小(xiǎo)英筆(bǐ)记丨什么是疲劳失效？

疲劳失效的发生过程可(kě)以分(fēn)為(wèi)三个阶段：

1. 裂纹萌生阶段：在材料表面或内部应力集中(zhōng)區(qū)域，微小(xiǎo)的缺陷、孔洞、夹杂物(wù)或材料的异质(zhì)性会导致局部应力集中(zhōng)。在反复加载的作(zuò)用(yòng)下，这些區(qū)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長(cháng)度非常小(xiǎo)，但累积效应会导致裂纹逐渐扩展至危险長(cháng)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，因此常被视為(wèi)突发性的。

传动轴断面

疲劳失效是一个多(duō)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(xiǎo)应力与最大应力的比值）也会显著影响疲劳行為(wèi)，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(zhōng)：孔洞、刻痕、焊缝等局部几何不连续处会产(chǎn)生应力集中(zhōng)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(wù)和沉淀相等微观结构特征对疲劳裂纹的萌生和扩展有(yǒu)重要影响。例如，细晶粒结构通常具(jù)有(yǒu)较好的抗疲劳性能(néng)。

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(yǒu)残余压应力的表面通常能(néng)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(zhì)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(gōng)程设计中(zhōng)的关键步骤，常用(yòng)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學(xué)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 曲線(xiàn)（应力-寿命曲線(xiàn)）。S-N 法适用(yòng)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(yòng)于低周疲劳（循环次数小(xiǎo)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(kě)以获得材料的应变-寿命曲線(xiàn)，从而预测疲劳寿命。

应力-应变迟滞曲線(xiàn)

摘自 GB/T 26077-2021 标准

断裂力學(xué)法：该方法通过分(fēn)析裂纹扩展速率和裂纹临界長(cháng)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(zhōng)區(qū)域的疲劳寿命时尤為(wèi)有(yǒu)效。

摘自 GB/T 6398-2017 标准

為(wèi)防止疲劳失效，设计师和工(gōng)程师通常采取以下措施：

1. 优化设计：通过减少应力集中(zhōng)區(qū)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(yòng)具(jù)有(yǒu)优良抗疲劳性能(néng)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(lǐ)：通过表面硬化、喷丸处理(lǐ)、抛光或涂覆保护层等方法提高材料表面的抗疲劳性能(néng)。

4. 控制使用(yòng)环境：通过减少腐蚀介质(zhì)的接触，控制环境温度和湿度，可(kě)以有(yǒu)效延長(cháng)材料的疲劳寿命。

5. 定期检测与维护：在实际使用(yòng)中(zhōng)，定期进行无损检测（如超声波、X 射線(xiàn)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。