疲勞極限

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不同材料施加的應力與週期數的曲線,藍色線為鋼材,右側部份為水平,紅色線為鋁,未看到如藍色線一般的水平線

疲勞極限Fatigue limit)、持久極限endurance limit)及疲勞強度Fatigue strength),都是和材料的周期应力英语cyclic stress疲勞有關的材料性質[1]

一材料試片在不同大小的週期應力下,使材料破壞需要的週期數也隨之不同。應力大小和週期數的關係可以用S-N圖表示。一般而言,週期應力越小,需材料破壞需要的週期數越多。但鐵合金和鈦合金有一特性,當周期应力大小低於一特定數值,材料可以承受無限次的周期应力,不會造成疲勞[2],此數值對應S-N圖右側的水平線。

其他的結構金屬(如鋁和銅)沒有類似的限制值,即使是很小的周期应力,只要周期持續增加,最後材料就會疲勞破壞。這類的材料一般會用一特定數字(通常為107)為其疲勞壽命週期數Nf

定義[编辑]

美國材料和試驗協會(ASTM)定義了以下的材料性質:

  • 疲勞強度SNf :在經過Nf周期的周期应力後,會產生疲勞破壞的周期应力。
  • 疲勞極限Sf:當Nf變得很大時,對應周期应力的極限值。

持久極限可定義為在經過許多周期的周期应力後,材料不會產生疲勞破壞的周期应力[1]。ASTM未定義持久極限,但認為持久極限的數值會類似疲勞極限[3]

有些研究者使用持久極限Se來表示即使經過無限次的周期应力後,仍不會使材料產生疲勞破壞的周期应力。而疲勞強度或是疲勞極限Sf則是在經過特定次數(例如5億次)的負載週期後,材料產生疲勞破壞的周期应力[1][4][5],鋼鐵材料的性質用持久極限來表示,而其他材料(例如鋁)的性質則用疲勞強度或疲勞極限來表示。

不過也有一些研究者將持久極限和疲勞極限視為是相同的性質,也不會針對上述二種材料配合不同的材料性質來描述[6][7][8]

典型數值[编辑]

鋼鐵的持久極限一般會是其极限抗拉强度的一半,最大可到100 ksi(690 MPa)。鐵、鋁、銅合金的持久極限及同一般會是其极限抗拉强度的0.4倍,鐵最大的持久極限為24 ksi(165 MPa)、鋁及銅則分別為19 ksi (131 MPa)及14 ksi(96.5 MPa)[2]。上述的數值是針對沒有洞的試片,若是有洞的試片,其持久極限會再明顯降低。

歷史[编辑]

持久極限的概念是在1870年由德國工程師奧古斯都·沃勒英语August Wöhler提出[9]。然而,最近有研究表明,持久極限實際上並不存在,任何很小的周期应力,只要周期持續增加,最後材料就會疲勞破壞。[10][11]

相關條目[编辑]

參考[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Beer, Ferdinand P.; E. Russell Johnston, Jr. Mechanics of Materials 2nd. McGraw-Hill, Inc. 1992. 51. ISBN 0-07-837340-9. 
  2. ^ 2.0 2.1 Metal Fatigue and Endurance. [2008-04-18]. 
  3. ^ Stephens, Ralph I. Metal Fatigue in Engineering 2nd. John Wiley & Sons, Inc. 2001. 69. ISBN 0-471-51059-9. 
  4. ^ Budynas, Richard G. Advanced Strength and Applied Stress Analysis 2nd. McGraw-Hill, Inc. 1999: 532–533. ISBN 0-07-008985-X. 
  5. ^ Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phule. The Science and Engineering of Materials 4th. Brooks/Cole. 2003. 287. ISBN 0-534-95373-5. 
  6. ^ Hibbeler, R. C. Mechanics of Materials 5th. Pearson Education, Inc. 2003. 110. ISBN 0-13-008181-7. 
  7. ^ Dowling, Norman E. Mechanical Behavior of Materials 2nd. Printice-Hall, Inc. 1998. 365. ISBN 0-13-905720-X. 
  8. ^ Barber, J. R. Intermediate Mechanics of Materials. McGraw-Hill. 2001. 65. ISBN 0-07-232519-4. 
  9. ^ W. Schutz (1996). A history of fatigue. Engineering Fracture Mechanics 54: 263-300. DOI
  10. ^ Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phule (2003). The Science and Engineering of Materials (4th ed.). Brooks/Cole. p. 287. ISBN 0-534-95373-5.
  11. ^ Bathias, C. (1999). "There is no infinite fatigue life in metallic materials". Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 22 (7): 559–565. doi:10.1046/j.1460-2695.1999.00183.