提起疲勞，人們可能會想到熬夜加班後的困倦和全身酸痛，或者電視裡常常報道的車禍“元兇”。材料在使用過程中也存在着疲勞現象，而且材料疲勞的危害不亞于疲勞駕駛。船舶、汽車、動力機械、工程機械、冶金、石油等機械以及鐵路橋梁等的主要零件和構件，大多在循環變化的載荷下工作，疲勞是其主要的失效形式。在一些服役時間較長的材料的開發與應用中，其疲勞性能也必須納入考慮。

疲勞（Fatigue）是指材料、零件和構件在循環加載下，在某點或某些點産生局部的永久性損傷，并在一定循環次數後形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象。

早在19世紀就已查閱到多起嚴重的疲勞破壞事故報道，由于當時顯微觀測水平不夠發達，疲勞損傷無法觀測，疲勞破壞會在沒有任何先兆的情況下産生，所以疲勞一度被認為是材料中發生的一種不可思議的奇妙現象。1842年轟動歐洲的法國凡爾賽鐵路事故，使衆多科學家開始對疲勞破壞展開深入的思考與讨論，開啟人們對金屬疲勞系統的研究。時至今日，疲勞相關研究領域發展蓬勃，有關疲勞研究的文章已超15萬篇。

凡賽爾鐵路事故

根據目前的研究，影響疲勞性能的因素有很多，主要總結如下：

表1 影響疲勞性能的因素

工作環境的影響：金屬材料的疲勞極限一般是随着溫度的降低而增加的。但随着溫度的下降，材料的斷裂韌性也下降，表現出低溫脆性。一旦出現裂紋，則易于發生失穩斷裂。對此，應當十分注意。高溫将降低材料的強度，可能引起蠕變，對疲勞也是不利的。同時還應注意，為改善疲勞性能而引入的殘餘應力，也會因溫度升高而消失。

在海水、水蒸氣、酸、堿溶液等腐蝕介質環境下的疲勞，腐蝕介質的作用對疲勞是不利的。腐蝕疲勞過程是力學作用與化學作用的綜合過程，其破壞機理十分複雜。腐蝕環境通常會使材料表面氧化。在一般的情況下，氧化膜層可起保護作用，以免金屬材料進一步受到腐蝕。但在疲勞載荷作用下，将使氧化膜層局部開裂，新的表面再次暴露于腐蝕環境中，造成再次腐蝕并在材料表面逐步形成腐蝕坑。腐蝕使表面粗糙，腐蝕坑形成應力集中，加快了裂紋的萌生，使壽命縮短。這是對裂紋萌生階段腐蝕疲勞的最一般的解釋。

圖3 橋梁的設計要考慮腐蝕疲勞

載荷狀态的影響：材料疲勞極限的大緻規律是——彎曲疲勞極限＞拉伸疲勞極限＞扭轉疲勞極限。假定作用應力水平相同，拉壓時高應力區體積等于試件整個試驗段的體積，如圖4所示：

不同載荷狀态下的高應力區

彎曲情形下的高應力區體積則要小得多。疲勞破壞主要取決于作用應力的大小和材料抵抗疲勞破壞的能力，故疲勞破壞通常發生在高應力區或材料缺陷處。假如圖中作用的循環最大應力相等，因為拉壓循環時高應力區域的材料體積較大，存在缺陷并由此引發裂紋萌生的可能性也大。所以，同樣的應力水平作用下，拉壓循環載荷作用時的壽命比彎曲時短。或者說，同樣壽命下，拉壓循環下的疲勞強度比彎曲時低。

零件幾何形狀的影響：應力水平相同時，試件尺寸越大，高應力區域材料體積就越大。疲勞發生在高應力區材料最薄弱處，體積越大，存在缺陷或薄弱處的可能性就越大，故大尺寸構件的疲勞抗力低于小尺寸試件。或者說，在給定壽命下，大尺寸構件的疲勞強度下降；在給定的應力水平下，大尺寸構件的疲勞壽命降低。這就是疲勞的尺寸效應。

除此之外疲勞還存在缺口效應。在零件中難免出現孔洞這樣的幾何缺口。缺口會引起應力不集中的現象，不同形狀的缺口會引起程度的應力集中。在應力集中區更容易萌生疲勞裂紋源，而且促進裂紋的擴展。尖銳的缺口會産生更加嚴重的應力集中現象，位置很靠近的多個缺口導緻的影響區相互疊加也會使材料更容易産生疲勞現象。

帶孔試樣拉伸試驗時明顯的應力集中

表面狀态的影響：由疲勞的局部性顯然可知，若試件表面粗糙，将使局部應力集中的程度加大，裂紋萌生壽命縮短。而且，材料強度越高，光潔度的影響越大。另外，應力水平越低，壽命越長，光潔度的影響越大。表面加工時的劃痕、碰傷，可能就是潛在的裂紋源，應當注意防止碰劃。

除表面光潔度的影響外，對工件表面進行抗疲勞處理也可以改善疲勞性能。表面噴丸處理，銷、軸、螺栓類零件冷擠壓加工，堅固件幹涉配合等，在零構件表面引入殘餘壓應力，都是提高疲勞壽命常用的方法。材料強度越高，循環應力水平越低，壽命越長，延長壽命的效果越好。在有應力梯度或缺口應力集中處采用噴丸處理，效果更好。表面滲碳或滲氮處理，可以提高表面材料的強度并在材料表面引入壓縮殘餘應力，這兩種作用對于提高材料疲勞性能都是有利的。

玻璃丸噴丸處理使钛合金的疲勞壽命增加

盡管科研工作者在疲勞領域進行了大量的研究，人們對疲勞的認知還是十分有限的。如何才能提高材料的疲勞性能，怎樣才可以加工制造出真正“長生不老”的材料，仍然是一個值得投入大量精力研究的課題。

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