金屬的疲勞破壞作為結(jié)構(gòu)失效的主要形式，指材料、零件和構(gòu)件在交變載荷的作用下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、并使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直到完全斷裂的現(xiàn)象。
早在 19 世紀(jì)中葉，隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明和鐵路建設(shè)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)機(jī)車車輪結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)小于其靜強(qiáng)度極限載荷時(shí)發(fā)生交變應(yīng)力破壞現(xiàn)象，由此提出并發(fā)展了不同于結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度破壞的結(jié)構(gòu)疲勞破壞問題。
上世紀(jì) 60 年代，S.H.Crandall 首先提出了振動(dòng)疲勞的定義，它指出：“振動(dòng)疲勞是指振動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生的具有不可逆且累積性的結(jié)構(gòu)損傷或破壞?！?/span>
我們很容易發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)疲勞破壞問題中包含了一類重要的現(xiàn)象，那就是當(dāng)交變載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某一階（甚至某幾階段）固有頻率一致或比較接近時(shí)， 結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生共振，這時(shí)一定的激勵(lì)將會(huì)產(chǎn)生更大的響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)更加易于產(chǎn)生破壞。這類振動(dòng)疲勞問題，說明結(jié)構(gòu)的疲勞失效與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)密切相關(guān)。
在工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)受到外部激勵(lì)總會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)響應(yīng)，因此，絕大部分結(jié)構(gòu)的疲勞失效都與振動(dòng)有關(guān)，實(shí)際上可以歸結(jié)為振動(dòng)疲勞問題。振動(dòng)疲勞是結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)交變載荷(如振動(dòng)、沖擊、噪聲載荷等)的頻率分布與結(jié)構(gòu)固有頻率分布具有交集或相接近，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振所導(dǎo)致的疲勞破壞現(xiàn)象，也可以直接說成是結(jié)構(gòu)受到重復(fù)載荷作用激起結(jié)構(gòu)共振所導(dǎo)致的疲勞破壞。
表 1 靜態(tài)疲勞與振動(dòng)疲勞的差異
通常，我們比較習(xí)慣按照結(jié)構(gòu)固有頻率f0 和交變載荷f的變化頻率進(jìn)行分類，它可以把振動(dòng)疲勞分為三類：
1）低頻振動(dòng)疲勞，指結(jié)構(gòu)所受的交變載荷的變化頻率遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)的固有頻率，一般而言 f<0.8f0，這種載荷作用下引起的振動(dòng)疲勞通常稱為低頻振動(dòng)疲勞。
2）共振振動(dòng)疲勞，指結(jié)構(gòu)所受的交變載荷的變化頻率接近于結(jié)構(gòu)的固有頻率，一般而言 0.8f0< f<1.2 f0，這種載荷作用下的振動(dòng)疲勞通常稱為共振振動(dòng)疲勞。
3）高頻振動(dòng)疲勞，指結(jié)構(gòu)所受的交變載荷的變化頻率遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)的固有頻率，一般而言f>1.2f0，這種載荷作用下的振動(dòng)疲勞通常稱為高頻振動(dòng)疲勞。
不同類型的振動(dòng)疲勞具有不同的振動(dòng)疲勞特性，分類有利于研究工作的簡化。研究過程中，我們可以對高頻振動(dòng)疲勞、共振振動(dòng)疲勞和低頻振動(dòng)疲勞分別進(jìn)行研究，分析其振動(dòng)疲勞特性，提出不同的預(yù)測結(jié)構(gòu)壽命的方法及控制振動(dòng)疲勞的措施。低頻載荷下，一般可以按照分析載荷的應(yīng)力應(yīng)變與振動(dòng)頻率的影響，共振頻率載荷下，一般主要研究結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)的振幅對結(jié)構(gòu)的破壞，而高頻主要研究每次振動(dòng)損傷產(chǎn)生的累積效果。
有的時(shí)候，我們也可以根據(jù)交變載荷的變化規(guī)律進(jìn)行分類，它包括：
1）確定性載荷振動(dòng)疲勞，指能夠預(yù)期知道交變載荷的變化規(guī)律，這種載荷所引起的振動(dòng)疲勞稱為確定性振動(dòng)疲勞。
2）隨機(jī)載荷振動(dòng)疲勞，指作用于結(jié)構(gòu)的交變載荷是隨機(jī)變化的，這種載荷作用引起的疲勞稱為隨機(jī)載荷振動(dòng)疲勞。
結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造、連接型式、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、最大應(yīng)力值和應(yīng)力變化幅度(應(yīng)力幅)是影響結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要因素。
金屬疲勞破壞的過程分為：萌生過程、擴(kuò)展過程、斷裂過程。
萌生過程：在足夠大的交變應(yīng)力下，金屬中位置最不利或較弱的晶體，沿最大切應(yīng)力作用面形成滑移帶，滑移帶開裂成微觀裂紋。在構(gòu)件外形突變(如圓角、切口、溝槽等)或表面刻痕或材料內(nèi)部缺陷等部位，都可能因較大的應(yīng)力集中引起微觀裂紋。分散的微觀裂紋經(jīng)過集結(jié)溝通，形成宏觀裂紋；
擴(kuò)展過程：已形成的宏觀裂紋在交變應(yīng)力下逐漸擴(kuò)展。擴(kuò)展過程相對緩慢且并不連續(xù)，因應(yīng)力高低時(shí)而持續(xù)時(shí)而停滯；
斷裂過程：隨著裂紋的擴(kuò)展，構(gòu)件截面逐步消弱，消弱到一定極限時(shí)，構(gòu)件便突然斷裂；
根據(jù)金屬疲勞的斷口形態(tài)可以判別：裂紋源→萌生過程、光滑區(qū)→擴(kuò)展過程、粗糙區(qū)→斷裂過程。
擾動(dòng)應(yīng)力是指隨著時(shí)間發(fā)生變化的應(yīng)力，也稱為擾動(dòng)載荷，載荷可以是力、應(yīng)變、位移等等。
疲勞載荷的分類如圖1所示。一個(gè)載荷譜在一個(gè)確定的時(shí)間間隔內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的、相等幅頻的重復(fù)稱為周期，此類具有周期性交變特征的載荷稱作循環(huán)載荷。
疲勞破壞具有下列幾個(gè)方面的特點(diǎn):
突然性：斷裂時(shí)并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞；
低應(yīng)力：疲勞破壞在循環(huán)應(yīng)力的最大值，遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度的情況下就可以發(fā)生；
重復(fù)載荷：疲勞破壞是多次重復(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它是較長期的交變應(yīng)力作用的結(jié)果，疲勞破壞往往要經(jīng)歷一定時(shí)間，與靜載下的一次破壞不同；
缺陷敏感：疲勞對缺陷（例如缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感，由于疲勞破壞是從局部開始的，所以它對缺陷具有高度的選擇性；
疲勞斷口：疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部份。
疲勞破壞是一個(gè)發(fā)展的過程。單就零部件疲勞破壞形式之一的斷裂來講，由疲勞裂紋產(chǎn)生到疲勞裂紋擴(kuò)展，直至最后發(fā)生斷裂，這是一個(gè)疲勞損傷逐步累積的過程。由此可引出疲勞壽命的概念，疲勞壽命指的是疲累損傷累積過程中零部件所經(jīng)歷的時(shí)間，或者說載荷循環(huán)次數(shù)。
疲勞破壞往往產(chǎn)生于局部，局部性是疲勞失效的重要特征。因此，注意研究零部件的細(xì)節(jié)，尤其是應(yīng)力應(yīng)變集中處，盡力減小應(yīng)力集中的發(fā)生，對提高零部件工作質(zhì)量，延長構(gòu)件壽命具有積極意義。
循環(huán)應(yīng)力只要不超過某個(gè)“最大限度”，構(gòu)件就可以經(jīng)歷無數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，這個(gè)限度值稱為“疲勞極限”。應(yīng)力越小次數(shù)越大壽命越長，應(yīng)力越大次數(shù)越小壽命越短。
影響構(gòu)件疲勞極限的主要因素包括：
構(gòu)件外形的影響（應(yīng)力集中會(huì)顯著降低構(gòu)件的疲勞極限）
構(gòu)件的尺寸的影響（隨著試件橫截面尺寸增大，疲勞極限會(huì)相應(yīng)的降低）構(gòu)件表面光潔度質(zhì)量的影響（表面質(zhì)量越高，疲勞極限越高）
應(yīng)力集中對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響顯著，而構(gòu)造細(xì)節(jié)是應(yīng)力集中產(chǎn)生的根源。
構(gòu)造細(xì)節(jié)常見的不利因素：
①鋼材的內(nèi)部缺陷，如偏析、夾渣、分層、裂紋等;
②制作過程中剪切、沖孔、切割;
③焊接結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力;
④焊接缺陷的存在，如：氣孔、夾渣、咬肉、未焊透等;
⑤非焊接結(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽等;
⑥構(gòu)件的截面突變;
⑦結(jié)構(gòu)由于安裝、溫度應(yīng)力、不均勻沉降等產(chǎn)生的附加應(yīng)力集中。
疲勞破壞的預(yù)防方法包括：
1）設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)避免焊接應(yīng)力集中。
2）設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算各部位材料是否能長時(shí)間承受工作環(huán)境中的載荷。
3）充分考慮材料在使用環(huán)境中溫度、濕度等因素對材料的影響。
4）采取措施消除使用環(huán)境中共振對材料的影響。
5）經(jīng)常檢查設(shè)備各部位螺栓是否有松動(dòng)現(xiàn)象。
6）及時(shí)更換正常磨損的零配件。
7）使用優(yōu)質(zhì)原材料減少細(xì)小裂紋的發(fā)生，提高抗疲勞破壞系數(shù)。
8）優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，改變加工工藝，減少內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。例如焊接工藝等。
9）采取消除內(nèi)應(yīng)力措施。例如加熱，保溫等方法。
10）減緩應(yīng)力集中：設(shè)計(jì)外形時(shí)，避免出現(xiàn)方形或帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然改變處（如階梯軸的軸肩）要采用半徑足夠大的過渡圓角，若因結(jié)構(gòu)上難加大過渡圓角半徑，可在直徑較大的部分軸上開減荷槽或退刀槽，都可使應(yīng)力集中有明顯減弱。
11）降低表面粗糙度：構(gòu)件表面加工質(zhì)量對疲勞強(qiáng)度影響很大，疲勞強(qiáng)度要求較高的構(gòu)件，應(yīng)有較低的表面粗糙度。高強(qiáng)度鋼對表面粗糙度更為敏感，只有經(jīng)過精加工，才有利于發(fā)揮其高強(qiáng)度性能。否則將會(huì)使持久極限大幅度下降，失去采用高強(qiáng)度鋼的意義。在使用中也應(yīng)盡量避免使構(gòu)件表面受到機(jī)械損傷（如劃傷、打印等）或化學(xué)損傷（如腐蝕、生銹等）。
12）增加表層強(qiáng)度：為了強(qiáng)化構(gòu)件的表層，可采用熱處理和化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳、氮化等，皆可使構(gòu)件疲勞強(qiáng)度有顯著提高。也可以用機(jī)械的方法強(qiáng)化表層，如滾壓、噴丸等，以提高疲勞強(qiáng)度。
13）對于板材型材的焊接處理，焊接之后采取一些工藝措施來提高疲勞性能，目的是緩和應(yīng)力集中程度、消除切口，或是在表層形成壓縮殘余應(yīng)力?？赡ㄈズ缚p的表面部分。角焊縫連接的疲勞性能比較差，對角焊縫可以打磨焊趾，焊縫的趾部經(jīng)常存在咬邊形成的切口，并且還有焊渣侵入，磨去切口和焊渣。對于角焊縫的趾部用氣體保護(hù)也很重要。
疲勞破壞往往產(chǎn)生在局部，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，注意研究零部件的細(xì)節(jié)，尤其是應(yīng)力應(yīng)變集中處，所以，盡量減少應(yīng)力集中，是減少疲勞破壞的根本因素。
任何材料都會(huì)發(fā)生疲勞破壞，因此在設(shè)計(jì)零部件及工程結(jié)構(gòu)等時(shí)必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時(shí)限，以免造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡事故。
兆豐公司生產(chǎn)的振動(dòng)類設(shè)備，在用戶安裝使用及維護(hù)時(shí)，個(gè)別用戶操作維護(hù)不當(dāng)會(huì)造成設(shè)備局部疲勞破壞。
例如：
振動(dòng)篩電機(jī)板的固定螺栓如果松動(dòng)，對螺栓及電機(jī)板造成高頻微幅沖擊力，易產(chǎn)生疲勞破壞；
各類設(shè)備的篩格，如果未有效壓緊，會(huì)在篩體內(nèi)產(chǎn)生不規(guī)則的游動(dòng)，頻繁的交變載荷，易造成疲勞破壞，損壞零部件；
篩體安裝不水平或者四處吊掛受力不均勻，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，吊掛機(jī)構(gòu)抖動(dòng)，會(huì)對相關(guān)零部件產(chǎn)生破壞；
設(shè)備安裝基礎(chǔ)與設(shè)備產(chǎn)生共振而引起的振動(dòng)疲勞，會(huì)影響正常的規(guī)則運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生疲勞破壞而導(dǎo)致的零部件損傷等等。
在設(shè)計(jì)、制作工藝、原材料、安裝、維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，均會(huì)因疲勞破壞對設(shè)備的正常使用產(chǎn)生破壞。因此，需要從各環(huán)節(jié)入手，分析疲勞破壞的來源，采取相應(yīng)的對策，減少設(shè)備因疲勞破壞導(dǎo)致的故障和事故。
