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疲勞定義及分類

疲勞用來表達(dá)材料在循環(huán)載荷作用下的損傷和破壞。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在1964年發(fā)表的報告《金屬疲勞試驗的一般原理》中對疲勞所做的定義是：“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞”這一描述也普遍適用于非金屬材料。

對疲勞可以從不同的角度進(jìn)行分類。在常溫下工作的結(jié)構(gòu)和機械的疲勞破壞取決于外載的大小。從微觀上看，疲勞裂紋的萌生都與局部微觀塑性有關(guān)，但從宏觀上看，在循環(huán)應(yīng)力水平較低時，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時疲勞壽命較長，稱為應(yīng)力疲勞或高周疲勞；在循環(huán)加力水平較高時，塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時疲勞壽命較短，稱為應(yīng)變疲勞或低周疲勞。

不同的外部載荷造成不同的疲勞破壞形式，由此可以將疲勞分為：機械疲勞-僅由外加應(yīng)力或應(yīng)變波動造成的疲勞失效；蠕變疲勞-循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的疲勞失效；熱機械疲勞-循環(huán)載荷和循環(huán)溫度同時作用引起的疲勞失效；腐蝕疲勞-在存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加循環(huán)載荷引起的疲勞失效；滑動接觸疲勞和滾動接觸疲勞-載荷的反復(fù)作用與材料間的滑動和滾動接觸相結(jié)合分別產(chǎn)生的疲勞失效：微動疲勞-脈動應(yīng)力與表面間的來回相對運動和摩擦滑動共同作用產(chǎn)生的疲勞失效。機器和結(jié)構(gòu)部件的失效大多數(shù)是由于發(fā)生上述某一種疲勞過程造成的。

疲勞壽命 

疲勞損傷發(fā)生在受交變應(yīng)力或應(yīng)變）作用的零件和構(gòu)件，零件和構(gòu)件在低于材料屈服極限的交變應(yīng)力（或應(yīng)變）的反復(fù)作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應(yīng)力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。　

疲勞強度的計算，常規(guī)疲勞強度計算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應(yīng)力、應(yīng)變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應(yīng)力一壽命曲線（σ-N曲線）和應(yīng)變一壽命曲線（δ－Ν曲線）表示。應(yīng)力一壽命曲線和應(yīng)變一壽命曲線，統(tǒng)稱為S-N曲線。

根據(jù)試驗可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

σmN=C　　式中：N應(yīng)力循環(huán)數(shù)； m、C材料常數(shù)?！　?/span>

在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態(tài)與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應(yīng)力集中，所以，在使用時必須引入應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β。

循環(huán)應(yīng)力的特性

循環(huán)應(yīng)力的特性用最小應(yīng)力σmin與最大應(yīng)力σmax的比值r=σmin/σmax表示，r稱為循環(huán)特征。對應(yīng)于不同循環(huán)特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和條件疲勞極限。對不同方向的應(yīng)力，可用正負(fù)值加以區(qū)別，如拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。當(dāng)r=-1，即σmin=-σmax時，稱為對稱循環(huán)應(yīng)力；當(dāng)r=0，即σmin=0時，稱為脈動循環(huán)應(yīng)力；當(dāng)r=+1，即σmin=σmax時，應(yīng)力不隨時間變化，稱為靜應(yīng)力；當(dāng)r位于-1和+1之間時，統(tǒng)稱為不對稱循環(huán)應(yīng)力。對應(yīng)于不同循環(huán)特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和有限壽命的條件疲勞極限。

疲勞極限的定義

材料疲勞極限可從有關(guān)設(shè)計手冊、材料手冊中查出。缺乏疲勞極限數(shù)據(jù)時，可用經(jīng)驗的方法根據(jù)材料的屈服極限σs和強度極限σb計算。

零件的疲勞極限σrk和τrk是根據(jù)所使用材料的疲勞極限，考慮零件的應(yīng)力循環(huán)特性、尺寸效應(yīng)、表面狀態(tài)應(yīng)力集中等因素確定的。

疲勞損傷積累理論

疲勞損傷積累理論認(rèn)為，當(dāng)零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時，每一次載荷循環(huán)都對零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時，零件將發(fā)生疲勞破壞。較重要的疲勞損傷積累理論有線性和非線性疲勞損傷積累理論，線性疲勞損傷積累理論認(rèn)為，每一次循環(huán)載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷是相互獨立的?？倱p傷是每一次疲勞損傷的線性累加，它最具代表性的理論是帕姆格倫一邁因納定理，應(yīng)用最多的是線性疲勞損傷積累理論。

疲勞可靠性

疲勞可靠性是融概率論、數(shù)理統(tǒng)計學(xué)、疲勞學(xué)、斷裂力學(xué)、材料科學(xué)等于一體的交叉學(xué)科，旨在以經(jīng)濟型為基點，在規(guī)定工作條件下、在完成規(guī)定的功能下、在規(guī)定使用壽命期間，使結(jié)構(gòu)因疲勞強度不足而失效的可能性減至最低程度。其應(yīng)用范圍主要包括疲勞性能試驗設(shè)計、結(jié)構(gòu)疲勞可靠性設(shè)計與優(yōu)化、可靠壽命設(shè)計與優(yōu)化和疲勞載荷的編制等。