您好, 歡迎來到儀表網
機械疲勞研究的來源及意義
《六韜·武鋒》：“不戒可擊，疲勞可擊。”《三國志·蜀志·譙周傳》：“民疲勞則騷擾之兆生，上慢下暴則瓦解之形起。” 唐 杜甫《飛仙閣》詩：“往來雜坐臥，人馬同疲勞。” 《東周列國志》第三回：“公子成諫曰：‘我兵兼程而進，疲勞未息，宜深溝固壘，待諸侯兵集，然后合攻。此萬全之策也。’”柳青《銅墻鐵壁》第十六章：“瞅準了敵人饑餓和疲勞這個弱點。”
疲勞是一種主觀不適感覺，但客觀上會在同等條件下，失去其完成原來所從事的正?；顒踊蚬ぷ髂芰ΑＦ谟址Q疲乏是主觀上一種疲乏無力的不適,感覺疲勞不是特異癥狀，很多疾病都可引起疲勞，很少有患病后感覺渾身不是勁的情況，不同疾病引起不同程度的疲勞，有些疾病表現更明顯有時可作為就診的*癥狀。
研究簡史 有記載的zui早進行疲勞試驗是德國的W.A.艾伯特 。法國的J.-V.彭賽列首先論述了疲勞問題并提出“疲勞”這一術語。但疲勞研究的奠基人則是德國的A.沃勒，他在19世紀50～60 年代zui早得到表征疲勞性能的S-N曲線并提出疲勞極限的概念 。20世紀50年代 P.J.E.福賽思首先觀察到疲勞過程中在滑移帶內有金屬薄片擠出的現象。隨后N.湯普孫等人發現這種滑移帶不易用電解拋光去掉，稱為“駐留滑移帶”。后來證明，駐留滑移帶常常成為裂紋源。1924年德國的J.V.帕姆格倫在估算滾動軸承壽命時，假設軸承的累積損傷與其轉動次數成線性關系。1945年美國M.A.邁因納明確 提出了疲勞破壞的線性損傷累積理論 ，也稱為帕姆格倫- 邁因納定律，簡稱邁因納定律。此后，斷裂力學的進展豐富了傳統疲勞理論的內容，促進了疲勞理論的發展。用概率統計方法處理疲勞試驗數據，是20世紀20年代開始的。60年代后期 ，概率疲勞分析和設計從電子產品發展到機械產品，于是在航空、航天工業的先導下 ，開始了概率統計理論在疲勞設計中的應用。環應力 在工程上引起的疲勞破壞的應力或應變有時呈周期性變化，有時是隨機的。在疲勞試驗中人們常常把它們簡化成等幅應力循環的波形 ，并用一些參數來描述 。
零件、構件的疲勞破壞可分為3個階段 ：①微觀裂紋階段。在循環加載下，由于物體的zui高應力通常產生于表面或近表面區，該區存在的駐留滑移帶、晶界和夾雜，發展成為嚴重的應力集中點并首先形成微觀裂紋。此后，裂紋沿著與主應力約成45°角的zui大剪應力方向擴展，裂紋長度大致在0.05毫米以內，發展成為宏觀裂紋。②宏觀裂紋擴展階段。裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展。③瞬時斷裂階段。當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次加載下突然斷裂。對應于疲勞破壞的3個階段 ，在疲勞宏觀斷口上出現有疲勞源 、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂3個區。疲勞源區通常面積很小，色澤光亮，是兩個斷裂面對磨造成的；疲勞裂紋擴展區通常比較平整，具有表征間隙加載、應力較大改變或裂紋擴展受阻等使裂紋擴展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣；瞬斷區則具有靜載斷口的形貌，表面呈現較粗糙的顆粒狀。掃描和透射電子顯微術揭示了疲勞斷口的微觀特征，可觀察到擴展區中每一應力循環所的疲勞輝紋。
疲勞壽命在循環加載下，產生疲勞破壞所需應力或應變的循環次數。對零件、構件出現工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋 ，其長度無統一規定 ，一般在0.2～1.0毫米范圍內 。自工程裂紋擴展至*斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命?？倝勖鼮閮烧咧汀Ｒ蚬こ塘鸭y長度遠大于金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，并將其周圍材料視作均勻連續介質，應用斷裂力學方法研究裂紋擴展規律 。由于S-N曲線是根據疲勞試驗直到試樣斷裂得出的 ，所以對應于S-N曲線上某一應力水平的疲勞壽命N是總壽命 。在疲勞的整個過程中 ，塑性應變與彈性應變同時存在 。當循環加載的應力水平較低時 ，彈性應變起主導作用；當應力水平逐漸提高，塑性應變達到一定數值時，塑性應變成為疲勞破壞的主導因素。按破壞循環次數的高低將疲勞分為兩類：①高循環疲勞（高周疲勞）。作用于零件、構件的應力水平較低 ，破壞循環次數一般高于104～105的疲勞 ，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。②低循環疲勞（低周疲勞）。作用于零件、構件的應力水平較高 ，破壞循環次數一般低于104～105的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統計分析，考慮存活率（即可靠度）的問題 。具有存活率p（如95%、99%、99.9%）的疲勞壽命Np的含義是 ：母體（總體）中有p的個體的疲勞壽命大于Np。而破壞概率等于（ 1－ p ） 。常規疲勞試驗得到的S-N曲線是p=50%的曲線 。對應于各存活率的p的S-N曲線稱為p-S-N曲線。
某些零件、構件是在高于或低于室溫下工作，或在腐蝕介質中工作，或受載方式不是拉壓和彎曲而是接觸滾動等，這些不同的環境因素可使零件、構件產生不同的疲勞破壞。zui常見的有接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞。此外，還有微動磨損疲勞和聲疲勞等。①接觸疲勞。零件在高接觸壓應力反復作用下產生的疲勞。經多次應力循環后，零件的工作表面局部區域產生小片或小塊金屬剝落，形成麻點或凹坑。接觸疲勞使零件工作時噪聲增加、振幅增大、溫度升高、磨損加劇，zui后導致零件不能正常工作而失效 。在滾動軸承、齒輪等零件中常發生這種現象。②高溫疲勞 。在高溫環境下承受循環應力時所產生的疲勞。高溫是指大于熔點1/2以上的溫度，此時晶界弱化，有時晶界上產生蠕變空位，因此在考慮疲勞的同時必須考慮高溫蠕變的影響。高溫下金屬的S-N曲線沒有水平部分 ，一般用 107～108次循環下不出現斷裂的zui大應力作為高溫疲勞極限；載荷頻率對高溫疲勞極限有明顯影響，當頻率降低時，高溫疲勞極限明顯下降。③熱疲勞。由溫度變化引起的熱應力循環作用而產生的疲勞。如渦輪機轉子、熱軋軋輥和熱鍛模等，常由于熱應力的循環變化而產生熱疲勞。④腐蝕疲勞。在腐蝕介質中承受循環應力時所產生的疲勞。如船用螺旋槳、渦輪機葉片 、水輪機轉輪等，常產生腐蝕疲勞。腐蝕介質在疲勞過程中能促進裂紋的形成和加快裂紋的擴展。其特點有 ：S-N曲線無水平段；加載頻率對腐蝕疲勞的影響很大；金屬的腐蝕疲勞強度主要是由腐蝕環境的特性而定；斷口表面變色等。
飛機、船舶、汽車、動力機械、工程機械 、冶金、石油等機械以及鐵路橋梁等的主要零件和構件，大多在循環變化的載荷下工作，疲勞是其主要的失效形式。因此，疲勞理論和疲勞試驗對于設計各類承受循環載荷的機械和結構，成為重要的研究內容。疲勞有限壽命設計中進行壽命估算，必須了解材料的疲勞性能，以此作為理論計算的依據 。由于疲勞壽命的長短取決于所承受的循環載荷大小，為此還必須編制出供理論分析和全尺寸疲勞試驗用的載荷譜，再根據與各種疲勞相適應的損傷模型估算出疲勞壽命。疲勞理論的工程應用，經歷了從無限壽命設計到有限壽命設計，有限壽命設計尚處于完善階段。發展趨勢是：①宏觀與微觀結合，探討從位錯、滑移、微裂紋、短裂紋、長裂紋到斷裂的疲勞全過程 ，尋求壽命估算各階段統一的物理-力學模型 。②研究不同環境下的疲勞及其壽命估算方法。③概率統計方法在疲勞中的應用，如隨機載荷下的可靠性分析方法，以及耐久性設計等。