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〈Fatigue Crack 疲勞裂紋〉-【化工字典-討論區-www.coi.tw 】

作者 : Tw17
性別 : 男
文章主題 : Fatigue Crack 疲勞裂紋 人氣指數 : 763
發表時間 :2014/11/9 下午 04:58:27   


疲勞裂紋(Fatigue Crack)指物件因持續受到動態變化的應力而造成結構劣化,疲勞是漸進且局部的結構損壞過程,由於長時間日積月累而產生,所引起的破裂往往在毫無預警的情況下發生,可能直接導致事故(例如空難)的發生,因此相關的預防、檢查、處理格外重要。

疲勞現象發生於物件反覆受應力時,可大致分為三階段: 若應力超過一定閾值,在高應力集中點會形成微小裂縫(應力集中點包括:表面刮痕、尖銳填角、鍵槽、缺口......等等) ,接者,隨著每次的循環應力,裂縫逐漸擴張。最後一旦裂縫達到一臨界尺寸,裂縫將快速擴展,物件斷裂。物件設計的形狀會顯著地影響疲勞壽命, 例如,方孔和尖角凹槽會提高局部應力,裂縫較容易產生。相反地,若改成圓孔和圓滑凹槽,裂縫較不容易產生。

疲勞裂紋這種現象不限於固體金屬,許多固體材料也都有這種現象發生。

影響疲勞壽命的因素
•循環應力:壽命因應力及其效應的複雜程度而異,包括應力的周期圖形、應力分布、應力幅度、平均應力、雙軸應力比、同相或反相相位) 剪力、應力順序等等。
•表面處理:機械切削的過程中,難免有留下微小的刮痕,凹痕處往往是應力集中處,也是降低疲勞壽命的原兇。此時,可採用珠擊處理(shot peening),藉由使物件表面產生殘留壓縮應力,抵消外來的拉伸應力,進而增加疲勞壽命。類似珠擊有高速敲擊的製程稱為peening。另外,低塑性滾軋(Low plasticity burnishing)、雷射強化(laser peening)、超音波衝擊處理(ultrasonic impact treatment)等較新穎的方法也可以產生表面殘留壓縮應力以增加疲勞壽命。
•材料種類:疲勞壽命以及承受循環應力時的表現特徵,因材料種類而異。如:聚合物與金屬比較相差甚遠。
•殘留應力:焊接、切削、鑄造、拋磨等加工過程,牽涉熱與形變,可能會產生足以降低疲勞強度的殘留應力。
•內部缺陷的分布及大小:鑄造缺陷如氣體孔隙、非金屬夾雜物、縮孔鑄疵等等,會降低疲勞強度。
•真空與否:金屬等材料在空氣中相較於真空環境更易疲勞,程度取決於濕度及溫度高低。含氧的溼空氣也是某種程度上的腐蝕劑。石油、海水等物質腐蝕性更高,可能減少更多的疲勞壽命。
•腐蝕環境:環境條件造成的腐蝕、氣體脆化(gas-phase embrittlement)等腐蝕疲勞會影響疲勞壽命。
•溫度:極高溫或低溫會降低疲勞強度。劇烈的溫差會造成熱應力,而材料在低溫時脆性較高,高溫時易氧化或腐蝕。
•裂縫閉合:裂縫閉合是當承受應力疲乏時,張力負載卸力(unloading)過程仍存在部分張力時,裂縫間隙已閉合。這意味者,張力高於一特定值,裂縫才會張開。塑性變形、裂縫表面生成氧化物、裂縫進水、裂縫表面粗糙為解釋裂縫閉合的可能原因。裂縫閉合可減緩裂縫生長速率,用以解釋比預期更長的疲勞壽命。



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