疲勞與斷裂結課小結

1、金屬疲勞與斷裂學習報告院（系）：材料科學與工程學院專業(yè)班級：研1308學生姓名：王紅偉指導教師：周勇完成日期：2014年5月25日1緒論疲勞（Fatigue）W斷裂（Fracture）ll引起工程結構和構件失效的最主要的原因。在面向21世紀的今天，人們對傳統(tǒng)強度（靜載荷作用、無缺陷材料的強度）的認識已相當深刻，工程中強度設計的實踐經驗和積累也十分豐富，對于傳統(tǒng)強度的控制能力也大大增強。因此，疲勞與斷裂引起的失效在工程失效中越來越突出。19世紀中葉以來，人們?yōu)檎J識和控制疲勞破壞進行了不懈的努力，在疲勞現象的觀察、疲勞機理的認識、疲勞規(guī)律的研究、疲勞壽命的預測和抗疲勞設計技術的發(fā)展等方面積累了豐富

2、的知識。20世紀50年代斷裂力學的發(fā)展，進一步促進了疲勞裂紋擴展規(guī)律及失效控制的研究。疲勞斷裂失效涉及到擾動使用載荷的多次作用，涉及到材料缺陷的形成與擴展，涉及到使用環(huán)境的影響等等，問題的復雜性是顯而易見的。因此，疲勞斷裂的許多問題的認識和根本解決，還有待于進一步深入的研究。盡管如此，了解現代研究成果，掌握疲勞與斷裂的基本概念、規(guī)律和方法，對于廣大工程技術在實踐中成功地進行抗疲勞斷裂設計無疑是十分有益的。發(fā)生斷裂是因為有裂紋存在，而裂紋萌生并擴展到足以引起斷裂的原因則很少不是由于疲勞。如二次大戰(zhàn)期間美國制造的全焊接船舶，有近千艘出現開裂，200余艘發(fā)生嚴重斷裂破壞。1952年，第一架噴氣式客機

3、（英國的慧星號）在試飛300多小時后投入使用。1954年元月一次檢修后的第四天，飛行中突然失事墜入地中海。打撈起殘骸并進行研究后的結論認為，事故是由壓力艙的疲勞破壞引起的，疲勞裂紋起源于機身開口拐角處。1967年12月15日，美國西弗吉尼亞PointPleasan橋突然毀壞，46人死亡，事故是由一根帶環(huán)拉桿中的缺陷在疲勞、腐蝕的作用下擴展到臨界尺寸而引起的。1980年3月27日下午6時半，英國北海Ekofisk油田的AlexanderL.Kielland號鉆井平臺傾復，127人落水只救起89人。事故分析表明，裂紋由325mm的撐管與支腿連接的焊縫處起始，在疲勞載荷（主要是波浪力）的作用下，擴展

4、100多毫米后發(fā)生斷裂，導致平臺傾復的事故。80年代初，美國眾議院科技委員會委托國家標準局進行了一次關于斷裂所造成的損失的大型綜合調查。198孫，在“國際斷裂”雜志（Int.J.Fracture,VOl.23,No.3,1983.譯文見力學進展”，No.2,1985）上發(fā)表了調查委員會給國會的報告。報告指出，斷裂使美國一年損失1190乙美元，占1982年國家總產值的4%。遭受損失最嚴重的三個行業(yè)是：車輛業(yè)（125億/年），建筑業(yè)（100億/年），航空工業(yè)（67億/年）。值得注意的是報告還指出，向工程技術人員普及關于斷裂的基本概念和知識，可減少損失29%（345億/年），應用現有成果，可減少損失

5、24%（285億）。因此，向工程技術人員普及關于斷裂和疲勞的基本概念，是十分必要的。1984年國際疲勞雜志(Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1)發(fā)表的國際民航組織(ICAO)涉及金屬疲勞斷裂的重大飛機失事調查”指出：80年代以來，由金屬疲勞斷裂引起的機毀人亡重大事故，平均每年100次。20世紀的最后十年，盡管安全水平有了進一步提高，但世界民航每年發(fā)生重大死亡的飛行事故次數仍在48-57次之間。1999年，發(fā)生飛行死亡事故次數為48起，事故死亡人數為730人。工程實際中發(fā)生的疲勞斷裂破壞，占全部力學破壞的50-90%,是機械、結構失效的最常見形式。因此，工程技術人員必須認真考慮可能

6、的疲勞斷裂問題。2疲勞機理2.1疲勞定義及特點人們認識和研究疲勞問題，已經有150年的歷史。在不懈地探究材料與結構疲勞奧秘的實踐中，對疲勞的認識不斷地得到修正和深化。美國試驗與材料協(xié)會(ASTM)在疲勞試驗及數據統(tǒng)計分析之有關術語的標準定義"(ASTME206-72)中所作的定義：在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結構變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。其定義具有以下特點：1)只有在承受擾動應力作用的條件下，疲勞才會發(fā)生。所謂擾動應力，是指隨時間變化的應力。更一般地，也可稱之為擾動載荷，載荷可以是力、應力、應變、位移等。如圖2-1

7、所示，載荷隨使用時間的變化可以是有規(guī)則的。也可以是不規(guī)則的，甚至是隨機的。如當彎矩不變時，旋轉彎曲軸中某點的應力，是恒幅循環(huán)(或等幅循環(huán))應力；起重行車吊鉤分批吊起不同的重物，承受變幅循環(huán)的應力；車輛在不平的道路上行駛，彈簧等零構件承受的載荷是隨機的。圖2-1載荷譜描述載荷一時間變化關系的圖或表，稱為載荷譜。圖2-1給出了應力隨時間的變化，由應力給出的載荷譜稱為應力譜，類似地，還有應變譜、位移譜、加速度譜等等。顯然，在研究疲勞問題時，首先要研究載荷譜的描述與簡化。最簡單的循環(huán)載荷是恒幅應力循環(huán)載荷。圖2-2所描述的是正弦型恒幅循環(huán)應力。顯然，描述一個應力循環(huán)，至少需要二個量，如循環(huán)最大應力Sm

8、ax和最小應力Smino這二者是描述循環(huán)之應力水平的基本量?；谧畲髴max和最小應力Smin,在疲勞分析中還用到以下參考量：應力變程（全幅）S定義為：S=SmaxSmin應力幅（半幅）S獨義為：Sa-S/2-（Smax-Smin）/2平均應力Sm定義為：Sm=（Smax+Smin）/2應力比R定義為：R=Smin/Smax其中，應力比R反映了不同的循環(huán)特征，如當Smax=-Smin時，R=-1；是對稱循環(huán);Smin=0 時，R=0,是脈沖循環(huán)；Smax=Smin時，R=1,Sa=0,是靜載荷。不同應力比下的循環(huán)應力SR=10t靜載圖2-22）疲勞破壞起源于高應力或高應變的局部靜載下的破壞

9、，取決于結構整體；疲勞破壞則由應力或應變較高的局部開始，形成損傷并逐漸累積，導致破壞發(fā)生?？梢?，局部性是疲勞的明顯特點。零、構件應力集中處，常常是疲勞破壞的起源。因此，要注意細節(jié)設計，盡可能減小應力集中。疲勞研究所關心的正是這些由幾何形狀變化或材料缺陷等引起應力集中的局部細節(jié)，要研究這些細節(jié)處的應力應變。3）疲勞破壞是在足夠多次的擾動載荷作用之后，形成裂紋或完全斷裂足夠多的擾動載荷作用之后，從高應力或高應變的局部開始，形成裂紋，稱為裂紋起始（或裂紋萌生）。此后，在擾動載荷作用下，裂紋進一步擴展，直至到達臨界尺寸而發(fā)生完全斷裂。裂紋萌生一擴展一斷裂三個階段是疲勞破壞的又一特點。研究疲勞裂紋萌生和

10、擴展的機理及規(guī)律，是疲勞研究的主要任務。4）疲勞是一個發(fā)展過程由于擾動應力的作用，零、構件或結構一開始使用，就進入了疲勞的發(fā)展過程”。所謂裂紋萌生和擴展，是這一發(fā)展過程中不斷形成的損傷累積的結果。最后的斷裂，標志著疲勞過程的終結。這一發(fā)展過程所經歷的時間或擾動載荷作用的次數，稱為壽命”。它不僅取決于載荷水平，還依賴于其作用次數和/或時間，取決于材料抵抗疲勞破壞的能力。疲勞研究的目的就是要預測壽命，因此，要研究壽命預測的方法。材料發(fā)生疲勞破壞，要經歷裂紋起始或萌生、裂紋穩(wěn)定擴展和裂紋失穩(wěn)擴展（斷裂）三個階段，疲勞總壽命也由相應的部分組成。因為裂紋失穩(wěn)擴展是快速擴展，對壽命的影響很小，在估算壽命時

11、通常不予考慮。故一般可將總壽命分為裂紋起始或萌生壽命與裂紋擴展壽命二部分，即Ntotal=Ninitiation+Npropagation進行裂紋起始壽命分析時，一般按應力一壽命或應變一壽命關系進行，稱為傳統(tǒng)疲勞；疲勞裂紋擴展壽命分析則必須考慮裂紋的存在，需用斷裂力學方法研究，故稱為斷裂疲勞。完整的疲勞分析，既要研究裂紋的起始或萌生，也要研究裂紋的擴展，并應注意二部分壽命的銜接。但在某些情況下，也可能只需要考慮裂紋起始或擴展其中之一，并由此給出其壽命的估計。例如，高強脆性材料斷裂韌性低，一出現裂紋就會引起破壞，裂紋擴展壽命很短；故對于由高強度材料制造的零構件，通常只需考慮其裂紋起始壽命，即Nt

12、=Nio延性材料構件有相當長的裂紋擴展壽命，則一般不宜忽略。而對于一些焊接、鑄造的構件或結構，因為在制造過程中已不可避免地引入了裂紋或類裂紋缺陷，故可以忽略其裂紋起始壽命，取Nt=Np,即只需考慮其裂紋擴展壽命即可。2.2 疲勞斷口特征疲勞斷口保留了整個斷裂過程的所有痕跡，記錄了很多斷裂信息。具有明顯區(qū)別于其他任何性質斷裂的斷口形貌特征，而這些特征又受材料性質、應力狀態(tài)、應力大小及環(huán)境因素的影響，因此對疲勞斷口分析是研究疲勞過程、分析疲勞失效原因的重要方法。一個典型的疲勞斷口往往由疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)三個海M圾具便型的貝殼刃域海灘狀提解特征,這稗1征給疲勞失效的鑒別工作帶來

13、了極大的幫助。1、疲勞裂紋源區(qū)疲勞裂紋源區(qū)是疲勞裂紋萌生的策源地，是疲勞破壞的起點，多處于機件的表面，源區(qū)的斷口形貌多數情況下比較平坦、光亮，且呈半圓形或半橢圓形。因為裂紋在源區(qū)內的擴展速率緩慢，裂紋表面受反復擠壓、摩擦次數多，所以其斷口較其他兩個區(qū)更為平坦，比較光亮。在整個斷口上與其他兩個區(qū)相比，疲勞裂紋源區(qū)所占的面積最小。當表面承受足夠高的殘余壓應力或材料內部存在嚴重的冶金缺陷時，裂紋源則向次表面或機件內部移動。有時在疲勞斷口上也會出現多個裂紋源，每個源區(qū)所占面積往往比單個源區(qū)小，源區(qū)斷口特征不一定都具有像單個源區(qū)那樣典型的形貌。裂紋源的數目取決于材料的性質、機件的應力狀態(tài)以及交變載荷狀況

14、等。通常，應力集中系數越大，名義應力越高，出現疲勞源的數目就越多，如低周疲勞斷口上常有幾個位于不同位置的疲勞裂紋源區(qū)。當零件表面存在某類裂紋時，則零件無疲勞裂紋萌生期，疲勞裂紋在交變載荷作用下直接由該類裂紋根部向縱深擴展，這時斷口上不再出現疲勞源區(qū)，只有裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。2、疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞裂紋擴展區(qū)是疲勞裂紋形成后裂紋慢速擴展形成的區(qū)域，該區(qū)是判斷疲勞斷裂的最重要特征區(qū)域，其基本特征是呈現貝殼花樣或海灘花樣，它是以疲勞源區(qū)為中心，與裂紋擴展方向相垂直的呈半圓形或扇形的弧形線，又稱疲勞弧線。疲勞弧線是裂紋擴展過程中，其頂端的應力大小或狀態(tài)發(fā)生變化時，在斷裂面上留下的塑性變形的痕跡。貝紋

15、花樣是由載荷變動引起的，因為機器運轉時不可避免地常有啟動、停歇、偶然過載等，均可留下塑性變形的痕跡一貝紋線（疲勞弧線）。貝紋線的清晰度不僅與材料的性質有關，而且與介質情況、溫度條件等有關，材料的塑性好、溫度高、有腐蝕介質存在時，則弧線清晰。所以，這種弧線特征總是出現在實際機件的疲勞斷口中，而在實驗室的試件疲勞斷口中很難看到明顯的貝紋線，此時疲勞斷口表面由于多次反復壓縮而摩擦，使該區(qū)變得光滑，呈細晶狀，有時甚至光潔得像瓷質狀結構。一般貝紋線常見于低應力高周疲勞斷口中，而低周疲勞以及許多高強度鋼、灰鑄鐵中觀察不到此種貝紋狀的推進線。貝紋線與裂紋擴展方向垂直，它可以是繞著裂紋源向外凸起的弧線，表示裂

16、紋沿表面擴展較慢，即材料對缺口不敏感，例如低碳鋼；相反，若圍繞裂紋源成凹向弧線，說明裂紋沿表面擴展較內部快些，表示材料對缺口敏感，如高碳鋼。貝紋線間距也有不同。近疲勞源區(qū)貝紋線較細密，表明裂紋擴展較慢；遠離疲勞源區(qū)則貝紋線較稀疏，表明裂紋擴展較快。疲勞裂紋擴展區(qū)在斷口所占據的面積為最大，而貝紋區(qū)的面積大小取決于材料性質及構件的應力狀態(tài)及應力幅等。隨著應力幅的降低或材料韌性較好時，則貝紋區(qū)較大，貝紋線細而明顯；反之隨著應力幅的提高或材料韌性較差，則貝紋區(qū)較小，貝紋線粗而不明顯。當軸類機件拉壓疲勞時，若表面無應力集中（無缺口），則裂紋因截面上應力均等而沿截面等速擴展，貝紋線呈一簇平行的圓弧線。若機

17、件表面存在應力集中（環(huán)形缺口），則因截面表層的應力比中間的高，裂紋沿表層的擴展快于中間區(qū)；高應力時，瞬斷區(qū)面積相對較大，疲勞裂紋擴展區(qū)面積小，裂紋沿兩邊及中間擴展差別不大，貝紋線的形狀為半圓弧形一半橢圓弧個波浪弧一最后凹向半橢圓弧變化。當機件彎曲疲勞時，其表面應力最大，中心最小，其貝紋線變化與缺口機件的拉壓疲勞相似，如表面又存在缺口造成應力集中，則其變化程度會更大。若機件為扭轉疲勞時，其最大正應力和軸向呈45°角分布，最大切應力垂直或平行軸向分布，故疲勞斷口有二類，一類為正斷型，另一類為切斷型。脆性材料常是正斷型扭轉疲勞，常見的有鋸齒狀斷口及星形斷口，呈纖維狀，如花鍵軸的斷口。切應力

18、引起的切斷型疲勞斷口，斷面垂直或平行于軸線，此時不會出現貝紋線，有時扭轉疲勞也會出現混合斷裂。綜上所述，應力集中影響貝紋線的形狀，應力集中增大，相應的貝紋線較平坦；名義應力影響最終瞬斷區(qū)的大小，名義應力增大，最終破斷區(qū)的面積增加；應力狀態(tài)主要影響疲勞源的位置和數量，雙向彎曲，最小有兩個疲勞源以及相應的擴展區(qū)，旋轉彎曲則最終破斷區(qū)向旋轉的反方向偏轉一定角度。止匕外，對疲勞斷口有時還有另一基本特征即疲勞臺階。這是由于裂紋擴展過程中，裂紋前沿的阻力不同，而發(fā)生擴展方面上的偏離，此后裂紋開始在各自的平面上繼續(xù)擴展，不同的斷裂面相交而形成臺階。一次疲勞臺階出現在疲勞源區(qū)，二次疲勞臺階出現在疲勞裂紋的擴展

19、區(qū)，它指明了裂紋的擴展方向，并與貝紋線相垂直，呈放射狀射線。3、瞬時斷裂區(qū)由于疲勞裂紋不斷擴展，使零件或試樣的有效斷面逐漸減小，因此，應力不斷增加。對塑性材料，當疲勞裂紋擴展至凈截面的應力達到材料的斷裂應力時，便發(fā)生瞬時斷裂，當材料塑性很大時，斷口呈纖維狀，暗灰色；對脆性材料，當裂紋擴展至材料的臨界裂紋尺寸ac時，便發(fā)生瞬時斷裂，斷口呈結晶狀。因此，瞬時斷裂是一種靜載斷裂，它具有靜載斷裂的斷口形貌，是裂紋最后失穩(wěn)快速擴展所形成的斷口區(qū)域。與其他兩個區(qū)相比，瞬斷區(qū)的明顯特征是具有不平坦的粗糙表面，而裂紋源區(qū)及裂紋擴展區(qū)則為光亮區(qū)，有時光亮區(qū)僅為疲勞源區(qū)。瞬斷區(qū)的斷口形貌及其所占面積取決于材料性質

20、、幾何形狀、應力集中程度、加載方式及大小以及環(huán)境等因素，若應力較高或材料韌性較差，則瞬斷區(qū)面積較大；反之，則瞬斷區(qū)就較小。以上分別介紹了各種條件下出現的疲勞斷口三個區(qū)域的一股宏觀特征，它們是判斷零件疲勞失效的重要證據之一。但是影響疲勞斷口形貌的還有其他許多因素，諸如材料種類、強度級別及環(huán)境介質等，這些因素可能使斷口三個區(qū)域的形貌及其界限模糊不清，所以實際零件的宏觀斷口形貌有時并不那么典型、分明。止匕外，在某些情況下，由于斷口的宏觀形貌在現場中遭破壞或者由于斷口匹配面在斷裂過程中受到嚴重磨損等原因，以至于無法借助于它的宏觀形貌來判斷其失效性質。在另一些情況下，雖然由斷口的宏觀形貌可以判斷其失效性

21、質，但尚需進一步查明引起疲勞失效的原因，這時就需要借助于微觀斷口分析。2.3 疲勞破壞機理2.3.1 疲勞裂紋萌生機理材料中疲勞裂紋的起始或萌生，也稱為疲勞裂紋成核。疲勞裂紋形成后，將在使用載荷的作用下繼續(xù)擴展，直至斷裂發(fā)生。疲勞裂紋成核處，稱為裂紋源”。裂紋起源于高應力處。一般來說，有二種部位將會出現高應力：1）應力集中處。材料中含有缺陷、夾雜，或構件中有孔、切口、臺階等，則這類幾何不連續(xù)處將引起應力集中，成為裂紋源”。2）構件表面。在大多數情況下，構件中高應力區(qū)域總是在表面（或近表面）處,如承受彎曲或扭轉的圓軸，其最大正應力或最大剪應力在截面半徑最大的表面處。表面還難免有加工痕跡（如切削刀

22、痕）的影響，環(huán)境腐蝕的影響。同時，表面處于平面應力狀態(tài)，有利于塑性滑移的進行，而滑移是材料中裂紋成核的重要過程。金屬大多是多晶體，各晶粒有各自不同排列方位。在高應力作用下，材料品粒中易滑移平面的方位若與最大作用剪應力一致，則將發(fā)生滑移。材料表面b）細滑移約0. 1 L皿圖2-3微裂紋形成示意圖滑移可以在單調載荷下發(fā)生，也可以在循環(huán)載荷下發(fā)生。圖2-3中示出了在較大載荷作用下發(fā)生的粗滑移和在較小的循環(huán)載荷作用下發(fā)生的細滑移。在循環(huán)載荷作用下，材料表面發(fā)生滑移帶擠出”和凹入"，進一步形成應力集中，導致微裂紋產生。滑移的發(fā)展過程與施加的載荷及循環(huán)次數有關，圖2-4是多晶體鍥中同一位置在不同

23、循環(huán)次數時的金相照片，其中的黑色圍線是晶粒邊界。由圖2-4可見，經歷了104次循環(huán)后，只有少數幾處出現滑移，滑移線細，表示其深度較淺，用電解拋光將表面去除幾個微米，這些淺滑移線可以消除。隨著循環(huán)次數增加，滑移線（或滑移帶）越來越密集，越來越粗（深），如圖中到27M04次循環(huán)時所示。104次（b）5X04次（c）27沖04次圖2-4循環(huán)載荷下多晶體饃中滑移的發(fā)展應當注意，滑移主要是在晶粒內進行的。深度大于幾個微米的少數幾條滑移帶穿過晶粒，成為持久滑移帶”或稱駐留滑移帶”，微裂紋正是由這些持久滑移帶發(fā)展而成的。滑移只在局部高應力區(qū)發(fā)生，在其余大部分材料處，甚至直至斷裂都沒有什么滑移。表面光潔可延緩

24、滑移，延長裂紋萌生壽命。2.3.2 疲勞裂紋擴展機理疲勞裂紋在高應力處由持久滑移帶成核，是由最大剪應力控制的。形成的微裂紋與最大剪應力方向一致，如圖2-5所示。圖2-5裂紋擴展二階段在循環(huán)載荷作用下，由持久滑移帶形成的微裂紋沿45。最大剪應力作用面繼續(xù)擴展或相互連接。此后，有少數幾條微裂紋達到幾十微米的長度，逐步匯聚成一條主裂紋，并由沿最大剪應力面擴展逐步轉向沿垂直于載荷作用線的最大拉應力面擴展。裂紋沿45。最大剪應力面的擴展是第1階段的擴展，在最大拉應力面內的擴展是第2階段的擴展。從第1階段向第2階段轉變所對應的裂紋尺寸主要取決于材料和作用應力水平，但通常都在0.05mm內，只有幾個晶粒的尺

25、寸。第1階段裂紋擴展的尺寸雖小，對壽命的貢獻卻很大，對于高強材料，尤其如此。與第1階段相比，第2階段的裂紋擴展較便于觀察。C.Laird（1967）直接觀察了循環(huán)應力作用下延性材料中裂紋尖端幾何形狀的改變，提出了描述疲勞裂紋擴展的塑性鈍化模型"，如圖2-6所示。圖2-6（a）示出了循環(huán)開始時的裂紋尖端形狀；隨著循環(huán)應力增加，裂紋逐步張開，裂尖材料由于高度的應力集中而沿最大剪應力方向滑移(圖b);應力進一步增大，裂紋充分張開，裂尖鈍化成半圓形，開創(chuàng)出新的表面(圖c);卸載時已張開的裂紋要收縮，但新開創(chuàng)的裂紋面卻不能消失,它將在卸載引入的壓應力作用下失穩(wěn)而在裂尖形成凹槽形；最后，在最大循

26、環(huán)壓應力作用下，又成為尖裂紋，但其長度已增加了一個a。下一循環(huán)，裂紋又張開、鈍化、擴展、銳化，重復上述過程。這樣，每一個應力循環(huán)，將在裂紋面上留下一條痕跡，稱之為疲勞條紋(striation)。(e)疲勞條紋不同于前述之海灘條帶，斷口上的海灘條帶一般是肉眼(或用低倍放大鏡)可見的；疲勞條紋在晶粒級出現，必需借助于高倍電子顯微鏡才能觀察到；故一條海灘條帶可以包含幾千條甚至上萬條疲勞條紋。2.3.3 疲勞斷口的微觀特征1976年，Crooker指出，利用高倍電子顯微鏡可以觀察到三種不同的疲勞裂紋擴展的微觀破壞形式。即微解理型(microcleavage),條紋型(striation)和(micro

27、voidcoalescence)。圖2-7是我們在1984年獲得的Cr12Ni2WMoV鋼疲勞裂紋擴展微觀觀察照片。圖2-7(a)是微解理型，對應于比較低的裂紋擴展速率(10-5-10-7mm/c);圖2-7(b)是條紋型，對應的裂紋擴展速率約為10-6-10-3mm/c；圖2-7(c)是微孔聚合型，對應于較高的疲勞裂紋擴展速率(10-4-10-1mm/c)。其中，最值得注意的是微觀疲勞條紋。疲勞條紋的形成與載荷循環(huán)有關，由條紋間距可以估計裂紋擴展速率。微觀疲勞條紋”不同于前述之斷口宏觀疲勞海灘條帶”，海灘條帶的形成與周期載荷循環(huán)塊對應，肉眼可見；疲勞條紋與單個循環(huán)載荷對應，需要利用高倍電鏡(

28、103-104倍)才能觀察，一條海灘條帶可能含有成上千上萬條條紋(a)微解理型(b)條紋型微孔聚集型圖2-7Cr12Ni2WMoV鋼疲勞斷口微觀觀察照片由疲勞破壞斷口提供的大量信息，可以對構件或結構的失效原因進行分析。例如，首先觀察斷口的宏觀形貌，由是否存在著裂紋源、裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū)等三個特征區(qū)域，判斷是否為疲勞破壞；若為疲勞破壞，則可由裂紋擴展區(qū)的大小，判斷破壞時的裂紋最大尺寸；進而可利用斷裂力學方法，由構件幾何及最大裂紋尺寸估計破壞載荷，判斷破壞是否在正常工作載荷狀態(tài)下發(fā)生；還可以觀察裂紋起源的位置在何處。再利用金相顯微鏡或低倍電子顯微鏡，可對裂紋源進行進一步觀察和確認，并且判斷是否因為

29、材料缺陷所引起，缺陷的類型和大小。再進行高倍電子顯微鏡微觀觀察，借此可以研究疲勞裂紋擴展的機理。由宏觀海灘條帶”和微觀疲勞條紋”數據，結合構件使用載荷譜分析，還可能估計裂紋擴展速率。疲勞斷口分析，不僅有助于判斷構件的失效原因，也可為改進疲勞研究和抗疲勞設計提供參考。因此，發(fā)生疲勞破壞后，應當盡量保護好斷口，避免損失了寶貴的信息。2.3.4 疲勞研究方法疲勞斷裂問題，需要研究載荷譜、裂紋萌生及擴展規(guī)律、構件細節(jié)應力分析、疲勞壽命預測和抗疲勞設計方法等等。一方面由于涉及因素多，問題復雜，難以找到解析的、普遍的壽命預測方法；另一方面，工程應用的需求迫切。因此，研究問題時必須抓住主要因素，建立簡化模型

30、，逐步深化認識。例如，對于載荷譜，先研究包幅循環(huán)載荷的最簡單情況，再考慮變幅載荷下的損傷累積，最后考慮隨機載荷。對于裂紋萌生及擴展規(guī)律，則先研究不含缺陷的光滑材料在恒幅循環(huán)載荷載荷作用下的裂紋萌生規(guī)律，給出應力壽命、應變壽命及不引發(fā)裂紋的疲勞極限等基本關系，再討論應用于構件時所需進行的必要的修正，建立裂紋萌生壽命估算方法，滿足無限壽命設計、安全壽命設計的需求。再討論含裂紋材料的斷裂和疲勞裂紋擴展規(guī)律，研究斷裂判據，研究在不同載荷譜作用下裂紋擴展壽命的預測，建立損傷容限設計方法。關于壽命預測和抗疲勞設計方法，是依賴于對問題的認識水平，從不考慮裂紋向考慮裂紋；從確定性分析向可靠性分析；從控制構件和

31、結構的安全向綜合控制設計制造使用維修，以安全和經濟為目標；逐步發(fā)展、豐富的止匕外，還應研究疲勞破壞的基本機理，不斷積累、深化對于疲勞斷裂破壞的更本質的認識，不斷提高抗疲勞設計能力。疲勞斷裂研究的基本思路如圖2-8所示。計數法隨機載荷累積損傷方恒幅循環(huán)載荷S , R變幅循環(huán)載荷構件細H應力分析壽命預測安全壽命設tl圖2-8疲勞研究基本框圖3實例腐蝕疲勞裂紋3.1 腐蝕疲勞的研究現狀腐蝕疲勞（CF）是工程結構或構件在腐蝕環(huán)境與交變應力協(xié)同、交互作用下，因開裂而提前失效的現象。眾所周知，任何結構或構件是在一定的環(huán)境下使用的。惡劣的環(huán)境不僅會損傷材料的表面，更重要的是會降低材料的斷裂韌性，加快裂紋的形

32、成與擴展，甚至產生無預兆的突然斷裂。而金屬的腐蝕疲勞是化學工業(yè)、油氣開采及加工工業(yè)、熱能工業(yè)、造船工業(yè)、海洋開發(fā)業(yè)中常見的失效方式之一。自從1917年Haihg首先在腐蝕疲勞實驗室試驗報告中提出腐蝕疲勞現象以來，距今已有近100年的歷史。此后直到1926年才有McAdma和Lhamnna出版了著名的有關腐蝕疲勞的論文，前者并引進了新詞“腐蝕疲勞”。他們發(fā)表的論文激發(fā)了大家的興趣，隨后大量的研究均圍繞該題目展開。1930年，Hvarye寫道：”現在，腐蝕疲勞現象的發(fā)現是二十世紀冶金學的重大進展，最初四年的研究顯示，腐蝕疲勞是遭受重復應力的產品的主要問題”。在這之后人們逐漸認為腐蝕疲勞是許多失效的

33、原因，主要包括海軍的傳動軸，駕駛桿和摩托車軸，鍋爐和耐熱管，泵桿，以及其他設備。從上個世紀40年代到50年代，腐蝕疲勞的研究主要圍繞油田的抽油管，礦山的巖石輸管，火車軸，船殼等方面而展開。自50年代初期起，隨著斷裂力學學科的發(fā)展，疲勞裂紋擴展問題日益得到重視，人們認識到在絕大多數工程結構應用實例中的疲勞損傷是由循環(huán)作用的應力和外界環(huán)境因素共同作用的結果所造成的，因此腐蝕疲勞裂紋擴展的研究便成為評估結構完整性、耐久性和可靠性以及優(yōu)化結構的主要內容。60年代中期Borwn和Beachem開創(chuàng)了SCC測試采納線性彈性斷裂機理方法取得的結果，吸引了大批的研究人員進行腐蝕疲勞的研究。另外Leckie首先

34、采用施加電位的方法來研究靜止放置的帶有裂紋試樣的裂紋生長速率與施加電位的關系。這種方法后來成為腐蝕疲勞裂紋生長FCG和工作條件下預防腐蝕疲勞的主流方法。不過當時人們對腐蝕疲勞的認識還局限于腐蝕疲勞機理和腐蝕疲勞性能的基礎研究方面。環(huán)境因素對疲勞裂紋擴展影響的研究在60年代中期得到迅速的開展，并延續(xù)了近20年的時間。后來隨著人們對工程結構和構件的使用壽命不斷提高，特別是隨著飛機、船舶等工程構件使用中暴露出來的腐蝕疲勞問題越來越嚴重，自70年代以來，腐蝕疲勞引起了各國科學家和工程技術人員的廣泛重視，研究工作由50-60年代的基礎研究方面逐漸轉到腐蝕疲勞的應用研究方面。在這期間腐蝕疲勞研究分析方面呈

35、現兩個明顯特征。首先，大力研究腐蝕疲勞生長速率；首要的任務是確定開裂生長機理，主要從以下因素中確定：合金元素，熱處理，陰/陽極保護參數，以及緩蝕劑等。其次發(fā)展了兩種重要的物理檢測方法（一種是采用預裂紋試樣和應用裂紋力學方法，另一種是慢應變速率測試技術STR刀，極大地提高了材料測數據的可信度。止匕外，這期間還出版了很多成績斐然的研究成果；如1971年Barosm首先指出低于Kiscc時環(huán)境對腐蝕疲勞的作用只在逐漸增大的張應力下才有效；1977年，Austin和Walke認為在腐蝕疲勞裂紋生長的模型中，獨立的機械和化學作用是競爭而不是疊加的。他們提出假設，在環(huán)境疲勞裂紋生長速率中取決于兩個因素哪個

36、更占優(yōu)勢，這也包括機械疲勞或循環(huán)腐蝕疲勞。80年代主要的進展是在靜態(tài)、動態(tài)和環(huán)形載荷下建立精確的模型，測定裂紋和裂縫的化學以及生長的結果。Tunrbun和Fertiss報道了在腐蝕疲勞裂紋生長條件下，化學因素對裂紋的限制。該研究支持了Borwn早期的研究成果，并對Borwn的遺漏部分作了科學的補充和分析。此間發(fā)表的論文對今后研究環(huán)境對裂紋生長的影響研究起了引導作用。不久之后人們就開始采用預裂紋試樣或斷裂力學來解釋腐蝕疲勞試驗。預裂紋試樣和斷裂力學的使用變得很普遍。近20年多年來，物理學家和冶金學家使用掃描隧道顯微鏡、俄歇電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電鏡等現代分析檢測手段，并借助位錯理論，力

37、圖從微觀方面解釋腐蝕疲勞的基本現象，研究腐蝕疲勞失效機制；工程技術人員借助高速計算機和斷裂力學的發(fā)展，從宏觀方面力圖采用簡單的實驗室試驗數據和半經驗的設計理論去設計零件及系統(tǒng)。大量的研究工作集中在腐蝕疲勞裂紋門檻、疲勞短裂紋、變幅疲勞、環(huán)境介質及復合加載下的疲勞，但總的看來，尚無重大的突破性進展。值得注意的是隨著材料使用條件的苛刻，對材料本身的質量和性能提出了更高的要求，而隨之產生的腐蝕疲勞問題也將日益受到人們的重視23,24,25人們認識到在絕大多數工程結構應用實例中的疲勞損傷是由循環(huán)作用的應力和外界環(huán)境因素共同作用造成的。因此，腐蝕疲勞裂紋擴展的研究便成為評估結構完整性、耐久性和可靠性以及

38、優(yōu)化結構的主要內容。由于腐蝕疲勞是涉及多個學科的復雜問題，來自力學、化學及冶金學等方面的因素都會對其產生影響，這就會帶來應用各種環(huán)境參與的裂紋擴展模型時諸多困難與不便，因而，人們轉而去尋求適合工程應用的方法。根據各種高強度材料和環(huán)境介質所構成的不同系統(tǒng)的腐蝕疲勞試驗結果，可以發(fā)現腐蝕疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅之間存在有3種典型的關系圖,如圖3-1所示。(a)A型(b)B型(c)C型圖3-1腐蝕疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子關系的分類A型(da/dN)cf-K曲線類似常規(guī)疲勞(da/dN)cf-K曲線的規(guī)律。介質的存在使(da/dN)cf-K曲線的應力強度因子門檻值Kth、較常規(guī)疲勞的相應

39、值小，而裂紋擴展速率較常規(guī)疲勞的裂紋擴展速率大，當K接近金屬材料的斷裂韌性時，介質的影響減小，裂紋擴展很快。鋁合金和水介質系統(tǒng)屬于這種類型。B型在(da/dN)cf,隨應力強度因子幅變化的曲線類似應力腐蝕裂紋擴展曲線，當AK<Kiscc時，介質的影響很小，可忽略不計；當K>Kiscc時，介質對腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響極大，出現水平臺階。一般情況下高強度鋼和氫介質屬于這種類型。C型這一類型是A型和B型的混合型，大多數材料和介質組成的系統(tǒng)屬于此類型。各種金屬材料腐蝕疲勞裂紋擴展速率曲線，按裂紋擴展速率的高低和曲線的特征，大體可劃分為3個區(qū)：（l）近門檻區(qū)，（da/dN）cf<1

40、0-8m/cycle時，裂紋擴展速率隨應力強度因子幅的降低而迅速下降。（2）中部區(qū)，（da/dN）cf1（8m10-6/cycle時，裂紋擴展速率隨應力強度因子幅的增加而升高，或出現應力腐蝕的準平臺。（3）快速擴展區(qū)，（da/dN）cf>10-6m/cycle時，由于裂紋擴展速率很高以致腐蝕環(huán)境的影響很小，而且裂紋在此區(qū)內擴展所占總裂紋擴展壽命的比例非常小，工程意義不大。隨著人們對腐蝕疲勞裂紋擴展研究的開展和對這一現象認識的不斷深入，在定量估算環(huán)境對腐蝕疲勞裂紋擴展方面的影響已形成多種觀點。人們通過大量的試驗研究建立了疊加模型、過程競爭模型及位錯偶極子模型等3種腐蝕疲勞裂紋擴展速率模型。

41、這些模型的建立為裂紋構件的斷裂力學設計和腐蝕疲勞裂紋擴展余壽命預測提供了依據。3.2 腐蝕疲勞機理1、氣相腐蝕疲勞機理氣相腐蝕疲勞又稱干腐蝕疲勞，指在不含水的氣體介質中的疲勞現象，在氣相腐蝕疲勞過程中，腐蝕性氣體與金屬材料通過化學腐蝕起作用，降低疲勞壽命。氣相腐蝕疲勞的機理，主要有4種模型：1）氣體介質溶解模型；2）氧化膜阻礙滑移模型；3）氧化膜強化表面模型；4）氣相吸附表面能降低模型。這些模型適應于不同條件下的腐蝕疲勞，由于本文研究的腐蝕疲勞屬于液相腐蝕疲勞范疇，所以僅討論液相腐蝕疲勞機理。2、液相腐蝕疲勞機理液相腐蝕疲勞是指在電解質溶液，尤其是含水的液體介質中的疲勞現象。在液相腐蝕疲勞過程

42、中，腐蝕性電解質與金屬材料通過電化學腐蝕起作用，降低疲勞壽命。液相腐蝕疲勞，與空氣中的疲勞有很大的不同"就光滑試樣而言，空氣中疲勞時裂紋形成壽命約占總壽命的90%,而裂紋擴展壽命僅占10%。腐蝕疲勞則相反，裂紋形成壽命減少到僅占腐蝕疲勞總壽命的10%,裂紋擴展壽命則要占90%。對腐蝕疲勞過程的認識可以從兩個方面考慮，一是介質如何加速了裂紋的萌生和擴展；二是循環(huán)形變怎樣促進腐蝕過程的發(fā)展。介質、形變對材料的交互作用在過程各個階段所起作用是不同的，腐蝕疲勞規(guī)律是比較復雜的，目前對腐蝕疲勞的機理仍有不少爭論，比較流行的觀點是腐蝕應力集中、選擇性電化學侵蝕、鈍化膜的開裂、介質吸附和氫致開裂等

43、。1）腐蝕應力集中：這種觀點認為腐蝕造成的表面蝕坑引起應力集中，促進裂紋萌生。支持這種觀點的實驗事實是腐蝕疲勞裂紋多在半圓形的蝕坑底部出現，如鉆桿的腐蝕疲勞失效即是如此。在先腐蝕的疲勞試驗中，預腐蝕時間越長，腐蝕強度下降越多。但后來有人發(fā)現蝕坑不完全是產生腐蝕疲勞的必要條件，如低碳鋼在酸性介質中不產生蝕坑，腐蝕疲勞強度仍然顯著下降，而在pH值為12的鹽水溶液中，金屬表面盡管產生了一些蝕坑，但腐蝕疲勞強度卻變化不大，腐蝕疲勞裂紋并沿著蝕坑萌生。因此這種觀點比較適用于解釋活性腐蝕疲勞。2）選擇性電化學侵蝕：這種觀點認為疲勞過程中產生集中形變區(qū)，這種區(qū)域中的位錯組態(tài)或雜質沉淀與基體不同，在動態(tài)過程中

44、這個形變集中區(qū)首先發(fā)生陽極溶解。隨著疲勞過程的滑移形態(tài)的反復進行，溶解不斷進行，從而出現腐蝕溝，引起應力集中而導致裂紋萌生。3）鈍化膜開裂：這種觀點僅適用于鈍化態(tài)腐蝕疲勞。許多金屬都能形成鈍化膜，但疲勞過程表面滑移臺階能破壞鈍化膜，裸露出的金屬在介質中發(fā)生陽極溶解。當鈍化膜被修復后溶解停止，下一循環(huán)的滑移開始又重復同一過程，其結果形成了微觀溝槽，并使滑移越來越集中在該處，以至最終形成腐蝕疲勞裂紋。4）介質吸附和氫致開裂：這種觀點與應力腐蝕開裂性質的溶解很相似，一般認為在金屬材料表面分解的氫通過擴散進入金屬，在三軸應力狀態(tài)的裂紋尖端塑性區(qū)聚集成原子團使微裂紋形成，微裂紋與主裂紋前緣相連接而使裂紋

45、向一前推進。這種觀點的另一說法是由于裂紋尖端金屬表面吸附氫之后表面能降低，使裂紋尖端以張開型斷裂方式擴展。支持上述這種觀點的實驗事實有：鋼在水溶液或水蒸汽中的疲勞斷口有準解理和沿晶小平面狀形貌，這些小平面在鐵素體中出現，并非由裂紋一次向前推進造成上面有規(guī)則的疲勞紋。研究人員認為這些脆性條紋是在主裂紋前形成的微裂紋，然后通過撕裂使微裂紋與主裂紋相連。上述四種流行觀點前三種著重于解釋腐蝕疲勞裂紋的萌生，而后一種觀點著重于解釋裂紋的擴展。如前所述，腐蝕疲勞與應力腐蝕既有區(qū)別又有聯(lián)系，在同一過程中可能既存在腐蝕疲勞問題，也有應力腐蝕開裂問題。對腐蝕疲勞過程裂紋擴展的貢獻可用應力腐蝕開裂的裂紋擴展速率來

46、描述。在鈍化體系中，裂紋萌生行為主要受膜破裂機制或點蝕機制控制，而在活化體系中，陽極溶解和氫脆機制的作用更明顯。3.3 現有研究方法和常用理論模型近20年來，我國在材料疲勞裂紋擴展領域的研究主要以實際應用為背景，針對廣泛應用的各種合金鋼和鋁合金進行。研究內容主要包括：（1）材料組織、力學性能、應力比、低溫環(huán)境、鹽水環(huán)境、載荷波形以及隨機因素在對裂紋擴展行為的影響；（2）通過建立各種數學模型對裂紋擴展的壽命進行估算，對裂紋擴展曲線進行擬合，對各影響參數（如疲勞裂紋擴展門檻值）和裂紋擴展速率的關系進行描述；（3）疲勞變形機理和小裂紋的擴展機理。在研究方法上，人們通常使用線彈性斷裂力學方法來研究裂紋

47、的擴展問題。實踐證明，對絕大部分材料而言,用這種方法處理的裂紋擴展速率試驗結果可完全適用于工程中對含缺陷構件裂紋擴展壽命的預測。疲勞裂紋擴展研究近50年的歷史中，最重大的成就可以認為是Paris將應力強度因子幅K用來定量地描述疲勞裂紋擴展速率，提出了著名的Paris公式30,31。疲勞裂紋擴展的一般規(guī)律通常用da/dN-AK的雙對數坐標下的裂紋擴展速率曲線表示，如圖1-6所示。它可描述為：當作用于裂紋尖端的循環(huán)應力強度因子幅4K低于門檻值Kth時,裂紋不擴展；當應力強度因子幅略大于門檻值時，裂紋低速擴展且隨K的增加裂紋擴展速率快速升高，這一階段的擴展被定性地稱為近門檻擴展區(qū)；當4K繼續(xù)增加，裂

48、紋擴展速率由快速升高變?yōu)橐阅撤N幾乎恒定的升高速率緩慢升高，這一階段的擴展被稱為中部穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)；當K進一步增加，裂紋擴展速率再次變?yōu)榭焖偕咧敝磷罱K斷裂，這一階段的裂紋擴展被稱為快速擴展區(qū)。上述近門檻區(qū)、中部穩(wěn)定區(qū)和快速擴展區(qū)通常被分別稱為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)。對金屬材料的大量研究表明，上述各區(qū)段的裂紋擴展具有不同的擴展特征，表3-1列出了三個疲勞裂紋擴展區(qū)的擴展特征(J-RJKcI mm/bourI mm/mkn1 mm/dny圖3-2疲勞裂紋擴展的一般規(guī)律及其擴展速率曲線的三個分區(qū)表3-1三個疲勞裂紋擴展區(qū)的擴展特性ABC術語低擴展速率區(qū)中速穩(wěn)定擴展區(qū)高速擴展區(qū)(近門檻區(qū))(Paris)微觀失效

49、模式單剪切雙滑移附加靜態(tài)模式斷口形貌小平聞或鋸齒形輝紋解理、準解理或微孔聚集裂紋閉合程度高低微觀組織影響大小大應力比影響大小大環(huán)境影響大復雜小應力狀態(tài)影響大大近頂端塑性區(qū)小于或等于大于或等于遠大于晶粒晶粒尺寸晶粒尺寸尺寸現有的疲勞裂紋擴展的定量模型都是建立在連續(xù)介質力學基礎上。在線彈性范圍內，可以用應力強度因子來描述應力-應變場的全部特征。對此，已形成了很多較成熟的理論表達式和測試方法，但應用最為廣泛的還是Parise-Erdogan式(da/dN=C(AK)、Forman方程da/dN=C(AnK)/(1-R)Kic-AK,以及由鄭修麟教授和Hirt教授提出的考慮了裂紋擴展門檻值的裂紋擴展速

50、率方程da/dN=B(Af-AKth2)。這3個方程都可以很好的對裂紋在第二階段的擴展特性進行描述，但也有一部分科學家進一步將應力比、溫度、頻率等因素對材料裂紋擴展的影響轉化為一些表示具體含義的參數，使裂紋擴展表達式更能直觀的表現出影響裂紋擴展的具體內在因素。比如，研究溫度對材料裂紋擴展的影響時，F.Jeglie考慮到在溫度變化條件下的裂紋擴展是一種具有體擴散機制的熱激活過程，Paris-Erdogan公式中的C和n應該是激活能的函數，從而提出了改進的裂紋擴展表達式(3-1),并且認為表觀激活能Q=Qo-C21nAK可由每一個恒AK下的lg(da/dN)-1/T關系曲線的斜率求出。dadNn=

51、Ci( K) exp、0 3 KRT(3-1)式中，C1和C2為常數，T為溫度，R為氣體普適常數，Q0為體擴散激活能。如果進一步考慮高溫下材料的蠕變對裂紋擴展的影響，還可借助于G.A.Webster基于彈塑性斷裂力學中J積分的概念提出的，控制蠕變裂紋擴展速率的斷裂力學參數C來分析。由于C具有明確的物理意義，因此在許多蠕變裂紋擴展過程中得以應用，并且能獲得良好的效果。從上述的裂紋擴展模型看到，當載荷條件和工作環(huán)境發(fā)生變化時，材料的裂紋擴展速率就會發(fā)生變化。為了能較準確地估計出含裂紋構件的疲勞壽命，需要對構件材料裂紋擴展行為的變化規(guī)律有一定的了解。3.4 試驗分析以S135鉆桿鋼為例，按照GB/T

52、6398-2000金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法的要求將原材料經過機加工，制成150mmx25mmx4mm的單邊裂紋試樣，缺口尺寸4mm,用線切割加工而成。在腐蝕環(huán)境中，為了使腐蝕液在裂紋根部具有很好的流動性，試驗應在低試驗應在低的頻率下進行(頻率為10Hz),腐蝕介質為3.5%NaCl,pH值為7-8,介質溫度控制在23c±3C之間，裂紋長度由讀數顯微鏡測量。試樣形狀如圖3-3所示。在PLD-100型微機控制電液伺服疲勞試驗機進行試驗，試驗溫度為室溫，頻率為5Hz,加載波形為正弦波，最大載荷Pmax=8.0kN,試驗應力比R分別為0.1,0.3,0.5,獲得不同應力比下的da/dN-AK關系。對試樣斷口進行掃描電鏡觀察獲取微觀組織圖像進行分析。3.4.1 確定da/dN-AK關系公式裂紋尖端應力強度因子幅AK計算如公式(3-2)和(3-3),P(1-R)(3-2)(3-3)K二maxaf(a)WRwaaa2_a3a4f(-)=1.99-0.41-18.7(一)2-38.48(一)353