摘要:金屬廣泛地用于生產(chǎn)生活中，所以金屬的疲勞也漸漸被人們關(guān)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(jìn)行疲勞性能模擬并進(jìn)行了分析，分析表明，交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值一定時，疲勞壽命隨著平均應(yīng)力的增大而減小，且拉應(yīng)力更容易產(chǎn)生疲勞破壞;在交變載荷平均應(yīng)力一定的情況下，隨著應(yīng)力幅值的增加，疲勞壽命逐漸減小。 關(guān)鍵詞:金屬材料;疲勞性能;數(shù)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(yīng)用于各行各業(yè)，因而金屬的疲勞性能也越來越被人們關(guān)注。什么是金屬的疲勞?這里引用美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(ASTM)在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義”(ASTM E206-72)中所作的定義:在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。[1]現(xiàn)在的疲勞試驗(yàn)主要是實(shí)驗(yàn)?zāi)M，由于疲勞試驗(yàn)的成本比較高，有限元數(shù)值模擬方法則提供了一種計(jì)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(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞應(yīng)力，而把載荷和應(yīng)力隨時間變化的歷程分別稱為載荷譜和應(yīng)力譜。當(dāng)載荷譜或應(yīng)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(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):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(fù)載荷作用而產(chǎn)生的破壞，它的發(fā)生需要經(jīng)歷一個相當(dāng)長的時期。②應(yīng)力大小。當(dāng)靜載拉伸(壓縮)時靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時，靜力破壞不會發(fā)生;而當(dāng)交變應(yīng)力小于強(qiáng)度極限或屈服極限時，疲勞破壞就可能發(fā)生。③破壞形式。金屬結(jié)構(gòu)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(gòu)件的斷面通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征;而疲勞破壞構(gòu)件的斷面，總是呈現(xiàn)出兩個區(qū)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(jié)構(gòu)、構(gòu)件的形狀和尺寸、表面狀況、使用條件以及外界環(huán)境都有關(guān)系。因此，對于同一種材料，靜力性能數(shù)據(jù)比較集中，而疲勞數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)姆稚⑿裕枰脭?shù)理統(tǒng)計(jì)知識進(jìn)行分析。 1尺寸及模擬參數(shù) 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(xué)性能見表1。 在模擬過程中，考慮了以下兩個方面:①交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值一定，循環(huán)應(yīng)力的平均應(yīng)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(yīng)力一定，應(yīng)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(jù)對稱關(guān)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(jù)材料抗拉強(qiáng)度生成的。

由表3可得應(yīng)力幅值與疲勞壽命的關(guān)系圖，見圖5。由圖中可以看出，在交變載荷平均應(yīng)力一定的情況下，隨著應(yīng)力幅值的增加，疲勞壽命逐漸減小。減小的速度與應(yīng)力幅值的大小有一定的關(guān)系，當(dāng)應(yīng)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(tài)。 3結(jié)論 通過對金屬材料的數(shù)值模擬，我們可以得出以下結(jié)論:①交變應(yīng)力的應(yīng)力幅一定時，疲勞壽命隨著平均應(yīng)力的增大而減小，而且拉應(yīng)力更容易產(chǎn)生疲勞破壞;②在交變載荷平均應(yīng)力一定的情況下，隨著應(yīng)力幅值的增加，疲勞壽命逐漸減小。