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疲劳破坏的神秘过程：材料如何在循环负荷下悄然崩溃？
在材料科学中，疲劳是指由于循环加载导致材料内部裂纹的产生和扩展。当一个疲劳裂纹启动后，它会在每次加载循环中稍微增长，通常会在断裂表面某些部分产生条纹，直到裂纹达到临界尺寸，此时裂纹的应力强度因子超过材料的断裂韧性，造成快速的扩展，最终导致结构的完全断裂。
疲劳传统上与金属组件的失效有关，因此被称为金属疲劳。
十九世纪时，金属铁路轴的突然失效被认为是由于金属结晶造成的，但这一观点随后被驳斥。目前，许多材料（如复合材料、塑料和陶瓷）似乎都有某种与疲劳相关的失效现象。为了预测组件的疲劳寿命，人们通常对试样进行疲劳试验，使用一定幅度的循环加载来测量裂纹增长的速率，并计算数千个循环内的平均增长。然而，还有许多特殊情况需要考虑，例如在阈值附近的小负载下发生的增长速率降低，或经过超载应用后的增长，以及短裂纹或在不足载荷下后的增长速率增加，这些都会显著影响裂纹的增长行为。
当施加的负载超过某一阈值时，微小裂纹就会在应力集中处（如孔、持续滑移带、复合界面或金属中的晶粒边界）开始成长。造成疲劳损伤的应力值通常要远低于材料的屈服强度。
疲劳的阶段
历史上，疲劳被分为高循环疲劳和低循环疲劳。高循环疲劳的失效需要超过10,000次循环，其应力较低且主要为弹性作用，而低循环疲劳则伴随着显著的塑性行为。实验表明，低循环疲劳也经历裂纹的增长。无论是高循环还是低循环的疲劳失效，基本步骤都是：裂纹启动、裂纹增长的第一和第二阶段，以及最终的失效。
裂纹的启动
疲劳失效前的初始裂缝形成是一个由四个离散步骤组成的过程。在金属样品中，当施加负载后，材料会发展出细胞结构并变硬，这会导致施加应力的幅度随着对应变的新约束而增加。这些新形成的细胞结构最终会随着持续滑移带的形成而崩溃。位于这些滑移带中的滑移使局部应力增加，成为裂纹形成的集中点。
疲劳裂纹的生长过程的主要部分发生在裂纹的核化和增长阶段，这是为什么疲劳失效的出现看似如此突然。
即使在通常的延展性材料中，疲劳失效也往往显现为突发的脆性失效。这些由持续滑移带导致的滑移面会在材料表面造成凹入和凸起，通常成对出现。
裂纹增长
大多数疲劳寿命通常是在裂纹增长阶段耗费的。增长速率主要受循环加载范围的驱动，其他因素如平均应力、环境、过载和不足载荷也会影响增长速率。
当增长速率变得足够大时，疲劳条纹可以在断裂表面上观察到。
疲劳条纹标记着裂纹尖端的位置，每条条纹的宽度代表一次加载循环的增长。当应力强度超过被称为断裂韧性的临界值时，将会发生不可持续的快速断裂。最终，断裂表面可能会包含疲劳与快速断裂混合的区域。
疲劳的特性
在金属合金中，疲劳过程起始于微观层面的位错运动，最终形成持续滑移带，这些滑移带成为短裂纹的核。宏观和微观不连续性（如晶粒的尺度）以及会导致应力集中（如孔、键槽、负载方向的急剧改变等）的元件设计特征是疲劳过程开始的常见位置。
疲劳是一个具有随机性过程，甚至在受控环境中相同样本之间也通常显示出显著的变化。
疲劳通常与拉应力有关，但也有报导指出由压缩负载引起的疲劳裂纹。在材料疲劳寿命预测中，温度、表面光洁度、冶金微结构、化学剂的存在、残余应力等多种因素都会影响材料的疲劳寿命。某些材料（如某些钢和钛合金）展现出理论上的疲劳极限，低于该极限则不会发生疲劳失效。
预测疲劳寿命的挑战
根据美国材料试验协会的定义，疲劳寿命是指在特定性质的应力循环作用下，样本在失效之前所能承受的循环次数。对于某些材料，特别是钢铁和钛，存在应力幅度的理论值，低于该值材料不会失效。然而，实际上针对更多循环次数的实验表明，不存在任何金属的疲劳极限。工程师已经采用多种方法来确定材料的疲劳寿命，包括应力-寿命法、应变-寿命法、裂纹增长法和基于概率的方法。
在这一复杂的过程中，材料如何在看似无害的循环负载下悄然崩溃，实在让人深思？
