金属疲劳

✍ dations ◷ 2025-05-15 11:42:31 #金属疲劳

疲劳一词在材料科学领域，意指物件因持续受到动态变化的应力而造成结构劣化。引起疲劳的动态变化应力通常远小于静态的极限拉伸应力或极限屈变应力。疲劳是渐进且局部的结构损坏过程，由于长时间日积月累而产生，所引起的破裂往往在毫无预警的情况下发生，可能直接导致事故（例如空难）的发生，因此相关的预防、检查、处理格外重要。金属疲劳在日常生活中随处可见，例如将铁丝或回纹针反复折拗几次后便会断裂。疲劳现象发生于物件反复受应力时，可大致分为三阶段: 若应力超过一定阈值，在高应力集中点会形成微小裂缝（应力集中点包括：表面刮痕、尖锐填角、键槽、缺口等），接者，随着每次的循环应力，裂缝逐渐扩张。最后一旦裂缝达到一临界尺寸，裂缝将快速扩展，物件断裂。物件设计的形状会显著地影响疲劳寿命，例如，方孔和尖角凹槽会提高局部应力，裂缝较容易产生。相反地，若改成圆孔和圆滑凹槽，裂缝较不容易产生。这种现象不限于固体金属，许多固体材料也都有这种现象发生。美国材料和试验协会定义疲劳寿命 (Nf) 为某规定应力下，一材料试片破损所需应力循环数。某些材料, 特别是钢、钛合金，低于一应力振幅之下不会疲劳破损，称为疲劳极限.一般以 S-N 曲线(亦称为乌勒曲线)分析材料的疲劳特性，纵轴为循环应力震幅（Stress），横轴为应力周期数对数值（cycle）。材料的疲劳性质可在实验室模拟取得资料，根据实际情况调整应力，并记录达到破裂所需的施力周期次数（此种测试英文名为coupon testing）。最简单的测试为正弦周期张应力-压应力。每次测试产生一数据点，但往往相同应力下，同一批试片所测得周期数会有差异，所得离散的数据需统计分析，以绘制所需的S-N 曲线。

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