疲劳强度理论精要之疲劳失效机理

用完美的表情

1. 什么是交变应力？交变应力的相关概念有哪些？

一点的应力随着时间的改变而变化，这种应力称之为交变应力。

金属材料在交变应力的作用下的力学行为首先与应力变化状态有很大 关系。如下图所示，为杆件横截面上的一点应力随时间t的变化曲线。其中S为广义应力，它可以是正应力，也可以是切应力。

应力循环 ：应力变化一个周期，称为应力的一次循环。例如应力从最大值变到最小值，再从最小值变到最大值。

应力比 ：应力循环中最小应力与最大应力的比值，用 r表示。

或

平均应力：最大应力与最小应力的平均值，即

应力幅值 ：应力变化的幅度的一半，即

2．什么是疲劳失效？疲劳失效的特征和原因有哪些？

疲劳破坏是机械设备的主要破坏形式（80％～90％），疲劳破坏往往造成重大的经济损失和人员伤亡，通过试验、计算或监控手段，防止疲劳失效及其造成的事故，保障设备使用安全是疲劳研究的主要目的。

构件在交变应力作用下发生的破坏和失效，称之为疲劳失效。大量的试验结果和实际零件的破坏现象表明，材料在疲劳失效过程中，具有以下特点：

破坏时的名义应力值远低于材料在静载荷作用下的强度极限，甚至低于屈服强度
构件在一定量的交变应力作用下发生破坏有一个过程，即需要经过一定数量的应力循环
构件在破坏前没有明显的塑性变形，即使塑性很好的材料，也会呈现脆性断裂
同一疲劳破坏断口，一般都是有明显的光滑区域与颗粒状区域。

经典理论认为：

在一定数值的交变应力作用下，金属零件或构件表面处的某些晶粒经过若干次应力循环后，其原子晶格开始发生剪切与滑移，逐渐形成滑移带，随着应力循环次数的增加，滑移带变宽并不断延伸。这样的滑移带可以在某个滑移面上产生初始疲劳裂纹，裂纹逐渐累积，会出现在宏观上的切口，随后在切口处产生应力集中，最终产生初始疲劳裂纹。初始疲劳裂纹起初只是在单个晶粒中发生，并沿着滑移面扩展，在裂纹尖端集中应力作用下，裂纹从单个晶粒贯穿到若干晶粒。

最新的疲劳理论认为疲劳破坏的起源是由于位错运动所引起的，位错经过运动最终聚集在一起，形成了初始的疲劳裂纹，称之为微裂纹，在微裂纹形成后，不断扩展，相互贯通，形成较大的裂纹，其长度可达到肉眼可见范围，称之为宏观裂纹。