高周疲勞

高周疲勞（high-cycle fatigue）是指材料在低於其屈服強度的循環應力作用下，經10000-100000 以上循環次數而產生的疲勞。高周疲勞的特點是作用於零件或構件的應力水平較低。如彈簧、傳動軸等零件或構件的疲勞即屬此類。

基本介紹

• 中文名：高周疲勞
• 外文名：high-cycle fatigue
• 同類：低周疲勞
• 套用學科：力學術語
• 範疇：數理科學
• 涉及：循環應力

概念

高周疲勞是指小型試樣在變動載荷（應力）試驗時，疲勞斷裂壽命 周次的疲勞過程。由於這種疲勞中所施加的交變應力水平都處於彈性變形範圍內，所以從理論上講，試驗中既可以控制應力，也可以控制應變，但在試驗方法上控制應力要比控制應變容易得多。因此，高周疲勞試驗都是在控制應力條件下進行的，並以材料最大應力 或應力振幅 和循環斷裂壽命 的關係（即 — 曲線）和疲勞極限 作為疲勞抗力的特性和指標。它們在動力設備或類似機械構件的選材、工藝和安全設計中都是最重要的材料力學性能數據。

基本原理

在金屬材料中，典型的 — 曲線有二類，其中一類曲線從某循環周次開始出現明顯水平部分（見圖1)，中、低強度鋼通常具有這種特性。

圖1

它表明當所加交變應力降低到水平值時，試樣可承受無限次應力循環而不斷裂，因而將水平部分對應的應力稱為金屬的疲勞極限 。不過測試時實際上不可能做到無限次應力循環，而且試驗還表明，這類材料在交變應力作用下，如果應力循環 周次不斷裂，則承受無限次應力循環也不會斷裂，所以對這類材料常用 周次作為測定疲勞極限的基數。對高強度鋼、不鏽鋼、鈦合金和鋁合金，可能沒有水平部分，其特點是隨應力降低循環周次不斷增大，但不存在無限壽命（見圖2）。

圖2

在這種情況下，常根據實際需要給出一定循環周次（ 或 周次）下所對應的應力作為金屬材料的“條件疲勞極限”，記作 。

由於材料的—曲線和疲勞極限與循環載荷的應力狀態（如拉伸、彎曲、扭轉等）和應力比都有關係，所以通常原則上應按材料服役條件選擇適當的標準測試方法來得到相應的性能數據。在已有的高周疲勞特性數據中，以旋轉彎曲的數據最豐富。

圖3

這是因為這類試驗裝置結構(見圖3）及操作都很簡單和方便，且平均應力 ，循環完全對稱，即應力比。這和大多數軸類零件的服役條件也是很接近的。

在—曲線中除了可得到疲勞極限外，曲線傾斜部分還反映金屬材料的另一種疲勞性能——過載持久值。它表示當應力超過疲勞極限時金屬材料對過載的抗力大小。

圖4

從圖4可見，曲線斜率大的材料1，在相同過載應力下，其壽命較材料2的長（），因而具有較大的抗過載能力。

有時為了評定缺口對疲勞性能的影響，還要測定缺口試樣的—曲線。

圖5

圖5所示為同一種鋼材用缺口和光滑試樣測出的兩條—曲線。顯然缺口試樣的疲勞強度（）要比光滑試樣的低。

應當注意，高周疲勞試驗巨觀上是在彈性範圍內的循環載入試驗，對應力集中很敏感，所以，為了試驗數據的真實性和可比性，試樣應嚴格按標準規定加工，特別是在過渡圓角和表面光潔度方面更應倍加注意。

典型的—曲線是由有限壽命（中等壽命）和長壽命（疲勞極限或條件疲勞極限）兩部分組成。在—曲線的測試中，由於疲勞試驗數據分散性大，若每個應力水平下只測定一個數據，則測得—曲線的精度較差。為了得到較為可靠的試驗結果，一般疲勞極限（或條件疲勞極限）採用升降法測定，而有限壽命部分則採用成組試驗法測定。後者在實際套用中通常還要處理成有一定存活率（）的—曲線，即——曲線簇。它是有可靠性要求的部件進行有限壽命設計時的必備數據。