1. 疲勞強度定義
疲勞強度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應力稱為疲勞強度或疲勞極限。實際上，金屬材料並不可能作無限多次交變載荷試驗。一般試驗時規定，鋼在經受10ˇ7次、非鐵（有色）金屬材料經受10ˇ8次交變載荷作用時不產生斷裂時的最大應力稱為疲勞強度。當施加的交變應力是對稱循環應力時，所得的疲勞強度用σ–1表示。 許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環應力）。在交變應力的作用下，雖然零件所承受的應力低於材料的屈服點，但經過較長時間的工作後產生裂紋或突然發生完全斷裂的現象稱為金屬的疲勞。
疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據統計，在機械零件失效中大約有80%以上屬於疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經常造成重大事故，所以對於軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來製造。
研究歷史
疲勞強度
疲勞強度
1954 年，世界上第一款商業客機de Havilland Comet 接連發生了兩起墜毀事故，這使得「金屬疲勞」一詞出現在新聞頭條中，引起公眾持久的關注。這種飛機也是第一批使用增壓艙的飛行器，採用的是方形窗口。增壓效應和循環飛行載荷的聯合作用導致窗角出現裂紋，隨著時間的推移，這些裂紋逐漸變寬，最後導致機艙解體。Comet 空難奪去了68 人的生命，這場悲劇無時無刻不在提醒著工程師創建安全、堅固的設計。
自此以後，人們發現疲勞是許多機械零部件（例如在高強度周期性循環載荷下運行的渦輪機和其他旋轉設備）失效的罪魁禍首。
1867年 ，德國的A.沃勒展示了用旋轉彎曲試驗獲得的車軸疲勞試驗結果，把疲勞與應力聯系起來，提出了疲勞極限的概念，為常規疲勞設計奠定了基礎。第二次世界大戰中及戰後，通過對當時發生的許多疲勞破壞事故的調查分析，逐漸形成了現代的常規疲勞強度設計。1945年，美國的M.A.邁因納提出了線性損傷積累理論 。1953年，美國的A.K.黑德提出了疲勞裂紋擴展理論。之後，計算帶裂紋零件的剩餘壽命的具體應用，形成了損傷容限設計。20世紀60年代，可靠性理論開始在疲勞強度設計中應用。
在常規疲勞強度設計中，有無限壽命設計（將工作應力限制在疲勞極限以下，即假設零件無初始裂紋，也不發生疲勞破壞，壽命是無限的）和有限壽命設計（採用超過疲勞極限的工作應力，以適應一些更新周期短或一次消耗性的產品達到零件重量輕的目的，也適用於寧願以定期更換零件的辦法讓某些零件設計得壽命較短而重量較輕）。損傷容限設計是在材料實際上存在初始裂紋的條件下，以斷裂力學為理論基礎，以斷裂韌性試驗和無損檢驗技術為手段，估算有初始裂紋零件的剩餘壽命，並規定剩餘壽命應大於兩個檢修周期，以保證在發生疲勞破壞之前，至少有兩次發現裂紋擴展到危險程度的機會。疲勞強度可靠性設計是在規定的壽命內和規定的使用條件下，保證疲勞破壞不發生的概率在給定值（可靠度）以上的設計，使零部件的重量減輕到恰到好處。
疲勞強度演算法.
常規疲勞強度計算是以名義應力為基礎的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應力、應變水平有關，它們之間的關系可以用應力一壽命曲線（σ-N曲線）和應變一壽命曲線（δ－Ν曲線）表示。應力一壽命曲線和應變一壽命曲線，統稱為S-N曲線。根據試驗可得其數學表達式：
σmN=C
式中：N應力循環數；
m、C材料常數。
在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集中，所以，在使用時必須引入應力集中系數K、尺寸系數ε和表面系數β。
理論分析
疲勞強度
疲勞強度
疲勞的機制可以分成三個相互關聯的過程：
1. 裂紋產生
2. 裂紋延伸
3. 斷裂
FEA 應力分析可以預測裂紋的產生。許多其他技術，包括動態非線性有限元分析可以研究與裂紋的延伸相關的應變問題。由於設計工程師最希望從一開始就防止疲勞裂紋的出現，確定材料的疲勞強度。
裂紋開始出現的時間以及裂紋增長到足以導致零部件失效的時間由下面兩個主要因素決定：零部件的材料和應力場。材料疲勞測試方法可以追溯到19 世紀，由August Wöhler 第一次系統地提出並進行了疲勞研究。標准實驗室測試採用周期性載荷，例如旋轉彎曲、懸臂彎曲、軸向推拉以及扭轉循環。科學家和工程師將通過此類測試獲得的數據繪制到圖表上，得出每類應力與導致失效的周期重復次數之間的關系，或稱S-N 曲線。工程師可以從S-N 曲線中得出在特定周期數下材料可以承受的應力水平。
該曲線分為高周疲勞和低周疲勞兩個部分。一般來說，低周疲勞發生在10,000 個周期之內。曲線的形狀取決於所測試材料的類型。某些材料，例如低碳鋼，在特定應力水平（稱為耐疲勞度或疲勞極限）下的曲線比較平緩。不含鐵的材料沒有耐疲勞度極限。
大體來說，只要在設計中注意應用應力不超過已知的耐疲勞度極限，零部件一般不會在工作中出現失效。但是，耐疲勞度極限的計算不能解決可能導致局部應力集中的問題，即應力水平看起來在正常的「安全」極限以內，但仍可能導致裂紋的問題。
與通過旋轉彎曲測試確定的結果相同，疲勞載荷歷史可以提供關於平均應力和交替應力的信息。測試顯示，裂紋延伸的速度與載荷周期和載荷平均應力的應力比率有關。裂紋僅在張力載荷下才會延伸。因此，即使載荷周期在裂紋區域產生壓縮應力，也不會導致更大的損壞。但是，如果平均應力顯示整個應力周期都是張力，則整個周期都會導致損壞。
許多工況載荷歷史中都會有非零的平均應力。人們發明了三種平均應力修正方法，可以省去必須在不同平均應力下進行疲勞測試的麻煩：
Goodman 方法- 通常適用於脆性材料。
Gerber 方法- 通常適用於韌性材料。
Soderberg 方法- 通常最保守。
這三種方法都只能應用於所有相關聯的S-N 曲線都基於完全反轉載荷的情況。而且，只有所應用疲勞載荷周期的平均應力與應力范圍相比很大時，修正才有意義。實驗數據顯示，失效判據位於Goodman 曲線和Gerber 曲線之間。這樣，就需要一種實用的方法基於這兩種方法並使用最保守的結果來計算失效。
疲勞壽命的計算方法
對每個設計進行物理測試明顯是不現實的。在多數應用中，疲勞安全壽命設計需要預測零部件的疲勞壽命，從而確定預測的工況載荷和材料。計算機輔助工程(CAE) 程序使用三種主要方法確定總體疲勞壽命。這些方法是：
• 應力壽命方法(SN)
這種方法僅基於應力水平，只使用Wöhler 方法。盡管不適用於包含塑性部位的零部件，低周疲勞的精確度也乏善可陳，但這種方法最容易實施，有豐富的數據可供使用，並且在高周疲勞中有良好的效果。
• 應變壽命(EN)
這種方法可以對局部區域的塑性變形進行更詳細的分析，非常適合低周疲勞應用。但是，結果存在一些不確性。
• 線性彈性破壞力學(LEFM)
這種方法假設裂縫已經存在並且被檢測到，然後根據應力強度預測裂縫的增長。藉助計算機代碼和定期檢查，這種方法對大型結構很實用。由於易於實施並且有大量的材料數據可用，SN 是最常用的方法。
設計人員使用SN 方法計算疲勞壽命
在計算疲勞壽命時，應考慮等幅載荷和變幅載荷。
這種方法假設零部件在恆定的幅度、恆定的平均應力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，設計人員可以快速計算導致零部件發生失效的此類周期數量。而對於零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可採用Miner 規則來計算每種載荷情況的損壞結果，並將所有這些損壞結果合並起來獲得一個總體的破壞值。
其結果稱為「損壞因子」，是一個失效分數值。零部件在D = 1.0 時發生失效，因此，如果D = 0.35，該零部件的壽命已經消耗了35%。這一理論還認為由應力周期導致的損壞與損壞在載荷歷史的哪個位置發生無關，並且損壞積累速度與應力水平無關。
這種方法假設零部件在恆定的幅度、恆定的平均應力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，設計人員可以快速計算導致零部件發生失效的此類周期數量。
而對於零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可採用Miner 規則來計算每種載荷情況的損壞結果，並將所有這些損壞結果合並起來獲得一個總體的破壞值。其結果稱為「損壞因子」，是一個失效分數值。零部件在D = 1.0 時發生失效，因此，如果D = 0.35，該零部件的壽命已經消耗了35%。這一理論還認為由應力周期導致的損壞與損壞在載荷歷史的哪個位置發生無關，並且損壞積累速度與應力水平無關。
在真實的環境條件下，多數零部件承載的載荷歷史是不斷變化的，幅度和平均應力都是如此。因此，更為通用和現實的方法需要考慮變幅載荷，在這種情況下，應力盡管隨著時間循環反復，但其幅度是變化的，這就有可能將應力分解成載荷「塊」。在處理這種類型的載荷時，工程師使用一種稱為「雨流法計數」的技術。附錄B 討論如何研究FEA 疲勞結果，它就雨流法計數提供了更多信息。
在通過SN 方法研究疲勞方面，FEA 提供了一些非常優秀的工具，這是因為輸入由線彈性應力場組成，並且FEA 能夠處理多種載荷情況交互作用的可能情形。如果要計算最壞情況的載荷環境（這是一種典型方法），系統可以提供大量不同的疲勞計算結果，包括壽命周期圖、破壞圖以及安全系數圖。此外，FEA 可以提供較小主要交替應力除以較大主要交替應力的比率的圖解（稱為雙軸性指示圖），以及雨流矩陣圖。後者是一個3D 直方圖，其中的X 和Y 軸代表交替應力和平均應力，Z 軸代表每個箱所計的周期數。
設計方法
疲勞強度
疲勞強度
設計人員通常認為最重要的安全因素是零部件、裝配體或產品的總體強度。為使設計達到總體強度，工程師需要使設計能夠承載可能出現的極限載荷，並在此基礎上再加上一個安全系數，以確保安全。但是，在運行過程中，設計幾乎不可能只承載靜態載荷。在絕大多數的情況下，設計所承載的載荷呈周期性變化，反復作用，隨著時的推移，設計就會出現疲勞。
實際上，疲勞的定義為：「由單次作用不足以導致失效的載荷的循環或變化所引起的失效」。疲勞的徵兆是局部區域的塑性變形所導致的裂紋。此類變形通常發生在零部件表面的應力集中部位，或者表面上或表面下業已存在但難以被檢測到的缺陷部位。盡管我們很難甚至不可能在FEA 中對此類缺陷進行建模，但材料中的變化永遠都存在，很可能會有一些小缺陷。FEA 可以預測應力集中區域，並可以幫助設計工程師預測他們的設計在疲勞開始之前能持續工作多長時間。
對承受循環應力的零件和構件，根據疲勞強度理論和疲勞試驗數據，決定其合理的結構和尺寸的機械設計方法。機械零件和構件對疲勞破壞的抗力，稱為零件和構件的疲勞強度。疲勞強度由零件的局部應力狀態和該處的材料性能確定，所以疲勞強度設計是以零件最薄弱環節為依據的。通過改進零件的形狀以減小應力集中，或對最弱環節的表面層採用適當的強化工藝，便能顯著地提高其疲勞強度。應用疲勞強度設計能保證機械在給定的壽命內安全運行。
歐標儀器疲勞試驗機，測試各類材料及相關製品的疲勞測試。
影響因素
疲勞強度
疲勞強度
1、屈服強度
材料的屈服強度和疲勞極限之間有一定的關系，一般來說，材料的屈服強度越高，疲勞強度也越高，因此，為了提高彈簧的疲勞強度應設法提高彈簧材料的屈服強度，或採用屈服強度和抗拉強度比值高的材料。對同一材料來說，細晶粒組織比粗細晶粒組織具有更高的屈服強度。
2、表面狀態
最大應力多發生在彈簧材料的表層，所以彈簧的表面質量對疲勞強度的影響很大。彈簧材料在軋制、拉拔和卷制過程中造成的裂紋、疵點和傷痕等缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的原因。
材料表面粗糙度愈小，應力集中愈小，疲勞強度也愈高。材料表面粗糙度對疲勞極限的影響。隨著表面粗糙度的增加，疲勞極限下降。在同一粗糙度的情況下，不同的鋼種及不同的卷制方法其疲勞極限降低程度也不同，如冷卷彈簧降低程度就比熱卷彈簧小。因為鋼制熱卷彈簧及其熱處理加熱時，由於氧化使彈簧材料表面變粗糙和產生脫碳現象，這樣就降低了彈簧的疲勞強度。
對材料表面進行磨削、強壓、拋丸和滾壓等。都可以提高彈簧的疲勞強度。
3、尺寸效應
材料的尺寸愈大，由於各種冷加工和熱加工工藝所造成的缺陷可能性愈高，產生表面缺陷的可能性也越大，這些原因都會導致疲勞性能下降。因此在計算彈簧的疲勞強度時要考慮尺寸效應的影響。
4、冶金缺陷
冶金缺陷是指材料中的非金屬夾雜物、氣泡、元素的偏析，等等。存在於表面的夾雜物是應力集中源，會導致夾雜物與基體界面之間過早地產生疲勞裂紋。採用真空冶煉、真空澆注等措施，可以大大提高鋼材的質量。
5、腐蝕介質
彈簧在腐蝕介質中工作時，由於表面產生點蝕或表面晶界被腐蝕而成為疲勞源，在變應力作用下就會逐步擴展而導致斷裂。例如在淡水中工作的彈簧鋼，疲勞極限僅為空氣中的10%~25%。腐蝕對彈簧疲勞強度的影響，不僅與彈簧受變載荷的作用次數有關，而且與工作壽命有關。所以設計計算受腐蝕影響的彈簧時，應將工作壽命考慮進去。
在腐蝕條件下工作的彈簧，為了保證其疲勞強度，可採用抗腐蝕性能高的材料，如不銹鋼、非鐵金屬，或者表面加保護層，如鍍層、氧化、噴塑、塗漆等。實踐表明鍍鎘可以大大提高彈簧的疲勞極限。
6、溫度
碳鋼的疲勞強度，從室溫到120℃時下降，從120℃到350℃又上升，溫度高於350℃以後又下降，在高溫時沒有疲勞極限。在高溫條件下工作的彈簧，要考慮採用耐熱鋼。在低於室溫的條件下，鋼的疲勞極限有所增加。
解決措施
根據疲勞破壞的分析，裂紋源通常是在有應力集中的部位產生，而且構件持久極限的降低，很大程度是由於各種影響因素帶來的應力集中影響。因此設法避免或減弱應力集中，可以有效提高構件的疲勞強度。可以從以下幾個方面來提高構件的疲勞強度。
1、合理設計構件的外形
構件截面改變越激烈，應力集中系數就越大。因此工程上常採用改變構件外形尺寸的方法來減小應力集中。如採用較大的過渡圓角半徑，使截面的改變盡量緩慢，如果圓角半徑太大而影響裝配時，可採用間隔環。既降低了應力集中又不影響軸與軸承的裝配。此外還可採用凹圓角或卸載槽以達到應力平緩過渡。
設計構件外形時，應盡量避免帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然變化處（階梯軸），當結構需要直角時，可在直徑較大的軸段上開卸載槽或退刀槽減小應力集中；當軸與輪轂採用靜配合時，可在輪轂上開減荷槽或增大配合部分軸的直徑，並採用圓角過渡，從而可縮小輪轂與軸的剛度差距，減緩配合面邊緣處的應力集中。
2、提高構件的表面加工質量
一般說，構件表層的應力都很大，例如在承受彎曲和扭轉的構件中，其最大應力均發生在構件的表層。同時由於加工的原因，構件表層的刀痕或損傷處，又將引起應力集中。因此，對疲勞強度要求高的構件，應採用精加工方法，以獲得較高的表面質量。特別是對高強度鋼這類對應力集中比較敏感的材料，其加工更需要精細。
3、提高構件表面強度
常用的方法有表面熱處理和表面機械強化兩種方法。表面熱處理通常採用高頻淬火、滲碳、氰化、氮化等措施，以提高構件表層材料的抗疲勞強度能力。表面機械強化通常採用對構件表面進行滾壓、噴丸等，使構件表面形成預壓應力層，以降低最容易形成疲勞裂紋的拉應力，從而提高表層強度。
2. 疲勞破壞
一、交變應力
交變應力也稱疲勞應力，是指隨時間作周期性變化的應力。如圖6-1所示，其中各種符號的含義如下：
圖6-1 交變應力各參數示意圖
σmax：最大應力；σmin：最小應力；σm：平均應力；σa：應力幅。
各參數關系如下：
岩石斷裂與損傷
σmax=σm+σa
σmin=σm-σa
定義：R=σmin/σmax為應力比（也稱循環特性）。當R=-1時，稱對稱循環；當R=0時，稱脈沖循環；當R=1時，為靜載荷。
二、疲勞強度設計方法
傳統的設計方法，最早期是無限壽命設計，要求構件在無限長的使用期內不發生破壞。這種設計是按照疲勞強度條件設計的。後來對某些構件採用「安全壽命」設計，即要求在一定的使用范圍內，不發生疲勞裂紋。這種設計後來成為評價材料疲勞強度的傳統方法，即在一定的外加交變載荷下，測定無裂紋光滑試件的斷裂循環次數，由下式進行設計：
岩石斷裂與損傷
σ-1為材料的疲勞極限或持久極限。在對稱循環下用小尺寸光滑試件在專用疲勞試驗機上測得，是指試件經過無數次（一般大於107次）應力循環而不發生破壞的最大應力值。它與構件的尺寸、表面加工質量、應力集中程度有關。nσ為大於1的安全系數。
傳統的疲勞設計沒有考慮物體或零件在加工使用中表面或內部存在裂紋或缺陷，而帶裂紋或類似裂紋的物體在承受交變應力時，即使工作應力遠低於材料的疲勞極限也可能產生裂紋擴展，從而使物體斷裂。為此需運用斷裂力學的觀點研究「破損安全」的設計方法，即：假定物體是帶裂紋體，容許其在交變應力作用下，在一段時間內裂紋可以有所擴展，但未達到斷裂，因而不影響物體可靠的工作。對於這種設計必須掌握材料疲勞裂紋擴展特徵，才能使設計獲得預期的安全效果。
為了減輕結構的重量，設計上愈來愈多地採用高強度和超高強度材料。這類材料的斷裂韌度一般隨著材料的屈服強度的增高面逐漸下降，從而使脆性破壞的裂紋臨界尺寸減小。因此必須解決這類材料製成的構件的疲勞剩餘壽命的估算問題。所以研究材料疲勞裂紋擴展規律是設計和使用材料方面給材料的力學性能研究提出的新課題，也是斷裂力學在工程應用方面的一個重要內容。由於構件在加工製造和使用過程中，裂紋的出現是不可避免的，用斷裂力學來研究裂紋擴展特性，是對傳統疲勞試驗和分析方法的重要補充和發展。
三、疲勞破壞的過程
疲勞總是在應力最高、強度最弱的局部位置上形成。對於一般構件來說，機械加工的切削痕、階梯部分、圓孔部分及內表面夾雜物等應力集中處，是疲勞裂紋首先發生的地方。由於材料結構及工作條件不同，疲勞裂紋的形成方式也不同。常見的有夾雜物與基體界面開裂、滑移帶開裂、晶界開裂等方式。一般情況下疲勞破壞的過程可分為四個不同階段。
1.裂紋成核階段
交變應力→滑移→金屬的擠出和擠入→形成微裂紋的核（一般出現於零件表面）。
2.微觀裂紋擴展階段
微裂紋沿滑移面擴展，這個面是與正應力軸成45°的切應力作用面，許多滑移線形成滑移帶，沿滑移帶形成裂紋，此階段裂紋的擴展速率是緩慢的，每循環一般為10-5mm，裂紋尺寸小於0.05mm。
3.宏觀裂紋擴展階段
裂紋擴展方向與拉應力垂直，為單一裂紋擴展，裂紋尺寸從0.05mm擴展至臨界尺寸ac，擴展速率為每循環10-3mm。
4.斷裂階段
當裂紋擴展至臨界尺寸ac時，產生失穩而很快斷裂。
工程上一般規定0.1～0.2mm貫穿裂紋為宏觀裂紋；0.2～0.5mm，深0.15mm表面裂紋為宏觀裂紋。
宏觀裂紋擴展階段對應的循環因數——裂紋擴展壽命（Np）。宏觀裂紋擴展以前階段對應的循環因數——裂紋形成壽命（Ni）。
四、高周疲勞和低周疲勞
工程上常遇到高周疲勞與低周疲勞的概念。
1.高周疲勞
當構件所受的應力較低，疲勞裂紋在彈性區內擴展，裂紋擴展至斷裂所經歷的應力循環周期N較高，或裂紋的疲勞壽命較長，稱為高周疲勞。高周疲勞也稱為應力疲勞。N稱為失效周期或疲勞壽命。
2.低周疲勞
當構件所受的局部應力已超過材料的屈服強度，形成較大的塑性區，裂紋在塑性區中擴展，裂紋擴展所經歷的循環周期較低，或裂紋的疲勞壽命較短，稱為低周疲勞。低周疲勞也稱為應變疲勞或塑性疲勞。低周疲勞總的壽命近似等於裂紋擴展壽命，因此在低周疲勞設計中主要考慮裂紋擴展壽命。工程中一般規定N≤104的疲勞為低周疲勞。
五、構件的疲勞設計
1.總壽命法
首先測定S-N曲線（S為交變應力，N為應力循環周次）。
經典的疲勞設計方法是用循環應力范圍（S-N）曲線法或塑性總應變法來描述導致疲勞破壞的總壽命。
在這些方法中通過控制應力幅或應變幅來獲得初始無裂紋的實驗室試樣產生疲勞破壞所需的應力循環數和應變循環數：
N=Ni+Np（Ni形成壽命，Np擴展壽命）
2.損傷容限法（疲勞設計的斷裂力學方法）
允許構件在使用期內出現裂紋，但必須具有足夠的裂紋亞臨界擴展壽命，以保證在使用期內裂紋不會失穩擴展而導致構件破壞。
疲勞壽命定義為從某一裂紋尺寸擴展至臨界尺寸的裂紋循環數。
3. 抗拉強度與疲勞強度之間有沒有換算關系
有換算關系。從一些專註上可以找到的。但是對於不同的材料，換算的計算式不同。而且不同的試驗得到的數據也會有不同。只能做個估算，當個參考值。如果做疲勞的s-n曲線，確定疲勞極限的時候，可以先從估算的疲勞極限做起。趙少汴王寶忠主編的《疲勞設計》1992年5月版本，從24頁起，多次提到疲勞極限與強度極限有比較好的相關性。
補充說明下，疲勞極限=抗拉強度。
比如對於碳鋼或者合金鋼，對稱應力下的彎曲疲勞極限=a+b*強度極限。又有人提出對於強度極限小於1400mpa的碳鋼或合金鋼，推薦使用對稱彎曲疲勞極限=0.38mpa+0.43*強度極限，或者直接用=0.46*強度極限。再比如上海材料研究所用升降法測定了14種常用鋼材的疲勞極限，得出的關系式為：對於光滑試樣，對稱疲勞極限=0.44*強度極限，漏斗形試樣，對稱疲勞極限=0.52*強度極限。如果是珠光體球墨鑄鐵和鐵素體球墨鑄鐵，換算系數分別為0.34和0.48.
一個外國人通過收集的數據得到對稱扭轉疲勞極限與對稱彎曲疲勞極限之間存在的比例關系為：對稱扭轉疲勞極限=0.58*對稱彎曲疲勞極限。此式與靜強度下的第四強度理論吻合，而且已被抗拉強度小於1200mpa的大量牌號的狀態的鋼材所證實。
4. 直升機疲勞設計的主要觀點 有大佬回答嗎 急等 謝謝
為保證直升機動部件滿足疲勞壽命可靠性要求,疲勞強度工作應貫穿於整個設計研製和使用過程中。本文介紹了新型球柔性主槳轂的核心部件中央件設計研製階段疲勞工作的內容和方法,論述了其中的關鍵、難點以及解決辦法。為我國直升機疲勞設計工作提供一些可借鑒的思路。
5. 低周疲勞的特性主要包括哪些方面入手
為便於分析研究，常按破壞循環次數的高低將疲勞分為兩類:①高循環疲勞(高周疲勞)。作用於零件、構件的應力水平較低 ，破壞循環次數一般高於104~105的疲勞 ，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。②低循環疲勞(低周疲勞)。作用於零件、構件的應力水平較高 ，破壞循環次數一般低於104~105的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統計分析，考慮存活率(即可靠度)的問題 。具有存活率p(如95%、99%、99.9%)的疲勞壽命np的含義是 :母體(總體)中有p的個體的疲勞壽命大於np。而破壞概率等於( 1- p ) 。常規疲勞試驗得到的s-n曲線是p=50%的曲線 。對應於各存活率的p的s-n曲線稱為p-s-n曲線。
疲勞(2)
fatigue
材料、零件和構件在循環載入下，在某點或某些點產生局部的永久性損傷，並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。
研究簡史 有記載的最早進行疲勞試驗是德國的w.a.艾伯特 。法國的j.-v.彭賽列首先論述了疲勞問題並提出「疲勞」這一術語。但疲勞研究的奠基人則是德國的a.沃勒，他在19世紀50~60 年代最早得到表徵疲勞性能的s-n曲線並提出疲勞極限的概念 。20世紀50年代 p.j.e.福賽思首先觀察到疲勞過程中在滑移帶內有金屬薄片擠出的現象。隨後n.湯普孫等人發現這種滑移帶不易用電解拋光去掉，稱為「駐留滑移帶」。後來證明，駐留滑移帶常常成為裂紋源。1924年德國的j.v.帕姆格倫在估算滾動軸承壽命時，假設軸承的累積損傷與其轉動次數成線性關系。1945年美國m.a.邁因納明確 提出了 疲 勞 破 壞的線性損傷累積理 論 ，也稱為帕 姆 格倫- 邁因納定律，簡稱邁因納定律。此後，斷裂力學的進展豐富了傳統疲勞理論的內容，促進了疲勞理論的發展。用概率統計方法處理疲勞試驗數據，是20世紀20年代開始的。60年代後期 ，概率疲勞分析和設計從電子產品發展到機械產品，於是在航空、航天工業的先導下 ，開始了概率統計理論在疲勞設計中的應用。
循環應力 在工程上引起的疲勞破壞的應力或應變有時呈周期性變化，有時是隨機的。在疲勞試驗中人們常常把它們簡化成等幅應力循環的波形 ，並用一些參數來描述 。圖1中 σmax 和 σmin 是循 環應力的最 大和最小 代 數 值 ;γ =σmin/σmax是應力比;σm=(σmax σmin)/2是平均應力;σa=(σmax-σmin)/2 是應力幅 。當 σm=0時 ，σmax與σmin的絕對值相等而符號相反，γ=-11，稱為對稱循環應力;當σmin=0時，γ=0稱為脈動循環應力。
曲線 s-n曲線中的s為應力(或應變)水平，n為疲勞壽命。s-n曲線是由試驗測定的 ，試樣採用標准試樣或實際零件、構件，在給定應力比γ的前提下進行，根據不同應力水平的試驗結果 ，以最大應力σmax或應力幅σa為縱坐標，疲勞壽命n為橫坐標繪制s-n曲線(圖2) 。當循環應力中的σmax小於某一極限值時，試樣可經受無限次應力循環而不產生疲勞破壞，該極限應力值就稱為疲勞極限，圖2中s-n曲線水平線段對應的縱坐標就是疲勞極限。而左邊斜線段上每一點的縱坐標為某一壽命下對應的應力極限值，稱為條件疲勞極限。
疲勞特徵 零件 、構件的疲勞破壞可分為3個階段 :①微觀裂紋階段。在循環載入下，由於物體的最高應力通常產生於表面或近表面區，該區存在的駐留滑移帶、晶界和夾雜，發展成為嚴重的應力集中點並首先形成微觀裂紋。此後，裂紋沿著與主應力約成45°角的最大剪應力方向擴展，裂紋長度大致在0.05毫米以內，發展成為宏觀裂紋。②宏觀裂紋擴展階段。裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展。③瞬時斷裂階段。當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次載入下突然斷裂。對應於疲勞破壞的3個階段 ，在疲勞宏觀斷口上出現有疲勞源 、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂3個區(圖3)。疲勞源區通常面積很小，色澤光亮，是兩個斷裂面對磨造成的;疲勞裂紋擴展區通常比較平整，具有表徵間隙載入、應力較大改變或裂紋擴展受阻等使裂紋擴展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣;瞬斷區則具有靜載斷口的形貌，表面呈現較粗糙的顆粒狀。掃描和透射電子顯微術揭示了疲勞斷口的微觀特徵，可觀察到擴展區中每一應力循環所遺留的疲勞輝紋。
疲勞壽命 在循環載入下 ，產生疲勞破壞所需應力或應變的循環次數。對零件、構件出現工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋 ，其長度無統一規定 ，一般在0.2~1.0毫米范圍內 。自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命。總壽命為兩者之和。因工程裂紋長度遠大於金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，並將其周圍材料視作均勻連續介質，應用斷裂力學方法研究裂紋擴展規律 。由於s-n曲線是根據疲勞試驗直到試樣斷裂得出的 ，所以對應於s-n曲線上某一應力水平的疲勞壽命n是總壽命 。在疲勞的整個過程中 ，塑性應變與彈性應變同時存在 。當循環載入的應力水平較低時 ，彈性應變起主導作用;當應力水平逐漸提高，塑性應變達到一定數值時，塑性應變成為疲勞破壞的主導因素。為便於分析研究，常按破壞循環次數的高低將疲勞分為兩類:①高循環疲勞(高周疲勞)。作用於零件、構件的應力水平較低 ，破壞循環次數一般高於104~105的疲勞 ，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。②低循環疲勞(低周疲勞)。作用於零件、構件的應力水平較高 ，破壞循環次數一般低於104~105的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統計分析，考慮存活率(即可靠度)的問題 。具有存活率p(如95%、99%、99.9%)的疲勞壽命np的含義是 :母體(總體)中有p的個體的疲勞壽命大於np。而破壞概率等於( 1- p ) 。常規疲勞試驗得到的s-n曲線是p=50%的曲線 。對應於各存活率的p的s-n曲線稱為p-s-n曲線。
環境影響 某些零件 、構件是在高於或低於室溫下工作，或在腐蝕介質中工作，或受載方式不是拉壓和彎曲而是接觸滾動等，這些不同的環境因素可使零件、構件產生不同的疲勞破壞。最常見的有接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞。此外，還有微動磨損疲勞和聲疲勞等。①接觸疲勞。零件在高接觸壓應力反復作用下產生的疲勞。經多次應力循環後，零件的工作表面局部區域產生小片或小塊金屬剝落，形成麻點或凹坑。接觸疲勞使零件工作時雜訊增加、振幅增大、溫度升高、磨損加劇，最後導致零件不能正常工作而失效 。在滾動軸承、齒輪等零件中常發生這種現象。②高溫疲勞 。在高溫環境下承受循環應力時所產生的疲勞。高溫是指大於熔點1/2以上的溫度，此時晶界弱化，有時晶界上產生蠕變空位，因此在考慮疲勞的同時必須考慮高溫蠕變的影響。高溫下金屬的s-n曲線沒有水平部分 ，一般用 107~108次循環下不出現斷裂的最大應力作為高溫疲勞極限;載荷頻率對高溫疲勞極限有明顯影響，當頻率降低時，高溫疲勞極限明顯下降。③熱疲勞。由溫度變化引起的熱應力循環作用而產生的疲勞。如渦輪機轉子、熱軋軋輥和熱鍛模等，常由於熱應力的循環變化而產生熱疲勞。④腐蝕疲勞。在腐蝕介質中承受循環應力時所產生的疲勞。如船用螺旋槳、渦輪機葉片 、水輪機轉輪等，常產生腐蝕疲勞。腐蝕介質在疲勞過程中能促進裂紋的形成和加快裂紋的擴展。其特點有 :s-n曲線無水平段;載入頻率對腐蝕疲勞的影響很大;金屬的腐蝕疲勞強度主要是由腐蝕環境的特性而定;斷口表面變色等。
發展趨勢 飛機、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。因此，疲勞理論和疲勞試驗對於設計各類承受循環載荷的機械和結構，成為重要的研究內容。疲勞有限壽命設計中進行壽命估算，必須了解材料的疲勞性能，以此作為理論計算的依據 。由於疲勞壽命的長短取決於所承受的循環載荷大小，為此還必須編制出供理論分析和全尺寸疲勞試驗用的載荷譜，再根據與各種疲勞相適應的損傷模型估算出疲勞壽命。疲勞理論的工程應用，經歷了從無限壽命設計到有限壽命設計，有限壽命設計尚處於完善階段。發展趨勢是:①宏觀與微觀結合，探討從位錯、滑移、微裂紋、短裂紋、長裂紋到斷裂的疲勞全過程 ，尋求壽命估算各階段統一的物理-力學模型 。②研究不同環境下的疲勞及其壽命估算方法。③概率統計方法在疲勞中的應用，如隨機載荷下的可靠性分析方法，以及耐久性設計等。
疲勞
材料承受交變循環應力或應變時所引起的局部結構變化和內部缺陷發展的過程。它使材料的力學性能下降並最終導致龜裂或完全斷裂。