金属疲劳是为什么会导致金属在重复应力作用下失去强度，即使没有达到其屈服点？

金属疲劳是为什么会导致金属在重复应力作用下失去强度，即使没有达到其屈服点？
参考答案：金属疲劳是一种由于金属在循环应力或应变作用下逐渐累积损伤而导致的失效现象。即使是远低于材料屈服点的应力，金属也会逐渐失去其强度和完整性。这主要是由以下几个微观和宏观机制引起的：
1.微观裂纹的生成和扩展：
裂纹萌生：在金属材料中，由于内应力、表面缺陷、夹杂物或应力集中区域（如孔洞、键槽等），微小裂纹开始萌生。
裂纹扩展：在重复应力作用下，这些微小裂纹会逐渐扩展。每次应力循环都会在裂纹尖端引入新的塑性变形，导致裂纹前端产生微小的塑性位移和应力集中，进一步促进裂纹扩展。
2.循环塑性应变：
金属在循环应力下会产生塑性应变，即使在低于屈服点的应力下，也会发生局部塑性变形。这种塑性应变会导致材料微观结构的逐步改变，如位错密度增加、晶粒变形等，从而产生微观裂纹。
3.微观结构变化：
长期在循环应力作用下，金属的微观结构会发生改变，如位错结构的变化、相变、表面氧化等。这些变化会降低金属的疲劳强度。
4.应力集中效应：
材料中的几何不连续性（如孔洞、缺口、锐边等）会导致应力集中，这些应力集中点处的局部应力远高于名义应力，容易萌生和扩展裂纹。
5.疲劳裂纹的生长机制：
在每个应力循环中，裂纹尖端会产生新的塑性变形，这种变形会导致裂纹逐渐扩展。裂纹扩展的速度取决于应力幅、材料特性、温度和环境条件等因素。
6.疲劳极限：
每种金属材料都有其特定的疲劳极限，即在该极限以下的应力下，材料可以承受无限次的循环而不发生疲劳断裂。当工作应力超过疲劳极限时，材料会逐渐发生疲劳失效。
总结来说，金属疲劳是由于在重复应力作用下，材料微观裂纹的萌生和扩展、循环塑性应变、微观结构变化、应力集中效应以及疲劳裂纹的生长机制等因素共同作用的结果。即使工作应力低于材料的屈服点，这些机制仍然会导致材料逐渐失去强度，最终发生疲劳断裂。