乏力故障机制是否涉及破解由于循环(或波动)应力引起的材料和结构部件。虽然施加的应力可能是拉伸、压缩或扭转的，但裂纹的萌生和扩展是由于拉伸成分造成的。关于疲劳发展的一个有趣的因素是，疲劳裂纹可以在远低于建筑材料屈服强度的应力下产生和扩展(这些应力通常被认为与弹性变形有关，而不是塑性变形。

疲劳破坏的3个阶段

阶段1:裂纹萌生疲劳裂纹几乎总是在自由表面和应力冒口附近(例如焊缝的趾部)开始。疲劳裂纹的初始发展发生在金属晶体结构的局部不连续处。不连续的产生和移动实际上是通过塑性变形来强化金属的。这种现象称为加工硬化。当金属变得加工硬化时，它在循环应力明显的局部区域失去塑性变形的能力。一旦金属达到塑性变形极限，不连续就会变成小裂纹。

阶段2:裂纹扩展-一旦裂缝开始，持续的周期性应力重复这一过程，微裂缝慢慢扩大，对结构完整性构成威胁。

第三阶段:失败-最终失效事件(即灾难性断裂)可以是韧性或脆性，这取决于材料、厚度、温度和施加的应力。疲劳失效通常是突然发生的。断裂部件的疲劳诱导断口表面通常是光滑的，没有塑性变形的迹象。

在操作

一些工程师致力于研究疲劳力学，以便更好地预测部件的预期寿命。这些工程师关心的是回答以下问题:

1. 哪里可能出现裂缝?
2. 如果出现裂纹，组件的剩余寿命是多少?
3. 有疲劳裂纹的构件强度是多少?¹

可以采用几种工艺来延长金属部件的疲劳寿命。这些工艺的重点是增强组件的表面性能。这包括使用渗碳或氮化工艺或表面喷丸强化以诱导残余压应力。平滑和/或抛光也用于减少压力上升。

影响疲劳强度的因素有几个，包括:

• 应力范围
• 组件的几何形状
• 材料特性
• 环境因素(例如高温和腐蚀性条件)

疲劳性能也可以通过增加构件的厚度来改善。然而，厚度的增加会导致最终的破坏是脆性而不是延展性。

S-N曲线

疲劳强度和疲劳寿命是描述疲劳行为的两个参数。可以在组件上执行显示应力(S)与失效循环次数(N)之间关系的测试。数据用S-N曲线表示。S-N曲线对材料表现出两种不同的行为:

1. 显示疲劳极限的曲线如图所示图1,
2. 不显示疲劳极限的曲线如图所示图2．

铁和钛合金通常表现为前一种情况，而有色合金通常表现为后一种情况。疲劳极限在图上观察为一条水平线，如图所示图1中,表示应力的最大值，该值不会导致失效，且与循环次数无关。

后一条曲线(图2)表示在一定的应力水平下，金属在失效前所能承受的循环次数。一般来说，金属可以在低循环次数(即低周疲劳)下承受高负荷，或者在失效前可以在大量循环次数(即高周疲劳)下承受低负荷。

疲劳的形式

疲劳失效有多种形式;然而，它们通常可以分为两类:机械疲劳或热疲劳。

机械疲劳

疲劳损伤是长期暴露在循环应力下的结果。值得注意的是，为交变机械应力设计的许多类别的部件(例如旋转设备和减压阀)通常不会出现疲劳失效，除非受到其他机制的损坏(例如异物撞击损坏或腐蚀)。下列类型的疲劳一般可归为机械性疲劳。

振动疲劳

振动疲劳是一种由于设备或管道在运行过程中振动而引起的机械疲劳。例如，振动疲劳可能发生作为操作设备超出指定的结果完整性操作Windows．振动引起的疲劳损伤通常是由设计不良，缺乏支撑(或阻尼器)，或过多的支撑或刚度引起的。振动的振幅和频率是振动疲劳损伤导致裂纹萌生和扩展的关键因素。

腐蚀疲劳

腐蚀疲劳由化学攻击和机械疲劳同时发生。腐蚀性环境会使金属变质。随着腐蚀的发展，损伤区域成为应力集中的点，并导致裂纹的萌生。薄膜和涂层用于保护设备免受腐蚀;然而，机械疲劳会经常损坏这些薄膜，并使设备暴露在周围的条件下。

热疲劳

热疲劳是一种简单的由循环温度变化引起的故障。这种机制最常在燃烧加热器的管式组件中遇到。机械疲劳可能存在，也可能不存在。在大多数服务中，热疲劳是由启动和关闭引起的。突然的温度变化被称为热冲击，并导致立即失效。

启动和关闭增加了热疲劳的易感性。快速加热和冷却速率也会增加易感性。一个经验法则表明，如果温度波动超过200°F的工作温度和关闭之间可能会发生热疲劳。

热疲劳缓解措施

传统的做法是通过适当的设计和操作来减少热疲劳的风险，以减少热应力和热循环。这些措施包括:

• 最大限度地减少应力集中部位的设计，焊接型材的混合磨削，并要求厚度的过渡是渐进和平滑的。
• 在启动和关闭期间使用受控的加热和冷却速率。
• 尽量减少创业和倒闭的频率，尤其是“出差”。
• 尽量减少不同金属接头的热膨胀差。
• 在可能的情况下，结合灵活性，以适应差异扩展。

参考文献

1. 威廉·D·小卡利斯特和大卫·G·瑞斯威施。材料科学与工程．9版，John Wiley & Sons, 2014。

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