金属材料疲劳研究综述

金属材料疲劳研究综述摘要：人会疲劳，金属也会疲劳吗？早在100多年前，人们就发现了金属也是会疲劳的，并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害，所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展，概述了金属产生疲劳的原因及影响因素，以及金属材料疲劳的试验方法。关键词：金属材料疲劳裂纹疲劳寿命一．引言金属疲劳的概念，最早是由J．V．Poncelet于1830年在巴黎大学讲演时采用的。当时，“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会(ASTM)在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”(EZ06-72)中所作的定义:在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的，且表现为突然断裂，无论材料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂，危害极大，所以研究金属的疲劳是非常有必要的。由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002年5月，华航一架波音747-200型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体，19名机组人员及206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。二．金属疲劳的有关进展1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da／dN和应力强度因子幅值∆k之间的关系。1974年，美国空军颁布军用规范A-83444，从此断裂力学就成就为疲劳研究的重要理论工具。50年代以后，随着断裂力学的发展和电子显微镜的应用，疲劳裂纹扩展的研究取得突飞猛进的发展。疲劳裂纹扩展的研究在微观和宏观两方面同时展开。在微观方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的微观机制和相关的微观力学模型；宏观方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的力学模型和疲劳裂纹扩展速率表达式。人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。三．金属材料疲劳产生原因及影响因素金属疲劳破坏是承受交变应力的机械构件高应力集中区较弱的晶粒在经过一定的循环次数以后形成微裂纹然后发展成宏观裂纹继续扩展导致最终断裂的破坏过程。疲劳破坏以许多形式出现，包括仅有外加应力或应变波动造成的机械疲劳，循环载荷同高温联合作用引起的蠕变疲劳，受循环载荷的作用下温度也变动的热机械疲劳即热疲劳与机械疲劳的组合，在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳等。机器和结构部件的失效大多是由于发生上述某一种疲劳过程造成的引起疲劳失效的循环载荷的峰值一般远远小于静态断裂分析估算出来的安全载荷。影响疲劳的原因是多方面的，金属材料受到外力作用后，其内部即处于受胁和松弛这样一种矛盾的状态之中。受胁表明材料内部能量升高，而松弛则可能使能量降低，松弛过程主要通过塑性变形和断裂来实现。当金属受胁达到饱和状态而不能继续再用塑性变形或根本就不能以塑性变形来松弛时，若再增加应力，它就会以断裂的形式来彻底松弛疲劳破坏。由于没有明显的宏观塑性变形，破坏十分突然，往往造成灾难性事故，引起巨大的经济损失。由于疲劳裂纹经常从零构件的表面开始，所以金属零构件的表面状态对疲劳强度会有显著的影响。这里所指的表面就是表面加工光洁度、表面层的组织结构及应力状态等。大量的试验研究结果表明，表面光洁度对疲劳强度有较大的影响，因为零构件经表面加工后所引起的表面缺陷是应力集中的因素。特别是对高强度材料，表面稍有缺陷，就常成为极危险的尖锐缺口，这是疲劳源的所在地。晶体结构的影响：滑移在体心立方金属中是分散的，不容易产生活移带开裂。在体心立方金属中的位错运动需要更大的应力。体心立方金属的屈服强度通常较高一些，而且在这些材料中的加工硬化速率又较低，因此使疲劳极限接近于其极限强度，疲劳强度高于面心立方结构的材料。堆垛层错能的影响：具有高层错能的材料(即扩展位错宽度窄的)比较容易发生交滑移，位错的运动可以通过交滑移的方式而绕过障碍使形变继续进行，因此，能促使持久滑移带的形成，有利于疲劳裂纹的萌生和扩展。具有高层错能的材料的疲劳抗力是比较低的。相反，具有低县错能的材料的疲劳抗力是比较高的。晶粒大小的影响：对大多数金属材料而言，其疲劳极限是随着晶粒的减小而提高。第二相性质的影响：对于起强化作用的第二相能够有效的提高疲劳性能，而对于不起强化作用的第二相往往要降低疲劳性能。非金属夹杂物的影响：减少夹杂物的数量，减少夹杂物的尺寸都能有效地提高疲劳极限。夹杂物和缺陷对疲劳强度的影响是多年来许多学者悉心研究的重要课题，特别是中、高强钢或高硬度钢，夹杂物和缺陷对疲劳强度的影响更加显著。钢材中总是存在有各种各样的缺陷和夹杂物，它们周围应力分布的不均匀对疲劳裂纹萌生和早期扩展有重要作用，也是引起应力集中的原因之一，对疲劳强度影响很大。但是，由于这个问题的复杂性，要寻求一种统一的处理方法是相当困难的。金属表面的情况、金属所处的介质环境等对金属的疲劳都用影响。古人就知道了如何让金属“强壮”的方法，那就是锻炼它们，令它们“百炼成钢”。现在我们所说的“锻炼身体”一词，其实就来源于对金属的锻炼，我们应该像锻炼金属一样锻炼自己的身体。锻炼金属的方法是热处理，例如对钢不断回火和捶打，使其韧化。减弱金属容易疲劳的特性，人们想到的另外一个方法是向单一金属中掺入其他物质，填补金属中的空隙和瑕疵。如果掺入的物质是金属，就可以制造出合金，用两种金属相互填充空隙的方法来弥补瑕疵，并使得金属强度增高。向金属中加入碳，也可以弥补金属中的瑕疵，制造出高强度碳钢。在金属材料中添加各种“维生素”，也是增强金属抗疲劳的有效办法。例如在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。在设计机械时，也应尽量减少可能发生的金属疲劳事故。比如，可以消除零件上的薄弱环节，减少开孔、挖槽、切口等，因为疲劳裂纹常发生在这些地方；提高零件表面的光洁度，保护表面不受生锈腐蚀之害，加工粗糙所产生的刻划痕以及材料锈腐之处，都是容易产生微细裂纹的；对零件表面进行强化处理，比如，辗压零件的表面，使材料表面强化，从而不易产生微细裂纹。四．金属材料疲劳的试验方法疲劳试验用以测定材料或结构疲劳应力或应变循环数的过程。疲劳是循环加载条件下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程。经足够的应力或应变循环后，损伤积累可使材料发生裂纹，或是裂纹进一步扩展至完全断裂。出现可见裂纹或完全断裂统称疲劳破坏。按破坏循环次数的高低，疲劳试验分为两类：（1）高循环疲劳（高周疲劳）试验，对于此种试验，施加的循环应力水平较低；（2）低循环疲劳（低周疲劳）试验，此时循环应力常超过材料的屈服极限，故通过控制应变实施加载。按材料性质划分有金属疲劳试验和非金属疲劳试验；按工作环境划分包括高温疲劳试验、热疲劳（由循环热应力引起）试验、腐蚀疲劳试验、微动摩擦疲劳试验、声疲劳（由噪声激励引起）试验、冲击疲劳试验、接触疲劳试验等。金属疲劳试验时，应力随时间一般呈正弦波形变化，但有时也采用三角形、矩形等应力波形。金属疲劳试验时最广泛采用的是旋转弯曲疲劳试验和轴向加载疲劳试验。金属在疲劳极限下实际所通过的最大循环次数称为试验基数。钢铁及钛合金等，基数一般为10；对于有色金属、特殊钢及在高温、腐蚀等试验条件下，基数一般为10。一些金属存在疲劳极限，对应地在曲线上出现水平部分。一些金属不存在疲劳极限，其曲线无水平部分；随循环周次增加，金属所能承受的应力不断减小，因此将对应于规定周次的应力称为条件疲劳极限。金属疲劳极限一般根据10个以上相同试样的疲劳试验结果所绘制的曲线求得或用升降法求得。金属疲劳强度是一种对金属外在缺陷、内在缺陷、显微组织和环境条件非常敏感的性能，通过疲劳试验所测定的试验数据一般都很分散，疲劳断口金属疲劳裂纹通常在表面层应力集中处(滑移带、夹杂、析出微粒、划痕、缺口、冶金缺陷等)萌生、而后扩展至断裂。金属疲劳断裂表面的外观形貌称之为疲劳断口。一般分为三区：即疲劳源（萌生疲劳裂纹的核心策源地）；疲劳裂纹扩展区（扩展过程中留下呈同心弧线的贝壳状形貌，光亮平滑，颗粒细，有时呈瓷状）；终断区（剩余截面不足以支承峰值应力因过载荷而静断，呈暗灰色纤维状或晶粒状）。断口是试样或零件在试验或使用过程中断裂后形成的相匹配的表面,它是断裂失效最主要的残骸,也是断裂失效分析最重要的物证。断口忠实记录了材料在载荷与环境作用下,断裂前的不可逆变形以及裂纹萌生和扩展直至断裂的全过程。因此可以通过分析断口的特征规律反推载荷和断裂环境等信息。五．总结为提高抗疲劳性能和分析的准确性，充分利用材料潜力，结构与材料的设计与制造，正朝着微观组织结构与应力力应变分布尽可能均匀化、表面加工尽可能光滑化和预测尽可能精确化的方向发展。六．参考文献[1]K.J.Miller.金属疲劳——过去、现在和未来[J].机械强度,1993,15（1）:77-80.[2]陈传尧.疲劳与断裂[M]．武汉:华中科技大学出版社,2002:1-5.[3]林吉忠.金属的缺陷、载荷与疲劳[M]．北京:中国铁道出版社,1993．[4]杨先碧.破解金属疲劳的奥秘[N].大众科技报,2011-6-21(5).[5]郝富杰.概述金属疲劳产生的原因及影响因素[J].山西建筑,2011,37（11）:51-52．[6]哈宽富.金属力学性能的微观理论[M].科学出版社,1983:550-551.[7]熊志鑫.基于强度稳定综合理论的金属疲劳寿命研究[D].哈尔滨.哈尔滨工程大学,2011:42-43.[8]赵子华.金属疲劳断口定量反推研究综述[J].机械强度,2008,30(3):508-514.[9]赵永翔,杨冰.1Cr18Ni9Ti管道焊缝金属疲劳短裂纹萌生与早期扩展[J].核动力工程,2003,24(2):127-128.