疲劳极限（人会觉得疲劳，材质也会有疲劳现象）

提起疲劳，人们可能会想到熬夜加班后的困乏和全身酸痛，或者电视里常常报道的车祸“元凶”。材质在应用进程中也存在着疲劳现象，而且材质疲劳的伤害不亚于疲劳驾驶。船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的重要零件和构件，大多在循环变更的载荷下工作，疲劳是其重要的失效情势。在一些服役时光较长的材质的开发与运用中，其疲劳性能也必需纳入斟酌。

1.疲劳的概念及现象

疲劳（Fatigue）是指材质、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点发生局部的永久性损伤，并在必定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩大直到完整断裂的现象。

早在19世纪就已查阅到多起严重的疲劳损坏事故报道，由于当时显微观测程度不够发达，疲劳损伤无法观测，疲劳损坏会在没有任何预兆的情形下发生，所以疲劳一度被以为是材质中产生的一种不可思议的奥妙现象。1百思特网842年轰动欧洲的法国凡尔赛铁路事故，使众多科学家开端对疲劳损坏展开深刻的思考与讨论，开启人们对金属疲劳体系的研讨。时至今日，疲劳相干研讨范畴发展蓬勃，有关疲劳研讨的文章已超15万篇。

凡赛尔铁路事故

2.疲劳性能的影响因素

依据目前的研讨，影响疲劳性能的因素有很多，重要总结如下：

表1 影响疲劳性能的因素

工作环境的影响：金属材质的疲劳极限一般是随着温度的下降而增长的。但随着温度的降低，材质的断裂韧性也降低，表示出低温脆性。一旦涌现裂纹，则易于产生失稳断裂。对此，应该十分注意。高温将下降材质的强度，可能引起蠕变，对疲劳也是不利的。同时还应注意，为改良疲劳性能而引入的残余应力，也会因温度升高而消逝。

在海水、水蒸气、酸、碱溶液等腐化介质环境下的疲劳，腐化介质的作用对疲劳是不利的。腐化疲劳进程是力学作用与化学作用的综合进程，其损坏机理十分庞杂。腐化环境通常会使材质表面氧化。在一般的情形下，氧化膜层可起掩护作用，以免金属材质进一步受到腐化。但在疲劳载荷作用下，将使氧化膜层局部开裂，新的表面再次裸露于腐化环境中，造成再次腐化并在材质表面逐步形成腐化坑。腐化使表面粗糙，腐化坑形成应力集中，加快了裂纹的萌生，使寿命缩短。这是对裂纹萌生阶段腐化疲劳的最一般的说明。

图3 桥梁的设计要斟酌腐化疲劳

载荷状况的影响：材质疲劳极限的大致规律是——曲折疲劳极限＞拉伸疲劳极限＞扭转疲劳极限。假定作用应力程度雷同，拉压时高应力区体积等于试件全部实验段的体积，如图4所示：

不同载荷状况下的高应力区

曲折情况下的高应力区体积则要小得多。疲劳损坏重要取决于作用应力的大小和材质抵御疲劳损坏的才能，故疲劳损坏通常产生在高应力区或材质缺点处。假如图中作用的循环最大应力相等，因为拉压循环时高应力区域的材质体积较大，存在缺点并由此引发裂纹萌生的可能性也大。所以，同样的应力程度作用下，拉压循环载荷作用时的寿命比曲折时短。或者说，同样寿命下，拉压循环下的疲劳强度比曲折时低。

零件几何形状的影响：应力程度雷同时，试件尺码越大，高应力区域材质体积就越大。疲劳产生在高应力区材质最软弱处，体积越大，存在缺点或软弱处的可能性就越大，故大尺码构件的疲劳抗力低于小尺码试件。或者说，在给定寿命下，大尺码构件的疲劳强度降低；在给定的应力程度下，大尺码构件的疲劳寿命下降。这就是疲劳的尺码效应。

除此之外疲劳还存在缺口效应。在零件中难免涌现孔洞这样的几何缺口。缺口会引起应力不集中的现象，不同形状的缺口会引出发度的应力集中。在应力集中区更容易萌生疲劳裂纹源，而且增进裂纹的扩大。尖利的缺口会发生更加严重的应力集中现象，地位很靠近的多个缺口导致的影响区相互叠加也会使材质更容易发生疲劳现象。

带孔试样拉伸实验时显著的应力集中

表面状况的影响：由疲劳的局部性显然可知，若试件表面粗糙，将使局部应力集中的水平加大，裂纹萌生寿命缩短。而且，材质强度越高，光洁度的影响越大。另外，应力程度越低，寿命越长，光洁度的影响越大。表面加工时的划痕、碰伤，可能就是潜在的裂纹源，应该注意防止碰划。

除表面光洁度的影响外，对工件表面进行抗疲劳处置也可以改良疲劳性能。表面喷丸处置，销、轴、螺栓类零件冷挤压加工，牢固件干预配合等，在零构件表面引入残余压应力，都是进步疲劳寿命常用的办法。材质强度越高，循环应力程度越低，寿命越长，延伸寿命的后果越好。在有应力梯度或缺口应力集中处采取喷丸处置，后果更好。表面渗碳或百思特网渗氮处置，可以进步表面材质的强度并在材质表面引入紧缩残余应力，这两种作用对于进步材质疲劳性能都是有利的。

玻璃丸喷丸处置使钛合金的疲劳寿命增长

尽管科研工作者在疲劳范畴进行了大批的研讨，人们对疲劳的认知还是十分有限的。如何能力进步材质的疲劳性能，怎样才可以加工制作出真正“长生不老”的材质，仍然是一个值得投入大批精神研讨的课题。