疲劳失效：工业制造领域的一个关键问题

这是一个在工程领域至关重要且极其常见的问题。我们系统地来解析“疲劳失效”。

一、什么是疲劳失效

疲劳失效是指材料、构件或结构在远低于其极限抗拉强度的循环应力或应变作用下，经过足够多次的循环后，发生裂纹萌生、扩展，并最终导致突然断裂的现象。

核心特征：

1.循环载荷：不是一次性加载，而是反复加载卸载（如振动、旋转、压力波动）。

2.应力水平低：通常在工作应力范围内，看似“安全”。

3.需要时间/次数：破坏发生在载荷循环一定次数（N）之后。

4.突然性和灾难性：断裂前宏观上可能无明显塑性变形，难以预警。

二、疲劳失效的过程（三个阶段）

1.裂纹萌生：在材料最薄弱的部位（如应力集中处、表面缺陷、夹杂物），局部塑性变形累积，形成微裂纹。通常发生在表面。

2.裂纹扩展：微裂纹在循环载荷下沿着与主应力方向垂直的平面稳定扩展。断口上会留下独特的“贝壳纹”或“海滩纹”，这是裂纹前沿在每次载荷循环中扩展留下的痕迹。

3.最终断裂：当裂纹扩展到临界尺寸，剩余截面无法承受最大载荷时，发生快速、失稳的断裂。最终断裂区通常呈现粗糙的颗粒状或剪切唇形貌。

三、关键概念与曲线

1.S-N 曲线

描述材料应力幅值与失效循环次数之间关系的曲线。

疲劳极限：对于某些材料（如钢、钛），当应力低于某一临界值时，理论上可以承受无限次循环而不发生疲劳破坏。这个应力值称为疲劳极限。

条件疲劳极限：对于没有明确疲劳极限的材料（如铝、镁合金），通常指定一个循环基数（如10^7次）对应的应力作为其条件疲劳极限。

2.影响疲劳寿命的主要因素

应力集中：最重要的因素之一。孔、槽、键槽、台阶、螺纹等几何不连续处会大幅降低疲劳寿命。

表面质量：粗糙的表面相当于无数微小的应力集中点，会显著促进裂纹萌生。表面光洁度越高，疲劳性能越好。

表面处理：有益的：喷丸、滚压（引入表面压应力）；有害的：电镀、脱碳（引入表面拉应力或弱化表层）。

材料本身：强度、韧性、微观结构、夹杂物含量和分布。

载荷特性：平均应力（施加预紧力可以是有益的）、应力幅度、载荷频率、过载效应。

环境：腐蚀环境会极大加速疲劳过程（腐蚀疲劳），温度（高温疲劳、低温脆化）。

四、疲劳的类型

1.高周疲劳：低应力、高循环次数（>10^5次）。常见于高速旋转部件（如发动机叶片、轴）。

2.低周疲劳：高应力、低循环次数（<10^5次），每次循环伴有明显的塑性变形。常见于压力容器、核电部件、地基等承受启动－停机大载荷的结构。

3.腐蚀疲劳：在腐蚀性环境和循环载荷共同作用下发生的疲劳，其S-N曲线没有疲劳极限。

4.热疲劳：由于温度循环变化引起的热应力循环所导致的疲劳。

5.接触疲劳：滚动或滑动接触表面在循环接触应力下产生的疲劳（如轴承、齿轮）。

五、如何应对和预防疲劳失效

设计阶段

1.优化设计：避免尖锐缺口，采用平滑过渡（大圆角），降低应力集中系数。

2.合理选材：选择具有良好疲劳性能的材料，控制材料的纯净度。

3.利用S-N曲线进行抗疲劳设计：确保在预定寿命内，工作应力低于材料的疲劳极限或条件疲劳极限，并考虑足够的安全系数。

制造与工艺阶段

1.提高表面光洁度：关键部位进行精加工。

2.采用强化工艺：喷丸处理、表面滚压、渗碳/氮化（在表面形成压应力层，极大地抑制裂纹萌生和早期扩展）。

3.控制残余应力：通过热处理消除有害的拉应力。

使用与维护阶段

1.定期无损检测：对关键疲劳部位（如焊缝、孔边）进行定期检查（如超声波、磁粉、渗透、涡流检测），及时发现并处理裂纹。

2.监控载荷与环境：避免长时间超载运行，控制腐蚀环境。

3.制定科学的退役和更换标准：基于疲劳寿命预测，即使未发现裂纹，也在安全周期内进行更换。

六、著名的疲劳失效案例

1.彗星型客机坠毁：20世纪50年代，由于客舱方形舷窗角部应力集中导致的疲劳断裂，引发了航空史上对疲劳设计和圆形舷窗的深刻变革。

2.波音737“拨叉”部件故障：近年发生的因腐蚀疲劳导致的关键结构件裂纹问题。

3.桥梁坍塌：许多钢桥的破坏都与焊接细节处的疲劳裂纹有关。

4.火车车轴、轮毂断裂：经典的旋转弯曲疲劳案例。

七、总结

疲劳失效是一种潜伏性、渐进性的破坏模式，是机械和结构失效的最主要原因之一（约占所有力学失效的90%）。理解其机理，并在设计、制造、维护的全生命周期中系统性地进行管理和控制，是保障工程安全性和可靠性的重中之重。现代抗疲劳设计已与断裂力学（研究裂纹扩展规律）和健康监测技术紧密结合，形成了更为完善的保障体系。