疲勞失效失效原因

金屬零件產(chǎn)生疲勞斷裂的原因各不相同，歸納起來可以從內(nèi)因（材料的化學成分、組織、內(nèi)部缺陷、材料強韌化、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、載荷特性等）兩個方面來考慮。

1、表面狀態(tài)

表面的粗糙度對材料的靜強度影響不大，但對疲勞強度則有非常明顯的影響。承受彎曲疲勞及扭轉(zhuǎn)疲勞負荷的構(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，凡是制造工藝過程中產(chǎn)生各類裂紋（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，材料強度越高，表面粗糙度對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、缺口和螺紋等常見的外形不連續(xù)形式。由于外形不連續(xù)，就會產(chǎn)生應(yīng)力集中。大的應(yīng)力集中對疲勞裂紋形成和擴展有很大作用。

零件尺寸對疲勞強度也有較大的影響，在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下其影響更大。一般來說，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。

疲勞強度尺寸效應(yīng)的原因，其一是尺寸增大會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，因而其疲勞強度就降低。

3、裝配與連接效應(yīng)

裝配與連接效應(yīng)對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，過大的擰緊力并非對提高連接的可靠性有利。

4、載荷特性

零件所受的載荷應(yīng)力超過材料的疲勞極限時。定義為“超載”，低于疲勞極限的應(yīng)力稱為“次載”。對于高周疲勞，增大應(yīng)力則會出現(xiàn)：a容易產(chǎn)生多個裂紋；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)力下先運轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強化作用稱為次載鍛煉。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)。

實際零件在工作時都是非連續(xù)（有間歇）運行的，當加載應(yīng)力低于并接近于疲勞極限時，間歇加載提高疲勞效果比較明顯，而間歇超載加載則會降低疲勞強度。因為在次載時有疲勞強化，間歇可進一步應(yīng)變時效強化，故能提高疲勞強度；而在超載時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)當成分均勻，組織細小均勻，無內(nèi)在連續(xù)缺陷，缺口敏感性小，循環(huán)韌性大。

在各類結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強度最高。在結(jié)構(gòu)鋼中，碳具有固溶強化及與碳化物元素有彌散強化的作用，可提高材料的形變抗力；而合金元素主要是通過提高鋼的淬透性和改善鋼的強韌性來影響疲勞強度，細化晶?？商岣咂趶姸?。鋼的熱處理組織中，細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，材料選用不當或在生產(chǎn)過程中由于管理不善而錯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，會使材料的疲勞強度顯著降低，往往引起零件過早的發(fā)生斷裂失效。

一般來說，溫度降低、疲勞強度升高；溫度升高，疲勞強度降低。這是因為金屬的變形抗力下降，使疲勞裂紋容易形成。高溫下金屬通常不存在疲勞極限。

腐蝕性環(huán)境對材料的靜強度雖然有一定的影響，但其影響程度遠不如它對疲勞極限的影響。通常，對腐蝕環(huán)境敏感的材料，其疲勞性能降低比較顯著。如對于一般中等強度的合金結(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腐蝕條件下的疲勞極限低。2100433B

英文：fatigue failure

機械的疲勞失效是機械失效的主要失效方式，因此對機械失效的主要研究是機械疲勞失效。目前，機械疲勞失效的研究有兩個方面:一是根據(jù)求出的載荷譜來確定加載程序在試驗室或者試驗臺上對機械進行疲勞試驗，得出機械（材料）的S——N曲線來分析機械（材料）的特性；二是根據(jù)機械（材料）的特性與載荷譜并且用Miner準則來估計機械的疲勞壽命。無論是做疲勞試驗還是估計疲勞壽命，載荷譜的統(tǒng)計都是關(guān)鍵。

在現(xiàn)代測試技術(shù)中，應(yīng)用計算機來處理測試信號已經(jīng)是現(xiàn)代測試技術(shù)的標志，利用A/D轉(zhuǎn)換板將傳感器的輸出信號進行數(shù)字采樣，得出數(shù)字信號，將數(shù)字信號輸入計算機，利用編寫的相應(yīng)程序來處理數(shù)字信號。

現(xiàn)機械工程領(lǐng)域統(tǒng)計載荷譜的主要方法就是雨流計數(shù)法。但是傳統(tǒng)的雨流計數(shù)法在對載荷進行統(tǒng)計的時候需要將信號從最大值或者最小值處分開，前后兩段進行首尾對接后才能夠進行雨流法計數(shù)。利用這種方法需要先采集完信號才能夠處理，在長時間的試驗中，需要海量的存儲空間來存儲數(shù)據(jù)，給試驗帶來了諸多的不便。通過對雨流法計數(shù)模型的改進，可以在采樣的時候就開始進行雨流法計數(shù)，將滿足計數(shù)條件的點刪除，不影響剩下的點，并且在試驗的同時還可以看到大致的載荷譜，在試驗結(jié)束后，能夠很快求出完整的載荷。

疲勞比按研究對象

材料袋勞

通過標準試樣研究材料的失效機理、化學成分和微觀組織對疲勞 強度的影響，疲勞試驗方法和數(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，接頭以至整機為研究對象，研究其疲勞性能、抗疲勞 設(shè)計方法，壽命估算方法,疲勞試驗方法，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)在低于其服強度的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)過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，也稱應(yīng)力疲勞，它是機械中最常見的疲勞。

低周疲勞

材料或構(gòu)件在接近或超過其屈服強度的循環(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，也常稱為應(yīng)變疲勞。

疲勞比按載荷條件

隨機疲勞

幅值和頻率都是隨機變化的，而且是不確定的。

沖擊疲勞

小能量多次沖擊引起的疲勢。

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、刺落或表層壓碎利落，從面造成零件失效的疲勞。

微動磨損疲勞

當兩零件表面相接觸，并作小幅度的往復(fù)相對運動時，在接觸表 面上產(chǎn)生的疲勞，經(jīng)過附著、氧化、疲勞三個階段，是機械過程和化學過程綜合的結(jié)果。

聲疲勞

由氣體動力噪聲、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，足以對結(jié)構(gòu)材料造成線勞損傷時才可能產(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為以熱力學溫度表示的金屬熔點，高溫勞是機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，也稱復(fù)合疲勞。

鋼管混凝土桁梁具有優(yōu)越的力學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。.本項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理為研究對象，通過對鋼管混凝土桁架組合梁的疲勞損傷失效和力學模型研究、結(jié)構(gòu)整體的數(shù)值模擬與試驗研究，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特性，損傷演變規(guī)律和失效機理，項目的研究可為鋼管混凝土桁梁疲勞設(shè)計理論的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。