摘要:金屬廣泛地用于生產生活中，所以金屬的疲勞也漸漸被人們關注。采用有限元軟件(Fatigue)對金屬材料在不同軸向載荷條件下進行疲勞性能模擬并進行了分析，分析表明，交變應力的應力幅值一定時，疲勞壽命隨著平均應力的增大而減小，且拉應力更容易產生疲勞破壞;在交變載荷平均應力一定的情況下，隨著應力幅值的增加，疲勞壽命逐漸減小。 關鍵詞:金屬材料;疲勞性能;數值模擬 隨著人們生活水平的日益提高，金屬也越來越廣泛地應用于各行各業，因而金屬的疲勞性能也越來越被人們關注。什么是金屬的疲勞?這里引用美國試驗與材料協會(ASTM)在“疲勞試驗及數據統計分析之有關術語的標準定義”(ASTM E206-72)中所作的定義:在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部的、永久結構變化的發展過程，稱為疲勞。[1]現在的疲勞試驗主要是實驗模擬，由于疲勞試驗的成本比較高，有限元數值模擬方法則提供了一種計算材料疲勞的新方法。 金屬材料在使用過程中受到的交變載荷稱為疲勞載荷，把相應的應力稱為疲勞應力，而把載荷和應力隨時間變化的歷程分別稱為載荷譜和應力譜。當載荷譜或應力譜的幅值和頻率都不變時稱為常幅加載。[2] 本文中討論的情況均屬于這種情況。與靜力破壞相比，疲勞破壞的特點主要表現在以下幾點:①時效性。靜力破壞是一次性承受最大載荷的破壞，歷時較短;疲勞破壞是承受多次反復載荷作用而產生的破壞，它的發生需要經歷一個相當長的時期。②應力大小。當靜載拉伸(壓縮)時靜應力小于屈服極限或強度極限時，靜力破壞不會發生;而當交變應力小于強度極限或屈服極限時，疲勞破壞就可能發生。③破壞形式。金屬結構的靜力破壞取決于材料本身;但無論是脆性材料還是塑性材料，它們的疲勞破壞均屬于無顯著變形的脆性破壞。④斷面特征。靜力破壞構件的斷面通常只呈現粗粒狀或纖維狀特征;而疲勞破壞構件的斷面，總是呈現出兩個區域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒狀或纖維狀。⑤影響因素。靜力破壞的抗力主要取決于材料本身;而疲勞破壞與材料的微觀結構、構件的形狀和尺寸、表面狀況、使用條件以及外界環境都有關系。因此，對于同一種材料，靜力性能數據比較集中，而疲勞數據具有相當的分散性，需要利用數理統計知識進行分析。 1尺寸及模擬參數 模擬采用厚度為5 mm，寬度為10 mm板狀試樣，見圖1。其基本力學性能見表1。 在模擬過程中，考慮了以下兩個方面:①交變應力的應力幅值一定，循環應力的平均應力分別為-40 MPa、-20 MPa、0、20 MPa、40 MPa時存活率為50%的疲勞壽命;②平均應力一定，應力幅值分別為100 MPa、110 MPa、120 MPa、130 MPa、140 MPa、150 MPa、160 MPa時存活率為50%的疲勞壽命。本文根據對稱關系，取1/4模型建模，見圖2。材料的疲勞曲線(S-N曲線)是通過Fatigue軟件根據材料抗拉強度生成的。

由表3可得應力幅值與疲勞壽命的關系圖，見圖5。由圖中可以看出，在交變載荷平均應力一定的情況下，隨著應力幅值的增加，疲勞壽命逐漸減小。減小的速度與應力幅值的大小有一定的關系，當應力幅值大于120 MPa時，減小的速度增加，若疲勞壽命為一次，則為靜力破壞，說明靜力破壞為疲勞破壞的極限狀態。 3結論 通過對金屬材料的數值模擬，我們可以得出以下結論:①交變應力的應力幅一定時，疲勞壽命隨著平均應力的增大而減小，而且拉應力更容易產生疲勞破壞;②在交變載荷平均應力一定的情況下，隨著應力幅值的增加，疲勞壽命逐漸減小。