疲劳断裂
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2023年3月16日发(作者：宝宝学加减法)浅论金属材料发生疲劳断裂的原因及危害
零件在这种交变动载荷作用下，经过长时间的工作而发生断裂的现象
成为疲劳，因此疲劳是零件在循环或交变应力作用下，经过一段时间
发生失效的现象。
法国的J.-V.彭赛列于1839年首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这
一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的A.沃勒。他在19世纪50〜60
年代首先得到表征疲劳性能的S-N曲线,并提出疲劳极限的概念。疲劳
研究虽有百余年历史，文献极多，但理论不够完善。近年来，断裂力学
的进展，丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。当前的
发展趋势是把微观理论和宏观理论结合起来从本质上探究疲劳破坏的机
理。
为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均
匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同
时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂
纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能
继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。
金属疲劳破坏可分为三个阶段：①微观裂纹扩展阶段。在循环加载
下，由于物体内部微观组织结构的不均匀性，某些薄弱部位首先形成微
观裂纹，此后，裂纹即沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩
展。在此阶段,裂纹长度大致在0.05毫米以内。若继续加载,微观裂
纹就会发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与
主应力垂直的方向扩展。借助电子显微镜可在断口表面上观察到此阶
段中每一应力循环所遗留的疲劳条带。③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大
到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然
断裂。在疲劳宏观断口上往往有两个区域：光滑区域和颗粒状区域。疲
劳裂纹的起始点称作疲劳源。实际构件上的疲劳源总是出现在应力集中
区，裂纹从疲劳源向四周扩展。由于反复变形，裂纹的两个表面时而分
离，时而挤压，这样就形成了光滑区域，即疲劳裂纹第二阶段扩展区
域。第三阶段的瞬时断裂区域表面呈现较粗糙的颗粒状。如果循环应力
的变化不是稳态的，应力幅不保持恒定,裂纹扩展忽快、
忽慢或者停顿,则在光滑区域上用肉眼可看到贝壳状或海滩状纹迹的疲
劳弧线。
疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷
的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易造成事故。应力
幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。
疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下发生的。为了便于研究和分
析疲劳问题，国际上对循环应力表示法已作出统一规定。循环应力的
每一个周期变化称作一个应力循环。图4所示的恒幅循环应力由以下
诸分量表示：①最大应力Qmax,应力循环中最大代数值的应力，以拉应
力为正，压应力为负。②最小应力Omin，应力循环中最小代数值的应力,
以拉应力为正，压应力为负。③平均应力怖，最大应力和最小应力
的代数平均值，即qm=(Oax+Omin)/2。④应力幅怎最大应力和最小应
力的代数差的一半，即阳=(壶一Omin)/2。有些国家的文献将qa称作
交变应力，但在中国常用交变应力一词表示循环应力。⑤应力变程又称
应力范围，是最大应力与最小应力之差，即应力幅的两倍。⑥应力比R,
又称循环特征，是最小应力与最大应力的代数比值，即R=omin/cmax。R
=-1的应力循环称为对称循环，其最大应力和最小应力绝对值相等，
符号相反，且平均应力为零；R=0的应力循环称为
脉动循环，其最小应力为零；R等于其他值的应力循环称为非对称循
环。
恒幅循环应变的表示法与此类似。应力循环可以看成两部分应力的组
合，一部分是数值等于平均应力ca的静应力，另一部分是在平均应力
上变化的动应力在四个应力
分量omax、omin、cm、ca中只有两个是独立的。任意给定两个，其余两个
就能确定。
用来确定应力循环的一对应力分量qmax>Omin或0、Cm称为应力水
平。对恒幅循环应力，当给定R或O时，应力水平可由omax或O表示。
产生疲劳破坏所需的循环数取决于应力水平的高低，破坏循环数越大，
表示施加的应力水平越低。
在循环加载下，产生疲劳破坏所需的应力或应变循环数称为疲劳寿
命。对实际构件，疲劳寿命常以工作小时计。构件在出现工程裂纹以前
的疲劳寿命称为裂纹形成寿命或裂纹起始寿命。工程裂纹指宏观可见的
或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2〜1.0毫米范围内。自工
程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命是二者之
和。因为工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸，故可将裂纹作为物体边
界，并将其周围材料视作均匀的连续介质，应用断裂力学方法研究裂
纹扩展规律。
为了便于分析研究，常常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两
类：①高循环疲劳（高周疲劳）：破坏循环次数高于104~105的疲劳，一
般振动元件、传动轴等的疲劳属此类。其特点是：作用于构件上的应力
水平较低，应力和应变呈线性关系。②低循环疲劳（低周疲劳）：破坏
循环次数低于104~105的疲劳，典型实例有压力容器、燃气轮机构件等
的疲劳。其特点是：作用于构件的应力水平较高，材料处于塑性状态。
很多实际构件在变幅循环应力作用下的疲劳既不是纯高循环疲劳也不是
纯低循环疲劳，而是二者的综合。
相应地，裂纹扩展也分为高循环和低循环两类。高循环疲劳裂纹
扩展规律可利用线弹性断裂力学方法研究；低循环疲劳裂纹扩展规律一
般应采用弹塑性断裂力学方法研究，不过由于问题十分复杂，尚未很
好地解决。
实践表明，疲劳寿命分散性较大，高循环疲劳尤其如此，因此必须
进行统计分析,考虑存活（概）率（即可靠度）的问题。具有存活率p
（如95%、99%、99.9%）的疲劳寿命Np的含义是：总体（母体）中有p
的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏（概）率等于（1-p）。对应于高存活
率或低破坏率的疲劳寿命，在设计上称为安全寿命。
疲劳问题范畴极为广泛。按材料性质及其工作环境划分，除一般
金属疲劳外，还包括有非金属疲劳、高温疲劳、热疲劳（由循环热应力
引起）、腐蚀疲劳、擦伤疲劳、声疲劳（由噪声激励引起）、冲击疲
劳、接触疲劳等。金属疲劳寿命预估侧重于力学方面，并且是普遍关注
的研究课题。为了进行疲劳寿命的理论估算和试验，首先必须了解材
料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据。其次，疲劳寿命的长短取决
于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳
试验用的载荷谱。最后，根据材料的疲劳性能和载荷谱估算出疲劳寿
命。以下分别加以介绍：
材料抵抗疲劳破坏的能力。高循环疲劳的裂纹形成阶段的疲劳性能常
以S-N曲线表征，S为应力水平，N为疲劳寿命。S-N曲线需通过试验测
定，试验采用小型标准试件或实际构件。若采用小型标准试件，则试件
裂纹扩展寿命较短，常以断裂时循环次数作为裂纹形成寿命。试验在给
定应力比R或平均应力怖的前提下进行，根据不同应力水平的试验结
果，以最大应力怖ax或应力幅為为纵坐标，疲劳寿命N
为横坐标绘制S-N曲线（图5）。表示寿命的横坐标采用对数标尺；表
示应力的纵坐标采用算术标尺或对数标尺。在S-N曲线上，对应某一寿
命值的最大应力qmax或应力幅為称为疲劳强度。疲劳强度一词也泛指与
疲劳有关的强度问题。为了模拟实际构件缺口处的应力集中以及研究材
料对应力集中的敏感性，常需测定不同应力集中系数下的S-N曲线。
对试验结果进行统计分析后，根据某一存活率p的安全寿命所绘
制的应力和安全寿命之间的关系曲线称为p-S-N曲线。50%存活率的应
力和疲劳寿命之间的关系曲线称为中值S-N曲线，也简称S-N曲线。
当循环应力中的最大应力qmax小于某一极限值时，试件可经受无限
次应力循环而不产生疲劳裂纹；当CFnax大于该极限值时，试件经有限次
应力循环就会产生疲劳裂纹，该极限应力值就称为疲劳极限，或持久
极限。如图5中S-N曲线的水平线段对应的纵坐标就是疲劳极限。
鉴于疲劳极限存在较大的分散性，人们根据现代统计学观点，把
疲劳极限定义为：指定循环基数下的中值（50％存活率）疲劳强度。对
于S-N曲线具有水平线段的材料，循环基数取107;对于S-N曲线无水平
线段的材料（如铝合金），循环基数取107〜108。疲劳极限可作为绘制
S-N曲线长寿命区线段的数据点。