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-疲劳研究的发展及疲劳断裂机理概述孙寒骁装甲兵工程学院装备维修与再制造工程系摘要：疲劳断裂是零部件失效的主要形式之一，疲劳领域的研究对提高零部件工作可靠性减少经济损失具有重要的意义。本文归纳了疲劳研究的发展历程并详细阐述了疲劳断裂的机理。关键词：疲劳；残余应力；组织结构；表面形貌0 引言美国材料试验学会对疲劳的定义为：材料在某一点或某些点上受到变化的应力和应变，经过足够次数的变化后最终产生裂纹或完全断裂，在材料结构中局部渐进发生的这种永久变化过程称之为疲劳。疲劳断裂是引起零部件失效的最常见、最重要的原因之一[1]。然而人类认识并研究疲劳问题只有不到两百年的历史。在实际发生的力学破坏当中疲劳破坏占到了约50%~90%的巨大比例。美国国家标准局于20世纪80年代开展的关于断裂造成损失的调查显示1982年断裂在美国造成的损失为1190亿美元，占当年国家GDP的4%。因此，疲劳问题成为当代科研人员所关注的亟待解决的重点问题，如何防止疲劳断裂的发生，如何提升零部件的抗疲劳寿命成为现代科研工作者关注的重点难点领域[2]。1 疲劳研究的发展与现状疲劳问题最初是由德国工程师Albert于1829年在对矿山卷扬机焊接链条反复进行疲劳加载试验后提出了第一份有关疲劳问题的研究报告，紧接着1839年Poncelent在巴黎大学演讲时首次提出了疲劳这一概念。Wohler是第一个对疲劳进行系统研究的学者，他从1847年起针对当时车轴台肩多次发生断裂的问题进行了深入的研究并取得了丰硕的成果，例如设计发明了第一台疲劳试验机，研究了疲劳寿命与应力的关系并提出了S-N曲线，这都为疲劳学的发展奠定了坚实的基础。在此之后，Ewing和Humfery首次发现了疲劳滑移痕迹与微裂纹，Almen解释了喷丸强化提高材料抗疲劳强度的机制，Zappfe与Worden进行了最早的断口分析并观察了疲劳辉纹，Manson、Coffin提出了曼森-柯芬方程，Wetzel在此方程基础上提出了局部应力-应变疲劳分析法。在我国，疲劳研究起步较晚但发展较快，现如今很多科研部门、院校、工厂都对疲劳问题做出了大量研究，取得了大量成果，但总体上看仍有许多可以改进的地方。譬如目前我国的机械设计大部分仍然处在静强度设计阶段，仅在轴等少数关键设备进行抗疲劳设计，这主要是由于国内各材料疲劳及抗疲劳相关的性能缺乏，设计人员对疲劳问题认识不足所造成的。因此目前疲劳领域仍有大量工作亟待完成，对提高零部件寿命及可靠性具有重要的意义。2 疲劳断裂的机理疲劳是在零部件承受扰动应力的作用下发生的，它起源于高应力应变的应力集中部位，在足够次数的扰动载荷作用下，应力集中部位产生裂纹。在接下来的一段时间内因扰动载荷的作用，裂纹不断扩展直到达到临界尺寸时零部件的因强度不够而瞬时断裂。因此疲劳是一个发展的过程，主要经历裂纹的萌生、发展、断裂三个阶段，疲劳寿命也就是裂纹萌生阶段与裂纹发展阶段这个两阶段寿命的和[3]。这也造成了典型的疲劳断口由于疲劳断裂发生的这三个阶段而能观察到裂纹源区、裂纹扩展区、瞬间断裂区三个部分[4]。2.1 裂纹的萌生裂纹主要从滑移带，晶界，夹杂物、第二相与基体的界面等高应力集中处开裂，一般而言裂纹源只有一个，但也有可能有多个。在工程实际中疲劳往往起源于表面或近表面处，这是由于表面所受的约束少，并外部环境容易使表面产生划痕、腐蚀坑等缺陷，裂纹在此萌生后逐渐向内扩展直至断裂。滑移带开裂是由于在循环载荷作用下，材料产生塑性变形形成滑移带，滑移带因为扰动的作用在表面不断被挤入挤出，逐渐形成小尺度的切口，再逐渐扩展为宏观尺度的裂纹。晶界、夹杂物、第二相与基体的界面开裂与滑移带开裂类似，滑移面在循环载荷作用下滑移，在晶界或界面处受阻形成位错塞积，造成应力集中，当应力峰值达到某一临界值时便会造成开裂。2.2 裂纹的扩展裂纹的扩展可分为两个阶段，第一个阶段裂纹在萌生后在交变载荷的作用下沿最大切应力方向扩展，具有一定的结晶学特性。此阶段的裂纹数量较多，随着裂纹的扩展一部分在几个晶粒的尺度就停止了，还有一部分连接成一条主裂纹，进入第二阶段。第二阶段由于裂纹由材料表面约束少的地方进入内部，滑移受到巨大阻碍而由剪切扩展方式转变为拉伸扩展，此时不再具有结晶学特性。裂纹在扩展的过程中会留下疲劳辉纹，疲劳辉纹方向与裂纹扩展方向垂直，它的间距能够反映出裂纹扩展的速率。整个裂纹扩展区由于整个扩展过程中不断的张开、闭合，相互摩擦使得断口较为光滑平整，并常常会留下腐蚀的痕迹。2.3 最后的断裂疲劳断裂最后的断裂是当裂纹扩展到一定的程度时，材料的强度下降到临界值而发生的类似于静载断裂的瞬时断裂，它的机理与静载断裂一致，但两者加载速率不同，因而强度因子有所差别。瞬断区一般会有45°剪切唇与大量韧窝。2.4 断口形貌特征由前所述，断口主要分为裂纹源区、扩展区和瞬断区三个区域。疲劳源区多呈半圆形或半椭圆形，面积最小，萌生于表面或应力集中处，由于裂纹在此扩展速度慢，所以较为平坦。裂纹扩展区往往指第二阶段的扩展区，因为第一阶段的只有几个晶粒的尺度往往难以分辨，它位于疲劳源区与瞬断区之间，面积最大，表面常出现海滩状花纹或细晶粒，在靠近疲劳源区的区域由于在扩展时被裂纹面不断挤压摩擦而会被磨光。瞬断区多呈亮色粗晶粒，面积大小由载荷和材料本身决定。参考文献：[1]陈传尧.疲劳与断裂 [M].华中科技大学出版社，2003.[2]李雪莉，李瑛，王福会，等.USSP表面纳米化Fe-20Cr合金的腐蚀性能及机制研究 [J].中国腐蚀与防护学报，2002，22(6)： 326-330.[3]李瑛，王福会.纳米化对金属材料电化学腐蚀行的影响.腐蚀与防护，2003，24(1)： 6-12.[4]华文君，赵振业，丁传富.300M钢孔挤压强化疲劳断口扫描电镜观察与分析 [J].材料工程.1994，(1)： 31-34.
疲劳断裂产生的原因
疲劳断裂是一种常见的机械故障，其原因通常可以分为两个方面：生理原因和非生理原因。
生理原因导致的疲劳断裂，主要与个体的长期劳累和过度使用有关。长时间从事重体力劳动或行走，使得局部骨骼和肌肉受到反复的牵拉和磨损，从而逐渐积累起大量的疲劳损伤。这些疲劳损伤在微观层面上表现为骨骼和肌肉纤维的微小裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐扩大，最终导致疲劳断裂的发生。为了避免这种情况，应注意适当休息，合理安排劳动和休息的时间，以及进行适当的锻炼以增强骨骼和肌肉的强度和耐力。
非生理原因导致的疲劳断裂，则与外力撞击、关节炎等疾病以及不良的生活习惯有关。例如，钝器或车祸等意外事故所引起的撞击，可能会对局部的肌肉或骨骼造成严重的损伤。长期营养不良则可能导致骨质疏松，使得骨骼变得脆弱，容易发生应力性骨折。此外，关节炎等疾病也可能因炎症刺激而使得关节变得脆弱，容易发生疲劳断裂。对于这些情况，除了适当的休息和治疗外，还需要注意改善生活习惯，保持健康的生活方式。
此外，动脉粥样硬化斑块也可能会发生疲劳断裂。这是由于动脉粥样硬化斑块在血管内壁形成，随着时间的推移，这些斑块可能会变得越来越不稳定，最终发生破裂或脱落。这种情况是心肌梗死和中风的主要原因之一，需要引起足够的重视。为了避免这种情况的发生，应保持良好的生活习惯，如戒烟、控制血压和血脂等，以及定期进行体检和血管检查。
总之，疲劳断裂产生的原因多种多样，为了预防和治疗这种机械故障，我们需要深入了解其产生的原因和机制，并根据具体情况采取相应的措施。只有这样，才能有效地减少疲劳断裂的发生，保障人们的生命财产安全。
NASGRO软件是美国NASA、洛克希德•马丁公司、美国西南研究院（SwRI）等机构联合开发的断裂力学分析软件，是NASA、FAA、ESA等机构进行损伤容限认证用的标准软件。
NASGRO-疲劳断裂机理与疲劳裂纹扩展分析软件
NASGRO软件背景
NASGRO是上世纪80年代美国航空航天局约翰逊宇航中心（NASA Johnson Space Center）在欧洲航天局和FAA的技术协助下开发的软件，NASGRO最初被用于对NASA航天器的断裂失效进行预测和控制，在NASA的老化飞机研究项目中，NASGRO被选定为飞机结构疲劳裂纹扩展分析的指定软件，从而使得NASGRO的分析能力得到了极大的提升。
20多年以来，NASGRO的功能在尖端项目应用中不断丰富和扩充，被应用于以航空航天和军工为代表的各行各业，已经发展成为具有广泛适应领域的疲劳裂纹预测和生长分析专业尖端技术软件。目前NASGRO在全球40多个国家有超过1700家用户。
美国西南研究院（SwRI）在2000年与NASA签署了太空行动协议，开始负责NASGRO的开发和用户服务。
NASGRO软件技术简介
NASGRO是用于疲劳断裂预测以及疲劳裂纹扩展寿命预测的软件，其主要功能包括：
• 疲劳裂纹生成（初始化）分析。
• 疲劳裂纹扩展和断裂分析。
• 预测结构寿命。
• 处理并储存疲劳裂纹扩展参数。
NASGRO提供了统一的Windows风格图形用户界面，在界面下集成各个分析模块，包括：
• NASFORM：疲劳裂纹生成（初始化）模块。
• NASFLA：核心寿命预测模块。
• NASBEM：二维边界元分析模块。
• NASMAT：材料数据库模块。
NASGRO界面
NASGRO提供了集成的Windows风格图形用户界面，用户可以方便直观地输入参数或者建立批处理文件，并可以方便地观察和修改。用户在该界面中可以对同类裂纹进行不同几何参数或者缩放系数的敏感性分析。 NASFORM
论文
题目：疲劳与断裂综述
院 （系） 材料与化工学院
专 业 材料工程
姓 名
学 号
目录
1 绪论............................................................................................................................ 3
1.1 疲劳及断裂力学发展.................................................................................... 3
1.2 疲劳与断裂力学的关系.................................................................................. 3
1.3 疲劳设计方法.................................................................................................. 4
2 疲劳现象及特点........................................................................................................ 4
2.1 变动载荷和循环应力...................................................................................... 4
2.2疲劳现象及特点............................................................................................... 5
