疲勞失效的微觀過程和機制

1、材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院第八章第八章 疲勞失效的微觀過程和機制疲勞失效的微觀過程和機制材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院為了建立能精確地估算零件疲勞壽命的模型和提出經濟而有效的延壽技術，因而對疲勞失效過程及各階段的機制要有清楚的認識。疲勞失效過程可以分為三個主要階段：疲勞裂紋形成、裂紋擴展、當裂紋擴展達到臨界尺寸時，發(fā)生最終的斷裂。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院81 疲勞裂紋形成的過程和機制疲勞裂紋形成的過程和機制 宏觀尺度的疲勞裂紋形成一般包括這樣三個階段：微裂紋的形成，微裂紋的長大和微裂紋的聯(lián)接。 疲勞裂紋通常形成

2、于試件或零件的表面。在某些情況下，例如接觸疲勞，表面硬化鋼，疲勞裂紋也會在表面層下一定的深度處形成。 疲勞微裂紋的形成可能有三種方式：1）表面滑移帶開裂。2）夾雜物與基體相界面的分離或夾雜物本身斷裂。3）晶界或亞晶界開裂。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院循環(huán)滑移帶 在循環(huán)載荷作用下, 即使循環(huán)應力不超過屈服強度，也會在試件表面形成滑移帶, 稱為循環(huán)滑移帶。 拉伸時形成的滑移帶分布較均勻，而循環(huán)滑移帶則集中于某些局部區(qū)域，如圖所示。而且在循環(huán)滑移帶中會出現擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。材料的力學性能主講教師:

3、 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院單向拉伸時形成的滑移帶 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院旋轉彎曲疲勞時形成的滑移帶 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院持久滑移帶(Persist Slip Band) 循環(huán)滑移帶的又一個特征是它的持久性。在疲勞試驗的初期，就能觀察到滑移帶。隨著加載循環(huán)數的增加，循環(huán)滑移帶的數目和滑移強度均增加。對試件進行電解拋光，多數滑移帶更為明顯； 若除去滑移帶，對試件重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再現。這種滑移帶稱為持久滑移帶(Persist Slip Band)。 疲勞裂紋在持久滑移帶中出現。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)

4、大學 材料學院Cu合金PSB (Persist Slip Band) 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院 2024-T4鋁合金中的滑移帶裂紋 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院 已形成的微裂紋在循環(huán)加載時將繼續(xù)長大。 當微裂紋頂端接近晶界時，其長大速率減小甚至停止長大。這必然是因為相鄰晶粒內滑移系的取向不同。 微裂紋只有穿過晶界，才能與相鄰晶粒內的微裂紋聯(lián)接，或向相鄰晶粒內擴展，以形成宏觀尺度的

5、疲勞裂紋。 因為晶界有阻礙微裂紋長大和聯(lián)接的作用，因而晶粒細化有利于延長疲勞裂紋形成壽命和疲勞壽命。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院晶界或亞晶界開裂材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院夾雜物與基體相界開裂材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院環(huán)境作用材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院82 疲勞裂紋擴展過程和機制疲勞裂紋擴展過程和機制 對光滑試件，疲勞裂紋擴展可分為I、II兩個階段。 第I階段，裂紋沿著與拉應力成

6、45o 的方向，即在切應力最大的滑移面內擴展，如圖所示。 第I階段裂紋擴展的距離一般都很小，約為1-2個晶粒，并且隨著名義應力范圍的升高而減小； 在切口試件中，可能不出現裂紋擴展的第I階段。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院鋁合合光滑試件中疲勞裂紋擴展的兩個階段 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院 裂紋擴展進入第II階段，其擴展方向與拉應力垂直(見上圖)。 在裂紋擴展的第II階段中，疲勞斷口在電子顯微鏡下可顯示出疲勞條帶，如圖所示，圖的右上角為循環(huán)加載程序。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院塑性鈍化模型 疲勞條帶的形成通常引用塑性鈍化

7、模型予以說明。可見，每加載一次，裂紋向前擴展一段距離，這就是裂紋擴展速率da/dN，同時在斷口上留下一疲勞條帶，而且裂紋擴展是在拉伸加載時進行的。在這些方面，裂紋擴展的塑性鈍化模型與實驗觀測結果相符。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院 疲勞條帶只在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的鋁合金、奧氏體不銹鋼等的疲勞斷口上清晰地觀察到。 在一些低塑性材料中，如粗片狀珠光體鋼，疲勞裂紋以微區(qū)解理(Microcleavage)或沿晶分離的方式擴展，因而在這類材料的疲勞斷口上不能觀察到疲勞條帶。 能否觀察到疲勞條帶還取決于實驗條件

8、。當裂紋擴展速率da/dN10-7 m/cycle的量級時，疲勞條帶最為明顯。而當da/dN10-9 mcycle時，很難甚至不可能觀察到疲勞條帶；此時，疲勞斷口上可能出現解理小平面或沿晶的特征。 不可將疲勞條帶與宏觀疲勞斷口上的貝殼狀條紋相混淆。若在電子顯微鏡下觀察貝殼狀條紋，可以看出它是由很多疲勞條帶組成的。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院典型的疲勞斷口 疲勞裂紋形成于零件的表面，然后在各個方向上以近似相等的速度擴展，同時形成輻射狀的疲勞溝。 沿著疲勞溝可畫出輻射線，輻射線的交點即為裂紋形成的位置疲勞源。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力

9、學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院8、3疲勞裂紋擴展速率及門檻值疲勞裂紋擴展速率及門檻值 裂紋由初始尺寸擴展到臨界尺寸所經歷的加載循環(huán)數，即為裂紋擴展壽命Np 。為了能精確地估算裂紋擴展壽命及延長裂紋擴展壽命，需要研究疲勞裂紋擴展的一般規(guī)律和影響因素，以及疲勞裂紋擴展速率表達式。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院8、31 疲勞裂紋擴展疲勞裂紋擴展速率速率的測定的測定 測定裂紋擴展速率采用緊湊拉伸(CT)試件、中心裂紋(CCT)試件或三點彎曲試件，在固定的載荷P和應力比R下進行。 實驗時每隔一定的加載循環(huán)數，測定裂紋長度a，作出a-N關系曲線。 對a-N 曲線求導

10、，即得裂紋擴展速率，da/dN ，也就是每循環(huán)一次裂紋擴展的距離，單位為 m/cycle。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院8、32 疲勞裂紋擴展速率曲線疲勞裂紋擴展速率曲線 將相應的裂紋長度 a和P，代入應力強度因子表達式計算出K 。最后，繪制出da/dN-K關系曲線，即疲勞裂紋擴展速率曲線，如圖所示。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院裂紋擴展速率曲線的分區(qū) 一條完整的疲勞裂紋擴展速率曲線可以分為三個區(qū)：區(qū)、區(qū)和 區(qū): 區(qū)，裂紋擴展速率隨著K的降低而迅速降低，以至da/dN0。與此相對應的K值稱

11、為疲勞裂紋擴展門檻值，記為Kth 。實驗測定的裂紋擴展門檻值常定義為：da/dN1310-10 m/cycle時的K值。又將區(qū)稱為近門檻區(qū)。 區(qū)，為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)，對應于da/dN 10-8-10-6 mcycle。 在區(qū)， 裂紋擴展速率在log da/dN - logK 雙對數坐標上呈一直線。 區(qū)，為裂紋快速擴展區(qū)，da/dN 10-6 - 10-5 mcycle, 并隨著K的增大而迅速升高。當KmaxK/(1-R)=KI C 時，試件或零件斷裂。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院應力比對裂紋擴展速率的影響 實驗研究表明，在區(qū)和區(qū)，裂紋擴展速率受到材料的顯微組織、應力

12、比和環(huán)境等內外因素的很大影響；而在區(qū)，上述因素的影響相對地較小。 圖表示應力比對區(qū)和 區(qū)的裂紋擴展速率影響很大，而對區(qū)的影響則較小。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院8、33 疲勞裂紋擴展速率表達式疲勞裂紋擴展速率表達式 為了精確地估算零件的裂紋擴展壽命，需要研究裂紋擴展模型和表達式。最著名、應用最廣的是Paris提出的裂紋擴展速率公式：da/dN C K m 式中 C，m為實驗測定的常數。Paris公式僅適用于區(qū)。 Paris的主要貢獻是將應力強度因子引入疲勞裂紋擴展的研究，對疲勞裂紋擴展的研究起了巨大的推動作用。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院適

13、用于 、兩區(qū)的裂紋擴展公式： da/dN = B ( K Kt h ) 2 對于疲勞裂紋以條帶機制擴展的合金，B15.9E 2 對其他的裂紋擴展機制，B1/(2Eff) 適用于三個區(qū)的裂紋擴展公式 ：2/32/121118 . 4CthKRKKKEdNda材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院8、34 降低疲勞裂紋擴展速率的降低疲勞裂紋擴展速率的途徑途徑 近門檻區(qū)的裂紋擴展速率主要決定于裂紋擴展門檻值Kth之值；相同的K下，提高Kth之值，使裂紋擴展速率大大降低。 粗化晶粒將提高材料的疲勞裂紋擴展門檻值Kth之值，見圖，因而降低材料在近門檻區(qū)的裂紋擴展速率。 在區(qū),裂紋擴展速率

14、主要取決于裂紋擴展系數B。而B之值取決于材料的性能和裂紋在區(qū)的擴展機制， 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院8、35 疲勞裂紋擴展壽命估算疲勞裂紋擴展壽命估算* 零件的裂紋擴展壽命Np，可按下式估算， 式中(da/dN)代表疲勞裂紋擴展速率表達式。 按上式計算裂紋擴展壽命，要選擇合適的裂紋擴展速率公式，確定初始裂紋尺寸ai和臨界裂紋尺寸 ac，即積分的上、下限。 目前，很多工程師仍采用Paris公式或作修正后的Parjs公式，計算裂紋擴展壽命。ciaapdNdadaN)/(材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材

15、料學院84 延壽技術延壽技術 在很多構件中，尤其是高強度材料制成的構件中，裂紋形成壽命在疲勞總壽命占主要部分。因此，在本節(jié)中將要討論各種組織和工藝因素對裂紋形成壽命的影響，以及相應的延壽技術措施。 應當注意，延長裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命的技術措施，有時是互相矛盾的。在這種情況下，應當根據構件的疲勞設計思想對材料提出的要求，確定最佳的延壽技術方案。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院細化晶粒細化晶粒 隨著晶粒尺寸的減小，合金的裂紋形成壽命和疲勞總壽命延長； 晶粒細化可以提高金屬的微量塑性抗力，使塑性變形均勻分布，因而會延緩疲勞微裂紋的形成； 晶界有阻礙微裂紋長大和聯(lián)接作用。材

16、料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院減少和細化合金中的夾雜物減少和細化合金中的夾雜物 細化合金中的夾雜物顆粒，可以延長疲勞壽命。合金表面上和近表面層(Subsurface)的夾雜物尺寸對疲勞壽命的影響如圖所示。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院微量合金化微量合金化 微量合金化是改善低碳鋼綜合力學性能的經濟而有效的方法。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院改善切口根部的表面狀態(tài)改善切口根部的表面狀態(tài) 切削加工會引起零件表面層的幾何、物理和化學的變化。這些變化包括：表面光潔度、表面層殘余應力和金屬的加工硬化。常將這三者合稱表面完整性。 在化學

17、和電化學加工中，表層金屬可能吸氫而變脆。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院 切削加工在切口根部表面造成的殘余壓應力和應變硬化，提高裂紋形成壽命； 退火消除表面殘余壓應力和應變硬化，因而降低裂紋形成壽命(見圖)。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院 切口根部表面光潔度愈高，裂紋形成壽命愈長； 在低的循環(huán)應力下，提高切口根部表面光潔度延長裂紋形成壽命的效果更為顯著，如圖所示。材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院表面強化表面強化 表面強化是既能延長裂紋形成壽命，又能延長裂紋擴展壽命的有效方法。 最近的研究工作表明，帶中心孔的鋁合金試件孔壁經擠壓

18、強化后，裂紋形成壽命大為提高，如圖所示。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院減少高強度鋼中的殘余奧氏體減少高強度鋼中的殘余奧氏體 將高強度馬氏體綱中的殘余奧氏體由12減少到5，可使30CrMnSiNi2A鋼的屈服強度由970 MPa提高到1320 MPa，裂紋形成壽命在短壽命范圍內延長約30。 盡管殘余奧氏體能延長裂紋擴展壽命，但高強度鋼零件的裂紋形成壽命在疲勞總壽命中占主要部分，因而降低殘余奧氏體含量以提高屈服強度和延長裂紋形成壽命，對靜強度和疲勞總壽命將更有利。 材料的力學性能主講教師: 王 泓西北工業(yè)大學 材料學院85 研究裂紋萌生和擴展的試驗方法研究裂紋萌生和擴展的試驗方法 疲勞失效過程的分析表明，疲勞壽命由裂紋形成壽命Ni（Fatigue Crack Initiation Life） 和裂紋擴展壽命Np（Crack Propagation Life）兩部分所組成