06 材料的疲劳_百度文库
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06 材料的疲劳
材​料​力​学
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疲劳与疲劳断裂
疲​劳​与​疲​劳​断​裂
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第四节 零件的疲劳断裂
&&& 疲劳断裂是指零件在反复多次的应力或能量负荷循环后才发生的断裂现象。零件在使用过程中发生的断裂，约有60%～80%属于疲劳断裂。其特点是断裂时应力低于材料的抗拉强度或屈服极限。不论是脆性材料还是塑性材料，其疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的脆性断裂。
&&& 一、 疲劳裂纹的产生和发展
&&& 1疲劳裂纹的产生
&&& 经实验研究表明，零件在疲劳载荷作用下，因位错运动而造成的不均匀滑移带，是产生疲劳裂纹的最根本原因。表面缺陷或材料内部缺陷起着尖缺口的作用，产生应力集中，促使疲劳断裂的形成。
&&& 承受交变载荷的零件，在较低的应力（低于屈服极限）下，在其表面（当表面经强化处理后可转至表面以下或内部）将出现不均匀的滑移带。在某些强烈滑移带内，各小滑移带的滑移不均匀性更为严重，其高度差造成许多如锯齿状显微缺口。在两侧高度差较大的滑移面间较尖锐的缺口处，由于应力和应变集中的不断加强，而形成滑移裂缝。
&&& 零件的表面难免存在加工缺陷（如刀痕、磨削裂缝、锻造或热处理过热或裂缝等）、截面尺寸突变（如台肩、尖角、键槽和小孔等）、以及各种腐蚀缺陷（如晶界腐蚀、应力腐蚀、蚀坑等），这些地方将产生较大的应力集中，疲劳裂纹容易产生。
&&& 金属材料的第二相质点、非金属夹杂物、晶界和弯晶界、疏松、孔洞、气泡等处，有较高的应力集中（比工作应力高2～3倍），易造成该处滑移不均或夹杂物断裂而引起疲劳裂纹的产生。滑移带达到晶界或弯晶界处，滑移方向将发生改变，在该出也形成高应力区，使滑移不均匀。在交变应力的继续作用下，晶界处的变形和应力不断增加，最后晶界处或弯晶界处产生疲劳裂纹。
&&& 因此，减少零件的表面加工缺陷和应力集中部位，控制夹杂物等级和细化晶粒，强化金属表面等，是提高抗疲劳强度，延长疲劳寿命的有效途径。
&&& 2疲劳裂纹的扩展
&&& 一般情况下，疲劳裂纹的扩展分为两个阶段，如图2-35所示。
&&& 第一阶段，也称为切向扩展阶段。即当疲劳裂纹在零件表面形成后，立即沿着最大切向力方向（与主应力方向成45°角）的滑移面向金属内部扩展。扩展的深度一般决定于材料的晶体结构、晶格尺寸、应力幅度和温度等，大约只有零点几个毫米。
&&& 第二阶段，裂纹按第一阶段方式扩展一定距离后，将改变方向，沿与正应力相垂直的方向扩展。因此，该阶段也称为正向扩展阶段。其裂纹基本上以单位正向疲劳方式，较均匀的速率稳定向前扩展。当扩展至一定深度后，由于剩余的工作截面减少，应力逐步增大，裂纹将加速扩展，直至最后发生瞬时过载断裂。这一扩展阶段在疲劳断口上，产生宏观的疲劳弧带（前沿线，后纹线）和微观的疲劳纹（疲劳辉纹、疲劳条痕），这是判断零件是否疲劳断裂的有利依据。经研究表明：疲劳辉纹与超载应力循环对应，其间距对应于超载应力循环的疲劳裂纹扩展速率。因此，疲劳裂纹也是对疲劳断口进行微观定量分析的重要依据。
&&& 二、疲劳断口形貌及其分析
&&& 1 疲劳断口的形貌
&&& 典型的疲劳断口按照断裂过程有三个区域：疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破坏区，如图2-36所示。
&&& 1）疲劳核心区
&&& 也称疲劳源，是疲劳裂纹最初形成的地方，用肉眼或低倍放大镜就能判断其位置。它一般总是发生在零件的表面，但若材料表面强化或内部有缺陷，也可在表面下或内部发生。在疲劳核心周围，往往存在着以疲劳源为焦点的，非常光滑细洁、贝纹线不明显的狭小区域。疲劳破坏好似以它作为中心，向外散射海滩状的疲劳弧带和贝纹线。此外，在该区域还常看到以疲劳核心为中心的向四周辐射的放射台阶或沟线，如图2-37所示。这是由于疲劳裂纹沿着一系列具有高度差的宏观平面向周围扩展，或者是在疲劳核心区同时存在若干个疲劳核心扩展而形成的。一般来说，疲劳核心的数目越多，核心区有台阶或疲劳沟线，说明零件的过载程度较大。
&&& 2）疲劳裂纹扩展区
&&& 疲劳区是疲劳断口上最重要的特征区域。其最明显的特征是常呈现宏观的疲劳弧带和微观的疲劳纹。疲劳弧带大致以疲劳源为核心，似水波形式向外扩展，形成许多同心圆和同心弧带，其方向与裂纹的扩展方向相垂直。一般认为，疲劳弧带是由于机器间歇工作，或在使用过程中应力振幅发生显著变化等，在断口上留下的痕迹。通常铝合金和碳钢等软金属材料的疲劳弧带比较清晰。当零件超载程度很大时，疲劳弧带就不清晰。
&&& 微观的疲劳纹是一系列基本上相互平行的、略带弯曲、呈波浪形的条纹。其方向与局部裂纹扩展方向相垂直。每一条疲劳纹，代表一次载荷循环，疲劳纹的条数与循环次数相等。这是疲劳断口进行微观定量分析的理论依据。疲劳条纹的出现与否，决定于应力状态、材料性质以及环境等因素。有时疲劳端面无疲劳弧带，而呈现细晶状，甚至光洁得象细瓷状结构。这是由于疲劳断口表面，在交变应力作用下，多次反复压缩、摩擦造成的。一般情况下，疲劳断面愈光滑，说明零件在断裂前，所经历的应力循环次数愈多，所受载荷愈小。
&&& 3）瞬时断裂区
&&& 该区简称静断口，也称最终破断区、过载破断区，是当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时发生的快速破断区。其宏观特征与静载拉伸断口中，快速破断的放射区及剪切唇相同。但有时仅出现剪切区，而无放射区。对于非常脆的材料，该区为结晶状的脆性断口。
&&& 由瞬间破断区的位置和大小，可估计所受载荷，名义应力的大小。瞬时破断区在断口上所占的面积越大，则零件所受载荷及名义应力越高。对于旋转弯曲疲劳断口，还可根据瞬时破断区的位置，来估计所受载荷的大小。所受载荷越大，则最终破断区越移向端面的中央，如图2-38所示。
&&& 根据疲劳断口的宏观形貌，可对疲劳断口进行宏观定量分析。即根据疲劳源的数目、疲劳断裂区和瞬时断裂区面积的比值、疲劳源区台阶数目、疲劳源及疲劳区的光泽和粗糙度、疲劳断裂区弧带密度等，并结合零件的工作条件和实际工作时间；估算疲劳应力的大小和应力集中的影响程度。应力大小对疲劳断口宏观形态的影响情况，见表2-6所示。
&&& 2 断口分析
&&& 断口分析是从断口的宏观和微观形态、原材料的化学成分、晶体结构、冶金缺陷、力学性能及零件的制造工艺、表面质量、几何形状和使用条件等多方面进行分析，推断破断的原因，并提出改进的措施。断口分析的目的主要是：
&&& （1）判定断裂的性质和类型，分析、找出破坏的原因；
&&& （2）研究断裂的机理；
&&& （3）提出防止断裂事故的措施。
&&& 如考虑实际零件的断裂原因则往往是非常复杂的，故断口分析也是多方面的，其主要内容有：
&&& 1）实际断裂情况的现场调查
&&& 实际破断情况的现场调查是破断分析的第一个重要环节，实际零件是在服役条件下破断，有时会产生许多碎片。对于断口和碎片，不管其形状如何，都必须严加保护，避免化学侵蚀。特别防止手指污染断口。在未查清断口的重要特征和照相记录以前，不允许对断口进行清洗。另外，还应对零件的实际工作条件，运行情况以及周围环境等作详细的调查和研究。
&&& 2）断口的宏观分析
&&& 指用肉眼或低倍放大镜（20倍以下），对断口进行观察和分析。断口宏观分析是破断分析中最常用、最方便、最重要和不可缺少的步骤和方法，是整个断裂分析的基础。宏观分析的范围很大，能观察和分析破坏主貌、裂纹和零件形状的关系；断口与变形方向的关系、断口与受力状况的关系；能初步判断裂纹源位置、断裂性质与原因，缩小进一步分析和研究的范围，为微观分析提供线索和依据。
&&& 3）断口的微观分析
&&& 它是对断口的重要区域用金相显微镜或电子显微镜进行观察和分析。微观分析的目的主要是观察和分析断口的形貌与显微组织的关系；断裂过程微观区域变化；裂纹的微观性质与裂纹两侧夹杂物性质、形态和分布，以及显微硬度、裂纹的起因等。
&&& 4）金相组织、化学成分和机械性能的检验
&&& 金相组织检验主要是研究材料是否有宏观及微观缺陷、裂纹分布与走向以及金相组织是否正常等。化学分析主要是复验金属的化学成分是否合乎零件要求，杂质、偏析及微量元素的含量和大致分布等。机械性能检验则主要是复验金属材料的常规性能数据是否合格。
&&& 1） 其他因素
&&& 其他因素的考虑主要是结合零件的设计、加工及周围环境等情况，进行全面考虑。文档分类：
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于疲劳与断裂结课小结的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：疲劳与断裂结课小结 金属疲劳与断裂学习报告院(系): 材料科学与工程学院专业班级: 研 1308学生姓名: 王红伟指导教师: 周勇完成日期: 2014 年 5 月 25 日1 绪论疲劳(Fatigue)与断裂(Fracture)是引起工程结构和构件失效的最主要的原因。在面向21世纪的今天,人们对传统强度(静载荷作用、无缺陷材料的强度)的认识已相当深刻,工程中强度设计的实践经验和积累也十分丰富,对于传统强度的控制能力也大大增强。因此,疲劳与断裂引起的失效在工程失效中越来越突出。19 世纪中叶以来,人们为认识和控制疲劳破坏进行了不懈的努力,在疲劳现象的观察、疲劳机理的认识、疲劳规律的研究、疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面积累了丰富的知识。20 世纪 50 年代断裂力学的发展,进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。疲劳断裂失效涉及到扰动使用载荷的多次作用,涉及到材料缺陷的形成与扩展,涉及到使用环境的影响等等,问题的复杂性是显而易见的。因此,疲劳断裂的许多问题的认识和根本解决,还有待于进一步深入的研究。尽管如此,了解现代研究成果,掌握疲劳与断裂的基本概念、规律和方法,对于广大(来源：淘豆网[/p-5370648.html])工程技术在实践中成功地进行抗疲劳断裂设计无疑是十分有益的。发生断裂是因为有裂纹存在,而裂纹萌生并扩展到足以引起断裂的原因则很少不是由于疲劳。如二次大战期间美国制造的全焊接船舶,有近千艘出现开裂,200余艘发生严重断裂破坏。1952年,第一架喷气式客机(英国的慧星号)在试飞300多小时后投入使用。1954年元月一次检修后的第四天,飞行中突然失事坠入地中海。打捞起残骸并进行研究后的结论认为,事故是由压力舱的疲劳破坏引起的,疲劳裂纹起源于机身开口拐角处。日,美国西弗吉尼亚PointPleasant桥突然毁坏,46人死亡,事故是由一根带环拉杆中的缺陷在疲劳、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起的。日下午6时半,英国北海Ekofisk油田的 Alexander L. Kielland号钻井平台倾复,127人落水只救起89人。事故分析表明,裂纹由325mm的撑管与支腿连接的焊缝处起始,在疲劳载荷(主要是波浪力)的作用下,扩展 100多毫米后发生断裂,导致平台倾复的事故。8(来源：淘豆网[/p-5370648.html])0年代初,美国众议院科技委员会委托国家标准局进行了一次关于断裂所造成的损失的大型综合调查。1983年,在“国际断裂”杂志(Int.J.Fracture,Vol.23 , No.3,1983. 译文见“力学进展”,No.2,1985)上发表了调查委员会给国会的报告。报告指出,断裂使美国一年损失1190亿美元,占1982年国家总产值的4%。遭受损失最严重的三个行业是:车辆业(125亿/年),建筑业(100亿/年),航空工业( 67亿/年)。值得注意的是报告还指出,向工程技术人员普及关于断裂的基本概念和知识,可减少损失29% (345亿/年),应用现有成果,可减少损失24%(285亿)。因此,向工程技术人员普及关于断裂和疲劳的基本概念,是十分必要的。1984 年国际疲劳杂志(Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1) 发表的国际民航组织(ICAO)“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出:80年代以来,由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故,平均每年100次。20世纪的最后十年,尽管安全水平(来源：淘豆网[/p-5370648.html])有了进一步提高,但世界民航每年发生重大死亡的飞行事故次数仍在48-57次之间。1999 年,发生飞行死亡事故次数为 48 起,事故死亡人数为 730 人。工程实际中发生的疲劳断裂破坏,占全部力学破坏的 50-90%,是机械、结构失效的最常见形式。因此,工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。2 疲劳机理2.1 疲劳定义及特点人们认识和研究疲劳问题,已经有 150年的历史。在不懈地探究材料与结构疲劳奥秘的实践中,对疲劳的认识不断地得到修正和深化。美国试验与材料协会(ASTM)在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”(ASTM E206-72)中所作的定义:在某点或某些点承受扰动应力,且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程,称为疲劳。其定义具有以下特点:1)只有在承受扰动应力作用的条件下,疲劳才会发生。所谓扰动应力,是指随时间变化的应力。更一般地,也可称之为扰动载荷,载荷可以是力、应力、应变、位移等。如图 2-1 所示,载荷随使用时间的(来源：淘豆网[/p-5370648.html])变化可以是有规则的。也可以是不规则的,甚至是随机的。如当弯矩不变时,旋转弯曲轴中某点的应力,是恒幅循环(或等幅循环)应力;起重行车吊钩分批吊起不同的重物, 承受变幅循环的应力;车辆在不平的道路上行驶,弹簧等零构件承受的载荷是随机的。图 2-1 载荷谱描述载荷—时间变化关系的图或表,称为载荷谱。图 2-1给出了应力随时间的变化,由应力给出的载荷谱称为应力谱,类似地,还有应变谱、位移谱、加速度谱等等。显然,在研究疲劳问题时,首先要研究载荷谱的描述与简化。最简单的循环载荷是恒幅应力循环载荷。图 2-2 所描述的是正弦型恒幅循环应力。显然,描述一个应力循环,至少需要二个量,如循环最大应力 Smax 和最小应力 Smin。这二者是描述循环之应力水平的基本量。基于最大应力 Smax 和最小应力 Smin,在疲劳分析中还用到以下参考量:应力变程(全幅) 定义为:S=Smax-Smin应力幅(半幅)Sa定义为:Sa max-Smin)/2平均应力Sm定义为:Sm=(Smax+Smin)/2应力比R定义为:R=(来源：淘豆网[/p-5370648.html])Smin/Smax其中,应力比 R 反映了不同的循环特征,如当 Smax=-Smin 时,R=-1;是对称循环;Smin=0 时,R=0, 是脉冲循环;Smax=Smin 时,R=1,Sa=0,是静载荷。图 2-2 不同应力比下的循环应力2)疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部静载下的破坏,取决于结构整体;疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始,形成损伤并逐渐累积,导致破坏发生。可见,局部性是疲劳的明显特点。零、构件应力集中处,常常是疲劳破坏的起源。因此,要注意细节设计,尽可能减小应力集中。疲劳研究所关心的正是这些由几何形状变化或材料缺陷等引起应力集中的局部细节,要研究这些细节处的应力应变。3)疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后,形成裂纹或完全断裂足够多的扰动载荷作用之后,从高应力或高应变的局部开始,形成裂纹, 称为裂纹起始(或裂纹萌生)。此后,在扰动载荷作用下,裂纹进一步扩展,直至到达临界尺寸而发生完全断裂。裂纹萌生—扩展—断裂三个阶段是疲劳破坏的又一特点。研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律(来源：淘豆网[/p-5370648.html]),是疲劳研究的主要任务。4)疲劳是一个发展过程由于扰动应力的作用,零、构件或结构一开始使用,就进入了疲劳的“发展过程”。所谓裂纹萌生和扩展,是这一发展过程中不断形成的损伤累积的结果。最后的断裂,标志着疲劳过程的终结。这一发展过程所经历的时间或扰动载荷作用的次数,称为“寿命”。它不仅取决于载荷水平,还依赖于其作用次数和/或时间,取决于材料抵抗疲劳破坏的能力。疲劳研究的目的就是要预测寿命,因此,要研究寿命预测的方法。材料发生疲劳破坏,要经历裂纹起始或萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展(断裂)三个阶段,疲劳总寿命也由相应的部分组成。因为裂纹失稳扩展是快速扩展,对寿命的影响很小,在估算寿命时通常不予考虑。故一般可将总寿命分为裂纹起始或萌生寿命与裂纹扩展寿命二部分,即Ntotal=Ninitiation+Npropagation进行裂纹起始寿命分析时,一般按应力—寿命或应变—寿命关系进行,称为传统疲劳;疲劳裂纹扩展寿命分析则必须考虑裂纹的存在,需用断裂力学方法研究,故称为断裂疲劳。完整的疲劳分析,既要研究(来源：淘豆网[/p-5370648.html])裂纹的起始或萌生,也要研究裂纹的扩展,并应注意二部分寿命的衔接。但在某些情况下,也可能只需要考虑裂纹起始或扩展其中之一,并由此给出其寿命的估计。例如,高强脆性材料断裂韧性低,一出现裂纹就会引起破坏,裂纹扩展寿命很短;故对于由高强度材料制造的零构件,通常只需考虑其裂纹起始寿命,即 Nt=Ni。延性材料构件有相当长的裂纹扩展寿命,则一般不宜忽略。而对于一些焊接、铸造的构件或结构,因为在制造过程中已不可避免地引入了裂纹或类裂纹缺陷,故可以忽略其裂纹起始寿命,取 Nt=Np, 即只需考虑其裂纹扩展寿命即可。2.2 疲劳断口特征疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹,记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征,而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响,因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成,具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征,这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了(来源：淘豆网[/p-5370648.html])极大的帮助。1、疲劳裂纹源区疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地,是疲劳破坏的起点,多处于机件的表面,源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮,且呈半圆形或半椭圆形。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢,裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多,所以其断口较其他两个区更为平坦,比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比,疲劳裂纹源区所占的面积最小。当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时,裂纹源则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源,每个源区所占面积往往比单个源区小,源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。通常,应力集中系数越大,名义应力越高,出现疲劳源的数目就越多,如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。当零件表面存在某类裂纹时,则零件无疲劳裂纹萌生期,疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展,这时断口上不再出现疲劳源区,只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。2、疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展(来源：淘豆网[/p-5370648.html])区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域,该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域,其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样,它是以疲劳源区为中心,与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线,又称疲劳弧线。疲劳弧线是裂纹扩展过程中,其顶端的应力大小或状态发生变化时,在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。贝纹花样是由载荷变动引起的,因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等,均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线(疲劳弧线)。贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关,而且与介质情况、温度条件等有关,材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时,则弧线清晰。所以,这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中,而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线,此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦,使该区变得光滑,呈细晶状,有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中,而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。贝纹线与裂纹扩展方向垂直,它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线,表示裂纹沿表面扩展较(来源：淘豆网[/p-5370648.html])慢,即材料对缺口不敏感,例如低碳钢;相反,若围绕裂纹源成凹向弧线,说明裂纹沿表面扩展较内部快些,表示材料对缺口敏感,如高碳钢。贝纹线间距也有不同。近疲劳源区贝纹线较细密,表明裂纹扩展较慢;远离疲劳源区则贝纹线较稀疏,表明裂纹扩展较快。疲劳裂纹扩展区在断口所占据的面积为最大,而贝纹区的面积大小取决于材料性质及构件的应力状态及应力幅等。随着应力幅的降低或材料韧性较好时,则贝纹区较大,贝纹线细而明显;反之随着应力幅的提高或材料韧性较差,则贝纹区较小,贝纹线粗而不明显。当轴类机件拉压疲劳时,若表面无应力集中(无缺口),则裂纹因截面上应力均等而沿截面等速扩展,贝纹线呈一簇平行的圆弧线。若机件表面存在应力集中(环形缺口),则因截面表层的应力比中间的高,裂纹沿表层的扩展快于中间区;高应力时,瞬断区面积相对较大,疲劳裂纹扩展区面积小,裂纹沿两边及中间扩展差别不大,贝纹线的形状为半圆弧形一半椭圆弧个波浪弧一最后凹向半椭圆弧变化。当机件弯曲疲劳时,其表面应力最大,中心最小,其贝纹线变化与缺口机件的拉压疲劳相似,如表面又存在缺口造成应力集中,则其变化程度会更大。若机件为扭转疲劳时,其最大正应力和轴向呈45°角分布,最大切应力垂直或平行轴向分布,故疲劳断口有二类,一类为正断型,另一类为切断型。脆性材料常是正断型扭转疲劳,常见的有锯齿状断口及星形断口,呈纤维状,如花键轴的断口。切应力引起的切断型疲劳断口,断面垂直或平行于轴线,此时不会出现贝纹线,有时扭转疲劳也会出现混合断裂。综上所述,应力集中影响贝纹线的形状,应力集中增大,相应的贝纹线较平坦;名义应力影响最终瞬断区的大小,名义应力增大,最终破断区的面积增加;应力状态主要影响疲劳源的位置和数量,双向弯曲,最小有两个疲劳源以及相应的扩展区,旋转弯曲则最终破断区向旋转的反方向偏转一定角度。此外,对疲劳断口有时还有另一基本特征即疲劳台阶。这是由于裂纹扩展过程中,裂纹前沿的阻力不同,而发生扩展方面上的偏离,此后裂纹开始在各自的平面上继续扩展,不同的断裂面相交而形成台阶。一次疲劳台阶出现在疲劳源区,二次疲劳台阶出现在疲劳裂纹的扩展区,它指明了裂纹的扩展方向,并与贝纹线相垂直,呈放射状射线。3、瞬时断裂区由于疲劳裂纹不断扩展,使零件或试样的有效断面逐渐减小,因此,应力不断增加。对塑性材料,当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时,便发生瞬时断裂,当材料塑性很大时,断口呈纤维状,暗灰色;对脆性材料,当裂纹扩展至材料的临界裂纹尺寸αc 时,便发生瞬时断裂,断口呈结晶状。因此,瞬时断裂是一种静载断裂,它具有静载断裂的断口形貌,是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。与其他两个区相比,瞬断区的明显特征是具有不平坦的粗糙表面,而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区,有时光亮区仅为疲劳源区。瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材料性质、几何形状、应力集中程度、加载方式及大小以及环境等因素,若应力较高或材料韧性较差,则瞬断区面积较大;反之,则瞬断区就较小。以上分别介绍了各种条件下出现的疲劳断口三个区域的一般宏观特征,它们是判断零件疲劳失效的重要证据之一。但是影响疲劳断口形貌的还有其他许多因素,诸如材料种类、强度级别及环境介质等,这些因素可能使断口三个区域的形貌及其界限模糊不清,所以实际零件的宏观断口形貌有时并不那么典型、分明。此外,在某些情况下,由于断口的宏观形貌在现场中遭破坏或者由于断口匹配面在断裂过程中受到严重磨损等原因,以至于无法借助于它的宏观形貌来判断其失效性质。在另一些情况下,虽然由断口的宏观形貌可以判断其失效性质,但尚需进一步查明引起疲劳失效的原因,这时就需要借助于微观断口分析。2.3 疲劳破坏机理2.3.1 疲劳裂纹萌生机理材料中疲劳裂纹的起始或萌生,也称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹形成后,将在使用载荷的作用下继续扩展,直至断裂发生。疲劳裂纹成核处,称为“裂纹源”。裂纹起源于高应力处。一般来说,有二种部位将会出现高应力:1) 应力集中处。材料中含有缺陷、夹杂,或构件中有孔、切口、台阶等,则这类几何不连续处将引起应力集中,成为“裂纹源”。2) 构件表面。在大多数情况下,构件中高应力区域总是在表面(或近表面)处,如承受弯曲或扭转的圆轴,其最大正应力或最大剪应力在截面半径最大的表面处。表面还难免有加工痕迹(如切削刀痕)的影响,环境腐蚀的影响。同时,表面处于平面应力状态,有利于塑性滑移的进行,而滑移是材料中裂纹成核的重要过程。金属大多是多晶体,各晶粒有各自不同排列方位。在高应力作用下,材料晶粒中易滑移平面的方位若与最大作用剪应力一致,则将发生滑移。图 2-3 微裂纹形成示意图滑移可以在单调载荷下发生,也可以在循环载荷下发生。图2-3中示出了在较大载荷作用下发生的粗滑移和在较小的循环载荷作用下发生的细滑移。在循环载荷作用下,材料表面发生滑移带“挤出”和“凹入”,进一步形成应力集中,导致微裂纹产生。滑移的发展过程与施加的载荷及循环次数有关,图 2-4 是多晶体镍中同一位置在不同循环次数时的金相照片,其中的黑色围线是晶粒边界。由图 2-4 可见,经历了 104次循环后,只有少数几处出现滑移,滑移线细,表示其深度较浅,用电解抛光将表面去除几个微米,这些浅滑移线可以消除。随着循环次数增加,滑移线(或滑移带)越来越密集,越来越粗(深),如图中到27×104次循环时所示。(a)104次(b)5×104次(c)27×104次图 2-4 循环载荷下多晶体镍中滑移的发展应当注意,滑移主要是在晶粒内进行的。深度大于几个微米的少数几条滑移带穿过晶粒,成为“持久滑移带”或称“驻留滑移带”,微裂纹正是由这些持久滑移带发展而成的。滑移只在局部高应力区发生,在其余大部分材料处,甚至直至断裂都没有什么滑移。表面光洁可延缓滑移,延长裂纹萌生寿命。2.3.2 疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹在高应力处由持久滑移带成核,是由最大剪应力控制的。形成的微裂纹与最大剪应力方向一致,如图2-5所示。图2-5 裂纹扩展二阶段在循环载荷作用下,由持久滑移带形成的微裂纹沿 45°最大剪应力作用面继续扩展或相互连接。此后,有少数几条微裂纹达到几十微米的长度,逐步汇聚成一条主裂纹,并由沿最大剪应力面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。裂纹沿 45°最大剪应力面的扩展是第 1 阶段的扩展,在最大拉应力面内的扩展是第 2 阶段的扩展。从第 1 阶段向第 2 阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力水平,但通常都在 0.05mm 内,只有几个晶粒的尺寸。第 1 阶段裂纹扩展的尺寸虽小,对寿命的贡献却很大,对于高强材料,尤其如此。与第1 阶段相比,第 2 阶段的裂纹扩展较便于观察。C. Laird(1967)直接观察了循环应力作用下延性材料中裂纹尖端几何形状的改变,提出了描述疲劳裂纹扩展的“塑性钝化模型”,如图 2-6 所示。图 2-6(a)示出了循环开始时的裂纹尖端形状;随着循环应力增加,裂纹逐步张开,裂尖材料由于高度的应力集中而沿最大剪应力方向滑移(图 b);应力进一步增大,裂纹充分张开,裂尖钝化成半圆形,开创出新的表面(图 c);卸载时已张开的裂纹要收缩,但新开创的裂纹面却不能消失,它将在卸载引入的压应力作用下失稳而在裂尖形成凹槽形;最后,在最大循环压应力作用下,又成为尖裂纹,但其长度已增加了一个 a。下一循环,裂纹又张开、钝化、扩展、锐化,重复上述过程。这样,每一个应力循环,将在裂纹面上留下一条痕迹,称之为疲劳条纹(striation)。疲劳条纹不同于前述之海滩条带, 断口上的海滩条带一般是肉眼(或用低倍放大镜)可见的;疲劳条纹在晶粒级出现,必需借助于高倍电子显微镜才能观察到;故一条海滩条带可以包含几千条甚至上万条疲劳条纹。2.3.3 疲劳断口的微观特征1976年,Crooker指出,利用高倍电子显微镜可以观察到三种不同的疲劳裂纹扩展的微观破坏形式。即微解理型(microcleavage),条纹型(striation)和(microvoid coalescence)。图2-7是我们在1984年获得的Cr12Ni2WMoV钢疲劳裂纹扩展微观观察照片。图2-7(a)是微解理型,对应于比较低的裂纹扩展速率(10-5-10-7mm/c);图2-7(b)是条纹型,对应的裂纹扩展速率约为10-6-10-3mm/c;图2-7(c)是微孔聚合型,对应于较高的疲劳裂纹扩展速率(10-4-10-1mm/c)。其中,最值得注意的是微观疲劳条纹。疲劳条纹的形成与载荷循环有关,由条纹间距可以估计裂纹扩展速率。微观“疲劳条纹”不同于前述之断口宏观疲劳“海滩条带”,海滩条带的形成与周期载荷循环块对应,肉眼可见;疲劳条纹与单个循环载荷对应,需要利用高倍电镜(103-104倍)才能观察,一条海滩条带可能含有成上千上万条条纹。播放器加载中，请稍候...
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