)程中產(chǎn)生各類(lèi)裂紋（如淬火裂紋），尖銳缺口（如表面粗糙度不符合要求、加工刀痕等）都將導(dǎo)致疲勞裂紋的形成并降低構(gòu)件的疲勞壽命。表面粗糙度值越低，材料的疲勞極限越高，材料強(qiáng)度越高，表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響越顯著。

2、零件的幾何形狀及尺寸

零件的幾何形狀不合理，如存在槽、孔、圓角、缺口和螺紋等常見(jiàn)的外形不連續(xù)形式。由于外形不連續(xù)，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。大的應(yīng)力集中對(duì)疲勞裂紋形成和擴(kuò)展有很大作用。

零件尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度也有較大的影響，在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下其影響更大。一般來(lái)說(shuō)，隨著零件尺寸的增大，其疲勞極限下降。而且缺口試樣比光滑試樣的尺寸效應(yīng)更為顯著。

疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的原因，其一是尺寸增大會(huì)增加表面的各種缺陷，增大疲勞裂紋的萌生概率；其二是零件尺寸增大會(huì)降低彎曲、扭轉(zhuǎn)零件截面的應(yīng)力梯度，增大表層高應(yīng)力的體積，增加萌生疲勞裂紋的概率，因而其疲勞強(qiáng)度就降低。

3、裝配與連接效應(yīng)

裝配與連接效應(yīng)對(duì)零件的疲勞壽命有很大影響。正確的擰緊力矩可使其疲勞壽命提高5倍以上，過(guò)大的擰緊力并非對(duì)提高連接的可靠性有利。

4、載荷特性

零件所受的載荷應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞極限時(shí)。定義為“超載”，低于疲勞極限的應(yīng)力稱(chēng)為“次載”。對(duì)于高周疲勞，增大應(yīng)力則會(huì)出現(xiàn)：a容易產(chǎn)生多個(gè)裂紋；b疲勞條帶之間的距離增大；c最終瞬斷區(qū)的面積增大。而金屬在低于疲勞極限的應(yīng)力下先運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強(qiáng)化作用稱(chēng)為次載鍛煉。這種現(xiàn)象可能是應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的硬化及局部應(yīng)力集中松弛的結(jié)果。

不同零件在工作時(shí)具有不同的載荷頻率，載荷頻率在一定范圍內(nèi)可以提高疲勞強(qiáng)度，這可能是和每一周次的塑性應(yīng)變累積損傷量不同有關(guān)。

實(shí)際零件在工作時(shí)都是非連續(xù)（有間歇）運(yùn)行的，當(dāng)加載應(yīng)力低于并接近于疲勞極限時(shí)，間歇加載提高疲勞效果比較明顯，而間歇超載加載則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。因?yàn)樵诖屋d時(shí)有疲勞強(qiáng)化，間歇可進(jìn)一步應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化，故能提高疲勞強(qiáng)度；而在超載時(shí)因其損傷積累有疲勞弱化，間歇也不起作用。

5、材料的組織和性能

抗疲勞性能好的材料應(yīng)當(dāng)成分均勻，組織細(xì)小均勻，無(wú)內(nèi)在連續(xù)缺陷，缺口敏感性小，循環(huán)韌性大。

在各類(lèi)結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高。在結(jié)構(gòu)鋼中，碳具有固溶強(qiáng)化及與碳化物元素有彌散強(qiáng)化的作用，可提高材料的形變抗力；而合金元素主要是通過(guò)提高鋼的淬透性和改善鋼的強(qiáng)韌性來(lái)影響疲勞強(qiáng)度，細(xì)化晶?？商岣咂趶?qiáng)度。鋼的熱處理組織中，細(xì)小均勻的回火馬氏體較珠光體加馬氏體及貝氏體加馬氏體混合組織具有更佳的疲勞抗力；鐵素體加珠光體組織鋼材的疲勞抗力隨珠光體組織含量的增加而增加；任何增加材料抗拉強(qiáng)度的熱處理通常均能提高材料的疲勞抗力。鑄鐵，特別是球墨鑄鐵，具有足夠的強(qiáng)度和極小的缺口敏感性，因此具有較好的疲勞性能。而非金屬夾雜物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲勞抗力降低。因此，金屬材料的組織不均勻性及其組織狀態(tài)不良，材料選用不當(dāng)或在生產(chǎn)過(guò)程中由于管理不善而錯(cuò)用材料是造成疲勞斷裂的重要原因。

6、使用環(huán)境

環(huán)境因素（低溫、高溫及腐蝕介質(zhì)等）的變化，會(huì)使材料的疲勞強(qiáng)度顯著降低，往往引起零件過(guò)早的發(fā)生斷裂失效。

一般來(lái)說(shuō)，溫度降低、疲勞強(qiáng)度升高；溫度升高，疲勞強(qiáng)度降低。這是因?yàn)榻饘俚淖冃慰沽ο陆担蛊诹鸭y容易形成。高溫下金屬通常不存在疲勞極限。

腐蝕性環(huán)境對(duì)材料的靜強(qiáng)度雖然有一定的影響，但其影響程度遠(yuǎn)不如它對(duì)疲勞極限的影響。通常，對(duì)腐蝕環(huán)境敏感的材料，其疲勞性能降低比較顯著。如對(duì)于一般中等強(qiáng)度的合金結(jié)構(gòu)鋼，腐蝕環(huán)境可使其疲勞極限下降l/3~l/2。因此，腐蝕與疲勞疊加在一起，發(fā)生交互作用，于是腐蝕疲勞極限比在無(wú)腐蝕條件下的疲勞極限低。2100433B

英文：fatigue failure

機(jī)械的疲勞失效是機(jī)械失效的主要失效方式，因此對(duì)機(jī)械失效的主要研究是機(jī)械疲勞失效。目前，機(jī)械疲勞失效的研究有兩個(gè)方面:一是根據(jù)求出的載荷譜來(lái)確定加載程序在試驗(yàn)室或者試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)機(jī)械進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得出機(jī)械（材料）的S——N曲線來(lái)分析機(jī)械（材料）的特性；二是根據(jù)機(jī)械（材料）的特性與載荷譜并且用Miner準(zhǔn)則來(lái)估計(jì)機(jī)械的疲勞壽命。無(wú)論是做疲勞試驗(yàn)還是估計(jì)疲勞壽命，載荷譜的統(tǒng)計(jì)都是關(guān)鍵。

在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)處理測(cè)試信號(hào)已經(jīng)是現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的標(biāo)志，利用A/D轉(zhuǎn)換板將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣，得出數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，利用編寫(xiě)的相應(yīng)程序來(lái)處理數(shù)字信號(hào)。

現(xiàn)機(jī)械工程領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)載荷譜的主要方法就是雨流計(jì)數(shù)法。但是傳統(tǒng)的雨流計(jì)數(shù)法在對(duì)載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的時(shí)候需要將信號(hào)從最大值或者最小值處分開(kāi)，前后兩段進(jìn)行首尾對(duì)接后才能夠進(jìn)行雨流法計(jì)數(shù)。利用這種方法需要先采集完信號(hào)才能夠處理，在長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)中，需要海量的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，給試驗(yàn)帶來(lái)了諸多的不便。通過(guò)對(duì)雨流法計(jì)數(shù)模型的改進(jìn)，可以在采樣的時(shí)候就開(kāi)始進(jìn)行雨流法計(jì)數(shù)，將滿足計(jì)數(shù)條件的點(diǎn)刪除，不影響剩下的點(diǎn)，并且在試驗(yàn)的同時(shí)還可以看到大致的載荷譜，在試驗(yàn)結(jié)束后，能夠很快求出完整的載荷。

疲勞比按研究對(duì)象

材料袋勞

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試樣研究材料的失效機(jī)理、化學(xué)成分和微觀組織對(duì)疲勞 強(qiáng)度的影響，疲勞試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法；材料的基本疲勞特性：環(huán)境和工次的影響;疲勞斷口的宏觀和微觀形軟等。

結(jié)構(gòu)疲勞

以零部件，接頭以至整機(jī)為研究對(duì)象，研究其疲勞性能、抗疲勞 設(shè)計(jì)方法，壽命估算方法,疲勞試驗(yàn)方法，以及形狀、尺寸、表面 狀態(tài)和工藝因素的影響，提高其疲勞強(qiáng)度方法等。

疲勞比按失效周期

高周疲勞

材料或結(jié)構(gòu)在低于其服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)10⁴~10⁵次以上的循環(huán)產(chǎn)生的失效。高周疲勞一般應(yīng)力較低，材料處于彈性范圍內(nèi)，其應(yīng)力應(yīng)變是成比例的，也稱(chēng)應(yīng)力疲勞，它是機(jī)械中最常見(jiàn)的疲勞。

低周疲勞

材料或構(gòu)件在接近或超過(guò)其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，在低于10⁴~10⁵次塑性應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的失效。由于其應(yīng)力超過(guò)彈性極限，產(chǎn)生較大塑性變形，應(yīng)力應(yīng)變不成比例，其主要參數(shù)是應(yīng)變，也常稱(chēng)為應(yīng)變疲勞。

疲勞比按載荷條件

隨機(jī)疲勞

幅值和頻率都是隨機(jī)變化的，而且是不確定的。

沖擊疲勞

小能量多次沖擊引起的疲勢(shì)。

接觸疲勞

零件接觸表面在接觸壓力循環(huán)作用下出現(xiàn)麻點(diǎn)、刺落或表層壓碎利落，從面造成零件失效的疲勞。

微動(dòng)磨損疲勞

當(dāng)兩零件表面相接觸，并作小幅度的往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在接觸表 面上產(chǎn)生的疲勞，經(jīng)過(guò)附著、氧化、疲勞三個(gè)階段，是機(jī)械過(guò)程和化學(xué)過(guò)程綜合的結(jié)果。

聲疲勞

由氣體動(dòng)力噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲或電磁噪聲等噪聲使結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的疲勞，只有當(dāng)作為激振力的噪聲使結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)足夠大，足以對(duì)結(jié)構(gòu)材料造成線勞損傷時(shí)才可能產(chǎn)生聲疲勞。

疲勞比按溫度環(huán)境

高溫疲勞

在高溫環(huán)境下零件承受循環(huán)載荷發(fā)生的疲勞。高溫指約在0.5T或再結(jié)晶溫度以上，T為以熱力學(xué)溫度表示的金屬熔點(diǎn)，高溫勞是機(jī)械疲勞與蠕變共同作用結(jié)果。

低溫疲勞

在低于室溫環(huán)境下零件承受循環(huán)應(yīng)力作用發(fā)生的疲勞。

熱疲勞

由溫度循環(huán)變化而引起應(yīng)變循環(huán)變化產(chǎn)生的疲勞。

腐蝕疲勞

在腐蝕介質(zhì)（如酸、堿、海水、淡水、活性氣體等）和循環(huán)載荷聯(lián)合作用下產(chǎn)生的疲勞。

疲勞比按適應(yīng)力狀態(tài)

單軸疲勞

指單向循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞，這時(shí)零件只承受單向正應(yīng)力或單向切應(yīng)力。

多軸疲勞

指多向應(yīng)力作用下的疲勞，也稱(chēng)復(fù)合疲勞。

鋼管混凝土桁梁具有優(yōu)越的力學(xué)性能和施工上的方便，在橋梁工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前這種結(jié)構(gòu)在疲勞方面的研究還比較少，現(xiàn)有的研究多集中在節(jié)點(diǎn)的疲勞性能方面，缺少整體疲勞性能的研究；疲勞荷載作用下鋼管混凝土桁梁的局部和整體結(jié)構(gòu)損傷失效模式和疲勞損傷累積發(fā)展規(guī)律方面的研究還有待于展開(kāi)。.本項(xiàng)目以疲勞作用下鋼管混凝土桁梁的疲勞性能和損傷失效機(jī)理為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)鋼管混凝土桁架組合梁的疲勞損傷失效和力學(xué)模型研究、結(jié)構(gòu)整體的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究，分析疲勞作用下的鋼管混凝土桁梁的疲勞性能、探討局部失效和整體失效之間的關(guān)系，建立鋼管混凝土桁梁的失效模式和損傷分析模型，探索鋼管混凝土桁梁的疲勞損傷力學(xué)特性，損傷演變規(guī)律和失效機(jī)理，項(xiàng)目的研究可為鋼管混凝土桁梁疲勞設(shè)計(jì)理論的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。