失效行为及材料疲劳现象的评估方法

迄今为止，对于材料的疲劳现象只给予了假设性的介绍。关于材料的疲劳，广泛接受的模型是，由于反复变形，材料出现脆化现象，由此生成微裂纹，并加以扩展。为此，可将疲劳区分为交变变形行为（从第一次应力载荷振动到工艺性开裂）与断裂行为（裂纹扩展直至断裂）。

用于确定材料与构件试样的疲劳强度行为的经典试验是沃勒试验，相应的沃勒线（按Basquin画图）可以通过直至整个使用期限内的一致性振动强度试验来得出，沃勒试验通常用于断裂试样和足够大的构件上的清晰裂缝。

图24-5所示为带有必要的识别参数（应力比例R=σ_u/σ_o或者平均应力σ_m、形数α_K）的试样沃勒线。

图24-5 试样沃勒线与其作为对数标准分布的静态评估 （考虑到在10⁸～10⁹LW之间的失效）

为了较好地判断构件的失效情形，试样应尽可能接近实际情形。如果存在特殊权重因子，如形数、应力载荷类型（在弯曲或扭转中的轴向应力载荷、扭转中的弯曲）以及在平均应力水平已知的情形下，试样接近实际情形也是可能的。

从曲线变化过程中可看出，在振动应力载荷下，应力载荷大小（σ_ai）与可承受的振动循环（N_i）之间存在着相关性。这里的振动循环次数是一个静态值，基于每个水平上的8～10个试样值测试得出。在这里，图形对耐久强度与疲劳应力冲击进行了限制。另外，还有一个借助失效概率表示的特征：至P_A=10%线，10%的试样，或到P_A=50%线，50%的试样发生失效。另外持久强度区域则可通过在两个点（1、2）之间持久强度分支的倾斜：

来加以描述。该沃勒指数假设，对平坦变化过程的沃勒线，值较大（如k≈10）；对陡峭变化过程的沃勒线，值较小（如k≈3）。因此，沃勒方程可表示为

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疲劳强度与极限载荷循环次数（钢在交变载荷下的N_G≈2×10⁶）则标识了直至疲劳强度区域的水平过渡。

对于一般的有色金属（Al、Mg），比例关系有所不同。试验显示了σ_a与N_i之间最广泛的非线性关系。在持久强度与疲劳强度之间也没有突然折断点，因此，可以确定一个在N_G≈10⁷下假设的极限。从这一点上看，对于这些有色金属材料而言，持久损伤区域总的来说要更长一些。

在验算构件的试样值时，还有另外一个问题，就是疲劳强度值经常由于不同的比例关系彼此互不相同。有鉴于此，也可以得出另外一种损伤行为（产生最初的裂纹，而不是发生断裂）。

采用传统的方程可得出图24-6所示的步骤过程（常规下降）。

图24-6 从试样沃勒线到构件沃勒线的下降（材料：钢）

其原理在于，根据参数不同（变化的应力集中）、工艺条件影响与加工方法的变化，从试样沃勒线到构件沃勒线会产生不同程度的下降。为此所要求的方程：

σ_A2=F·σ_A1 （24.6）

只包括了疲劳强度区域。前提条件是存在一条安全的试样沃勒线。如果不存在这样的沃勒线，则此概念提供了合成沃勒线^[3]，对此，在这里不加以讨论。