实用疲劳理论入门介绍

一、疲劳的基本概念

1、疲劳的定义

疲劳损伤发生在受交变应力（或应变）作用的零件和构件，零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力（或应变）的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。

2、疲劳破坏的特征

材料力学是根据静力试验来确定材料的机械性能（比如弹性极限、屈服极限、强度极限）的，这些机械性能没有充分反映材料在交变载荷作用下的特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件和构件，如果还是按静载荷去设计，在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。

3、疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别：

静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的。

当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。

静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，即便是塑性良好的金属也这样，就象脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这表明疲劳破坏具有更大的危险性。

在静力破坏的断口上，通常只呈现粗粒状或纤维状特征；而在疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒状或纤维状。因为疲劳破坏时，首先在某一点产生微小的裂纹，其起点叫“疲劳源”，裂纹从疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复变形，裂开的两个面时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成一个平滑区域。在交变载荷继续作用下，裂纹逐渐扩展，承载面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静强度不足时，就会在某一载荷作用下突然断裂，其断裂面呈粗粒状或纤维状。

静力破坏的抗力主要取决于材料本身；而疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。

二、疲劳分类：

1、机械疲劳：外加应力或应变波动造成的机械疲劳

2、蠕变疲劳：循环载荷同高温联合作用引起的

3、热机械疲劳：循环受载部件的温度也变动时引入的热机械疲劳（即热疲劳与机械疲劳的组合）

4、腐蚀疲劳：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产生的

5、滚动接触疲劳：载荷的反复作用与材料之间的滚动接触相结合产生的

6、微动疲劳：脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的

三、疲劳寿命

1、许用应力

许用应力是机械设计中允许零件或构件承受的最大应力值，要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力。许用应力等于考虑各种影响因素后经适当修正的材料失效应力除以安全系数。静强度设计中塑性材料以屈服极限作为失效应力，脆性材料以强度极限作为失效应力。

2、疲劳寿命

材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。

常规疲劳强度计算是以名义应力为基础的，可分为无限寿命计算和有限寿命计算。零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关，它们之间的关系可以用应力-寿命曲线（σ-N曲线）和应变-寿命曲线（δ-Ν曲线）表示。应力-寿命曲线和应变-寿命曲线，统称为S-N曲线。

在疲劳试验中，实际零件尺寸和表面状态与试样有差异，常存在由圆角、键槽等引起的应力集中，所以，在使用时必须引入应力集中系数K、尺寸系数ε和表面系数β。

3、循环应力的特性

循环应力的特性用最小应力σmin与最大应力σmax的比值r=σmin/σmax表示，r称为循环特征。对应于不同循环特征，有不同的S-N曲线、疲劳极限和条件疲劳极限。对不同方向的应力，可用正负值加以区别，如拉应力为正值，压应力为负值。当r=-1，即σmin=-σmax时，称为对称循环应力；当r=0，即σmin=0时，称为脉动循环应力；当r=+1，即σmin=σmax时，应力不随时间变化，称为静应力。对应于不同循环特征，有不同的S-N曲线、疲劳极限和有限寿命的条件疲劳极限。

4、疲劳极限

材料疲劳极限可从有关设计手册、材料手册中查出。缺乏疲劳极限数据时，可用经验的方法根据材料的屈服极限σs和强度极限σb计算。

零件的疲劳极限σrk和τrk是根据所使用材料的疲劳极限，考虑零件的应力循环特性、尺寸效应、表面状态应力集中等因素确定的。

5、疲劳损伤积累理论

疲劳损伤积累理论认为，当零件所受应力高于疲劳极限时，每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的；当损伤积累到临界值时，零件将发生疲劳破坏。较重要的疲劳损伤积累理论有线性和非线性疲劳损伤积累理论，线性疲劳损伤积累理论认为，每一次循环载荷所产生的疲劳损伤是相互独立的。总损伤是每一次疲劳损伤的线性累加，它最具代表性的理论是帕姆格伦一迈因纳定理，应用最多的是线性疲劳损伤积累理论。