疲劳

1. 掌握“金属材料疲劳”含义，掌握“断裂力学”学科的研究目的。

金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳；在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。

“断裂力学”作为固体力学的一个分支学科，研究含裂纹固体结构在外载荷作用下的应力、应变、位移分布（尤其关注裂纹尖端区域）及其破坏规律。

对于疲劳研究，断裂力学是一个重要的理论工具。采用断裂力学的概念和原理来研究宏观裂纹在疲劳（交变）载荷作用下的扩展规律及最终破坏规律，发展裂纹扩展寿命预测方法。

2. 掌握疲劳与断裂力学发展中的几个重要历史事件。

德国工程师A. Wöhler 最早提出采用应力幅－寿命（S-N）来描述材料的疲劳行为，并提出疲劳“耐久极限”的概念。1910 年，Basquin 指出循环应力幅与疲劳寿命的关系在双对数坐标系内在很大的应力范围内表现为线性关系。1954 年前后，Coffin 和Manson 各自独立地发现金属材料发生疲劳破坏时的载荷反向次数与塑性应变幅在双对数坐标系内表现为线性关系。1957 年，Irwin 提出可以用一个被称为应力强度因子的标量来表示裂纹尖端应力奇异性的大小，由此建立了线弹性断裂力学理论体系。1961 年，Paris 等人首次指出，在恒幅循环加载下，疲劳裂纹在每个应力循环中的扩展量da/dN 与应力强度因子范围有关，da/dN 与该参数的关系在一定范围内在双对数坐标系内表现为线性关系。

3. 掌握材料和结构疲劳破坏的一般特征。

（1）交变应力远小于静强度极限时，疲劳破坏仍可能发生。

（2）疲劳破坏通常不是立刻发生，而是要经历一定的时间（交变载荷作用一定次数），甚至是很长的时间。

（3）疲劳损伤具有局部性，疲劳裂纹通常首先在结构表面或内部的应力集中部位产生，不牵扯到整个结构。发现疲劳裂纹时，有时可以不更换整个结构，只需采取局部处理措施，如磨去小表面裂纹，扩孔去掉孔边裂纹，钻孔止裂等等。（4）疲劳破坏前即使对于延性材料，也像脆性材料一样，常常没有显著的塑性变形。因此事先的维护和检查不易察觉出来。这一特征使疲劳破坏具有更大的危险性。

4. 掌握金属材料疲劳断口的宏观特征。

（1）疲劳源区：疲劳裂纹萌生的区域，一般在试样或结构表面或次表面，也有可能在试样或结构内部。

（2）疲劳扩展区：一般比较平整光滑，经常能看到“贝壳”状或“海滩”状的疲劳弧线。

疲劳弧线是疲劳断口的宏观基本特征，是判断结构断裂失效是否为疲劳断裂的重要依据。并不是所有疲劳断口上都会有疲劳弧线。实验室进行的标准试件的等幅疲劳试验断口疲劳弧线不明显，甚至很少出现。一般认为其形成与循环载荷的变化、裂纹扩展忽快忽慢、裂纹扩展不均匀有关。

（3）瞬时断裂区：是裂纹扩展到剩余面积不足以承担最大疲劳载荷，最后发生静强度（即过载）断裂失效形成的，瞬断区形貌与延性或脆性断口形貌基本一致，比较粗糙，也称粗粒区。

5. 掌握金属材料疲劳断口的宏微观基本特征：疲劳弧线和疲劳条带

的特点和区别。

疲劳条带是一系列基本相互平行的条纹，条带方向与局部裂纹扩展方向垂直，并沿局部裂纹扩展方向外凸。

由于材料内部微观组织的差异，裂纹扩展可能会由一个平面转移至另一个平面，因此不同区域的疲劳条带有时分布在高度不同、方向有别的平面上。

理想情况下，每一条疲劳条带代表一次对应的循环载荷，即疲劳条带数目应该与载荷循环数相等。

由于裂纹闭合等因素的影响，循环载荷数远大于微观可见的疲劳条带数。

疲劳条带的间距一般随应力强度因子范围的增大而增大，随着裂纹扩展长度的增加而增大。

疲劳条带可分为塑性疲劳条带和脆性疲劳条带。塑性疲劳条带更光滑，间距更规则。脆性疲劳条带参差不齐、不规则。

金属材料的疲劳断口中大多数是塑性疲劳条带。脆性疲劳条带较少，通常认为脆性疲劳条带是受裂纹前沿环境作用的结果。当裂纹扩展速率足够慢，环境可以与裂纹尖端发生交互作用时，一般可出现脆性疲劳条带。

不是所有疲劳断口上都能观察到疲劳条带，也不是疲劳断口的任何部分都能观察到疲劳条带，不同疲劳断口以及同一疲劳断口的不同部位的疲劳条带的形态也有差别。

一般材料的静拉伸强度越高，越不容易出现疲劳条带，塑性较好的材料容易生成疲劳条带。

疲劳裂纹扩展区的宏观特征：“贝壳状”或“海滩状”疲劳弧线。

疲劳裂纹扩展区的微观特征：疲劳条带。

6. 掌握金属材料疲劳失效的一般过程，认识金属材料疲劳破坏的整个过程均与循环塑性变形有关，或者说金属材料发生疲劳失效本质上都是材料内部发生了不可恢复的永久变化，该永久变化为循环塑性变形。

宏观和工程角度通常将疲劳破坏过程划分为如下三个阶段：疲劳裂纹萌生；疲劳裂纹稳定扩展；裂纹失稳扩展和完全断裂。

从微观机制看疲劳破坏过程：微观结构变化，永久损伤形核，产生微观裂纹；微观裂纹长大、合并，形成“主导”裂纹；主导裂纹稳定扩展；主导裂纹失稳扩展和完全断裂。

7. 掌握一般机械结构承受的主要四类载荷以及主要的疲劳载荷来源。

一般机械零件和结构上承受的载荷可分为四类：静载荷、工作载荷、振动载荷、突发意外载荷，其中工作载荷和振动载荷是主要的疲劳载荷来源。

8. 掌握实际构件承受的疲劳载荷的特征。按照疲劳载荷循环变化的特征来看，实际构件承受的疲劳载荷一般为变幅载荷，而在实验室内研究材料的基本疲劳性能时，常采用等幅载荷进行疲劳试验。

9. 掌握循环最大应力σmax、最小应力σmin、循环应力幅值σa、循环应力均值（平均应力）σm、应力范围或应力变程Δσ、应力比R 等参数的含义及其之间的关系。

10. 知道对金属材料常规（室温、大气环境下）疲劳失效起决定作用的参量。

对常规疲劳失效起决定作用的是循环应力幅值和平均应力。

11. 掌握名义应力与实际应力的含义，掌握简单构件名义应力的计算方法。

12. 掌握材料疲劳试验的基本方法和试验类型，知道材料的S-N 曲线和ε-N 曲线分别通过什么疲劳试验测试获得。-_-!

基于应力的疲劳分析方法和基于应变的疲劳分析方法。

力（载荷）控制疲劳试验：控制参量为循环载荷（力）的大小。

应变控制疲劳试验：控制参量为循环应变的大小（即引伸计标距段的长度变化）。