關(guān)于材料疲勞問題的分類及分析

機(jī)械部件的失效，約有80%是由于疲勞引起的。而大多疲勞失效的研究方法都是經(jīng)驗性的，本人在前人研究的基礎(chǔ)上，從疲勞的性質(zhì)、疲勞破壞和提高疲勞強(qiáng)度的措施三個方面做一個簡單系統(tǒng)的陳述和分類，讓大家簡單的了解材料的疲勞問題。

首先，讓我們了解一下疲勞的定義。疲勞是指材料在低于拉伸強(qiáng)度極限的交變應(yīng)力（或應(yīng)變）的反復(fù)作用下，材質(zhì)逐漸劣化，逐漸萌生出疲勞裂紋，引起材料的失效。
材料疲勞失效問題在材料的使用過程中是需要特別注意的，我們必須了解疲勞的性質(zhì)以及疲勞破壞的具體過程，找到提高疲勞強(qiáng)度的方法，在材料的使用過程中不斷運用，盡量減少機(jī)械部件的疲勞失效，這是我們研究這個問題的終目標(biāo)。下面將對疲勞的性質(zhì)、疲勞破壞以及怎樣提高疲勞強(qiáng)度做一個簡單的描述：

1、疲勞的三個性質(zhì)

1）疲勞中的損傷性
由于材料本身性質(zhì)的不同，我們無法對每個材料都作出幾何學(xué)上的描述；而對于它們的演變，也由于微觀測量和宏觀力學(xué)量之間量級懸殊，也不能直接用于結(jié)構(gòu)分析。
所以我們從熱力學(xué)出發(fā)，由于損傷變量是一種內(nèi)部變量，物質(zhì)性態(tài)對于外力、溫度、時間因素的依賴性隱含在內(nèi)部變量對其他獨立熱力學(xué)變量的關(guān)系式演化方程中，所以這種內(nèi)變量可用來描述損傷場的發(fā)展、演變。而對于唯象的損傷力學(xué)來說，可以認(rèn)為應(yīng)力、應(yīng)變及其組合量如應(yīng)變能密度等是控制損傷過程一級本質(zhì)的物理量。

2）疲勞中的概率統(tǒng)計性
疲勞損傷動態(tài)過程是一個隨機(jī)過程，因而它的疲勞壽命或疲勞強(qiáng)度表現(xiàn)出概率統(tǒng)計性。
金屬材料組織本身的散亂是導(dǎo)致它損傷的散亂和疲勞壽命散亂的一個主要原因，組織的散亂又在于它的不均勻性，包括諸多的因素，作為近似可以將這些因素統(tǒng)一起來進(jìn)行統(tǒng)計處理。

3）疲勞損傷中的局部性
疲勞損傷中的局部性現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在疲勞失效首先在薄弱環(huán)節(jié)處產(chǎn)生，這一事實是和疲勞中的隨機(jī)概率性密切相關(guān)的；從疲勞壽命所遵從的Weibull分布來看，其本身的物理背景也充分體現(xiàn)了疲勞損傷的局部性。

2、疲勞破壞的三個階段

1）裂紋形成階段
在交變應(yīng)力作用下，高應(yīng)力區(qū)金屬晶體滑移帶開裂成微觀裂紋，形成疲勞源區(qū)。

2）裂紋擴(kuò)展階段
在交變應(yīng)力作用下，裂紋因應(yīng)力集中而逐漸擴(kuò)展，裂紋兩面不斷研磨形成光滑區(qū)，即裂紋擴(kuò)展區(qū)。

3）瞬時斷裂階段
隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，截面削弱直至強(qiáng)度不足而突然斷裂，形成斷口的粗糙區(qū)，塑性材料表現(xiàn)為纖維狀，脆性材料表現(xiàn)為結(jié)晶狀。

3、提高金屬結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施

1）合理設(shè)計構(gòu)件的外形
構(gòu)件截面改變越激烈，應(yīng)力集中系數(shù)就越大。工程上常采用改變構(gòu)件外形尺寸的方法來減小應(yīng)力集中。設(shè)計構(gòu)件外形時，應(yīng)盡量避免帶有尖角的孔和槽,在各類配合中采用緩和的方式。

2）提高構(gòu)件的表面加工質(zhì)量
一般構(gòu)件表面的應(yīng)力都很大，同時由于加工的原因，構(gòu)件表層的刀痕或損傷處，又將引起應(yīng)力集中。因此，對疲勞強(qiáng)度要求高的構(gòu)件，應(yīng)采用精加工方法，以獲得較高的表面質(zhì)量。

3）提高構(gòu)件表面強(qiáng)度
常用方法有表面熱處理和表面機(jī)械強(qiáng)化兩種方法。表面熱處理通常采用高頻淬火、滲碳、氰化、氮化等措施，以提高構(gòu)件表層材料的抗疲勞強(qiáng)度能力。表面機(jī)械強(qiáng)化通常采用對構(gòu)件表面進(jìn)行滾壓、噴丸等，是使構(gòu)件表面形成預(yù)壓應(yīng)力層，以降低容易形成疲勞裂紋的拉應(yīng)力，從而提高表層強(qiáng)度。
在對材料疲勞有了部分了解后，希望可以將此運用到材料的制作過程當(dāng)中去，盡量減少由于材料疲勞而導(dǎo)致的失效問題。 

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