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疲劳极限

疲劳极限（Fatigue limit）、持久极限（endurance limit）及疲劳强度（Fatigue strength），都是和材料的周期应力（英语：cyclic stress）及疲劳有关的材料性质[1]。

不同材料施加的应力与周期数的曲线，蓝色线为钢材，右侧部份为水平，红色线为铝，未看到如蓝色线一般的水平线

一材料试片在不同大小的周期应力下，使材料破坏需要的周期数也随之不同。应力大小和周期数的关系可以用S-N图表示。一般而言，周期应力越小，需材料破坏需要的周期数越多。但铁合金和钛合金有一特性，当周期应力大小低于一特定数值，材料可以承受无限次的周期应力，不会造成疲劳[2]，此数值对应S-N图右侧的水平线。

其他的结构金属（如铝和铜）没有类似的限制值，即使是很小的周期应力，只要周期持续增加，最后材料就会疲劳破坏。这类的材料一般会用一特定数字（通常为107）为其疲劳寿命周期数Nf。

定义

美国材料和试验协会（ASTM）定义了以下的材料性质：

  • 疲劳强度SNf ：在经过Nf周期的周期应力后，会产生疲劳破坏的周期应力。
  • 疲劳极限Sf：当Nf变得很大时，对应周期应力的极限值。

持久极限可定义为在经过许多周期的周期应力后，材料不会产生疲劳破坏的周期应力[1]。ASTM未定义持久极限，但认为持久极限的数值会类似疲劳极限[3]

有些研究者使用持久极限Se来表示即使经过无限次的周期应力后，仍不会使材料产生疲劳破坏的周期应力。而疲劳强度或是疲劳极限Sf则是在经过特定次数（例如5亿次）的负载周期后，材料产生疲劳破坏的周期应力[1][4][5]，钢铁材料的性质用持久极限来表示，而其他材料（例如铝）的性质则用疲劳强度或疲劳极限来表示。

不过也有一些研究者将持久极限和疲劳极限视为是相同的性质，也不会针对上述二种材料配合不同的材料性质来描述[6][7][8]。

典型数值

钢铁的持久极限一般会是其极限抗拉强度的一半，最大可到100 ksi（690 MPa）。铁、铝、铜合金的持久极限及同一般会是其极限抗拉强度的0.4倍，铁最大的持久极限为24 ksi（165 MPa）、铝及铜则分别为19 ksi （131 MPa）及14 ksi（96.5 MPa）[2]。上述的数值是针对没有洞的试片，若是有洞的试片，其持久极限会再明显降低。

历史

持久极限的概念是在1870年由德国工程师奥古斯都·沃勒（英语：August Wöhler）提出[9]。然而，最近有研究表明，持久极限实际上并不存在，任何很小的周期应力，只要周期持续增加，最后材料就会疲劳破坏。[10][11]

相关条目

参考

  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]. （原始内容存档于2012-04-15）. 
  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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  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.
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