金屬材料疲勞研究綜述

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1、金屬材料疲勞研究綜述摘要：人會疲勞，金屬也會疲勞嗎？早在100多年前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬也是會疲勞的，并且發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞帶給人們各個方面的危害，所以研究金屬材料的疲勞是非常有必要的。本文主要講述了國內(nèi)外關(guān)于金屬疲勞的研究進展，概述了金屬產(chǎn)生疲勞的原因及影響因素，以及金屬材料疲勞的試驗方法。關(guān)鍵詞：金屬材料疲勞裂紋疲勞壽命一.引言金屬疲勞的概念，最早是由J.V.Poncelet于1830年在巴黎大學(xué)講演時釆用的。當時，“疲勞”一詞被用來描述在周期拉壓加載下材料強度的衰退。引述美國試驗與材料協(xié)會(ASTM)在“疲勞試驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之有關(guān)術(shù)語的標準定義"(EZ06-72)中所作的定義：

2、在某點或某些點承受撓動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)撓動作用之后形成裂紋或完全斷裂時，材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為“疲勞”。金屬疲勞是指材料、零構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，在一處或兒處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。在材料結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，就叫做金屬的疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計金屬材料失效80%是由于疲勞引起的，且表現(xiàn)為突然斷裂，無論材料為韌性材料還是塑性材料都表現(xiàn)為突然斷裂，危害極大，所以

3、研究金屬的疲勞是非常有必要的。由于金屬材料的疲勞一般難以發(fā)現(xiàn)，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞給各個方面帶來的損害。由于但是條件的限制，還不能查明疲勞破壞的原因。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國的5000艘貨船共發(fā)生1000多次破壞事故，有238艘完全報廢，其中大部分要歸咎于金屬的疲勞。2002年5月，華航一架波音747-200型客機在由臺灣中正機場飛往香港機場途中空中解體，19名機組人員及206名乘客全部遇難。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機后部的金屬疲勞裂紋造成機體在空中解體，是導(dǎo)致此次空難的根本原因。直到出現(xiàn)了電子顯微鏡之后，人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得了

4、新的成果，才開發(fā)出一些發(fā)現(xiàn)和消除金屬疲勞的手段。一.金屬疲勞的有關(guān)進展1839年巴黎大學(xué)教授在講課中首先使用了"金屬疲勞"的概念。1850一1860年德國工程師提出了應(yīng)力■壽命圖和疲勞極限的概念。1870一1890年間，Gerber研究了平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響。Goodman提出了考慮平均應(yīng)力影響的簡單理論。1920年Griffith發(fā)表了關(guān)于脆性材料斷裂的理論和試驗結(jié)果。發(fā)現(xiàn)玻璃的強度取決于所包含的微裂紋長度，Griffith理論的出現(xiàn)標志著斷裂力學(xué)的開端。1945年Miner用公式表達出線性積累損傷理論。五十年代，力學(xué)理論上對提出應(yīng)力強度因子K的概念。六十年代，Manson

5、—Coffin公式概括了塑性應(yīng)變幅值和疲勞壽命之間的關(guān)系。Paris在1963年提出疲勞裂紋擴展速率da/dN和應(yīng)力強度因子幅值A(chǔ)k之間的關(guān)系。1974年，美國空軍頒布軍用規(guī)范A-83444,從此斷裂力學(xué)就成就為疲勞研究的重要理論工具。50年代以后，隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展和電子顯微鏡的應(yīng)用，疲勞裂紋擴展的研究取得突飛猛進的發(fā)展。疲勞裂紋擴展的研究在微觀和宏觀兩方面同時展開。在微觀方面，主要是研究疲勞裂紋擴展的微觀機制和相關(guān)的微觀力學(xué)模型；宏觀方面，主要是研究疲勞裂紋擴展的力學(xué)模型和疲勞裂紋擴展速率表達式。人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得了新的成果，才開發(fā)出一些發(fā)現(xiàn)和消除金屬疲勞

6、的手段。一.金屬材料疲勞產(chǎn)&原因及影響因素金屬疲勞破壞是承受交變應(yīng)力的機械構(gòu)件高應(yīng)力集中區(qū)較弱的晶粒在經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)以后形成微裂紋然后發(fā)展成宏觀裂紋繼續(xù)擴展導(dǎo)致最終斷裂的破壞過程。疲勞破壞以許多形式出現(xiàn)，包括僅有外加應(yīng)力或應(yīng)變波動造成的機械疲勞，循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的蠕變疲勞，受循環(huán)載荷的作用下溫度也變動的熱機械疲勞即熱疲勞與機械疲勞的組合，在存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加反復(fù)載荷時的腐蝕疲勞等。機器和結(jié)構(gòu)部件的失效大多是由于發(fā)生上述某一種疲勞過程造成的引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值一般遠遠小于靜態(tài)斷裂分析估算出來的安全載荷。影響疲勞的原因是多方面的，金屬材料受

7、到外力作用后，其內(nèi)部即處于受脅和松弛這樣一種矛盾的狀態(tài)之中。受脅表明材料內(nèi)部能量升高，而松弛則可能使能量降低，松弛過程主要通過塑性變形和斷裂來實現(xiàn)。當金屬受脅達到飽和狀態(tài)而不能繼續(xù)再用塑性變形或根本就不能以塑性變形來松弛時，若再增加應(yīng)力，它就會以斷裂的形式來徹底松弛疲勞破壞。由于沒有明顯的宏觀塑性變形，破壞十分突然，往往造成災(zāi)難性事故，引起巨大的經(jīng)濟損失。由于疲勞裂紋經(jīng)常從零構(gòu)件的表面開始，所以金屬零構(gòu)件的表面狀態(tài)對疲勞強度會有顯著的影響。這里所指的表面就是表面加工光潔度、表面層