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金属材料疲劳研究综述

摘要：人会疲劳，金属也会疲劳吗？早在100多年前，人们就发

现了金属也是会疲劳的，并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害，所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展，概述了金属产生疲劳的原因及影响因素，以及金属材料疲劳的试验方法。

关键词：金属材料 疲劳裂纹 疲劳寿命 一． 引言

金属疲劳的概念，最早是由 J． V． Poncelet 于 1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时，“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的，且表现为突然断裂，无论材料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂，危害极大，所以研究金属的疲劳是

非常有必要的。

由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。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。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月， 华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体，19 名机组人员及 206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二． 金属疲劳的有关进展

1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da／dN和应力强度因子幅值?k之间的关系。1974年，美

国空军颁布军用规范A-83444，从此断裂力学就成就为疲劳研究的重要理论工具。50年代以后，随着断裂力学的发展和电子显微镜的应用，疲劳裂纹扩展的研究取得突飞猛进的发展。疲劳裂纹扩展的研究在微观和宏观两方面同时展开。在微观方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的微观机制和相关的微观力学模型；宏观方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的力学模型和疲劳裂纹扩展速率表达式。人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。

三． 金属材料疲劳产生原因及影响因素

金属疲劳破坏是承受交变应力的机械构件高应力集中区较弱的晶粒在经过一定的循环次数以后形成微裂纹然后发展成宏观裂纹继续扩展导致最终断裂的破坏过程。疲劳破坏以许多形式出现，包括仅有外加应力或应变波动造成的机械疲劳，循环载荷同高温联合作用引起的蠕变疲劳，受循环载荷的作用下温度也变动的热机械疲劳即热疲劳与机械疲劳的组合，在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳等。机器和结构部件的失效大多是由于发生上述某一种疲劳过程造成的引起疲劳失效的循环载荷的峰值一般远远小于静态断裂分析估算出来的安全载荷。

影响疲劳的原因是多方面的，金属材料受到外力作用后，其内部即处于受胁和松弛这样一种矛盾的状态之中。受胁表明材料内部能量升高，而松弛则可能使能量降低，松弛过程主要通过塑性变形和断裂来实现。当金属受胁达到饱和状态而不能继续再用塑性变形或根本