疲勞失效

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：一是根據求出的載荷譜來確定載入程序在試驗室或者試驗台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；二是根據機械（材料）的特性與載荷譜並且用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，載荷譜的統計都是關鍵。

在現代測試技術中，應用計算機來處理測試信號已經是現代測試技術的標誌，利用A/D轉換板將感測器的輸出信號進行數字採樣，得出數字信號，將數字信號輸入計算機，利用編寫的相應程序來處理數字信號。

現機械工程領域統計載荷譜的主要方法就是雨流計數法。但是傳統的雨流計數法在對載荷進行統計的時候需要將信號從最大值或者最小值處分開，前後兩段進行首尾對接后才能夠進行雨流法計數。利用這種方法需要先採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據，給試驗帶來了諸多的不便。通過對雨流法計數模型的改進，可以在採樣的時候就開始進行雨流法計數，將滿足計數條件的點刪除，不影響剩下的點，並且在試驗的同時還可以看到大致的載荷譜，在試驗結束后，能夠很快求出完整的載荷。

金屬零件產生疲勞斷裂的原因各不相同，歸納起來可以從內因（材料的化學成分、組織、內部缺陷、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、裝配與連接、使用環境因素、結構設計、載荷特性等）兩個方面來考慮。

1、表面狀態

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疲勞負荷的構件，其表面應力最高。大量疲勞 失效分析表明，疲勞斷裂絕大多數起源於構件的表面。因此，凡是製造工藝過程中產生各類裂紋（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）都將導致疲勞裂紋的形成並降低構件的疲勞壽命。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形式。由於外形不連續，就會產生應力集中。大的應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更為顯著。

疲勞強度尺寸效應的原因，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、扭轉零件截面的應力梯度，增大表層高應力的體積，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

裝配與連接效應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，過大的擰緊力並非對提高連接的可靠性有利。

4、載荷特性

零件所受的載荷應力超過材料的疲勞極限時。定義為“超載”，低於疲勞極限的應力稱為“次載”。對於高周疲勞，增大應力則會出現：a容易產生多個裂紋；b疲勞條帶之間的距離增大；c最終瞬斷區的面積增大。而金屬在低於疲勞極限的應力下先運轉一定次數后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強化作用稱為次載鍛煉。這種現象可能是應力應變循環產生的硬化及局部應力集中鬆弛的結果。

不同零件在工作時具有不同的載荷頻率，載荷頻率在一定範圍內可以提高疲勞強度，這可能是和每一周次的塑性應變累積損傷量不同有關。

實際零件在工作時都是非連續（有間歇）運行的，當載入應力低於並接近於疲勞極限時，間歇載入提高疲勞效果比較明顯，而間歇超載載入則會降低疲勞強度。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當成分均勻，組織細小均勻，無內在連續缺陷，缺口敏感性小，循環韌性大。

在各類結構工程材料中，結構鋼的疲勞強度最高。在結構鋼中，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，細化晶粒可提高疲勞強度。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、疏鬆、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不良，材料選用不當或在生產過程中由於管理不善而錯用材料是造成疲勞斷裂的重要原因。

6、使用環境

環境因素（低溫、高溫及腐蝕介質等）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，對腐蝕環境敏感的材料，其疲勞性能降低比較顯著。如對於一般中等強度的合金結構鋼，腐蝕環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，發生交互作用，於是腐蝕疲勞極限比在無腐蝕條件下的疲勞極限低。