金屬疲勞壽命的研究現(xiàn)狀

1、金屬疲勞壽命的研究現(xiàn)狀金屬疲勞壽命的研究現(xiàn)狀the researching progress about fatigue life of metal materi摘要：金屬材料的疲勞不易被發(fā)現(xiàn)，且影響疲勞壽命的兇素很多冃前預(yù)測方法主要有： 名義應(yīng)力法，局部應(yīng)力應(yīng)變法,斷裂力學(xué)法等。簡述了當(dāng)前國內(nèi)外在這方而的研究進(jìn)展，以 及疲勞壽命預(yù)測在結(jié)構(gòu)壽命設(shè)計(jì)及損傷容限設(shè)計(jì)上的重要意義。關(guān)鍵訶：金屬材料 疲勞壽命壽命預(yù)測abstract： it is not easy to find the metal material fatigue life. and there are many objective

2、s affect the metal material fati£ue 1ife nowdays, the prediction methods are nominal stress method, local stress-strain method, fracture force mechanics method, etc. this paper introduced the recent researching progress in the world, and introduced the important significanee of fatigue life pre

3、diction in structure life design and damage 1imitation design.key words: metal material; fatigue life; life prediction%1. 引言隨著人們生活水平的日益提高，金屬也越來越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，因而金屬的疲勞性 能也越來越被人們關(guān)注。什么是金屬的疲勞?這里引用美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)(astm)在“疲 勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之冇關(guān)術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義” (astm e206-72)中所作的定義:在某點(diǎn)或 某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循壞擾動(dòng)作川之后形成裂紋或完全斷裂的材料屮所發(fā) 生的局部的

4、、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞由于金屬材料的疲勞一般難以發(fā)現(xiàn)，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人 們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞給各個(gè)方血帶來的損害。但由于技術(shù)的落后，還不能查明疲勞破壞的 原因。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國的5000艘貨船共發(fā)生1000多次破壞事故，有238艘 完全報(bào)廢，其屮人部分要?dú)w咎于金屬的疲勞。玄到岀現(xiàn)了電子顯微鏡之后，人類在揭開金 屬疲勞秘密的道路上不斷取得了新的成果，才開發(fā)出一些發(fā)現(xiàn)和消除金屬疲勞的手段。%1. 疲勞壽命的冇關(guān)研究由于金屬材料的疲勞一般難以發(fā)現(xiàn)，因此常常造成突然的事 故。早在100多年以前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞給各個(gè)方面帶來的損害。但由于技術(shù)的落

5、后，還不能查明疲勞破壞的原因。在第二次世界人戰(zhàn)期間，美國的5000艘貨船共發(fā)生 1000多次破壞事故，冇238艘完全報(bào)廢，其中人部分耍歸咎于金屬的疲勞。直到出現(xiàn)了電 子顯微鏡z后，人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得了新的成果，才開發(fā)出一些發(fā) 現(xiàn)和消除金屬疲勞的手段。科學(xué)研究表明，金屬疲勞并非完全難以檢測。近年來，應(yīng)用科學(xué)的檢測手段避免了不少 因金屬疲勞而可能發(fā)生的事故?？茖W(xué)家證實(shí)，汽車剎車突然失靈而掉下懸崖、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 突然爆裂、強(qiáng)風(fēng)使鐵橋加塌等慘禍發(fā)生前，剎車、機(jī)身、橋梁上都會(huì)產(chǎn)生異常震動(dòng)，這實(shí)際上就是“金屬疲勞”的一種征兆。所以，當(dāng)丁程師設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、橋梁或其他機(jī)械 時(shí)，都必須考慮到

6、金屬疲勞問題，并對這些金屬建筑或機(jī)械主期“體檢”，以確保安全。所有金屬表面都存在微小缺陷，有的肉眼看得見，有的肉眼看不見。這些瑕疵都會(huì)使得 應(yīng)力在該處產(chǎn)生，從而導(dǎo)致金屬開始裂開，所以，當(dāng)一次負(fù)載過重或是多次猛烈晃動(dòng)，都 會(huì)導(dǎo)致金屬疲勞而從瑕疵處裂開?，F(xiàn)在，冶金學(xué)家使可以用顯微鏡來檢視金屬表而看不見 的瑕疵，他們研究如何以最好的方法來保護(hù)金屬，以免使得金屬疲勞。給金屬過度加壓或扭轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致金屬疲勞，由于這個(gè)原因，在使川金屬部件時(shí)，丁程師必 須要測試金屬的結(jié)構(gòu)，用電子計(jì)量器可以測量壓力以及因壓力所造成的傷害。冶金學(xué)家通 過研究金屬的破裂狀況，能更加了解金屬的結(jié)構(gòu)，以便如何研究減少金屬破裂的概率。日本

7、原子能研究所的研究人員還研制出了一種“聰明涂料”，這種涂料初看和普通涂料 沒什么區(qū)別，但實(shí)際上涂料中摻入了鈦酸鉛粉末。將“聰明涂料”涂在金屬板上，再敲擊 金屬板使其震動(dòng)，結(jié)果涂膜中會(huì)產(chǎn)/電流，這便可作為研究人員分析金屬疲勞程度的信 息。例如，將“聰明涂料”涂在飛機(jī)機(jī)翼上，然后經(jīng)常測定涂膜中產(chǎn)生的電流，一旦發(fā)現(xiàn) 異常電流，立即實(shí)施緊急精密檢查，及吋查明原因，便可排除事故隱恵。在現(xiàn)今這個(gè)機(jī)器時(shí)代和未來的機(jī)器人時(shí)代，如何防止金屬疲勞顯得尤為重要?，F(xiàn)在人們 u經(jīng)知道了一些改進(jìn)和強(qiáng)化金屬，相當(dāng)于提高了金屬的“健康”程度，可以止金屬盡量少 出現(xiàn)“疲勞”現(xiàn)象。古人就知道了如何讓金屬“強(qiáng)壯”的方法，那就是鍛煉

8、它們，令它們“百煉成鋼”?，F(xiàn) 在我們所說的“鍛煉身體” i詞，其實(shí)就來源于對金屬的鍛煉，我們應(yīng)該像鍛煉金屬i樣 鍛煉口己的身體。鍛煉金屬的方法是熱處理，例如対鋼不斷凹火和捶打，使其韌化，減弱 金屬容易疲勞的特性。人們想到的另外一個(gè)方法是向單一金屬中摻入其他物質(zhì)，填補(bǔ)金屬中的空隙和瑕疵。如 果摻入的物質(zhì)是金屬，就對以制造出合金，用兩種金屬相互填充空隙的方法來彌補(bǔ)瑕疵， 并使得金屬強(qiáng)度增高。向金屬中加入碳，也可以彌補(bǔ)金屬中的瑕疵，制造岀高強(qiáng)度碳鋼。 在金屬材料屮添加各種“維生索”，也是增強(qiáng)金屬抗疲勞的有效辦法。例如在鋼鐵和有色 金屬里，加進(jìn)萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大捉高這些金屬抗疲

9、勞的木 領(lǐng)，延長使用壽命。在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，也應(yīng)盡量減少可能發(fā)生的金屬疲勞事故。比如，可以消除零件上的薄弱 壞節(jié)，減少開孔、挖槽、切口等，因?yàn)槠诹鸭y常常發(fā)生在這些地方；提高零件表而的光 潔度，保護(hù)表面不受生銹腐蝕之害，加丁粗糙所產(chǎn)生的刻劃痕以及材料銹腐之處，都是容 易產(chǎn)牛微細(xì)裂紋的；對零件表囪進(jìn)行強(qiáng)化處理，比如，輾壓零件的表面，使材料表面強(qiáng) 化，從而不易產(chǎn)生微細(xì)裂紋。疲勞破壞是承受交變應(yīng)力的機(jī)械構(gòu)件高應(yīng)力集中區(qū)較弱的晶粒在經(jīng)過-定的循環(huán)次數(shù)以 后形成微裂紋然后發(fā)展成宏觀裂紋繼續(xù)擴(kuò)展導(dǎo)致最終斷裂的破壞過程。疲勞破壞以許多形 式岀現(xiàn)，包括僅有外加應(yīng)力或應(yīng)變波動(dòng)造成的機(jī)械疲勞，循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引

10、起的 端變疲勞，受循環(huán)載荷的作，用下溫度也變動(dòng)的熱機(jī)械疲勞即熱疲勞與機(jī)械疲勞的組 合，在存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境屮施加反復(fù)載荷時(shí)的腐蝕疲勞等。機(jī)器和結(jié)構(gòu)部件的失效人多是由于發(fā)生上述某一種疲勞過程造成的引起疲勞失效的循壞載荷的峰值 -般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜態(tài)斷裂分析估算出來的安全載荷。在工程實(shí)際屮，常常發(fā)生結(jié)構(gòu)在低于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力下的失效，造成重大的財(cái)產(chǎn)損失及人 員傷亡，尤其是交變應(yīng)力作用下構(gòu)件發(fā)生的疲勞斷裂事故往往帶來更慘重的損失，而目-疲 勞斷裂往往是發(fā)生在比許用應(yīng)力低得多的交變載荷下，其影響因素也相當(dāng)復(fù)雜，使得金屬 結(jié)構(gòu)的疲勞性能分析和疲勞壽，命預(yù)測變得相當(dāng)困難，然而在工程實(shí)際中絕大部分的構(gòu)

11、件 是處于交變載荷作用下的，因此，有關(guān)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂和壽命預(yù)測研究越來越受到理 論工作者和工程技術(shù)人員的普遍關(guān)注。li前，預(yù)測金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命仍主要依賴于試 驗(yàn)。%1. 研究方法金屬材料在使用過程小受到的交變載荷稱為疲勞載荷,把相應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞應(yīng)力，而把 載荷和應(yīng)力隨時(shí)間變化的歷程分別稱為載荷譜和應(yīng)力譜。當(dāng)載荷譜或應(yīng)力譜的幅值和頻率 都不變時(shí)稱為常幅加載。與靜力破壞相比，疲勞破壞的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):時(shí)效 性。靜力破壞是一次性承受最大載荷的破壞，歷吋較短;疲勞破壞是承受多次反復(fù)載荷作用 而產(chǎn)生的破壞，它的發(fā)生需要經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)期。應(yīng)力大小。當(dāng)靜載拉伸（壓縮）時(shí) 靜應(yīng)力小于屈服極

12、限或強(qiáng)度極限時(shí)，靜力破壞不會(huì)發(fā)生；而當(dāng)交變應(yīng)力小于強(qiáng)度極限或屈服 極限時(shí)，疲勞破壞就可能發(fā)生。破壞形式。金屬結(jié)構(gòu)的靜力破壞取決于材料本身;但無論 是脆性材料還是塑性材料,它們的疲勞破壞均屬于無顯著變形的脆性破壞。斷面特征。 靜力破壞構(gòu)件的斷面通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征;而疲勞破壞構(gòu)件的斷面，總是呈現(xiàn)出 兩個(gè)區(qū)域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒狀或纖維狀。影響因索。靜力破壞的抗 力主要取決于材料本身；而疲勞破壞與材料的微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的形狀和尺寸、表而狀況、 使用條件以及外界環(huán)境都冇關(guān)系。因此，對丁同一種材料，靜力性能數(shù)據(jù)比較集中，而疲勞 數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)姆稚⑿裕枰脭?shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)進(jìn)行分析。

13、日前，預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命主要有以下兒種方法。1. 名義應(yīng)力法。名義應(yīng)力法是一種傳統(tǒng)的疲勞壽命設(shè)計(jì)方法，其主要思想是以名義應(yīng)力為控制參數(shù)，通過疲勞試驗(yàn)獲得名義應(yīng)力一壽命曲線，即s n曲線， 通過載荷譜分析損傷法則，即可計(jì)算，構(gòu)件的疲勞壽命由于這種方法以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，具有較 高的町靠度，因而在工程上得到了廣泛應(yīng)用.但完全由疲勞試驗(yàn)獲得的s 一 n曲線，費(fèi)時(shí)費(fèi) 力.且很不經(jīng)濟(jì)，因而用名義應(yīng)力法計(jì)算構(gòu)件的疲勞壽命受到了較大的限制.2. 局部應(yīng)力應(yīng)變法。局部m力應(yīng)變法用來計(jì)算裂紋的形成壽命，裂紋擴(kuò)展到最后破壞的壽命則由斷裂力學(xué)來完成，局部應(yīng)力應(yīng)變法是將決根部的局部應(yīng)力應(yīng) 變分布作為壽命預(yù)測的依據(jù)它基丁這種

14、思想構(gòu)件的幾何變化處存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，構(gòu) 件在這些局部易產(chǎn)生塑性變形，因而使得疲勞裂紋萌生所以決定構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和壽命的 主導(dǎo)因索是應(yīng)力應(yīng)變集小區(qū)的局部應(yīng)力和應(yīng)變，并假泄只要局部應(yīng)力應(yīng)變相同，其疲勞壽命就完全一致，因而只耍知道材料的局部應(yīng)力應(yīng)變，就可以通過光滑材料試件的s一 n曲線來預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命。3. 斷裂力學(xué)方法隨著斷裂力，學(xué)的發(fā)展人，們開始利川斷裂力學(xué)原理和方法預(yù)測構(gòu)件的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命對于存在氣孔，裂紋，夾渣等缺陷的金屬結(jié)構(gòu)，人們用斷裂力學(xué)理論建立金屬結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)討，方法預(yù)測金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，由于裂紋的復(fù)雜性，材質(zhì)的不均勻性，加之短裂紋疲勞擴(kuò)展的特殊規(guī)律，閉合效應(yīng)等一

15、系列問題的存在，使得用斷裂力學(xué)方法預(yù)測金屬構(gòu)件的疲勞擴(kuò)展壽命變得i 分復(fù)雜因而，近年來人們致力于建立各種計(jì)算金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變場的數(shù)值計(jì)算方法，來研究金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，并取得了許多有益的成果，隨肴斷裂力學(xué)理論研究的不斷進(jìn)展，金屬結(jié)構(gòu)疲勞擴(kuò)，展壽命的斷裂力學(xué)方法必將得到更大的發(fā)展。%1. 總結(jié)隨著科技的進(jìn)步，已經(jīng)研制出更多含有金屬的復(fù)合材料，如金屬和玻璃纖維或塑料的合 成物。這些復(fù)合材料使得金屬不但保留了原來的強(qiáng)度，而且增加了纖維和犁料的韌性，使 得金屬不再輕易疲勞。相信在不遠(yuǎn)的將來，金屬的疲勞不會(huì)再給我們帶來麻煩，隨著科學(xué) 的發(fā)展，我們會(huì)解決更多的12知和未知的問題！參考文獻(xiàn)：1 ts

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