疲劳与寿命评估技术

9.3疲劳与寿命评估技术

1.疲劳基础

疲劳研究拥有120多年的漫长历史，在此段时间内取得了显着进展。然而，直至今天似乎没有终止由于疲劳的事故发生。这意味着，由于一些因素干预对疲劳性能的影响是巨大的，在长时期将需要充分体现。此外，新问题出现在新材料的使用和环境变化。鉴于此，疲劳研究可以理所当然地被称为基础研究。

疲劳的基本机制是细裂缝不断展开和生长由于重复的负载而导致破裂。宏观结构发生变化，譬如疲劳的基本机制是微裂纹不断展开了，在任何情况，较大的疲劳塑性变形都是的周期，但是没有宏观的结构变化发生在高周期疲劳中，其中只有轻微的塑性变形发生。此外，高对缺陷是疲劳的另一种特性。即使微小的缺陷，在静态拉伸测试中，也是影响疲劳的一个因素。

有许多因素影响金属材料的疲劳性能，如冶金因素，外形尺寸因素，使用环境条件，等等。在这里，我将重点的解释冶金因素的影响。也就是说，我们将证明金属材料在室温的氛围的一些标准疲劳性能。

2.疲劳强度的评估

大致对影响疲劳性能的冶金因素分类，这些可以被划分成结构和静态力量。当然，这两者是相互关联的，当评估疲劳强度时主要针对金属静态强度。例如，钢铁材料的疲劳极限σw与抗拉强度σb和维氏硬度HV有关系。在这里，疲劳极限是指到了极限应力在疲劳断裂而不会发生重复，即使它是一个无限循环，在循环疲劳试验中确定了次数高达10000000。此外，不仅是疲劳极限，但也是有限的使用寿命展现了维氏硬度和抗拉强度的关系方程，可以通过坐标图表现，是有可能的总结多种材料的S—N曲线不同的静态优势。可以采用这种标准化的S—N曲线估计有限使用寿命或疲劳寿命。其中，面积（微米）是轴向平方根缺陷的投影面积的。在缺陷存在情况下，材料分子系数由1.43成为1.56 。

上述内容表现出材料的疲劳极限。另一方面，许多金属材料不表现出的疲劳极限。例如, 在高强度钢疲劳强度消失的情况下，即表现出了钢铁材料的疲劳极限。图9.3.1显示材料的拉伸强度和疲劳强度之间的关系，但是式(1)高估疲劳极限的情况出现在抗拉强度在1,200 兆帕以上的钢。这种现象被称为吉赫疲劳，并在近几年已积极研究。

图9.3.2显示了一个典型的高强度钢的S—N曲线。在普通的试片表面裂缝从疲劳断裂中出现，但是在长久疲劳寿命中包括的内部破裂或其它情况。因此，吉赫的疲劳评估对内部疲劳寿命估计很重要。但是在吉赫疲劳评估情况下，由式(2)估计(系数为1.56)，在它的疲劳寿命在10000000个周期条件下。此外，还有一种理论即认为它也可以预测的）4）疲劳寿命周期的强度比10000000多。然而，由于疲劳试验数据不足，没有明确的结论得到。该数据导致的短缺是该地

区一个事实，即从若干个月的时间长至数年吉赫是必需的疲劳试验为止。与此相比，从最近变得清晰的超声疲劳试验研究，可以实现频率20千赫，这至少是200倍，比以前快的多，是有效的评价内部疲劳性能。由于这一发现，预计吉赫疲劳研究将加速。

虽然起点首要是的内部破裂包括发生在高强度钢，起点是矩阵的内部破裂情况下(小平面)发生在钛合金的情况下。在这种方式下，与内部裂缝是密切相关的是材料显微组织。换言之，有小晶体表面有裂缝情况纳入材料科学，因为它可以被组织中的静态强度方程得出。但是它只是在材料科学中内部破裂情况下存在。现在正努力充分利用科学阐明材料内部断裂机理，证明材料表现出的疲劳极限和那些没有这种现象的材料，并推倒出一个吉赫疲劳强度估算方法。

3。疲劳的诊断和寿命评估

疲劳的发生是由于裂纹的萌生和生长，而且在周期高疲劳的情况下几乎没有宏观塑性变形或结构发生变化。由于这原因，是很难让人发现的迹象，并且它常常是破环事故发生的原因。

目前，没有任何其他方法检查材料是否有裂缝，以材料的方法诊断疲劳损害程度。对裂缝研究的方法，包括染料渗透检测，磁粉检测和超声波测试。直接发生的裂缝被发现一个小零件在高频率重复的荷载情况下。但它们可以被用来作为一个大型构件在低频率荷载下进行疲劳寿命的评估方法。疲劳裂纹实验的结果是进行疲劳寿命评估所必须的。基于疲劳裂纹扩展测试的结果，裂缝重复的生长数量直到能估计组分断裂估大小。当确定检查时间后这种疲劳寿命的评估变得很有必要。换句话说，设置检查间隔时间要与小一个裂缝生长时间短或在检测极限内成长大小造成组分断裂的期间。

另外，最近研究通过运用电磁式超声波测量试图尝试掌握在错位结构上最早阶段增长的变化。据报道有裂缝起点的形成的附近疲劳寿命相对较短。在这种方式下我们已经掌握了对材料疲劳诊断和疲劳寿命的技术。

2010 年11 月9 日

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