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疲勞破壞的神秘過程：材料如何在循環負荷下悄然崩潰？
在材料科學中，疲勞是指由於循環加載導致材料內部裂紋的產生和擴展。當一個疲勞裂紋啟動後，它會在每次加載循環中稍微增長，通常會在斷裂表面某些部分產生條紋，直到裂紋達到臨界尺寸，此時裂紋的應力強度因子超過材料的斷裂韌性，造成快速的擴展，最終導致結構的完全斷裂。
疲勞傳統上與金屬組件的失效有關，因此被稱為金屬疲勞。
十九世紀時，金屬鐵路軸的突然失效被認為是由於金屬結晶造成的，但這一觀點隨後被駁斥。目前，許多材料（如複合材料、塑料和陶瓷）似乎都有某種與疲勞相關的失效現象。為了預測組件的疲勞壽命，人們通常對試樣進行疲勞試驗，使用一定幅度的循環加載來測量裂紋增長的速率，並計算數千個循環內的平均增長。然而，還有許多特殊情況需要考慮，例如在閾值附近的小負載下發生的增長速率降低，或經過超載應用後的增長，以及短裂紋或在不足載荷下後的增長速率增加，這些都會顯著影響裂紋的增長行為。
當施加的負載超過某一閾值時，微小裂紋就會在應力集中處（如孔、持續滑移帶、複合界面或金屬中的晶粒邊界）開始成長。造成疲勞損傷的應力值通常要遠低於材料的屈服強度。
疲勞的階段
歷史上，疲勞被分為高循環疲勞和低循環疲勞。高循環疲勞的失效需要超過10,000次循環，其應力較低且主要為彈性作用，而低循環疲勞則伴隨著顯著的塑性行為。實驗表明，低循環疲勞也經歷裂紋的增長。無論是高循環還是低循環的疲勞失效，基本步驟都是：裂紋啟動、裂紋增長的第一和第二階段，以及最終的失效。
裂紋的啟動
疲勞失效前的初始裂縫形成是一個由四個離散步驟組成的過程。在金屬樣品中，當施加負載後，材料會發展出細胞結構並變硬，這會導致施加應力的幅度隨著對應變的新約束而增加。這些新形成的細胞結構最終會隨著持續滑移帶的形成而崩潰。位於這些滑移帶中的滑移使局部應力增加，成為裂紋形成的集中點。
疲勞裂紋的生長過程的主要部分發生在裂紋的核化和增長階段，這是為什麼疲勞失效的出現看似如此突然。
即使在通常的延展性材料中，疲勞失效也往往顯現為突發的脆性失效。這些由持續滑移帶導致的滑移面會在材料表面造成凹入和凸起，通常成對出現。
裂紋增長
大多數疲勞壽命通常是在裂紋增長階段耗費的。增長速率主要受循環加載範圍的驅動，其他因素如平均應力、環境、過載和不足載荷也會影響增長速率。
當增長速率變得足夠大時，疲勞條紋可以在斷裂表面上觀察到。
疲勞條紋標記著裂紋尖端的位置，每條條紋的寬度代表一次加載循環的增長。當應力強度超過被稱為斷裂韌性的臨界值時，將會發生不可持續的快速斷裂。最終，斷裂表面可能會包含疲勞與快速斷裂混合的區域。
疲勞的特性
在金屬合金中，疲勞過程起始於微觀層面的位錯運動，最終形成持續滑移帶，這些滑移帶成為短裂紋的核。宏觀和微觀不連續性（如晶粒的尺度）以及會導致應力集中（如孔、鍵槽、負載方向的急劇改變等）的元件設計特徵是疲勞過程開始的常見位置。
疲勞是一個具有隨機性過程，甚至在受控環境中相同樣本之間也通常顯示出顯著的變化。
疲勞通常與拉應力有關，但也有報導指出由壓縮負載引起的疲勞裂紋。在材料疲勞壽命預測中，溫度、表面光潔度、冶金微結構、化學劑的存在、殘餘應力等多種因素都會影響材料的疲勞壽命。某些材料（如某些鋼和鈦合金）展現出理論上的疲勞極限，低於該極限則不會發生疲勞失效。
預測疲勞壽命的挑戰
根據美國材料試驗協會的定義，疲勞壽命是指在特定性質的應力循環作用下，樣本在失效之前所能承受的循環次數。對於某些材料，特別是鋼鐵和鈦，存在應力幅度的理論值，低於該值材料不會失效。然而，實際上針對更多循環次數的實驗表明，不存在任何金屬的疲勞極限。工程師已經採用多種方法來確定材料的疲勞壽命，包括應力-壽命法、應變-壽命法、裂紋增長法和基於概率的方法。
在這一複雜的過程中，材料如何在看似無害的循環負載下悄然崩潰，實在讓人深思？
