如果讓你徒手掰斷一根堅硬的鐵絲，你會怎么做？
徒手掰斷鐵絲非常困難，但反復彎折數次后鐵絲便變得容易許多。多次的彎折作用導致材料的機械性能下降，最終表現為金屬斷裂。如同我們的身體處于長期工作狀態會疲勞，長期的反復彎折也會導致金屬疲勞，金屬在這種情況下的失效便是“疲勞失效"。
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疲勞失效是指材料在反復加載的條件下，由于長期承受循環應力或應變而導致的失效現象。
與一次性超過材料強度極限的靜態失效不同，疲勞失效通常發生在應力水平低于材料的屈服強度甚至抗拉強度的情況下。疲勞失效廣泛存在于機械結構、工程材料和電子元器件中，是影響系統可靠性和使用壽命的重要因素。
高溫金屬疲勞測試
疲勞失效的發生過程可以分為三個階段：
1. 裂紋萌生階段：在材料表面或內部應力集中區域，微小的缺陷、孔洞、夾雜物或材料的異質性會導致局部應力集中。在反復加載的作用下，這些區域逐漸積累塑性變形，最終形成初始裂紋。
2. 裂紋擴展階段：一旦裂紋形成，隨后的每一個載荷循環都會導致裂紋的進一步擴展。裂紋擴展的速率取決于材料的韌性、循環應力幅值以及環境因素。疲勞裂紋擴展的特征是每個循環引發的裂紋擴展長度非常小，但累積效應會導致裂紋逐漸擴展至危險長度。
3. 最終失效階段：當裂紋擴展到某一臨界尺寸時，剩余的未損傷截面無法承受外部載荷，導致材料的突然斷裂或失效。這種斷裂通常發生在一個加載周期內，因此常被視為突發性的。
傳動軸斷面
疲勞失效是一個多因素影響的復雜過程，以下是幾種主要的影響因素：
1. 應力水平和應力比：應力幅值越大，疲勞壽命越短。應力比（最小應力與最大應力的比值）也會顯著影響疲勞行為，正應力比（拉應力占主導）通常更容易導致疲勞失效。
2. 應力集中：孔洞、刻痕、焊縫等局部幾何不連續處會產生應力集中效應，極大地加速疲勞失效的進程。
3. 材料微觀結構：晶粒尺寸、相界面、夾雜物和沉淀相等微觀結構特征對疲勞裂紋的萌生和擴展有重要影響。例如，細晶粒結構通常具有較好的抗疲勞性能。
4. 表面狀態：材料表面的粗糙度、殘余應力、氧化層或腐蝕狀況都會影響疲勞失效。光滑的表面和有殘余壓應力的表面通常能夠提高材料的疲勞壽命。
5. 環境因素：環境溫度、濕度、腐蝕介質等會加速疲勞裂紋的擴展過程。例如，在腐蝕環境下發生的腐蝕疲勞會比純機械疲勞更加嚴重。
疲勞壽命預測是工程設計中的關鍵步驟，常用的疲勞壽命預測方法包括應力壽命法、應變壽命法和斷裂力學法。
應力壽命法（S-N 法）：該方法通過實驗測量材料在不同應力幅值下的疲勞壽命，并繪制 S-N 曲線（應力-壽命曲線）。S-N 法適用于高周疲勞（循環次數大于 104 次）的情況，特別是低應力高循環疲勞。
摘自 GB/T 3075-2021 標準
應變壽命法（ε-N 法）：該方法適用于低周疲勞（循環次數小于 104 次）情況，尤其是在塑性變形占主導的條件下。通過應變控制實驗，可以獲得材料的應變-壽命曲線，從而預測疲勞壽命。
應力-應變遲滯曲線
摘自 GB/T 26077-2021 標準
斷裂力學法：該方法通過分析裂紋擴展速率和裂紋臨界長度來預測疲勞壽命。該方法在預測含裂紋結構或高應力集中區域的疲勞壽命時尤為有效。
摘自 GB/T 6398-2017 標準
為防止疲勞失效，設計師和工程師通常采取以下措施：
1. 優化設計：通過減少應力集中區域（如圓角代替尖角）和優化結構布局來降低局部應力水平。
2. 材料選擇：選用具有優良抗疲勞性能的材料，如細晶粒材料、疲勞裂紋擴展速率低的合金材料等。
3. 表面處理：通過表面硬化、噴丸處理、拋光或涂覆保護層等方法提高材料表面的抗疲勞性能。
4. 控制使用環境：通過減少腐蝕介質的接觸，控制環境溫度和濕度，可以有效延長材料的疲勞壽命。
5. 定期檢測與維護：在實際使用中，定期進行無損檢測（如超聲波、X 射線檢測）以發現早期裂紋，并及時修復或更換關鍵部件，防止疲勞失效的發生。
疲勞失效是機械結構和工程材料中常見的失效形式之一，其復雜的形成機制和多樣的影響因素使得預測和預防疲勞失效具有很高的技術挑戰性。
通過深入理解疲勞失效的機理，合理應用疲勞壽命預測方法，以及采取有效的預防措施，可以顯著提高系統的可靠性和使用壽命，從而減少工程事故和經濟損失。
本期小英筆記就到這里
什么是疲勞失效
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