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（圖為A380的疲勞測試）

導讀：

1860年，維勒（Wöhler）在解決火車軸斷裂時，首先提出了疲勞曲線和疲勞極限的概念，所以后人也稱該曲線為維勒曲線。

1954年1月10日，BOAC的一架“彗星”在意大利厄爾巴島上空7800米處解體。

4月8日，BOAC的又一架“彗星”栽入意大利那不勒斯灣，機上21人罹難。至此，“彗星”全部停飛。

“彗星”頻繁隕落，震驚了世界。

當時，英國首相丘吉爾下令，要不惜一切代價搞清事故原因。

為此，英國海軍出動艦隊，將厄爾巴島附近海域失事的飛機殘骸從上百米深的海底打撈起來，送到英國皇家飛機研究院進行調查。

調查發現，空難死者的肺部有因氣體膨脹而引起的裂痕，說明失事前機艙內氣壓突然減小，使肺內氣體急劇膨脹而導致肺部破裂。而對飛機殘骸的研究表明，部分舷窗出現了裂痕，這一發現與尸檢結論相吻合。

與此同時，德哈維蘭公司對正在生產和已停飛的飛機進行嚴格檢查，試驗進行了9000多個小時，飛機蒙皮出現了裂痕，與失事飛機殘骸上的裂痕一樣。

經過技術人員研究分析，事故是由制造飛機機體結構的金屬材料“疲勞”所致。

機械零件在交變壓力作用下，經過一段時間后，在局部高應力區形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴展以致斷裂。

疲勞破壞具有在時間上的突發性、位置上的局部性及對環境和缺陷的敏感性等特點，不易被及時發現。

“彗星”飛機方形舷窗處的蒙皮，在反復增壓和減壓的沖擊下，產生變形、裂紋，最終導致金屬疲勞斷裂。作為世界上第一種噴氣式客機，“彗星”比其他客機都飛得快，承受的壓力自然也大，更容易產生金屬疲勞問題。

由此，通過對“彗星”事故的調查，誕生了一門新的學科---“疲勞力學”。

今天咱們就來熟悉和了解一下關于：疲勞曲線及基本疲勞力學性能。

（一）疲勞曲線和疲勞極限

疲勞曲線：是疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線，即S-N曲線，是確定疲勞極限、建立疲勞應力判據的基礎。

對于一般具有應變時效的金屬材料，如碳鋼、球鐵等，當循環應力水平降到某一臨界值時，低應力段變為水平線段，表明試樣可以經無限次應力循環也不發生疲勞斷裂，故將對應的應力稱為疲勞極限，記為σ-1（對稱循環，r=-1）。

這類材料如果應力循環107周次不斷裂，則可認定承受無限次應力循環也不會斷裂，所以常將107周次作為測定疲勞極限的基數。

另一類金屬材料，如鋁合金、不銹鋼等，其S-N曲線沒有水平部分，只是隨應力降低，循環周次不斷增大，此時只能根據材料的使用要求規定某一循環周次下不發生斷裂的應力作為條件疲勞極限，或稱有限壽命疲勞極限。

（二）疲勞曲線的測定

通常疲勞曲線用旋轉彎曲疲勞試驗測定，其四點彎曲試驗機原理見下圖。

S-N曲線的高應力（有限壽命）部分用成組試驗法測定，即取3-4級較高應力水平，在每級應力水平下，測定5根左右試樣的數據，然后進行數據處理，計算中值（存活率50%）的疲勞壽命。

用升降法測得的σ-1作為S-N曲線的最低應力水平點，與成組試驗法的測定結果擬合成直線或曲線，就可得到存活率為50%的中值S-N曲線。

（三）不同應力狀態下的疲勞極限

同一材料，不同應力狀態下的疲勞極限不同，但它們之間存在一定聯系。

實驗確定：對稱彎曲疲勞極限與對稱拉壓、扭轉疲勞極限之間存在一定關系。

（四）疲勞極限與靜強度的關系

試驗表明，金屬材料的抗拉強度越大，其疲勞極限也越大。

對于中、低強度鋼，疲勞極限與抗拉強度間大體呈線性關系。

σb較低時，可近似寫成σ-1=σb。

σb較高時，這種近線性關系就會發生偏離，這是由于強度較高時，材料的塑性和斷裂韌性下降，裂紋易于形成和擴展所致。

很多機件是在不對稱循環載荷下工作的，因此還需要測定材料的不對稱循環疲勞極限，以滿足這類機件的設計和選材的需要。

通常用工程作圖法，由疲勞圖求得各種不對稱循環的疲勞極限。

根據不同的作圖方法有兩種疲勞圖：

（一）σa-σm疲勞圖

在不同應力比r條件下將σmax表示的疲勞極限σr分解為σa和σm，并在該坐標系中作ABC曲線，則得到σa-σm疲勞圖。

（二）σmax(σmin)-σm疲勞圖

將不同應力比r下的疲勞極限，分別以σmax(σmin)和σm表示于坐標系中，就形成疲勞圖。

AHB就是在不同r下的疲勞極限σmax。

疲勞極限隨平均應力或應力比的增加而增加，但應力幅度a減小。

金屬機件偶然經受短期過載，材料原來的疲勞極限可能沒有變化，也可能有所降低，這要具體視材料所受過載應力及相應的累計過載周次而定。

如果金屬在高于疲勞極限的應力水平下運轉一定周次后，其疲勞極限和疲勞壽命減小，這就造成了過載損傷。

金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力，用過載損傷界或過載損傷區表示。

過載損傷界由實驗確定：測出不同過載應力水平和相應的開始降低疲勞壽命的應力循環周次，得到不同的試驗點，連接各點便得到過載損傷界。

過載損傷界與疲勞曲線高應力區直線段（該線段各應力水平下發生疲勞斷裂的應力循環周次稱為過載持久值）之間的影線區，稱為過載損傷區。

機件過載運轉到這個區域里，都要不同程度地降低材料疲勞極限，在持久值附近，降低的越多。

材料的過載損傷界（或過載持久值）越陡直，損傷區越窄，則其抵抗疲勞過載的能力越強。

機件由于使用的需要，常常帶有臺階、拐角、鍵槽、油孔、螺紋等，這些結構類似于缺口作用，會改變應力狀態造成應力集中。

所以了解缺口引起的應力集中對疲勞極限的影響也很重要。

根據疲勞缺口敏感度評定材料時，可能出現兩種極端情況：

（a）Kf=Kt，即缺口試樣疲勞過程中應力分布與彈性狀態完全一樣，沒有發生應力重新分布，這時缺口降低疲勞極限最嚴重，疲勞缺口敏感度qf=1，材料的缺口敏感性最大。

（b）Kf=1，σ-1=σ-1N，缺口不降低疲勞極限，說明疲勞過程中應力產生了很大的重分布，應力集中效應完全被消除， qf=0，材料的缺口敏感性最小。

所以qf值能反映在疲勞過程中材料發生應力重新分布，降低應力集中的能力。

高周疲勞時：大多數金屬都對缺口十分敏感；

低周疲勞時：大多數金屬都對缺口不太敏感，這是因為后者缺口根部區域已處于塑性區內，發生應力松弛，使應力集中降低所致。