仿真笔记——疲劳破坏类型及影响材料疲劳特性的若干主要因素

应变疲劳（低周疲劳）：应力水平高，循环次数少。材料因应变疲劳而破坏，一般用许用应变值来控制。

应力疲劳（高周疲劳）：应力水平低，循环次数多。材料因应力疲劳而破坏，一般用许用应力值来控制。

次疲劳：应力水平低于某一值时，裂纹会停止扩展。

1. 平均应力

材料的疲劳性能，用作用应力S与到破坏时的寿命N之间的关系描述。在疲劳载荷作用下，最简单的载荷谱是恒幅循环应力。

应力比R=-1时，对称恒幅循环载荷控制下，试验给出的应力-寿命关系，是材料的基本疲劳性能曲线。

下面讨论应力比R变化对疲劳性能的影响。

如上图所示，应力比R增大，表示循环平均应力Sm增大。且应力幅Sa给定时有：

一般情况下：当Sa给定时，R增大，平均应力Sm也增大。循环载荷中的拉伸部分增大，这对于疲劳裂纹的萌生和扩展都是不利的，将使得疲劳寿命降低。

平均应力对S-N曲线影响的一般趋势如下图所示。

平均应力Sm=0时的S-N曲线是基本S-N曲线。当Sm>0，即拉伸平均应力作用时，S-N曲线下移，表示同样应力幅作用下的寿命下降，或者说在同样寿命下的疲劳强度降低，对疲劳有不利的影响。Sm<0，即压缩平均应力作用时，S-N曲线上移，表示同样应力幅作用下的寿命增大，或者说在同样寿命下的疲劳强度提高，压缩平均应力对疲劳的影响是有利的。

在给定寿命N下，研究循环应力幅Sa与平均应力Sm之关系，可得到如上图结果。当寿命给定时，平均应力Sm越大，相应的应力幅Sa就越小；但无论如何，平均应力Sm都不可能大于材料的极限强度Su。Su为高强脆性材料的极限抗拉强度或延性材料的屈服强度。

图中给出了金属材料N=10^7时的Sa-Sm关系，分别用疲劳极限S-1和Su进行归一化。因此，等寿命条件下的Sa-Sm关系可以表达为：

这是图中的抛物线，称为Gerber曲线，数据点基本上在此抛物线附近。

另一表达式，是图中的直线，即：

上式称为Goodman直线，所有的试验点基本都在这一直线的上方。直线形式简单，且在给定寿命下，由此作出的Sa-Sm关系估计是偏于保守，故在工程实际中常用。

2. 载荷形式

材料的疲劳极限随载荷形式的不同有下述变化趋势：

S(弯) > S(拉) > S(扭)

假定作用应力水平相同，拉压时高应力区体积等于试件整个试验段的体积；弯曲情形下的高应力区体积则要小得多。我们知道疲劳破坏主要取决于作用应力的大小(外因)和材料抵抗疲劳破坏的能力(内因)二者，即疲劳破坏通常发生在高应力区或材料缺陷处。假如图中的作用的循环最大应力Smax相等，因为拉压循环时高应力区域的材料体积较大，存在缺陷并由此引发裂纹萌生的可能性也大。

所以，同样的应力水平作用下，拉压循环载荷作用时的寿命比弯曲时短；或者说，同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯曲时低。

扭转时疲劳寿命降低，体积的影响不大，需由不同应力状态下的破坏判据解释，在此不作进一步讨论。

3. 尺寸效应

不同试件尺寸对疲劳性能的影响，也可以用高应力区体积的不同来解释。应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域材料体积就越大。疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的可能就越大，故大尺寸构件的疲劳抗力低于小尺寸试件。或者说，在给定寿命N下，大尺寸构件的疲劳强度下降；在给定的应力水平下，大尺寸构件的疲劳寿命降低。

4. 表面光洁度

由疲劳的局部性显然可知，若试件表面粗糙，将使局部应力集中的程度加大，裂纹萌生寿命缩短。材料的基本S-N曲线是由精磨后光洁度良好的标准试件测得的。

5. 表面处理

一般来说，疲劳裂纹总是起源于表面。为了提高疲劳性能，除前述改善光洁度外，常常采用各种方法在构件的高应力表面引入压缩残余应力，以达到提高疲劳寿命的目的。

若循环应力如上图中1-2-3-4所示，平均应力为Sm，则当引入压缩残余应力Sres后，实际循环应力水平是原1-2-3-4各应力与-Sres的叠加，成为1’-2’-3’-4’，平均应力降为S'm，疲劳性能将得到改善。

表面喷丸处理；零件冷挤压加工；在构件表面引入残余压应力，都是提高疲劳寿命的常用方法。材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，延寿效果越好。在有应力梯度或缺口应力集中处采用喷丸，效果更好。

表面渗氮或渗碳处理，可以提高表面材料的强度并在材料表面引入压缩残余应力，这两种作用对于提高材料疲劳性能都是有利的。试验表明，渗氮或渗碳处理可使钢材疲劳极限提高一倍。对于缺口试件，效果更好。

6. 环境和温度的影响

材料的S-N曲线一般是在室温、空气环境下得到的。在诸如海水、酸碱溶液等腐蚀介质环境下的疲劳称为腐蚀疲劳。腐蚀介质的作用对疲劳是不利的。腐蚀疲劳过程是力学作用与化学作用的综合过程，其破坏机理十分复杂。影响腐蚀疲劳的因素很多，一般有如下趋势：

(1) 载荷循环频率的影响显著。无腐蚀环境作用时，在相当宽的频率范围内(如200Hz以内)，频率对材料S-N曲线的影响不大。但在腐蚀环境中，随着频率的降低，同样循环次数经历的时间增长，腐蚀的不利作用有较充分的时间显示，使疲劳性能下降的影响明显。

(2) 在腐蚀介质(如海水)中，半浸入状态(或海水飞溅区)比完全浸入更不利。

(3) 耐腐蚀钢材，抗腐蚀疲劳的性能较好；许多普通碳钢的疲劳极限则下降较多，甚至因腐蚀环境而消失。

(4) 金属材料的疲劳极限一般是随温度的降低而增加的。

但随着温度的下降，材料的断裂韧性也下降，表现出低温脆性。一旦出现裂纹，则易于发生失稳断裂。高温将降低材料的强度，可能引起蠕变，对疲劳也是不利的。同时还应注意，为改善疲劳性能而引入的残余压应力，也会因温度升高而消失。