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FMEA Failure Mode and Effects Analysis
疲劳程度英文：Degree of fatique疲劳英文：tired； fatigued； fatigue； strain fag 程度英文：level； degree； extent； grade how
简单的说： 构件在交变应力的作用下，即使低于屈服极限，这种交变应力也会引起构件的突然断裂，且断裂前无明显的塑性变形。这种现象称为：疲劳失效。 疲劳失效的原因是： 构件尺寸突变或内部缺陷部位的应力集中诱发微裂纹；在交变应力作用下，微裂纹不断萌生、集结、沟通，形成宏观裂纹并突然断裂。 预防的措施： 防止构建的截面积突变，提高零件的光洁度，减少构建的内部缺陷…… 供参考吧！ 分析构建的疲劳失效是一门学科，太深的东西我也说不清，起个头看看其它网友的回答。
英文：fatigue failure机械的疲劳失效是机械失效的主要失效方式，因此对机械失效的主要研究是机械疲劳失效。目前，机械疲劳失效的研究有两个方面:一是根据求出的载荷谱来确定加载程序在试验室或者试验台上对机械进行疲劳试验，得出机械（材料）的S——N曲线来分析机械（材料）的特性；二是根据机械（材料）的特性与载荷谱并且用Miner准则来估计机械的疲劳寿命。无论是做疲劳试验还是估计疲劳寿命，载荷谱的统计都是关键。在现代测试技术中，应用计算机来处理测试信号已经是现代测试技术的标志，利用A/D转换板将传感器的输出信号进行数字采样，得出数字信号，将数字信号输入计算机，利用编写的相应程序来处理数字信号。现机械工程领域统计载荷谱的主要方法就是雨流计数法。但是传统的雨流计数法在对载荷进行统计的时候需要将信号从最大值或者最小值处分开，前后两段进行首尾对接后才能够进行雨流法计数。利用这种方法需要先采集完信号才能够处理，在长时间的试验中，需要海量的存储空间来存储数据，给试验带来了诸多的不便。通过对雨流法计数模型的改进，可以在采样的时候就开始进行雨流法计数，将满足计数条件的点删除，不影响剩下的点，并且在试验的同时还可以看到大致的载荷谱，在试验结束后，能够很快求出完整的载荷。
简单的说： 构件在交变应力的作用下，即使低于屈服极限，这种交变应力也会引起构件的突然断裂，且断裂前无明显的塑性变形。这种现象称为：疲劳失效。 疲劳失效的原因是： 构件尺寸突变或内部缺陷部位的应力集中诱发微裂纹；在交变应力作用下，微裂纹不断萌生、集结、沟通，形成宏观裂纹并突然断裂。 预防的措施： 防止构建的截面积突变，提高零件的光洁度，减少构建的内部缺陷…… 供参考吧！ 分析构建的疲劳失效是一门学科，太深的东西我也说不清，起个头看看其它网友的回答。
疲劳实验方法及疲劳曲线： 原理：用小试样模拟实际机件的应力情况，在疲劳试 验机上系统测量材料的疲劳曲线，从而建立疲劳极 限和疲劳应力判据。 试验设备：最常用的旋转弯曲疲劳试验机 将相同尺寸的疲劳试样，从67σ 范围内选择几个不同的最大循环应力σ 别对每个试样进行循环加载试验，测定它们从加载开始到试样断裂所经历的应力循环次数N ，然后将试验数据绘制成σmax －N曲线或 max-lgN曲线，即疲劳曲线。 二、疲劳试样 适用于旋转弯曲疲劳试验机上的光滑试样其尺寸形状如图所示，其直径d可为6mm、5mm、 5mm。 三、试验程序 将试样装入试验机，牢固夹紧并使其与试验机主轴保持良好同轴。 旋转时，试样自由端上测得的径向跳动量应不大于03mm。空载运转，在主轴筒加力部位测得 径向跳动量不应大于06mm。加力前必须检定 上述值。装样时切忌接触试验部分表面。 试验速度范围900～10000r/min。同一批试验的试验速度应相同。不得采用引起试样共振的试验 速度。 三、试验程序 试验一直进行到试样失效或达到规定循环次数时终止，试验原则上不得中断。 试样失效标准为肉眼所见疲劳裂纹或完全断裂。试样失效如发生在最大应力部位之外，或断口有 明显缺陷或中途停试发生异常数据，则试验结果 无效。 四、测定条件疲劳极限 应力增量一般为预计条件疲劳极限σ-1 的3％～5％。 试验应在3～5级的应力水平下进行，第一根试样的应力水平应略高于预计的条件疲劳极限。根据上根 试样的试验结果是破坏还是通过，即试样在未达到 指定寿命10 周次之前破坏或通过，决定下一根试样的应力降低或升高，直到完成全部试验。
如1965年日本为美国建造的Sedeo型半潜式平台在交货途中破损没，1980年Alexan-derkeyland号半潜式平台在北海沉没[10]除了在航空领域，海洋领域多发生疲劳事故外，疲劳失效也频繁发生在铁路公路桥梁和发电站管道上，由于一个鱼眼杆的应力腐蚀裂纹的作用，1967年美国西弗吉尼亚州普莱曾特（pleasant）大桥在完全没有任何征兆的情况下断裂。近年来不断出现的飞机失事的情况，均是由于疲劳破坏而导致结构失效。因此，对结构的疲劳问题进行研究有着重要意义。
金属零件产生疲劳断裂的原因各不相同，归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。1、表面状态表面的粗糙度对材料的静强度影响不大，但对疲劳强度则有非常明显的影响。承受弯曲疲劳及扭转疲劳负荷的构件，其表面应力最高。大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂绝大多数起源于构件的表面。因此，凡是制造工艺过程中产生各类裂纹（如淬火裂纹），尖锐缺口（如表面粗糙度不符合要求、加工刀痕等）都将导致疲劳裂纹的形成并降低构件的疲劳寿命。表面粗糙度值越低，材料的疲劳极限越高，材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。2、零件的几何形状及尺寸零件的几何形状不合理，如存在槽、孔、圆角、缺口和螺纹等常见的外形不连续形式。由于外形不连续，就会产生应力集中。大的应力集中对疲劳裂纹形成和扩展有很大作用。零件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。一般来说，随着零件尺寸的增大，其疲劳极限下降。而且缺口试样比光滑试样的尺寸效应更为显著。疲劳强度尺寸效应的原因，其一是尺寸增大会增加表面的各种缺陷，增大疲劳裂纹的萌生概率；其二是零件尺寸增大会降低弯曲、扭转零件截面的应力梯度，增大表层高应力的体积，增加萌生疲劳裂纹的概率，因而其疲劳强度就降低。3、装配与连接效应装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很大影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上，过大的拧紧力并非对提高连接的可靠性有利。4、载荷特性零件所受的载荷应力超过材料的疲劳极限时。定义为“超载”，低于疲劳极限的应力称为“次载”。对于高周疲劳，增大应力则会出现：a容易产生多个裂纹；b疲劳条带之间的距离增大；c最终瞬断区的面积增大。而金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。这种现象可能是应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。不同零件在工作时具有不同的载荷频率，载荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度，这可能是和每一周次的塑性应变累积损伤量不同有关。实际零件在工作时都是非连续（有间歇）运行的，当加载应力低于并接近于疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇超载加载则会降低疲劳强度。因为在次载时有疲劳强化，间歇可进一步应变时效强化，故能提高疲劳强度；而在超载时因其损伤积累有疲劳弱化，间歇也不起作用。5、材料的组织和性能抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感性小，循环韧性大。在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，碳具有固溶强化及与碳化物元素有弥散强化的作用，可提高材料的形变抗力；而合金元素主要是通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响疲劳强度，细化晶粒可提高疲劳强度。钢的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体较珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体混合组织具有更佳的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织含量的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。铸铁，特别是球墨铸铁，具有足够的强度和极小的缺口敏感性，因此具有较好的疲劳性能。而非金属夹杂物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲劳抗力降低。因此，金属材料的组织不均匀性及其组织状态不良，材料选用不当或在生产过程中由于管理不善而错用材料是造成疲劳断裂的重要原因。6、使用环境环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，会使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。一般来说，温度降低、疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。这是因为金属的变形抗力下降，使疲劳裂纹容易形成。高温下金属通常不存在疲劳极限。腐蚀性环境对材料的静强度虽然有一定的影响，但其影响程度远不如它对疲劳极限的影响。通常，对腐蚀环境敏感的材料，其疲劳性能降低比较显著。如对于一般中等强度的合金结构钢，腐蚀环境可使其疲劳极限下降l/3~l/2。因此，腐蚀与疲劳叠加在一起，发生交互作用，于是腐蚀疲劳极限比在无腐蚀条件下的疲劳极限低。
疲劳的机制可以分成三个相互关联的过程： 裂纹产生 裂纹延伸 断裂FEA应力分析可以预测裂纹的产生。许多其他技术，包括动态非线性有限元分析可以研究与裂纹的延伸相关的应变问题。由于设计工程师最希望从一开始就防止疲劳裂纹的出现，确定材料的疲劳强度。裂纹开始出现的时间以及裂纹增长到足以导致零部件失效的时间由下面两个主要因素决定：零部件的材料和应力场。材料疲劳测试方法可以追溯到19 世纪，由August Wöhler 第一次系统地提出并进行了疲劳研究。标准实验室测试采用周期性载荷，例如旋转弯曲、悬臂弯曲、轴向推拉以及扭转循环。科学家和工程师将通过此类测试获得的数据绘制到图表上，得出每类应力与导致失效的周期重复次数之间的关系，或称S-N曲线。工程师可以从S-N 曲线中得出在特定周期数下材料可以承受的应力水平。该曲线分为高周疲劳和低周疲劳两个部分。一般来说，低周疲劳发生在10,000 个周期之内。曲线的形状取决于所测试材料的类型。某些材料，例如低碳钢，在特定应力水平（称为耐疲劳度或疲劳极限）下的曲线比较平缓。不含铁的材料没有耐疲劳度极限。大体来说，只要在设计中注意应用应力不超过已知的耐疲劳度极限，零部件一般不会在工作中出现失效。但是，耐疲劳度极限的计算不能解决可能导致局部应力集中的问题，即应力水平看起来在正常的“安全”极限以内，但仍可能导致裂纹的问题。与通过旋转弯曲测试确定的结果相同，疲劳载荷历史可以提供关于平均应力和交替应力的信息。测试显示，裂纹延伸的速度与载荷周期和载荷平均应力的应力比率有关。裂纹仅在张力载荷下才会延伸。因此，即使载荷周期在裂纹区域产生压缩应力，也不会导致更大的损坏。但是，如果平均应力显示整个应力周期都是张力，则整个周期都会导致损坏。许多工况载荷历史中都会有非零的平均应力。人们发明了三种平均应力修正方法，可以省去必须在不同平均应力下进行疲劳测试的麻烦：Goodman 方法- 通常适用于脆性材料。Gerber 方法- 通常适用于韧性材料。Soderberg 方法- 通常最保守。这三种方法都只能应用于所有相关联的S-N 曲线都基于完全反转载荷的情况。而且，只有所应用疲劳载荷周期的平均应力与应力范围相比很大时，修正才有意义。实验数据显示，失效判据位于Goodman 曲线和Gerber 曲线之间。这样，就需要一种实用的方法基于这两种方法并使用最保守的结果来计算失效。疲劳寿命的计算方法对每个设计进行物理测试明显是不现实的。在多数应用中，疲劳安全寿命设计需要预测零部件的疲劳寿命，从而确定预测的工况载荷和材料。计算机辅助工程(CAE) 程序使用三种主要方法确定总体疲劳寿命。这些方法是：·应力寿命方法(SN)这种方法仅基于应力水平，只使用Wöhler 方法。尽管不适用于包含塑性部位的零部件，低周疲劳的精确度也乏善可陈，但这种方法最容易实施，有丰富的数据可供使用，并且在高周疲劳中有良好的效果。· 应变寿命(EN)这种方法可以对局部区域的塑性变形进行更详细的分析，非常适合低周疲劳应用。但是，结果存在一些不确性。· 线性弹性破坏力学(LEFM)这种方法假设裂缝已经存在并且被检测到，然后根据应力强度预测裂缝的增长。借助计算机代码和定期检查，这种方法对大型结构很实用。由于易于实施并且有大量的材料数据可用，SN 是最常用的方法。设计人员使用SN 方法计算疲劳寿命在计算疲劳寿命时，应考虑等幅载荷和变幅载荷。这种方法假设零部件在恒定的幅度、恒定的平均应力载荷周期下工作。通过使用SN 曲线，设计人员可以快速计算导致零部件发生失效的此类周期数量。而对于零部件需要在多种载荷下工作的情况，则可采用Miner 规则来计算每种载荷情况的损坏结果，并将所有这些损坏结果合并起来获得一个总体的破坏值。其结果称为“损坏因子”，是一个失效分数值。零部件在D = 0 时发生失效，因此，如果D = 35，该零部件的寿命已经消耗了35%。这一理论还认为由应力周期导致的损坏与损坏在载荷历史的哪个位置发生无关，并且损坏积累速度与应力水平无关。这种方法假设零部件在恒定的幅度、恒定的平均应力载荷周期下工作。通过使用SN 曲线，设计人员可以快速计算导致零部件发生失效的此类周期数量。而对于零部件需要在多种载荷下工作的情况，则可采用Miner 规则来计算每种载荷情况的损坏结果，并将所有这些损坏结果合并起来获得一个总体的破坏值。其结果称为“损坏因子”，是一个失效分数值。零部件在D = 0 时发生失效，因此，如果D = 35，该零部件的寿命已经消耗了35%。这一理论还认为由应力周期导致的损坏与损坏在载荷历史的哪个位置发生无关，并且损坏积累速度与应力水平无关。在真实的环境条件下，多数零部件承载的载荷历史是不断变化的，幅度和平均应力都是如此。因此，更为通用和现实的方法需要考虑变幅载荷，在这种情况下，应力尽管随着时间循环反复，但其幅度是变化的，这就有可能将应力分解成载荷“块”。在处理这种类型的载荷时，工程师使用一种称为“雨流法计数”的技术。附录B 讨论如何研究FEA 疲劳结果，它就雨流法计数提供了更多信息。在通过SN 方法研究疲劳方面，FEA 提供了一些非常优秀的工具，这是因为输入由线弹性应力场组成，并且FEA 能够处理多种载荷情况交互作用的可能情形。如果要计算最坏情况的载荷环境（这是一种典型方法），系统可以提供大量不同的疲劳计算结果，包括寿命周期图、破坏图以及安全系数图。此外，FEA 可以提供较小主要交替应力除以较大主要交替应力的比率的图解（称为双轴性指示图），以及雨流矩阵图。后者是一个3D 直方图，其中的X 和Y 轴代表交替应力和平均应力，Z 轴代表每个箱所计的周期数。
金属零件产生疲劳断裂的原因各不相同，归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。1、表面状态表面的粗糙度对材料的静强度影响不大，但对疲劳强度则有非常明显的影响。承受弯曲疲劳及扭转疲劳负荷的构件，其表面应力最高。大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂绝大多数起源于构件的表面。因此，凡是制造工艺过程中产生各类裂纹（如淬火裂纹），尖锐缺口（如表面粗糙度不符合要求、加工刀痕等）都将导致疲劳裂纹的形成并降低构件的疲劳寿命。表面粗糙度值越低，材料的疲劳极限越高，材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。2、零件的几何形状及尺寸零件的几何形状不合理，如存在槽、孔、圆角、缺口和螺纹等常见的外形不连续形式。由于外形不连续，就会产生应力集中。大的应力集中对疲劳裂纹形成和扩展有很大作用。零件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。一般来说，随着零件尺寸的增大，其疲劳极限下降。而且缺口试样比光滑试样的尺寸效应更为显著。疲劳强度尺寸效应的原因，其一是尺寸增大会增加表面的各种缺陷，增大疲劳裂纹的萌生概率；其二是零件尺寸增大会降低弯曲、扭转零件截面的应力梯度，增大表层高应力的体积，增加萌生疲劳裂纹的概率，因而其疲劳强度就降低。3、装配与连接效应装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很大影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上，过大的拧紧力并非对提高连接的可靠性有利。4、载荷特性零件所受的载荷应力超过材料的疲劳极限时。定义为“超载”，低于疲劳极限的应力称为“次载”。对于高周疲劳，增大应力则会出现：a容易产生多个裂纹；b疲劳条带之间的距离增大；c最终瞬断区的面积增大。而金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。这种现象可能是应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。不同零件在工作时具有不同的载荷频率，载荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度，这可能是和每一周次的塑性应变累积损伤量不同有关。实际零件在工作时都是非连续（有间歇）运行的，当加载应力低于并接近于疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇超载加载则会降低疲劳强度。因为在次载时有疲劳强化，间歇可进一步应变时效强化，故能提高疲劳强度；而在超载时因其损伤积累有疲劳弱化，间歇也不起作用。5、材料的组织和性能抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感性小，循环韧性大。在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，碳具有固溶强化及与碳化物元素有弥散强化的作用，可提高材料的形变抗力；而合金元素主要是通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响疲劳强度，细化晶粒可提高疲劳强度。钢的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体较珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体混合组织具有更佳的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织含量的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。铸铁，特别是球墨铸铁，具有足够的强度和极小的缺口敏感性，因此具有较好的疲劳性能。而非金属夹杂物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲劳抗力降低。因此，金属材料的组织不均匀性及其组织状态不良，材料选用不当或在生产过程中由于管理不善而错用材料是造成疲劳断裂的重要原因。6、使用环境环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，会使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。一般来说，温度降低、疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。这是因为金属的变形抗力下降，使疲劳裂纹容易形成。高温下金属通常不存在疲劳极限。腐蚀性环境对材料的静强度虽然有一定的影响，但其影响程度远不如它对疲劳极限的影响。通常，对腐蚀环境敏感的材料，其疲劳性能降低比较显著。如对于一般中等强度的合金结构钢，腐蚀环境可使其疲劳极限下降l/3~l/2。因此，腐蚀与疲劳叠加在一起，发生交互作用，于是腐蚀疲劳极限比在无腐蚀条件下的疲劳极限低。