疲勞極限
疲勞極限（Fatigue limit）、持久極限（endurance limit）及疲勞強度（Fatigue strength），都是和材料的周期應力及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，當周期應力大小低於一特定數值，材料可以承受無限次的周期應力，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，即使是很小的周期應力，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
[編輯]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周期的周期應力後，會產生疲勞破壞的周期應力。
- 疲勞極限Sf：當Nf變得很大時，對應周期應力的極限值。
持久極限可定義為在經過許多周期的周期應力後，材料不會產生疲勞破壞的周期應力[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應力後，仍不會使材料產生疲勞破壞的周期應力。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應力[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
[編輯]鋼鐵的持久極限一般會是其極限抗拉強度的一半，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極限抗拉強度的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
[編輯]持久極限的概念是在1870年由德國工程師奧古斯都·沃勒提出[9]。然而，最近有研究表明，持久極限實際上並不存在，任何很小的周期應力，只要周期持續增加，最後材料就會疲勞破壞。[10][11]
相關條目
[編輯]參考
[編輯]- ^ 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.
- ^ 2.0 2.1 Metal Fatigue and Endurance. [2008-04-18]. （原始內容存檔於2012-04-15）.
- ^ Stephens, Ralph I. Metal Fatigue in Engineering 2nd. John Wiley & Sons, Inc. 2001: 69. ISBN 0-471-51059-9.
- ^ Budynas, Richard G. Advanced Strength and Applied Stress Analysis 2nd. McGraw-Hill, Inc. 1999: 532–533. ISBN 0-07-008985-X.
- ^ Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phule. The Science and Engineering of Materials 4th. Brooks/Cole. 2003: 287. ISBN 0-534-95373-5.
- ^ Hibbeler, R. C. Mechanics of Materials 5th. Pearson Education, Inc. 2003: 110. ISBN 0-13-008181-7.
- ^ Dowling, Norman E. Mechanical Behavior of Materials 2nd. Printice-Hall, Inc. 1998: 365. ISBN 0-13-905720-X.
- ^ Barber, J. R. Intermediate Mechanics of Materials. McGraw-Hill. 2001: 65. ISBN 0-07-232519-4.
- ^ W. Schutz (1996). A history of fatigue. Engineering Fracture Mechanics 54: 263-300. DOI （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
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- ^ 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.