疲劳力学，疲劳的概念和历史
时间: 2025-01-22 08:26:21
疲劳力学是研究材料在循环载荷作用下的失效机制和表现的学科。疲劳通常指的是材料在经历反复或交变的应力或应变作用后，其强度和使用寿命逐渐降低或最终失效的现象。
疲劳的概念
1. 疲劳的定义：
- 疲劳是一种材料逐渐破坏的过程，通常经过大量的反复载荷作用后出现。
- 材料在经历有限的应力水平后，会在不达到材料屈服强度的情况下发生裂纹扩展或完全断裂。
2. 疲劳的分类：
- 高周疲劳：指应力幅度较小、循环次数较多，常见于大多数金属材料。
- 低周疲劳：指应力幅度较大、循环次数较少，通常与塑性变形相关，如在焊接部位或连接部件中常见。
3. 疲劳的过程：
- 初始裂纹形成：由于微观缺陷或内部应力集中，开始形成微小裂纹。
- 裂纹扩展：在持续的循环载荷作用下，裂纹逐渐扩大。
- 最终断裂：裂纹扩展到一定程度，导致材料失效。
疲劳的历史
1. 早期研究：
- 疲劳现象早在19世纪就被认识到，最早的研究与蒸汽机和桥梁的设计有关。通常被认为是由工程师 William Thomas 于 1830 年代首次观察到。
- 1870年代，德国工程师 August Wöhler 开展了系统的疲劳试验，并提出了“Wöhler曲线”（也称作S-N曲线），该曲线用于描述应力-循环数关系。
2. 20世纪的进展：
- 在20世纪初，疲劳研究逐渐深入，尤其是在一战和二战后，随着航空和机械工程的发展，疲劳力学成为重要的研究领域。
- 1940年代至1950年代，疲劳失效分析和图示化技术（如S-N曲线）得到了进一步发展。
3. 现代研究：
- 随着计算机技术的发展，现代疲劳力学引入了数值计算方法（如有限元分析）来更精确地预测材料的疲劳性能。
- 现代材料科学的进步也促进了对各种材料（如复合材料和高温合金）疲劳特性的研究。
总结
疲劳力学是理解和预测材料在循环载荷下行为的重要学科，涵盖了从基础理论到应用工程的广泛领域。它的发展与工业需求密切相关，尤其是在安全和性能高要求的领域（如航空航天、建筑和机械等）。
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