关于材料疲劳问题的分类及分析

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机械部件的失效，约有80%是由于疲劳引起的。而大多疲劳失效的研究方法都是经验性的，本人在前人研究的基础上，从疲劳的性质、疲劳破坏和提高疲劳强度的措施三个方面做一个简单系统的陈述和分类，让大家简单的了解材料的疲劳问题。

首先，让我们了解一下疲劳的定义。疲劳是指材料在低于拉伸强度极限的交变应力（或应变）的反复作用下，材质逐渐劣化，逐渐萌生出疲劳裂纹，引起材料的失效。

材料疲劳失效问题在材料的使用过程中是需要特别注意的，我们必须了解疲劳的性质以及疲劳破坏的具体过程，找到提高疲劳强度的方法，在材料的使用过程中不断运用，尽量减少机械部件的疲劳失效，这是我们研究这个问题的最终目标。下面将对疲劳的性质、疲劳破坏以及怎样提高疲劳强度做一个简单的描述：

1 疲劳的三个性质

1）疲劳中的损伤性
由于材料本身性质的不同，我们无法对每个材料都作出几何学上的描述；而对于它们的演变，也由于微观测量和宏观力学量之间量级悬殊，也不能直接用于结构分析。
所以我们从热力学出发，由于损伤变量是一种内部变量，物质性态对于外力、温度、时间因素的依赖性隐含在内部变量对其他独立热力学变量的关系式演化方程中，所以这种内变量可用来描述损伤场的发展、演变。而对于唯象的损伤力学来说，可以认为应力、应变及其组合量如应变能密度等是控制损伤过程一级本质的物理量。

2）疲劳中的概率统计性
疲劳损伤动态过程是一个随机过程，因而它的疲劳寿命或疲劳强度表现出概率统计性。
金属材料组织本身的散乱是导致它损伤的散乱和疲劳寿命散乱的一个主要原因，组织的散乱又在于它的不均匀性，包括诸多的因素，作为近似可以将这些因素统一起来进行统计处理。

3）疲劳损伤中的局部性
疲劳损伤中的局部性现象，主要表现在疲劳失效首先在最薄弱环节处产生，这一事实是和疲劳中的随机概率性密切相关的；从疲劳寿命所遵从的Weibull分布来看，其本身的物理背景也充分体现了疲劳损伤的局部性。

2 疲劳破坏的三个阶段

1）裂纹形成阶段
在交变应力作用下，最高应力区金属晶体滑移带开裂成微观裂纹，形成疲劳源区。

2）裂纹扩展阶段
在交变应力作用下，裂纹尖端因应力集中而逐渐扩展，裂纹两面不断研磨形成光滑区，即裂纹扩展区。

3）瞬时断裂阶段
随着裂纹的不断扩展，截面削弱直至强度不足而突然断裂，形成断口的粗糙区，塑性材料表现为纤维状，脆性材料表现为结晶状。

3 提高金属结构疲劳强度的措施

1）合理设计构件的外形
构件截面改变越激烈，应力集中系数就越大。工程上常采用改变构件外形尺寸的方法来减小应力集中。设计构件外形时，应尽量避免带有尖角的孔和槽,在各类配合中采用缓和的方式。

2）提高构件的表面加工质量
一般构件表面的应力都很大，同时由于加工的原因，构件表层的刀痕或损伤处，又将引起应力集中。因此，对疲劳强度要求高的构件，应采用精加工方法，以获得较高的表面质量。

3）提高构件表面强度

常用方法有表面热处理和表面机械强化两种方法。表面热处理通常采用高频淬火、渗碳、氰化、氮化等措施，以提高构件表层材料的抗疲劳强度能力。表面机械强化通常采用对构件表面进行滚压、喷丸等，是使构件表面形成预压应力层，以降低最容易形成疲劳裂纹的拉应力，从而提高表层强度。
在对材料疲劳有了部分了解后，希望可以将此运用到材料的制作过程当中去，尽量减少由于材料疲劳而导致的失效问题。

硕之学者

硕之学者