低周疲勞

低周疲勞又稱低循環疲勞（英語：Low cycle fatigue），它有兩個基本特徵：一是在每個循環中發生塑性變形；二是低周期現象，即材料對這種類型的載荷具有有限的耐久力。術語周期是指反覆施加應力，最終導致疲勞和斷裂;低周期是指施加作用力之間的較長時間。

疲勞的研究主要集中在兩個方面:利用先進的計算方法進行尺寸設計在航空和能源生產中的應用。低周疲勞的結果使我們能夠更深入地研究材料的行為，以便更好地理解複雜的力學和冶金現象(裂紋擴展、加工軟化、應變集中、加工硬化等)。

歷史

低周疲勞的常見原因是高應力水平和低周期斷裂。在過去的50年裡，人們對金屬以及溫度、應力和斷裂循環次數之間的關係進行了許多研究。用試驗繪製了S-N曲線，結果表明，隨着溫度的升高，發生破壞的循環次數減少。然而，廣泛的測試成本太高，所以研究人員主要依靠使用計算機軟件進行有限元分析。

一個比較低周疲勞和高周疲勞的斷裂周期數的圖表

通過大量實驗發現，低周疲勞會改變材料的特性。斷裂延性趨於降低，其幅度取決於小裂紋的存在。為了進行這些測試，一般使用電液伺服控制試驗機，因為它能夠不改變應力幅值。研究還發現，在鑽孔試件上進行低周疲勞試驗更容易產生裂紋擴展，從而導致斷裂延性更大的降低。儘管孔的尺寸很小，只有從40到200μm。

特徵

當零件處於低周疲勞狀態時，它會發生反覆的塑性變形。例如，如果一個部件在拉伸狀態下加載，直到它永久變形(塑性變形)，這將被認為是半周低周疲勞，或低周疲勞。為了完成一個完整的循環，零件需要變形回到原來的形狀。零件在失效前所能承受的低周疲勞次數遠低於常規疲勞次數。

這種高循環應變的情況通常是極端操作條件的結果，如溫度的高變化。材料的膨脹或收縮所產生的熱應力會加劇零件的加載條件，從而發揮低周疲勞特性。

力學

一個常用的描述低周疲勞行為的方程是Coffin-Manson關係(L.F. Coffin在1954年和S.S. Manson在1953年發表):

${\frac {\Delta \varepsilon _{p}}{2}}=\varepsilon _{f}'(2N)^{c}$

在這裡，

• Δε_p /2為塑性應變幅值；
• ε_f'為經驗常數，稱為疲勞延性係數，由2N =1處的應變截距定義；
• 2N為斷裂逆轉次數(N個周期)；
• c是疲勞延性指數，是一個經驗常數，通常為-0.5到-0.7之間。c值小，疲勞壽命長。

知名的斷裂

其中一個值得注意的事故是1994年北嶺地震。許多建築物和橋梁倒塌，結果造成9000多人受傷。南加州大學的研究人員分析了一棟10層樓高的建築中受低周疲勞影響的主要區域。不幸的是,有有限的實驗數據可以直接構造一個低循環疲勞強度衰減,所以大部分的分析包括策劃高疲勞強度衰減行為,擴展圖創建的線的部分使用Palmgren-Miner低循環疲勞曲線的方法。最終，這些數據被用來更準確地預測和分析北嶺十層鋼結構建築所面臨的類似類型的破壞。