如果让你徒手掰断一根坚硬的铁丝，你会怎么做？
徒手掰断铁丝非常困难，但反复弯折数次后铁丝便变得容易许多。多次的弯折作用导致材料的机械性能下降，最终表现为金属断裂。如同我们的身体处于长期工作状态会疲劳，长期的反复弯折也会导致金属疲劳，金属在这种情况下的失效便是“疲劳失效”。
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疲劳失效是指材料在反复加载的条件下，由于长期承受循环应力或应变而导致的失效现象。
与一次性超过材料强度极限的静态失效不同，疲劳失效通常发生在应力水平低于材料的屈服强度甚至抗拉强度的情况下。疲劳失效广泛存在于机械结构、工程材料和电子元器件中，是影响系统可靠性和使用寿命的重要因素。
高温金属疲劳测试
疲劳失效的发生过程可以分为三个阶段：
1. 裂纹萌生阶段：在材料表面或内部应力集中区域，微小的缺陷、孔洞、夹杂物或材料的异质性会导致局部应力集中。在反复加载的作用下，这些区域逐渐积累塑性变形，最终形成初始裂纹。
2. 裂纹扩展阶段：一旦裂纹形成，随后的每一个载荷循环都会导致裂纹的进一步扩展。裂纹扩展的速率取决于材料的韧性、循环应力幅值以及环境因素。疲劳裂纹扩展的特征是每个循环引发的裂纹扩展长度非常小，但累积效应会导致裂纹逐渐扩展至危险长度。
3. 最终失效阶段：当裂纹扩展到某一临界尺寸时，剩余的未损伤截面无法承受外部载荷，导致材料的突然断裂或失效。这种断裂通常发生在一个加载周期内，因此常被视为突发性的。
传动轴断面
疲劳失效是一个多因素影响的复杂过程，以下是几种主要的影响因素：
1. 应力水平和应力比：应力幅值越大，疲劳寿命越短。应力比（最小应力与最大应力的比值）也会显著影响疲劳行为，正应力比（拉应力占主导）通常更容易导致疲劳失效。
2. 应力集中：孔洞、刻痕、焊缝等局部几何不连续处会产生应力集中效应，极大地加速疲劳失效的进程。
3. 材料微观结构：晶粒尺寸、相界面、夹杂物和沉淀相等微观结构特征对疲劳裂纹的萌生和扩展有重要影响。例如，细晶粒结构通常具有较好的抗疲劳性能。
4. 表面状态：材料表面的粗糙度、残余应力、氧化层或腐蚀状况都会影响疲劳失效。光滑的表面和有残余压应力的表面通常能够提高材料的疲劳寿命。
5. 环境因素：环境温度、湿度、腐蚀介质等会加速疲劳裂纹的扩展过程。例如，在腐蚀环境下发生的腐蚀疲劳会比纯机械疲劳更加严重。
疲劳寿命预测是工程设计中的关键步骤，常用的疲劳寿命预测方法包括应力寿命法、应变寿命法和断裂力学法。
应力寿命法（S-N 法）：该方法通过实验测量材料在不同应力幅值下的疲劳寿命，并绘制 S-N 曲线（应力-寿命曲线）。S-N 法适用于高周疲劳（循环次数大于 104 次）的情况，特别是低应力高循环疲劳。
摘自 GB/T 3075-2021 标准
应变寿命法（ε-N 法）：该方法适用于低周疲劳（循环次数小于 104 次）情况，尤其是在塑性变形占主导的条件下。通过应变控制实验，可以获得材料的应变-寿命曲线，从而预测疲劳寿命。
应力-应变迟滞曲线
摘自 GB/T 26077-2021 标准
断裂力学法：该方法通过分析裂纹扩展速率和裂纹临界长度来预测疲劳寿命。该方法在预测含裂纹结构或高应力集中区域的疲劳寿命时尤为有效。
摘自 GB/T 6398-2017 标准
为防止疲劳失效，设计师和工程师通常采取以下措施：
1. 优化设计：通过减少应力集中区域（如圆角代替尖角）和优化结构布局来降低局部应力水平。
2. 材料选择：选用具有优良抗疲劳性能的材料，如细晶粒材料、疲劳裂纹扩展速率低的合金材料等。
3. 表面处理：通过表面硬化、喷丸处理、抛光或涂覆保护层等方法提高材料表面的抗疲劳性能。
4. 控制使用环境：通过减少腐蚀介质的接触，控制环境温度和湿度，可以有效延长材料的疲劳寿命。
5. 定期检测与维护：在实际使用中，定期进行无损检测（如超声波、X 射线检测）以发现早期裂纹，并及时修复或更换关键部件，防止疲劳失效的发生。
疲劳失效是机械结构和工程材料中常见的失效形式之一，其复杂的形成机制和多样的影响因素使得预测和预防疲劳失效具有很高的技术挑战性。
通过深入理解疲劳失效的机理，合理应用疲劳寿命预测方法，以及采取有效的预防措施，可以显著提高系统的可靠性和使用寿命，从而减少工程事故和经济损失。
本期小英笔记就到这里
什么是疲劳失效
你学会了吗？
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