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      使用科學(xué)方法分析疲勞失效是一個(gè)新興研究領(lǐng)域，其始于1842年對(duì)法國默東災(zāi)難性的凡爾賽鐵路事故進(jìn)行的調(diào)查。車頭輪軸在運(yùn)輸過程中斷裂，車頭后面的車廂翻覆其上導(dǎo)致大火,逾55人喪生，機(jī)械工程師William Macquorn Rankine，負(fù)責(zé)調(diào)查了該次事故斷裂的輪軸，以了解事故原因。他強(qiáng)調(diào)零部件中應(yīng)力集中因素的重要性以及重復(fù)循環(huán)的應(yīng)力對(duì)這些區(qū)域的影響，這些因素導(dǎo)致零部件故障。不幸的是，他和其他人當(dāng)時(shí)提出的因重復(fù)荷載導(dǎo)致裂紋快速增長的想法被其他工程師忽略。在這不久之后，William Fairbairn論證了疲勞對(duì)大梁反復(fù)彎曲的影響。在一段時(shí)間里，疲勞一直是一個(gè)嚴(yán)重的、被誤解的現(xiàn)象。

     19世紀(jì)50年代至20世紀(jì)10年代初，進(jìn)一步的研究得以執(zhí)行，以了解重復(fù)循環(huán)荷載的問題。在這段時(shí)間，“疲勞”一詞最初是由John Braithwaite用來描述這些普遍服務(wù)故障。自1910年代開始，疲勞失效的起源被確定為微觀裂紋的擴(kuò)散。這個(gè)觀察證明了循環(huán)應(yīng)力和故障循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。Olin Hanson Basquin根據(jù)August Wöhler得出的測(cè)試數(shù)據(jù)提出了應(yīng)力(S)和故障周期數(shù)(N)之間的雙對(duì)數(shù)關(guān)系。Wöhler得出結(jié)論，循環(huán)應(yīng)力范圍比峰值應(yīng)力更重要，并提出了材料“疲勞極限”的概念。直到20世紀(jì)40年代中期，“疲勞極限”作為一種實(shí)用設(shè)計(jì)工具開始興起，運(yùn)用線性損傷假設(shè)來預(yù)測(cè)組件的疲勞壽命。

     1954年哈維蘭彗星的兩次墜機(jī)事件得到了極大的關(guān)注，并需要采取進(jìn)一步的行動(dòng)。這樣便開始對(duì)疲勞失效，以及通過減少裂紋衍生和減緩裂紋增長的方法來減少疲勞失效方法的了解。運(yùn)用于航空航天工業(yè)的金屬結(jié)構(gòu)的疲勞、應(yīng)力上升、裂紋形核和增長的臨界性預(yù)示著這些方面將在設(shè)計(jì)和測(cè)試實(shí)踐領(lǐng)域獲得高度關(guān)注。

      20世紀(jì)50年代后期，L.F. Coffin和S.S.Manson對(duì)疲勞過程的理解有了進(jìn)一步的發(fā)展。他們就塑性應(yīng)變論證解釋了疲勞裂紋生長的能力，即在裂紋蔓延至材料中，裂紋尖端的塑性應(yīng)變。塑性變形發(fā)生在裂紋尖端的前面，導(dǎo)致裂紋在每個(gè)負(fù)荷循環(huán)中的蔓延。

　　預(yù)測(cè)疲勞壽命的真正基礎(chǔ)始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)P.C.Paris提出了預(yù)測(cè)單個(gè)疲勞裂紋生長速率的方法。他論證了裂紋長度相對(duì)于循環(huán)次數(shù)的變化率。他的成果就是被廣泛提及的da/dN曲線。然而，自20世紀(jì)40年代中期以來，流行的M.A.Miner現(xiàn)象學(xué)方法讓這一時(shí)期P.C.Paris的研究成果黯然失色。

　　幸運(yùn)的是，在過去幾十年中，在理解材料循環(huán)荷載的影響和金屬結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)散原理方面取得了長足進(jìn)展。這些信息加上Paris的方法，為現(xiàn)代預(yù)測(cè)裂紋增長、創(chuàng)建預(yù)測(cè)各種組件設(shè)計(jì)的疲勞壽命的分析工具奠定了基礎(chǔ)。與災(zāi)難性事故相關(guān)的危險(xiǎn)等級(jí)的持續(xù)增加導(dǎo)致了新的工程設(shè)計(jì)方法和理論。將這些知識(shí)與設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，提高了材料的疲勞壽命。

設(shè)計(jì)方法

　　這種知識(shí)，結(jié)合了最小化部件內(nèi)應(yīng)力集中點(diǎn)的新方法，以及與災(zāi)難性事故相關(guān)的危險(xiǎn)等級(jí)持續(xù)增加，帶來了關(guān)于應(yīng)力和疲勞的新工程設(shè)計(jì)方法和理論。在組件的設(shè)計(jì)期間通常使用兩種方法來確定其有用或可操作的疲勞壽命：安全壽命和損傷容限。

　　安全壽命將組件設(shè)計(jì)為在一定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生故障，或給定操作條件下，在組件的工作壽命內(nèi)幾乎可以永久持續(xù)使用。該方法需要用測(cè)試和分析估計(jì)組件的工作壽命，但是，該方法添加了良好的安全系數(shù)以確保不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性事故。這種方法會(huì)使組件比標(biāo)準(zhǔn)組件更大、更重和更低效。直升機(jī)葉片就是用這種方法設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)的一個(gè)范例。

　　基于使用裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)方法，損傷容限設(shè)計(jì)特定壽命的組件。這種方法假定有一個(gè)裂紋，或在組件中已經(jīng)存在裂紋。該方法設(shè)定由于特定裂紋尺寸而導(dǎo)致組件失效的斷裂載荷，特定裂紋尺寸也被稱為臨界裂紋尺寸。然后假設(shè)現(xiàn)有裂紋的尺寸，使用多年來開發(fā)的各類設(shè)計(jì)工具預(yù)測(cè)裂紋生長到該臨界裂紋尺寸的時(shí)間段。這種方法需要知道組件所用材料的da/dN曲線。

　　裂紋可以從兩個(gè)位置衍生。它們可以從缺陷處或裂縫內(nèi)部開始，或者也可以從表面缺陷處或裂縫衍生并傳播到組件中。隨著對(duì)金屬材料疲勞過程機(jī)理的理解，人們希望找到一些方法，可以控制和減輕疲勞裂紋衍生和蔓延的影響。通過了解合金成分、處理效果、隨后的微觀結(jié)構(gòu)和材料清潔度的影響來獲得一些控制力，從而增加組件的疲勞壽命?，F(xiàn)已經(jīng)開發(fā)了各種表面改性工藝以解決由表面引發(fā)的疲勞，從產(chǎn)生超光滑表面的超精加工到引進(jìn)深表面殘余壓應(yīng)力(例如來自激光噴丸)。

表面強(qiáng)化

　　引入表面改性工藝以增強(qiáng)金屬零部件的疲勞能力具有悠久的歷史，可追溯到公元1100年至1400之間，它用于制造大馬士革和托萊多葉片。手動(dòng)/錘擊噴丸強(qiáng)化工藝通過增加殘余壓應(yīng)力來增加葉片的強(qiáng)度和耐久性，隨著時(shí)間的推移，出現(xiàn)了有意引起有益的殘余壓應(yīng)力的各種其它工藝。這些工藝包括從圧碾、拋光、拋噴丸強(qiáng)化到激光噴丸處理。

　　噴丸處理最開始是作為清潔金屬組件的工藝(噴砂清理)，隨后也被認(rèn)為是一個(gè)有益于改善疲勞的工藝。20世紀(jì)30年代，John Almen(阿爾門試片以他命名)發(fā)現(xiàn)，在每一次的新噴丸處理后，氣門彈簧的疲勞壽命會(huì)大大增加。Almen和Henry Fuchs開發(fā)了一種對(duì)噴丸清理工藝的粗糙適應(yīng)性，最終演變?yōu)楫?dāng)前版本的噴丸處理。今天，已經(jīng)增添了各種技術(shù)來控制各種工藝的應(yīng)用，滿足了工業(yè)應(yīng)用的需求，并且為組件增加了額外的疲勞能力。

　　激光噴丸被用于一系列組件，包括飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中葉片、汽車曲軸、機(jī)床。激光噴丸減輕了疲勞失效的影響，該疲勞失效可能是異物損壞、應(yīng)力腐蝕裂痕和因疲勞壽命延長所造成的侵蝕所導(dǎo)致的。所引起的殘余壓縮應(yīng)力的深度明顯比常規(guī)噴丸工藝所產(chǎn)生的深度更深。疲勞壽命的提高與殘余壓應(yīng)力的深度成正比，因此激光噴丸可以提供顯著優(yōu)于常規(guī)噴丸工藝的服務(wù)，特別是在防止裂紋衍生和蔓延方面。

　　在過去20年中，其它的表面增強(qiáng)技術(shù)也已經(jīng)開發(fā)出來。基于其各自的方法和減輕疲勞的益處，每種技術(shù)都已被應(yīng)用：超聲波噴丸、空化噴丸和激光噴丸處理工藝。超聲波噴丸使用機(jī)電方法通過振動(dòng)附接到超聲換能器的沖頭而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力?？栈瘒娡枋褂酶邏核畤娚錄_擊組件表面，以將應(yīng)力引入組件表面。激光噴丸已經(jīng)成為被廣泛接受和使用的工業(yè)表面增強(qiáng)工藝，此工藝使用工業(yè)激光噴丸系統(tǒng)。

未來

　　對(duì)疲勞失效了解的不斷發(fā)展、設(shè)計(jì)方法的演變和發(fā)展以及減輕疲勞效應(yīng)方法的發(fā)現(xiàn)，讓我們期待著一個(gè)可將這些發(fā)展結(jié)合起來而生產(chǎn)高效可靠的結(jié)構(gòu)。雖然傳統(tǒng)噴丸處理和其它表面增強(qiáng)方法提高了疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度，但是它們通常不被納入任何設(shè)計(jì)方法的壽命預(yù)測(cè)模型中。

　　建?？隙ㄓ兄诖_定組件壽命，并且這些表面增強(qiáng)工藝被用于各種應(yīng)用中，以延長組件的疲勞壽命。不幸的是，目前，為延長壽命的工藝所帶來的殘余壓應(yīng)力的好處并沒有用在預(yù)測(cè)組件壽命的計(jì)算中，不管是安全壽命方法還是損傷容限方法；它們主要用作故障的附加保險(xiǎn)，增加安全系數(shù)。

　　由于控制各種表面增強(qiáng)工藝的復(fù)雜程度增加，壽命預(yù)測(cè)模型的發(fā)展得以將這些工藝效果并入其中，這將有助于利用這些表面工藝的全部益處。然而，這只是對(duì)未來的構(gòu)想。目前，這些表面增強(qiáng)工藝將用于提供額外的安全性和余裕，讓我們每個(gè)人免于疲勞失效的傷害。