金屬疲勞是指金屬材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，經(jīng)過一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)后，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，最終導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。

金屬疲勞過程是一個(gè)累積損傷的過程。累積損傷的機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的問題，它涉及到材料在循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變作用下的逐步損傷和最終斷裂。金屬的疲勞主要經(jīng)歷三個(gè)典型階段：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂。

疲勞裂紋的萌生

金屬疲勞通常發(fā)生在材料受到多次重復(fù)變化的載荷作用時(shí)，這種載荷可以是機(jī)械應(yīng)力，也可以是溫度等引起的應(yīng)變。金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，如夾雜物、疏松或晶粒不連續(xù)分布等，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力傳遞的不平衡，形成應(yīng)力集中區(qū)域。這些區(qū)域在循環(huán)應(yīng)力的作用下，更容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

在循環(huán)應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，金屬內(nèi)部會(huì)發(fā)生循環(huán)滑移并形成循環(huán)滑移帶。這些滑移帶中的某些區(qū)域由于應(yīng)力集中和塑性變形的累積，會(huì)逐漸產(chǎn)生微小的裂紋，即疲勞裂紋的萌生。

材料中的第二相或夾雜物與基體之間的界面，以及晶界處，由于位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中的存在，也容易成為疲勞裂紋的萌生點(diǎn)。

疲勞裂紋的擴(kuò)展與瞬時(shí)斷裂

一旦疲勞裂紋萌生，它會(huì)在循環(huán)應(yīng)力的作用下沿著最大切應(yīng)力面和通過晶粒邊界進(jìn)行亞穩(wěn)擴(kuò)展。這個(gè)過程中，裂紋的長(zhǎng)度會(huì)逐漸增加，但擴(kuò)展速度相對(duì)較慢。隨著裂紋長(zhǎng)度的增加和應(yīng)力的進(jìn)一步集中，裂紋擴(kuò)展的速度會(huì)逐漸加快。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，它可能會(huì)導(dǎo)致材料的突然斷裂。

疲勞損傷的累積損傷

在循環(huán)應(yīng)力的作用下，金屬內(nèi)部的損傷會(huì)逐漸累積。這種損傷包括塑性變形、微裂紋的形成和擴(kuò)展等。隨著損傷的不斷累積，材料的性能會(huì)逐漸下降。在累積損傷期，位錯(cuò)不斷在金屬內(nèi)部形成，在晶界處塞積。見圖X透射電鏡圖像。

金屬構(gòu)件的疲勞壽命

金屬的疲勞壽命通常由疲勞裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命組成。在萌生期，主要發(fā)生的是微小的塑性變形和微裂紋的形成；在擴(kuò)展期，裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展并導(dǎo)致材料的最終斷裂。通常，在應(yīng)力較大的情況下，金屬構(gòu)件容易發(fā)生多源疲勞，在應(yīng)力較低的情況下，傾向于發(fā)生單源疲勞。通常裂紋萌生壽命占總壽命90%以上，因而表面強(qiáng)化是改善金屬構(gòu)件疲勞壽命的重要方法，如機(jī)械噴丸、激光噴丸等。

金屬材料疲勞壽命的影響因素

材料的性質(zhì)。材料的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等性質(zhì)都會(huì)影響其抗疲勞性能。例如，添加稀土元素等“維生素”可以顯著提高金屬的抗疲勞能力。

應(yīng)力條件。應(yīng)力的大小、方向、頻率等都會(huì)影響金屬的疲勞損傷過程。特別是交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。

環(huán)境因素。溫度、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境因素也會(huì)對(duì)金屬的疲勞性能產(chǎn)生影響。例如，高溫會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展過程；腐蝕介質(zhì)會(huì)加速材料的腐蝕和疲勞破壞。

金屬構(gòu)件疲勞斷裂的影響因素

材料的強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，材料的強(qiáng)度越高，其抗疲勞性能通常越好。但這也取決于材料的類型和具體的應(yīng)力條件。

應(yīng)力集中。材料表面的缺陷、幾何形狀的突變或內(nèi)部的不均勻性會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，增加疲勞裂紋的萌生概率。

循環(huán)加載頻率。加載頻率對(duì)金屬的疲勞壽命有一定影響。通常情況下，加載頻率較低時(shí)，由于熱效應(yīng)的影響，疲勞壽命可能會(huì)增加。但這也取決于具體的材料和應(yīng)力條件。

溫度。溫度的升高可能會(huì)降低材料的疲勞壽命，因?yàn)楦邷貢?huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力的重新分布和加速裂紋的擴(kuò)展。

腐蝕環(huán)境。在腐蝕環(huán)境中，金屬材料的疲勞壽命會(huì)顯著降低。腐蝕會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展過程，導(dǎo)致材料更早地發(fā)生斷裂。

金屬疲勞斷裂實(shí)例

汽輪機(jī)在啟動(dòng)和停機(jī)過程中，由于蒸汽溫度的變化較大，轉(zhuǎn)子表面和汽缸壁會(huì)受到很大的熱應(yīng)力沖擊。這種熱應(yīng)力是交變的，因此可能導(dǎo)致金屬材料的疲勞破壞。同樣地，在鍋爐的承壓容器中，壓力的波動(dòng)和溫度的波動(dòng)也是導(dǎo)致疲勞破壞的重要原因。

綜上所述，金屬疲勞是一種在循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變作用下發(fā)生的材料破壞現(xiàn)象，其發(fā)生和發(fā)展受到多種因素的影響。為了延長(zhǎng)金屬材料的使用壽命和確保設(shè)備的安全運(yùn)行，需要充分了解金屬疲勞的機(jī)理和影響因素，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。