课疲劳失效的微观过程和机制

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1、第八章疲劳失效的微观过程和机制为了建立能精确地估算零件疲劳寿命的模型和提出经济而有效的延寿技术，因而对疲劳失效过程及各阶段的机制要有清楚的认识。疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成、裂纹扩展、当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂。8．1疲劳裂纹形成的过程和机制宏观尺度的疲劳裂纹形成一般包括这样三个阶段：微裂纹的形成，微裂纹的长大和微裂纹的联接。疲劳裂纹通常形成于试件或零件的表面。在某些情况下，例如接触疲劳，表面硬化钢，疲劳裂纹也会在表面层下一定的深度处形成。疲劳微裂纹的形成可能有三种方式：1）表面滑移带开裂。2）夹杂物与基体相界

2、面的分离或夹杂物本身断裂。3）晶界或亚晶界开裂。循环滑移带:在循环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带,称为循环滑移带。拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域，如图所示。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。单向拉伸时形成的滑移带旋转弯曲疲劳时形成的滑移带持久滑移带(PersistSlipBand)循环滑移带的又一个特征是它的持久性。在疲劳试验的初期，就能观察到滑移带。随着加载循环数的增加，循环滑移带的数目和滑移强度均增加。对试件进行电解抛光，多数滑移带更为明显；若

3、除去滑移带，对试件重新循环加载，滑移带又在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带(PersistSlipBand)。疲劳裂纹在持久滑移带中出现。Cu合金PSB(PersistSlipBand)2024-T4铝合金中的滑移带裂纹已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而晶粒细化有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。晶界或亚晶界

4、开裂镍基超合金在室温下疲劳裂纹沿滑移面形成（左）镍基超合金在800℃下循环加载时由晶界上的微孔联接而形成的沿晶疲劳裂纹（右）夹杂物与基体相界开裂环境作用8．2疲劳裂纹扩展过程和机制对光滑试件，疲劳裂纹扩展可分为I、II两个阶段。第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o的方向，即在切应力最大的滑移面内扩展，如图所示。第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为1~2个晶粒，并且随着名义应力范围的升高而减小；在切口试件中，可能不出现裂纹扩展的第I阶段。铝合合光滑试件中疲劳裂纹扩展的两个阶段裂纹扩展进入第II阶段，其扩展方向与拉应力垂直(见上图)。在裂纹扩展的

5、第II阶段中，疲劳断口在电子显微镜下可显示出疲劳条带，如图所示，图的右上角为循环加载程序。塑性钝化模型疲劳条带的形成通常引用塑性钝化模型予以说明。可见，每加载一次，裂纹向前扩展一段距离，这就是裂纹扩展速率da/dN，同时在断口上留下一疲劳条带，而且裂纹扩展是在拉伸加载时进行的。在这些方面，裂纹扩展的塑性钝化模型与实验观测结果相符。疲劳条带只在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的铝合金、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微区解理(Microcleavage)或沿晶分离的方式扩展，因而在这类

6、材料的疲劳断口上不能观察到疲劳条带。能否观察到疲劳条带还取决于实验条件。当裂纹扩展速率da/dN＝10-7m/cycle的量级时，疲劳条带最为明显。而当da/dN＜10-9m／cycle时，很难甚至不可能观察到疲劳条带；此时，疲劳断口上可能出现解理小平面或沿晶的特征。不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳状条纹相混淆。若在电子显微镜下观察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组成的。典型的疲劳断口疲劳裂纹形成于零件的表面，然后在各个方向上以近似相等的速度扩展，同时形成辐射状的疲劳沟。沿着疲劳沟可画出辐射线，辐射线的交点即为裂纹形成的位置——疲劳

7、源。8、3疲劳裂纹扩展速率及门槛值裂纹由初始尺寸扩展到临界尺寸所经历的加载循环数，即为裂纹扩展寿命Np。为了能精确地估算裂纹扩展寿命及延长裂纹扩展寿命，需要研究疲劳裂纹扩展的一般规律和影响因素，以及疲劳裂纹扩展速率表达式。8、3．1疲劳裂纹速率的测定测定裂纹扩展速率采用紧凑拉伸(CT)试件、中心裂纹(CCT)试件或三点弯曲试件，在固定的载荷△P和应力比R下进行。实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度a，作出a-N关系曲线。对a-N曲线求导，即得裂纹扩展速率，da/dN，也就是每循环一次裂纹扩展的距离，单位为m/cycle。8、3．2疲劳裂纹

8、扩展速率曲线将相应的裂纹长度a和△P，代入应力强度因子表达式计算出△K。最后，绘制出da/dN-△K关系曲线，即疲劳裂纹扩展速率曲线，如图所示。裂纹扩展速率曲线的分