机械疲劳是如何产生的

在工程应用中，许多看似坚固的零部件会在长期使用后突然断裂——这往往不是因为一次过载，而是机械疲劳在悄然作祟。尤其在新能源汽车、航空航天、轨道交通等对可靠性要求极高的领域，理解疲劳的成因，尤其是环境因素如何加速疲劳进程，已成为产品设计与寿命评估的关键。

什么是机械疲劳？

机械疲劳是指材料在反复交变应力作用下，即使应力远低于其静态强度极限，也会逐渐产生微裂纹并最终导致断裂的现象。它是一种“慢性失效”，具有隐蔽性强、突发性高的特点。

疲劳产生的三大核心要素

1. 循环载荷：周期性或随机变化的应力是疲劳的前提。
2. 应力集中：如孔洞、缺口、表面划痕等会局部放大应力。
3. 材料缺陷：内部夹杂、晶界弱化等为裂纹萌生提供起点。

环境因素如何“推波助澜”？

虽然疲劳本质源于力学循环，但环境因素往往显著加速其进程，甚至改变失效模式。

温度：高低温交替的“隐形杀手”

• 高温：降低材料屈服强度，促进蠕变-疲劳交互作用。
• 低温：使材料脆化，裂纹扩展速率加快。
• 热循环（如电池包昼夜温差）：引发热应力叠加机械应力，形成复合疲劳。

湿度与腐蚀介质：化学+力学的双重打击

紫外辐射与氧化：高分子材料的“天敌”

对于硅橡胶、聚氨酯等非金属密封件：

• UV辐射破坏分子链，降低弹性模量；
• 热氧老化使材料硬化变脆，抗疲劳能力骤降。

典型场景：新能源汽车电池密封件的疲劳挑战

以硅橡胶密封圈为例，在电池包服役过程中需同时承受：

• 电芯膨胀/收缩引起的周期性压缩变形；
• -40℃~85℃的极端温度循环；
• 电解液蒸汽或冷却液可能带来的化学侵蚀。

这些因素耦合作用，极易诱发环境协同疲劳失效，导致密封失效、漏液甚至热失控。

如何科学评估疲劳风险？

• 模拟真实工况：结合温度、湿度、载荷谱进行多应力耦合测试；
• 加速老化+疲劳试验：如热氧老化后进行动态疲劳测试；
• 微观分析：通过SEM观察裂纹起源与扩展路径，反推失效机理。

总结

机械疲劳并非单纯的力学问题，而是力学载荷与环境因素深度耦合的复杂失效过程。忽视温度、湿度、化学介质等环境变量，将严重低估产品在实际使用中的疲劳风险。唯有通过科学的环境模拟与多应力测试，才能真实还原材料的服役行为，为产品可靠性保驾护航。

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