國(guó)內(nèi)外疲勞壽命分析技術(shù)綜述

尚其剛 李彥紅

【摘 要】因疲勞而引發(fā)的機(jī)械零件破壞約占80%，因此疲勞破壞的問(wèn)題得到了國(guó)內(nèi)外的極大關(guān)注，其中疲勞壽命的預(yù)測(cè)尤其重要，本文簡(jiǎn)單探討國(guó)內(nèi)外關(guān)于疲勞現(xiàn)象的系統(tǒng)研究。

【關(guān)鍵詞】疲勞壽命；研究

美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（ASTM）在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)定義”（ASTM E206-72）中給出疲勞的定義：在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程，稱為疲勞。1964年，日內(nèi)瓦的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在《金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理》中給疲勞下了一個(gè)描述性的定義：金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件破壞的80%由疲勞引起的，特別是隨著機(jī)械零件向大型、復(fù)雜化和高溫、高速使用環(huán)境的方向發(fā)展，大量的隨機(jī)因素增加，疲勞破壞更是層出不窮，因此關(guān)于疲勞破壞問(wèn)題的研究得到了極大的關(guān)注，其中疲勞壽命的預(yù)測(cè)尤為重要。

1847年，德國(guó)人W?hler用旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)首先對(duì)疲勞現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出S-N曲線及疲勞極限的概念，奠定了疲勞破壞的經(jīng)典強(qiáng)度理論基礎(chǔ)。1874年，W. Gerber等研究平均應(yīng)力的影響，畫(huà)出相應(yīng)的疲勞極限線圖—Gerber拋物線。1929年，英國(guó)人Haigh發(fā)表了高強(qiáng)度鋼與低碳鋼有不同的缺口敏感性的論文，他所采用的缺口應(yīng)變分析及“殘余應(yīng)力”的概念，被后人加以補(bǔ)充和發(fā)展。1930年，英國(guó)人Goodman簡(jiǎn)化了疲勞極限圖，即用直線將縱軸上的對(duì)稱循環(huán)疲勞極限點(diǎn)和橫軸上的強(qiáng)度極限點(diǎn)連接，以此來(lái)替代Gerber拋物線；由于Goodman的疲勞極限圖相對(duì)簡(jiǎn)單，所以至今仍在常規(guī)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中被廣泛使用。20世紀(jì)20-30年代人們已經(jīng)開(kāi)始研究疲勞機(jī)理，把疲勞過(guò)程劃分為裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展及斷裂三個(gè)階段。1945年，M. A. Miner（US）提出了損傷與循環(huán)次數(shù)成線性關(guān)系即Palmgren-Miner線性累積損傷準(zhǔn)則。

1953年，澳大利亞人赫德提出了疲勞裂紋擴(kuò)展理論，但未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1957年，美國(guó)人歐文研究了中心裂紋板在垂直于裂紋方向上受拉伸的情況，基于裂紋尖端附近的彈性力學(xué)應(yīng)力分析，歐文把裂紋長(zhǎng)度的平方根與應(yīng)力的乘積定義為應(yīng)力強(qiáng)度因子。由此，應(yīng)力強(qiáng)度因子成為了描述材料在裂紋尖端受力程度的一個(gè)重要參量。并根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子存在一臨界值，當(dāng)達(dá)到或大于此臨界值時(shí)，裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的現(xiàn)象，定義此臨界值為斷裂韌性，從而確定了斷裂力學(xué)的斷裂準(zhǔn)則。1957年，美國(guó)人Paris指出，在循環(huán)載荷作用下，裂紋尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化幅度是控制構(gòu)件疲勞裂紋擴(kuò)展速率的基本參量，Paris并于1963年提出了疲勞裂紋擴(kuò)展速度的指數(shù)冪定律（Paris定律）。1968年由日本的Matsuishi M和Endo T 認(rèn)為塑性的存在是造成疲勞損傷的必要條件，這種塑性性質(zhì)由應(yīng)力—應(yīng)變遲滯回線表現(xiàn)出來(lái)，而一個(gè)大的應(yīng)力—應(yīng)變循環(huán)對(duì)材料造成的損傷，不受小的循環(huán)的影響，基于此他們提出了雨流計(jì)數(shù)法。

20世紀(jì)60年代末和70年代初，發(fā)展起來(lái)兩種疲勞壽命估算方法。其一就是著名的Manson-Coffin局部應(yīng)變法，此方法試圖描述和預(yù)測(cè)裂紋萌生壽命，從而奠定了低周疲勞的基礎(chǔ)，而另一種方法是基于斷裂力學(xué)（如線彈性斷裂力學(xué)EFM）的裂紋擴(kuò)展計(jì)算方法。

從20世紀(jì)80年代以來(lái)，在復(fù)雜工作條件下的可靠性壽命預(yù)測(cè)模型研究成為疲勞問(wèn)題的研究的重點(diǎn)，即著力探討在變幅載荷、腐蝕環(huán)境、高低溫及多軸應(yīng)力狀態(tài)等特殊環(huán)境下的疲勞問(wèn)題。

根據(jù)研究對(duì)象的不同，疲勞問(wèn)題可以分為材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞。材料疲勞的研究包括材料的失效機(jī)理、化學(xué)成分和微觀組織對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響、標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法、材料的基本疲勞特性、環(huán)境和工況的影響以及材料斷口的宏觀和微觀形貌等，材料疲勞的特點(diǎn)是使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究；結(jié)構(gòu)疲勞則以零部件、接頭以至整機(jī)為對(duì)象，研究它們的疲勞性能、抗疲勞設(shè)計(jì)方法、壽命估計(jì)方法和疲勞試驗(yàn)方法，形狀、尺寸和工藝因素的影響，以及提高疲勞強(qiáng)度的方法。此外，根據(jù)材料疲勞破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)（即壽命）的不同，可以分為高周疲勞和低周疲勞。

國(guó)內(nèi)疲勞方面的研究比較少，而且已有的研究主要在集中在理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證上。趙永翔等發(fā)現(xiàn)了“隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)”現(xiàn)象，應(yīng)變疲勞可靠性分析以及隨機(jī)疲勞極限的試驗(yàn)測(cè)定做了較多的研究，建立了應(yīng)變疲勞可靠性分析方法新體系。趙少汴通過(guò)試驗(yàn)比較了構(gòu)件不同疲勞損傷累積理論下疲勞壽命估算精度。姚衛(wèi)星，尚德廣，王德俊等人主要對(duì)多軸疲勞損傷模型、多軸循環(huán)計(jì)數(shù)、及多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法做了較深入的研究，取得了很多重要研究成果。但是，由于疲勞問(wèn)題研究十分復(fù)雜，尤其是高溫、變幅、隨機(jī)多軸加載下疲勞問(wèn)題，還需要做更系統(tǒng)深入的研究。