金属疲劳破坏的特点

金属材料的形变行为及疲劳机制金属材料作为一种重要的结构材料，在现代工业和制造业中扮演着不可或缺的角色。

在机械工程领域中，金属材料的性能是十分重要的。

特别是在长期的使用过程中，金属材料会经历各种形变行为，如塑性变形、弹性变形等，同时也会受到各种外力和环境的影响，从而导致材料的疲劳破坏。

因此，深入研究金属材料的形变机制和疲劳机理对于提高材料的性能和延长材料寿命具有重要意义。

一、金属材料的形变行为及其分类1. 塑性变形在金属材料受到一定的外力作用时，经历一定的应变后，断面积发生明显的变化，称为塑性变形。

塑性变形是指材料在超过弹性限度后，由于材料分子内部结构的移动或重组，而导致材料体积、形状和内部应力等方面发生永久性变化的一种变形方式。

在塑性变形过程中，金属的应力和应变呈现非线性关系，随着应变的增加，应力逐渐增大，直至达到最大极限。

2. 弹性变形当金属受到外力作用时，会发生弹性变形。

弹性变形是指在外力作用消失后，金属能恢复原来的形状和体积的变形方式。

当金属材料受到外力作用时，会在一定范围内出现线性的应力-应变关系。

3. 化学变形在化学作用下，金属那块的外貌、物性或机械性质发作变化的情况下，称之为化学变形。

4. 相变形变相变形变是指金属材料在温度、压力等外界因素的影响下，发生物相转化从而导致断面积等较大的形变的变形方式。

在相变过程中，材料的晶粒会重新排列，导致新的晶粒的形成和原晶粒的破坏。

二、金属材料的疲劳机理金属材料在长期使用过程中，如经历不断的载荷变化，会产生一定的应力水平，从而导致金属的疲劳破坏。

疲劳机理主要分为两种：低周疲劳和高周疲劳。

1. 低周疲劳低周疲劳是指在低频、高应力的作用下，金属材料会逐渐累积一定的变形，终止于断裂。

通常这种疲劳发生在每秒两万次以下的变形下，断裂往往是塑性破坏。

2. 高周疲劳高周疲劳是指在高频、低应力的作用下，金属材料会逐渐累积一定的变形，终止于断裂。

通常这种疲劳发生在每秒两万次以上的变形下，断裂往往是损伤引起的微观裂纹扩展所造成。

金属材料的力学性能-疲劳强度疲劳强度：机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。

在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。

实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。

一般试验时规定，钢在经受107次、非铁（有色）金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。

据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

力学性能二级考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 材料的屈服强度是指材料在外力作用下产生（）时的应力值。

A. 弹性变形B. 塑性变形C. 断裂D. 疲劳破坏答案：B2. 材料的硬度是指材料抵抗（）的能力。

A. 弹性变形B. 塑性变形C. 断裂D. 疲劳破坏答案：B3. 金属材料的疲劳破坏通常发生在（）。

A. 最大应力处B. 最小应力处C. 应力集中处D. 应力均匀分布处答案：C4. 材料的冲击韧性是指材料在（）条件下吸收能量的能力。

A. 静态拉伸B. 动态拉伸C. 静态压缩D. 动态压缩答案：B5. 金属材料的蠕变是指在（）作用下，材料发生缓慢的塑性变形。

A. 恒定温度B. 恒定应力C. 恒定应变D. 恒定时间答案：B6. 材料的断裂韧性是指材料抵抗（）的能力。

A. 弹性变形B. 塑性变形C. 断裂D. 疲劳破坏答案：C7. 金属材料的硬度与强度之间的关系是（）。

A. 无关B. 正相关C. 负相关D. 无规律答案：B8. 材料的疲劳寿命是指材料在（）条件下能够承受循环载荷的次数。

A. 恒定应力B. 恒定应变C. 恒定时间D. 恒定温度答案：A9. 金属材料的塑性是指材料在（）条件下能够发生塑性变形而不断裂的性质。

A. 静态拉伸B. 动态拉伸C. 静态压缩D. 动态压缩答案：A10. 材料的弹性模量是指材料在（）条件下应力与应变的比值。

A. 弹性变形B. 塑性变形C. 断裂D. 疲劳破坏答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分）11. 金属材料的力学性能包括（）。

A. 强度B. 硬度C. 韧性D. 塑性E. 导电性答案：ABCD12. 影响材料疲劳寿命的因素包括（）。

A. 材料的强度B. 材料的硬度C. 应力集中D. 表面粗糙度E. 环境温度答案：ACDE13. 金属材料的蠕变特性包括（）。

A. 时间依赖性B. 温度依赖性C. 应力依赖性D. 应变依赖性E. 环境依赖性答案：ABC14. 金属材料的断裂韧性测试方法包括（）。

金属材料疲劳破坏机理研究引言金属材料是工程领域中使用最广泛的材料之一，但是金属材料的使用寿命和安全性受到了很大的挑战，这是由于金属材料容易经历疲劳破坏。

因此，金属材料疲劳破坏的机理研究非常重要。

本文将对金属材料疲劳破坏的机理、原因和如何应对进行探讨。

金属材料疲劳破坏的机理疲劳破坏是由于金属材料长时间受到循环载荷而引起的。

当载荷频率足够高时，金属材料表面就会产生微小的裂纹，而这些微小的裂纹则会逐渐扩大并最终导致金属材料疲劳破坏。

这个过程可以通过疲劳寿命曲线来描述。

疲劳寿命曲线通常包括S-N曲线和ε-N曲线。

S-N曲线描述了在不同的应力水平下金属材料的循环寿命，而ε-N曲线描述了在不同的应变水平下金属材料的循环寿命。

疲劳寿命曲线与金属材料的组织、应力水平、载荷频率有很大关系。

金属材料疲劳破坏的原因金属材料疲劳破坏的原因与材料本身的性质以及工作环境有关。

以下是金属材料疲劳破坏的主要原因：1.应力水平过高：当金属材料受到高应力，尤其是超过其疲劳极限时，就会产生疲劳破坏。

2.载荷频率过高：当金属材料受到高频率的循环载荷，就会产生裂纹并发生疲劳破坏。

3.材料损伤：金属材料的缺陷、氧化、腐蚀等都会导致金属材料的微小裂纹，进而导致疲劳破坏。

4.温度：在不同的温度下，金属材料的疲劳寿命也不同，因为温度会影响金属材料的性质和行为。

如何应对金属材料疲劳破坏为了防止金属材料疲劳破坏，我们有以下几种方法：1.提高材料的强度和韧性。

在设计过程中我们应该选择高强度、高韧性的材料来降低金属材料在受到循环载荷时的疲劳破坏风险。

2.避免应力集中。

应力集中会影响金属材料的强度和疲劳性能，因此应该避免在设计过程中出现尖锐角或其他应力集中的地方。

3.控制载荷频率。

控制载荷频率有助于延长金属材料的使用寿命。

4.减少金属材料的损伤。

通过在材料表面添加防腐剂或其他化学物质，可以减少金属材料的损伤，从而降低金属材料的疲劳破坏风险。

结论金属材料疲劳破坏是工程领域中的一个重要问题，对我们的工程设计和安全性造成了极大的影响。

金属疲劳例子1. 简介金属疲劳是指金属材料在循环加载下发生持续应力和应变积累导致的破坏现象。

一般来说，金属材料在受到外力作用下都会发生弹性变形，不过当外力反复作用时，即使远远小于金属材料的屈服强度也会导致金属疲劳破坏。

金属疲劳是一种常见的失效形式，特别在机械、航空航天等领域中具有重要的研究价值。

本文主要通过几个金属疲劳的例子来介绍金属疲劳现象、影响因素和预防措施。

2. 金属疲劳的例子2.1 飞机起落架飞机起落架是一个经常受到循环加载的金属构件，其中承受的应力特别大。

由于飞机在起飞性能和安全性要求高，所以起落架的安全性尤为关键。

起落架由多个金属构件组成，例如压铸、锻造等，这些构件经常受到机身的振动和冲击。

金属疲劳在飞机起落架中是一个重要的失效形式。

在某次事故调查中发现，飞机起落架由于长时间的飞行和着陆循环，金属疲劳最终导致了起落架断裂的事故。

为了预防金属疲劳导致的起落架断裂，飞机制造商采用了多种措施。

首先是科学设计，根据飞机的使用情况和受力分析，合理计算起落架的寿命。

其次是周期性的检查和维护，通过定期的检查和维护可以发现金属疲劳的迹象并及时修复或更换受损部分。

另外，飞机制造商还使用了一些技术手段，例如表面处理、改善金属的疲劳性能等。

2.2 汽车曲轴汽车曲轴是发动机中的关键部件之一，也是一个经受循环加载的金属构件。

曲轴通过连杆与活塞相连，将活塞的上下往复运动转化为发动机的旋转运动。

由于发动机运转时，曲轴需要不断承受爆燃冲击力和离心力等循环载荷，使得曲轴容易发生金属疲劳。

在某次事故调查中发现，汽车曲轴发生疲劳断裂最终导致了引擎故障和车辆失控。

为了提高汽车曲轴的疲劳寿命以及减少金属疲劳导致的断裂，曲轴的设计和制造过程中采取了一系列措施。

首先是材料选择，使用高强度、高韧性的材料来增加曲轴的承载能力和抗疲劳性能。

其次是优化曲轴的结构，通过合理的形状和几何参数的选择，减小应力集中区域，从而降低金属疲劳的风险。

什么是金属疲劳？腐蚀与疲劳的“兄弟情”腐蚀与疲劳均为材料构件失效的主要形式，在多种情况下，二者相辅相成，相互促进，共同对材料发起攻击，俨然一对团结互助的“好兄弟”。

这对“好兄弟”一起出现时就是腐蚀疲劳，腐蚀疲劳是指材料在交变载荷和腐蚀介质的协同、交互作用下发生的一种破坏形式，广泛存在于航空、船舶以及石油等领域，腐蚀疲劳破坏是工程上面临的严重问题，现已成为工业领域急需解决的课题。

今天就让我们来聊聊腐蚀的兄弟——金属疲劳那些事儿。

金属为什么会疲劳？生活经验告诉我们，要想徒手拉断铁丝是非常困难的，但如果反复折几下却很容易折断。

这表明，即使反复变化的外力远小于能将金属直接拉断的恒力，也会使它的机械性能逐渐变弱并最终损毁。

金属的这种现象和人在长期工作下的疲劳非常像，科学家们便形象地称其为“金属疲劳”。

不少小伙伴都会疑惑：人累了会疲劳，怎么坚硬的金属也会疲劳呢？正所谓“黄金无足色，白璧有微瑕”，我们目前所用的金属并非是完美的，在加工或使用的过程中，金属总会存在一些缺陷，比如内部有杂质或孔洞、表面有划痕。

这些缺陷往往只有微米量级，很难通过肉眼观察，如果给金属施加一个不变的拉力，它们并不容易产生裂缝。

可如果外力是反复变化的，一会儿是拉力一会儿是压力，一部分能量就会转换成热，积累在金属内部，一旦超过某个限度，金属就很容易在缺陷处发生原子间的化学键断裂，导致结构开裂。

疲劳到底是什么呢？疲劳是指在低于材料极限强度 (ultimate strength) 的应力 (stress) 长期反复作用下，导致结构终于破坏的一种现象。

由于总是发生在结构应力远低于设计容许最大应力的情况下，因此，常能躲过一般人的注意而不被发觉，这也是疲劳最危险的地方。

材料在承受反复应力的作用过程中，每一次的应力作用称为一个应力周期(cycle)，此周期内的材料受力状态，由原本的无应力先到达最大正应力（拉伸应力），然后到达最大负应力（压缩应力），最后回到无应力状态。

疲劳断裂的特征分类及基础知识疲劳断裂是一种在重复加载条件下发生的一种损伤形式，可以导致金属及其合金材料的破坏。

疲劳断裂是由于应力集中、材料缺陷、环境影响等多种因素引起的。

以下是对疲劳断裂特征分类及基础知识的详细分析。

1.纵向疲劳断裂：当材料受到拉伸或压缩的加载时，在垂直于加载方向的平面上发生断裂，形成纵向疲劳断裂。

2.横向疲劳断裂：当材料受到扭转或剪切的加载时，在平行于加载方向的平面上发生断裂，形成横向疲劳断裂。

3.中心断裂：当材料受到拉伸或压缩的加载时，在距离加载部位较远的位置发生断裂，这种断裂称为中心断裂。

4.表面断裂：当材料受到磨损、腐蚀等外部因素的影响时，在材料表面形成断裂，这种断裂称为表面断裂。

1.疲劳载荷：是指在一个周期内作用于材料上的变化载荷，其特点是频率较高、幅值较小。

常见的疲劳载荷有交变载荷、脉动载荷和随机载荷等。

2.疲劳寿命：是指材料在一定的应力水平下承受疲劳载荷的循环次数，即能够承受多少次循环载荷而不发生疲劳断裂。

3.S-N曲线：是一种用来描述材料的疲劳性能的荷载寿命曲线。

它描述了应力幅值和循环次数之间的关系，一般呈现出下降递减的趋势。

4.疲劳裂纹：是指在材料使用过程中形成的裂纹。

疲劳裂纹的出现是由于材料在应力循环中发生屈服，导致局部塑性变形，从而形成裂纹。

5.疲劳断裂预测：为了避免材料在使用过程中发生疲劳断裂，科学家和工程师会进行疲劳断裂预测。

这个过程包括材料的疲劳性能测试、疲劳寿命预测和结构设计等。

总结起来，疲劳断裂是一种由应力集中、材料缺陷和环境影响等引起的金属材料破坏形式。

根据断裂的位置和形状可以将其分类为纵向疲劳断裂、横向疲劳断裂、中心断裂和表面断裂。

了解疲劳载荷、疲劳寿命、S-N曲线、疲劳裂纹以及疲劳断裂预测等基础知识有助于理解和预防疲劳断裂的发生。

研究和应用这些知识对于材料的设计和使用至关重要。

第三章金属疲劳破坏机理及断口分析一、疲劳宏观断口•1、疲劳断口的特征•疲劳断口宏观来看由两个区域组成：疲劳裂纹产生及扩展区和最后断裂区。

图1、疲劳断裂宏观断口（a）旋转弯曲试样疲劳断口（b）疲劳断口示意图•（1）疲劳裂纹产生及扩展区•由于材料的质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，在零件或试样的局部区域造成应力集中，这些区域便是疲劳裂纹核心产生的策源地。

•疲劳裂纹产生后，在交变应力作用下继续扩展长大。

常常留下一条条的同心弧线，叫做前沿线（疲劳线），这些弧线形成了象“贝壳”一样的花样，也称为贝纹区。

断口表面因反复挤压、摩擦，有时光亮得象细瓷断口一样。

•（2）最后断裂区•疲劳裂纹不断扩展，使得零件或试样有效断面逐渐减少，应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度时，则发生断裂，形成最后断裂区。

•对于塑性材料，断口为纤维状，呈暗灰色。

•对于脆性材料则是结晶状。

2、影响疲劳断口的因素•（1）试样或零件所受载荷类型。

•（2）试样或零件所受应力的大小。

•（3）应力集中因素。

图2、平板试样拉压疲劳断口形态示意图（a）平板试样；（b）带缺口的平板试样图3、各类疲劳断口形态的示意图二、金属疲劳破坏机理•疲劳裂纹的产生•金属所受交变应力的最大值低于材料的屈服强度，为什么会产生疲劳断裂呢？为了搞清楚金属疲劳断裂的本质，通常是在消除外界应力集中的情况下，研究金属疲劳的微观变化，从而提高疲劳抗力的途径。

图4、静拉伸和交变载荷下的滑移带（a）静拉伸（σ＞σ0.2）（b）交变应力（σ=σ-1，N=105次）•从图4可以看出，静拉伸试样表面上到处布满细密的滑移带。

交变载荷下，经过应力循环之后，只有部分晶粒的局部地方出现细滑移带，表现为滑移的不均匀性。

这种滑移的不均匀性通常集中在金属表面、金属的晶界及金属夹杂物等处，并在该处形成疲劳裂纹核心。

•图5低碳钢经过不同循环次数后形成的滑移带。

图5、低碳钢在交变应力下（σ=σ-1）滑移带的发展（a）N=104次；（b）N=2×106次图6、低碳钢（σ=2σ-1）形成的滑移带（a）N=6×104次；（b）电解抛光后留下的“驻留滑移带”图7、交变应力下金属表面形成的“挤出脊”及“挤入沟”•驻留滑移带、挤出脊、挤入沟等，都是金属在交变载荷作用下表面不均匀滑移造成的疲劳裂纹核心策源地。

疲劳定义：金属机件或构件在变动应力应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。

疲劳的特点：（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，ζ↓，Nf↑.(2)疲劳是脆性断裂，是一种潜在的突发性断裂。

（3）疲劳对缺陷十分敏感。

疲劳的断口特征：（三个区）：疲劳源，疲劳区，瞬断区，疲劳宏观特征：贝纹线（沙滩状花样），微观特征：疲劳韧带疲劳裂纹在表面形成的原因：（1）表面晶粒受周围介质约束小（2）表面晶粒不完全被其他晶粒包围，塑性变形约束小（3）表面晶粒易受损伤（4）弯曲，扭转载荷作用在表面应力最大。

疲劳强度影响因素⑴表面强化：①化学热处理：a渗碳，氮;b 表面淬火②表面塑变：a 喷丸; b 表面滚压表面强度增加（抵抗表面滑移，ζ-1提高），表面产生残余压应力（降低拉应力峰，ζ-1提高）⑵残余压应力的有利影响与外加应力的应力状态有关：机件承受弯曲疲劳时，残余压应力效果比扭转疲劳大；承受拉压疲劳时，影响小，这是不同应力状态下，机件表面应力梯度不同所致。

⑶只要提高材料的滑移抗力，如果用固溶强化，细晶强化等手段，均可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳强度——只适用于高周疲劳。

高周疲劳特点：断裂寿命较长，N f>105周次；断裂应力水平较低，ζ<ζs,低应力疲劳。

应力腐蚀⑴产生条件：应力；化学介质；金属材料⑵应力腐蚀断口特征.宏观：灰黑色—亚稳扩展区，亮色—瞬间断口区微观：显微断裂呈枯树枝状，表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。

⑶防止应力腐蚀方法：a，合理选择金属材料 b，减少或清除机件中的残余拉应力 c，改善化学介质 d，采用电化学保护为什么bcc易于产生低温脆性，而fcc不易产生？加入Ni,Mn合金元素对韧性的影响？答：（1）ζs=ζi+k y d-1/2,bcc对温度变化更为敏感，与温度下降时，ζi 急剧增加，故ζs急剧增加，从而易于产生低温脆性（2）bcc与迟屈服现象有关，迟屈服即对低碳钢施加一高速载荷到高于ζs材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变形。

“金属疲劳”不容忽视①常见的金属总是给人一种坚硬无比的感觉。

其实，在各种外力的反复作用下，金属也可以产生疲劳，而且，一旦产生疲劳就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。

2002年5月25日，华航波音747-200型客机，由台北中正机场飞往香港途中，坠毁在澎湖外海，机上225名旅客及机组人员全部罹难。

科学家经过考察和分析后判定，飞机失事主要是制作飞机的金属材料产生疲劳断裂而致。

金属疲劳是十分普遍的现象，单就桥梁而言，仅在1938～1942年的4年时间里，世界各国因金属疲劳而损坏的便有40座。

金属疲劳的现象同样会在人们的日常生活中发生，如行走中的自行车前叉折断、炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂。

②为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均匀，造成应力传递的不平衡，从而使有的地方成为应力集中区。

它往往出现在金属构件外形突变处，导致构件出现裂纹。

另外，如果材料有表面损伤、夹杂物，以及热加工造成的缺陷，也会产生细小裂纹。

在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。

③早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳带来的种种损害，但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。

直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上才不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。

④在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳性能的有效办法。

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。

随着科学技术的发展，目前已出现“金属免疫疗法”新技术，即引入残余压应力，如采用喷丸、表面冷滚压等方法来增强金属抗疲劳性能，以减少疲劳损坏。

此外，在使用金属构件时，对产生震动的机械设备要采取防震措施，以延缓金属疲劳的产生。

在必要的时候，进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。

金属材料疲劳概念 金属疲劳（Metal Fatigue ）: 许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应 力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力 （也称 循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点， 但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 在循环加载下，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，损伤累积可使材料产生裂纹 （图1），或使裂纹进一步扩 展至完全断裂（图2）。出现可见裂纹或者完全断裂都叫疲劳破坏。 美国材料试验协会（American Society for Testi ng Materials, ASTM）将疲劳定 义为：“材料某一点或某一些点在承受交变应力和应变条件下， 使材料产生局部 的永久性的逐步发展的结构性变化过程。在足夠多的交变次数后，它可能造成裂 纹的累积或材料完全断裂”。 法国的J.-V.彭赛列于1839年首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术 语。但疲劳研究的奠基人则是德国的 A.沃勒。他在19世纪50〜60年代首先得 到表征疲劳性能的S-N曲线，并提出疲劳极限的概念。疲劳研究虽有百余年历史， 文献极多，但理论不够完善。近年来，断裂力学的进展，丰富了传统疲劳理论的 内容，促进了疲劳理论的发展。当前的发展趋势是把微观理论和宏观理论结合起 来从本质上探究疲劳破坏的机理。 为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均匀， 从 而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的 缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能 够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全 部毁坏。 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。 但由于 技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之 后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办 法来对付这个大敌。 疲劳特征： 疲劳破坏是一种损伤积累的过程，因此它的力学特征不同于静力破坏。不同 之处主要表现为：①在循环应力远小于静强度极限（见材料的力学性能的情况下 破坏就可能发生，但不是立刻发生的，而要经历一段时间，甚至很长的时间；② 疲劳破坏前，即使塑性材料（延性材料）有时也没有显著的残余变形。 金属疲劳破坏可分为三个阶段：①微观裂纹扩展阶段。在循环加载下，由于 物体内部微观组织结构的不均匀性， 某些薄弱部位首先形成微观裂纹， 此后，裂 纹即沿着与主应力约成45。角的最大剪应力方向扩展。在此阶段，裂纹长度大致在 0.05毫米以内。若继续加载，微观裂纹就会发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展 阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。 借助电子显微镜可在断口表面 上观察到此阶段中每一应力循环所遗留的疲劳条带。 ③瞬时断裂阶段。当裂纹扩 大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。 在疲劳宏观断口上往往有两个区域： 光滑区域和颗粒状区域。疲劳裂纹的起始点 称作疲劳源。实际构件上的疲劳源总是出现在应力集中区， 裂纹从疲劳源向四周 扩展。由于反复变形，裂纹的两个表面时而分离，时而挤压，这样就形成了光滑 区域，即疲劳裂纹第二阶段扩展区域。第三阶段的瞬时断裂区域表面呈现较粗糙 的颗粒状。如果循环应力的变化不是稳态的，应力幅不保持恒定 ，裂纹扩展忽快、 忽慢或者停顿，则在光滑区域上用肉眼可看到贝壳状或海滩状纹迹的疲劳弧线 （图 3）。 循环应力： 疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下发生的。为了便于研究和分析疲劳 问题，国际上对循环应力表示法已作出统一规定。 循环应力的每一个周期变化称 作一个应力循环。图4所示的恒幅循环应力由以下诸分量表示：①最大应力omax, 应力循环中最大代数值的应力，以拉应力为正，压应力为负。②最小应力 Oin,应力 循环中最小代数值的应力，以拉应力为正，压应力为负。③平均应力 om,最大应 力和最小应力的代数平均值，即om= （ omax+omin）/2。④应力幅oa,最大应力和最小 应力的代数差的一半，即oa=（ omax— omin）/2。有些国家的文献将 O称作交变应力， 但在中国常用交变应力一词表示循环应力。⑤应力变程 △，又称应力范围，是 最大应力与最小应力之差，即应力幅的两倍。⑥应力比 R,又称循环特征，是最 小应力与最大应力的代数比值，即 R= omin/ omaxo R =— 1的应力循环称为对称循 环，其最大应力和最小应力绝对值相等，符号相反，且平均应力为零； R=0的 应力循环称为脉动循环，其最小应力为零；R等于其他值的应力循环称为非对称 循环。 恒幅循环应变的表示法与此类似。 应力循环可以看成两部分应力的组合，一部分是数值等于平均应力 ca的静 应力，另一部分是在平均应力上变化的动应力 c。在四个应力分量 cmax、 cmin、 cm、C中只有两个是独立的。任意给定两个，其余两个就能确定。 用来确定应力循环的一对应力分量 cmax、cmin或oa、om称为应力水平。对恒 幅循环应力，当给定R或cm时，应力水平可由cmax或c表示。产生疲劳破坏所 需的循环数取决于应力水平的高低，破坏循环数越大，表示施加的应力水平越低。 疲劳寿命： 在循环加载下，产生疲劳破坏所需的应力或应变循环数称为疲劳寿命。对实 际构件，疲劳寿命常以工作小时计。构件在出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂 纹形成寿命或裂纹起始寿命。工程裂纹指宏观可见的或可检的裂纹，其长度无统 一规定，一般在0.2〜1.0毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称 为裂纹扩展寿命。总寿命是二者之和。因为工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸， 故可将裂纹作为物体边界，并将其周围材料视作均匀的连续介质， 应用断裂力学 方法研究裂纹扩展规律。 为了便于分析研究，常常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类： ①高循环 疲劳（高周疲劳）：破坏循环次数高于104〜105的疲劳，一般振动元件、传动轴 等的疲劳属此类。其特点是：作用于构件上的应力水平较低，应力和应变呈线性 关系。②低循环疲劳（低周疲劳）：破坏循环次数低于104〜105的疲劳，典型实 例有压力容器、燃气轮机构件等的疲劳。其特点是：作用于构件的应力水平较高， 材料处于塑性状态。很多实际构件在变幅循环应力作用下的疲劳既不是纯高循环 疲劳也不是纯低循环疲劳，而是二者的综合。 相应地，裂纹扩展也分为高循环和低循环两类。 高循环疲劳裂纹扩展规律可 利用线弹性断裂力学方法研究；低循环疲劳裂纹扩展规律一般应采用弹塑性断裂 力学方法研究，不过由于问题十分复杂，尚未很好地解决。 安全寿命： 实践表明，疲劳寿命分散性较大，高循环疲劳尤其如此，因此必须进行统计 分析，考虑存活（概）率（即可靠度）的问题。具有存活率p（如95%、99%、99.9%） 的疲劳寿命Np的含义是：总体（母体）中有p的个体的疲劳寿命大于NP。而破 坏（概）率等于（1-p）。对应于高存活率或低破坏率的疲劳寿命，在设计上称为 安全寿命。 疲劳问题范畴极为广泛。按材料性质及其工作环境划分，除一般金属疲劳外， 还包括有非金属疲劳、高温疲劳、热疲劳（由循环热应力引起） 、腐蚀疲劳、擦 伤疲劳、声疲劳（由噪声激励引起）、冲击疲劳、接触疲劳等。金属疲劳寿命预 估侧重于力学方面，并且是普遍关注的研究课题。为了进行疲劳寿命的理论估算 和试验，首先必须了解材料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据。其次，疲劳 寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小， 为此还必须编制出供理论分析和全尺 寸疲劳试验用的载荷谱。最后，根据材料的疲劳性能和载荷谱估算出疲劳寿命。 以下分别加以介绍： 疲劳性能： 材料抵抗疲劳破坏的能力。高循环疲劳的裂纹形成阶段的疲 劳性能常以S-N曲线表征，S为应力水平，N为疲劳寿命。S-N曲线需通过试验 测定，试验采用小型标准试件或实际构件。 若采用小型标准试件，则试件裂纹扩 展寿命较短，常以断裂时循环次数作为裂纹形成寿命。试验在给定应力比 R或 平均应力cm的前提下进行，根据不同应力水平的试验结果，以最大应力 omax或 应力幅o为纵坐标，疲劳寿命N为横坐标绘制S-N曲线（图5）。表示寿命的横坐 标采用对数标尺；表示应力的纵坐标采用算术标尺或对数标尺。 在S-N曲线上， 对应某一寿命值的最大应力 omax或应力幅o称为疲劳强度。疲劳强度一词也泛 指与疲劳有关的强度问题。为了模拟实际构件缺口处的应力集中以及研究材料对 应力集中的敏感性，常需测定不同应力集中系数下的 S-N曲线。 对试验结果进行统计分析后，根据某一存活率p的安全寿命所绘制的应力和 安全寿命之间的关系曲线称为p-S-N曲线。50%存活率的应力和疲劳寿命之间的 关系曲线称为中值S-N曲线，也简称S-N曲线。 当循环应力中的最大应力 omax小于某一极限值时，试件可经受无限次应力循 环而不产生疲劳裂纹；当omax大于该极限值时，试件经有限次应力循环就会产生 疲劳裂纹，该极限应力值就称为疲劳极限，或持久极限。如图 5中S-N曲线的 水平线段对应的纵坐标就是疲劳极限。 鉴于疲劳极限存在较大的分散性，人们根据现代统计学观点，把疲劳极限定 义为：指定循环基数下的中值（50%存活率）疲劳强度。对于 S-N曲线具有水 平线段的材料，循环基数取107;对于S-N曲线无水平线段的材料（如铝合金） 循环基数取107〜108。疲劳极限可作为绘制S-N曲线长寿命区线段的数据点