了解材料的疲劳极限

可以对材料进行无限次数的加载循环而不引起疲劳失效的应力水平称为疲劳极限或耐久性极限。另一方面，铝和铜不会，并且即使在很小的应力幅值下也会最终失效。一些金属，如铁合金和钛合金，有明确的限制。

当材料没有明确的限制时使用短语“疲劳强度”或“耐久性强度”，它被定义为材料在耗尽之前可以承受预定数量的循环的最大完全反向弯曲应力.

循环应力、残余应力、材料特性、内部缺陷、晶粒尺寸、温度、设计几何形状、表面质量、氧化、腐蚀等都会对疲劳寿命产生影响。某些材料（尤其是钢和钛）存在理论应力幅值，低于该值的材料在任何循环次数内都不会失效。该值称为疲劳极限、耐力极限或疲劳强度。

本文将讨论以下问题：

• 什么是疲劳极限？
• 谁发现了疲劳极限？
• 疲劳极限的定义
• 疲劳极限的典型值是多少？

什么是疲劳极限？

材料可以无限次加载循环而不引起疲劳失效的应力水平称为疲劳极限或耐久性极限。

为了计算材料的疲劳寿命，工程师采用了多种技术。应力-寿命方法是最有用的方法之一，通常以 S-N 曲线（也称为 Wöhler 曲线）为特征。该图显示了这种技术。与组件寿命或失效周期数作图的是施加的应力 (S) (N)。

组件寿命起初增长缓慢，然后随着应力从高值下降而迅速增长。用于绘制曲线的数据将进行统计处理，因为疲劳（如脆性断裂）具有如此多变的性质。结果分散是由于对一些测试的疲劳敏感性和难以正确调节的材料参数造成的。

循环应力、残余应力、材料特性、内部缺陷、晶粒尺寸、温度、设计几何形状、表面质量、氧化、腐蚀等都会对疲劳寿命产生影响。某些材料（尤其是钢和钛）存在理论应力幅值，低于该值的材料在任何循环次数内都不会失效。该值称为疲劳极限、耐力极限或疲劳强度。

谁发现了疲劳极限？

August Wöhler 在 1870 年首次提出了耐力极限的概念。然而，最近的研究认为，金属材料没有耐力极限，并且在足够的应力循环下，即使是最低的应力最终也会导致疲劳失效。

疲劳极限的定义

S-N曲线定义如下：

疲劳极限

低于不会发生疲劳失效的应力水平称为疲劳极限（有时称为耐力极限）。只有一些钛和铁（铁基）合金可以达到这个极限，因为这些材料的 S-N 曲线在较高的 N 值下变为水平。其他结构金属，如铝和铜，缺乏明确的失效点，即使在很小的应力下也会逐渐失效。钢材的标准限制范围为 290 MPa 至 1/2 极限抗拉强度 (42 ksi)。

疲劳强度

根据 ASTM，疲劳强度或 SNf 是在预定循环次数（例如 107 次循环）后发生失效的应力水平。例如，经过退火的 Ti-6Al-4V 钛合金的疲劳强度约为 240 MPa 107 次循环，应力集中系数 =3.3。

疲劳寿命

材料的疲劳行为由其疲劳寿命定义。根据 S-N 图，它是在给定应力水平下发生故障所需的循环次数。

疲劳失效过程由三个不同的步骤组成：

当小裂缝在高张力集中的位置发展时，就会发生断裂。裂纹扩展，其中每个应力循环都会使裂纹向前移动一点点。裂纹扩展阶段通常消耗大部分疲劳寿命。一旦扩展的裂缝达到临界尺寸，最终的破坏就会非常迅速地发生。

在部件表面上的某个应力集中点，与疲劳失效相关的裂纹几乎总是开始（或“成核”）。任何增加应力集中和出现裂纹的因素都会缩短疲劳寿命。因此，通过抛光而不是研磨到更高程度的表面光洁度，可以提高疲劳寿命。金属部件的疲劳寿命也将通过强化和硬化表层来提高。

观看下面的视频，了解更多关于疲劳极限的信息：

疲劳极限的典型值是多少？

钢的极限 (Se) 通常在 290 MPa 到极限抗拉强度 (42 ksi) 的一半之间。 (Se) 通常是铁、铝和铜合金的极限抗拉强度的 0.4 倍。

铜的最大通常值为 97 MPa、铝 130 MPa (19 ksi) 和铁 170 MPa (24 ksi) (14 ksi)。请注意，这些值适用于光滑且“无缺口”的测试样本。对于带有缺口的试样，其耐久极限要低得多。

聚合物材料的疲劳极限已被证明代表了共价键的固有韧性，该共价键必须断裂才能扩展裂纹。当载荷保持在固有强度以下时，只要其他热化学过程不破坏聚合物链，聚合物就可以无限期地运行而不会形成断裂。

总结

为了计算材料的疲劳寿命，工程师采用了多种技术。应力-寿命方法是最有用的方法之一，通常以 S-N 曲线（也称为 Wöhler 曲线）为特征。该图显示了这种技术。与组件寿命或失效周期数作图的是施加的应力 (S) (N)。

可以对材料进行无限次数的加载循环而不引起疲劳失效的应力水平称为疲劳极限或耐久性极限。这就是本文的全部内容，其中正在回答以下问题：

• 什么是疲劳极限？
• 谁发现了疲劳极限？
• 疲劳极限的定义
• 疲劳极限的典型值是多少？

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