金属疲劳

在承受循环载荷的金属结构中，当载荷明显低于结构的极限强度时，可能会在没有警告的情况下发生疲劳失效。这种行为很难建模，因此在实验室评估疲劳特性并在现场监测疲劳裂纹非常重要。

1967 年，俄亥俄河上的银桥坍塌使金属疲劳的重要性引起了工程界的注意。由于腐蚀疲劳，这座桥以脆性方式坍塌，造成 46 人死亡。疲劳失效发生在检查员看不到的眼杆连接处，可能是由于制造缺陷造成的。

疲劳失效是由于材料在应力下承受多次载荷循环，而应力可能仅为其极限强度的 30% 到 40%，因此可能会发生疲劳失效。在这种类型的循环载荷下，裂纹的扩展和扩展会导致突然的疲劳失效，几乎没有警告信号。疲劳是一个复杂的过程，有许多因素会影响抗疲劳性。

高循环、低应力范围条件发生在具有移动部件或负载的设备或结构中，例如桥梁上的汽车或制造工厂中的旋转机械。低周、高应力范围疲劳发生在地震等情况下。

本视频将说明对材料进行实验室测试并监测承受反复低应力、高循环载荷的结构以避免灾难性疲劳失效的必要性。

疲劳裂纹通常以与法向应力成一定角度开始，但随后会垂直于主拉伸应力转动并扩大。裂纹在拉伸或剪切应力下扩展，但在压缩应力下不扩展。

重复加载后，裂纹达到临界长度，并突然以声速传播，导致立即失效。最初的裂纹扩展会在疲劳断裂表面产生特征性的滩痕。在突然失效的材料表面产生较粗糙的断裂表面。

疲劳失效由循环次数和失效应力范围定义。随着施加的应力范围的增加，失效的循环次数减少。大多数金属和铁合金都有一个耐久极限，低于该极限，无论循环次数如何，它们都不会失效。在实际循环载荷中，特定应力范围内的循环是随机的。因此，有多个应力范围和多个相应的数字表示失效的周期。

通过定义一组应力范围并将周期分组到这些范围内来使用 Miner 规则。预期的加载循环次数除以每个应力范围的失效循环次数，然后求和。如果总和大于 1，则可能会出现疲劳失效。虽然这个方程没有物理基础，但它对于工程设计目的很有用。使用旋转梁测试可以测试大量的应力范围和失效周期。

在该测试中，在旋转试样时使用悬臂弯曲配置。要施加的载荷是使用屈服强度来确定的，以计算一组应力范围。例如，典型的结构钢的屈服强度为 50 ksi，第一应力范围为正负 15% 的计算得出荷载为正负 7.5 ksi。施加此载荷，试样在每次旋转期间都会经历全拉伸和全压缩。

生成一条 S-N 曲线，将应力范围与失效循环次数的对数值相关联。在下一节中，我们将使用旋转强度更大的横梁机测试钢试样，以产生材料的 S-N 曲线。

获得五个 A572 级试样，在 Moore 旋转梁机上使用旋转悬臂设置进行测试。所用试样的尺寸和到加载点的距离取决于所使用的试验机。

这些尺寸可能因您自己的测试设置而异。我们的样本长 2.40 英寸，直径 0.15 英寸。每个试样的小颈段长 0.50 英寸，直径 0.04 英寸。

将第一个试样安装在机器中，使颈段靠近梁的中间。测量从试样中心到载荷点的距离。小心对齐试样，使梁自由旋转且不晃动，然后在悬臂端施加载荷。悬臂试样使用一组弹簧产生的点载荷在尖端加载，其值由称重传感器监控。载荷通过轴承施加，因此当梁旋转时，力始终向下。

机器速度设置为 1400 rpms，循环计数器设置为 0，然后开始测试。速度、试样尺寸和施加的应力会因试验机而异。等到试样失效，并记录失效的循环次数。从试验机上取出失败的试样并检查其断裂表面。

重复上述步骤，在每个要测试的应力范围内测试一个试样。需要在每个应力范围内测试更多的试样，以获得统计上有效的数据。

将应力范围和循环次数制成表格，并绘制结果。试件的实际屈服应力为 65.3 ksi，抗拉强度为 87.4 ksi。此处显示的应力范围对应于产量的 23% 到 92% 之间。

数据表明，对于高于 15 ksi 的应力范围和小于 100,000 次的循环，应力范围与循环次数的对数之间的线性关系减小。然后，最佳拟合线表示应力范围为 25 ksi 时，失效的循环次数约为 31,000。

低于 15 ksi 的应力范围时，不表示失效。这被认为是耐久性极限。通过测试 10 ksi 和 20 ksi 之间的更多试样，可以提高耐久极限的可靠性。

如果假设桥梁的循环载荷历史由多个循环和应力范围组成，并且我们知道材料的疲劳行为，则可以使用 Miner 规则来计算失效的循环次数。

正如预期的那样，从百分比上看，较高的应力范围对伤害累积的影响要大得多。该结构似乎接近其设计疲劳寿命容量，因为该值接近 1.0。

现在，您已经了解了循环载荷、测试和监测在疲劳失效中的作用，让我们来看看疲劳如何影响我们日常使用的结构的示例。

桥梁每天都会经历循环载荷。幸运的是，特拉华州威尔明顿的布兰迪万河大桥避免了一场灾难性的故障。1997 年，一名慢跑者在下面的小径上发现了一个明显的裂缝，是从 wield 缺陷传播而来的。已经进行了维修，这座桥继续承载 6 条车道的交通，同时对其使用进行监控。

工程师将机身浸入游泳池中，以模拟 1950 年代 3 架飞机在飞行中爆炸后的加压和减压。确定由于窗户拐角处的应力集中而重复加载后，发生了疲劳失效。因此，现代飞机的设计包括更圆的角落，以抵消这种力并减少应力集中。

您刚刚观看了 JoVE 的 Introduction to the Fatigue of Metals。现在，您应该了解了循环载荷的概念及其对金属疲劳失效的影响。

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