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(duì)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(shí)，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

中圖分類號(hào):TG115.5+7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-8136(2010)03-0012-02

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(huì)(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(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)效性。靜力破壞是一次性承受最大載荷的破壞，歷時(shí)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(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期。②應(yīng)力大小。當(dāng)靜載拉伸(壓縮)時(shí)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí)，靜力破壞不會(huì)發(fā)生;而當(dāng)

交變應(yīng)力小于強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)，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(gè)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(duì)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)存活率為50%的疲勞壽命。本文根據(jù)對(duì)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。

表1試樣的力學(xué)性能[3]

模量 / MPa泊松比μ名義抗拉強(qiáng)度 / MPa

2060000.3603.50

圖1試樣尺寸圖(mm)

圖2模擬圖

2模擬結(jié)果與討論

當(dāng)交變載荷的平均應(yīng)力不為零時(shí)，在計(jì)算的過程中要用到Goodman修正或者Gerber修正，此處采用Goodman修正的方法，當(dāng)平均應(yīng)力為零時(shí)，則不采用任何方法修正。圖3為應(yīng)力幅140 MPa，拉應(yīng)力120 MPa，壓應(yīng)力160 MPa，平均應(yīng)力-20 MPa，存活率為50 %的疲勞壽命分布云圖。其他情況的疲勞壽命見表2、表3。

表2應(yīng)力幅為140 MPa的疲勞壽命

平均應(yīng)力 / MPa拉應(yīng)力 / MPa壓應(yīng)力 / MPa疲勞壽命 / 萬次

-4010018021.7

-2012016017

014014011.5

201601207.61

401801005.69

表3平均應(yīng)力為零的疲勞壽命

應(yīng)力幅 / MPa100110120130140150160

疲勞壽命 / 萬次7849.624.116.511.55.944.37

由表2可得平均應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系圖，見圖4。從圖中我們可以看出，交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值一定時(shí)，疲勞壽命隨著平均應(yīng)力的增大而減小。也可以看出，金屬材料受到交變載荷作用時(shí)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對(duì)疲勞的影響是不同的，若交變載荷

的拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，則會(huì)對(duì)材料的壽命產(chǎn)生不利的影響，從而拉應(yīng)力更容易產(chǎn)生疲勞。一般情況下，材料在受到拉應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生裂紋，受到壓應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻礙裂紋擴(kuò)展的效應(yīng)甚至裂紋閉合效應(yīng)，所以，在正常使用時(shí)，盡量使材料減少受到這種載荷的影響。

圖3疲勞壽命分布云圖

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(shí)，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)。

圖4平均應(yīng)力與疲勞次數(shù)的關(guān)系 圖5應(yīng)力幅與疲勞壽命的關(guān)系

3結(jié)論

通過對(duì)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(shí)，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。

參考文獻(xiàn)

1 周傳月、鄭紅霞、羅慧強(qiáng).MSC.Fatigue疲勞分析應(yīng)用與實(shí)例[M].北京:科學(xué)出版社，2005.1

2 程育仁、繆龍秀、侯炳麟.疲勞強(qiáng)度[M].北京:中國鐵道出版社，1990:21

3 辛素敏.316L不銹鋼表面納米化后疲勞機(jī)理分析[D]. 貴陽:貴州大學(xué)，2009

Numerical simulation on fatigue properties of metallic materials

Hong Jingjing，Zhong Shuhui

Abstract:Metal has been widely used in the production and our life， so people pay more attention to metallic fatigue. More numerical simulations and analysis about fatigue of the metal material at different axial load by finite element method(Fatigue)is worked， which shows that if the amplitude of alternative stress is constant， the fatigue life will be reduced with the increase of average stress， and the tensile stress is probably to make fatigue damage; while average stress of alternative load is certain， fatigue life decreases with the increase of stress amplitude.

Key words:Metallic materials; fatigue properties; numerical simulation