化工設(shè)備失效分析課件(第6章)

1、 第六章金屬的疲勞斷裂第六章金屬的疲勞斷裂 機(jī)械零部件或化工設(shè)備的疲勞斷裂失效，在機(jī)械零部件或化工設(shè)備的疲勞斷裂失效，在全部斷裂失效中占有很大的比例。全部斷裂失效中占有很大的比例。第一節(jié)第一節(jié) 疲勞應(yīng)力應(yīng)變和疲勞強(qiáng)度疲勞應(yīng)力應(yīng)變和疲勞強(qiáng)度 一、疲勞應(yīng)力和疲勞極限一、疲勞應(yīng)力和疲勞極限大小或方向和大小隨時(shí)間而變動(dòng)的應(yīng)力叫做疲勞應(yīng)大小或方向和大小隨時(shí)間而變動(dòng)的應(yīng)力叫做疲勞應(yīng)力，如圖力，如圖3 31 1所示，描述疲勞應(yīng)力的特征參量有最大所示，描述疲勞應(yīng)力的特征參量有最大應(yīng)力應(yīng)力maxmax、最小應(yīng)力、最小應(yīng)力minmin、平均應(yīng)力、平均應(yīng)力m m、交變應(yīng)力、交變應(yīng)力幅幅a a及應(yīng)力比及應(yīng)力比R R。

2、 它們之間的相互關(guān)系為它們之間的相互關(guān)系為: : 當(dāng)當(dāng)R R-1-1即即m m0 0 時(shí)為對(duì)稱循環(huán)時(shí)為對(duì)稱循環(huán); ;當(dāng)當(dāng)R R0 0 即即minmin0 0脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán); ;而而R R+1+1，即，即minminmaxmax時(shí)表示為靜時(shí)表示為靜載。載。maxmin12mminmax21aminmaxR 1710疲勞極限疲勞極限 指的是金屬不發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力指的是金屬不發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力（a a）。事實(shí)上有許多材料，或是在某種環(huán)境下，）。事實(shí)上有許多材料，或是在某種環(huán)境下，并沒(méi)有無(wú)限壽命的并沒(méi)有無(wú)限壽命的 ，于是定義斷裂時(shí)循環(huán)次數(shù)，于是定義斷裂時(shí)循環(huán)次數(shù)N Nf f達(dá)達(dá) 的應(yīng)力為疲勞極限的

3、應(yīng)力為疲勞極限 。 11 二、等疲勞壽命曲線二、等疲勞壽命曲線對(duì)于非對(duì)稱的（對(duì)于非對(duì)稱的（ ）的應(yīng)力循環(huán)，有）的應(yīng)力循環(huán)，有兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)式可將材料的強(qiáng)度進(jìn)行折算：兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)式可將材料的強(qiáng)度進(jìn)行折算： Goodman Goodman關(guān)系關(guān)系 GeberGeber關(guān)系關(guān)系 1R)1 (1bmR21)(1bmR 三、疲勞應(yīng)力集中系數(shù)三、疲勞應(yīng)力集中系數(shù) 疲勞應(yīng)力集中系數(shù)疲勞應(yīng)力集中系數(shù) 疲勞缺口敏感因子疲勞缺口敏感因子 tKt應(yīng)力集中系數(shù) =應(yīng)力集中導(dǎo)致的最大應(yīng)力（理論應(yīng)力） 不考慮應(yīng)力集中的名義應(yīng)力 NfK1111tfKKq 四、疲勞應(yīng)變四、疲勞應(yīng)變- -壽命曲線壽命曲線 Coffin-MansonCo

4、ffin-Manson公式：式中B為常數(shù)， （其中 為斷面收縮率）。cfcbfbpeaNDNEB)()(211lnD 五、疲勞有限壽命和累計(jì)壽命原則五、疲勞有限壽命和累計(jì)壽命原則工況下的載荷工況下的載荷 往往并非恒定，例如設(shè)備總有往往并非恒定，例如設(shè)備總有滿載、空載或半載等情況。這時(shí)可用累計(jì)壽命法則滿載、空載或半載等情況。這時(shí)可用累計(jì)壽命法則進(jìn)行估計(jì)，即當(dāng)進(jìn)行估計(jì)，即當(dāng) 時(shí)，壽命耗盡。時(shí)，壽命耗盡。式中式中 應(yīng)力為應(yīng)力為 對(duì)應(yīng)的疲勞壽命；對(duì)應(yīng)的疲勞壽命； 在在 下實(shí)際工作的載荷循環(huán)數(shù)。下實(shí)際工作的載荷循環(huán)數(shù)。a1332211 fnnfffNNNNNNNNfiNiiNi第二節(jié)第二節(jié) 金屬在疲勞載

5、荷作用下的變形和損傷金屬在疲勞載荷作用下的變形和損傷 一、包申格效應(yīng) 二、循環(huán)硬化與循環(huán)軟化二、循環(huán)硬化與循環(huán)軟化 三、疲勞形變的不均勻性三、疲勞形變的不均勻性同單調(diào)形變時(shí)一樣，循環(huán)形變時(shí)金屬內(nèi)部的不同單調(diào)形變時(shí)一樣，循環(huán)形變時(shí)金屬內(nèi)部的不可逆滑移，表現(xiàn)于試樣表面為滑移帶。若每當(dāng)?？赡婊疲憩F(xiàn)于試樣表面為滑移帶。若每當(dāng)疲勞一段時(shí)間后，用電解拋光去除有滑移帶的一薄勞一段時(shí)間后，用電解拋光去除有滑移帶的一薄層（層（30 30 ）繼續(xù)試驗(yàn)，累計(jì)的疲勞壽命可成倍提）繼續(xù)試驗(yàn)，累計(jì)的疲勞壽命可成倍提高。這表明滑移帶與疲勞起裂有關(guān)。同時(shí)有一種高。這表明滑移帶與疲勞起裂有關(guān)。同時(shí)有一種滑移帶，即使被拋光去

6、除，再次疲勞試驗(yàn)時(shí)仍在滑移帶，即使被拋光去除，再次疲勞試驗(yàn)時(shí)仍在處出現(xiàn)滑移。這就叫做駐留滑移帶。處出現(xiàn)滑移。這就叫做駐留滑移帶。m 駐留滑移帶是形變不均勻性的表現(xiàn)之一。疲勞駐留滑移帶是形變不均勻性的表現(xiàn)之一。疲勞破壞的實(shí)際問(wèn)題正是在于循環(huán)形變的不均勻性。破壞的實(shí)際問(wèn)題正是在于循環(huán)形變的不均勻性。將疲勞斷裂了的材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其疲勞壽命將疲勞斷裂了的材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其疲勞壽命與原先相當(dāng)。這表明疲勞斷裂是以集中性損傷起與原先相當(dāng)。這表明疲勞斷裂是以集中性損傷起源的。源的。第三節(jié)第三節(jié) 疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生 一、表面滑移帶裂紋萌生方式一、表面滑移帶裂紋萌生方式疲勞裂紋首先是在形變集中的自

7、由表面形成。金屬疲勞裂紋首先是在形變集中的自由表面形成。金屬試樣在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)載荷之后在光滑的表面上試樣在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)載荷之后在光滑的表面上會(huì)出現(xiàn)皺折不平，它是由于金屬發(fā)生了片狀的擠出和會(huì)出現(xiàn)皺折不平，它是由于金屬發(fā)生了片狀的擠出和擠入，如圖擠入，如圖6 61414所示。所示。 而這些擠入、擠出是來(lái)自于駐留滑移帶，如圖而這些擠入、擠出是來(lái)自于駐留滑移帶，如圖6 61515所示，由這樣擠入、擠出繼續(xù)發(fā)展成為裂紋所示，由這樣擠入、擠出繼續(xù)發(fā)展成為裂紋是純金屬和單相合金形成疲勞裂紋的主要方式。是純金屬和單相合金形成疲勞裂紋的主要方式。 二、晶界萌生裂紋方式二、晶界萌生裂紋方式 晶界處出現(xiàn)

8、較高的應(yīng)力；晶界處出現(xiàn)較高的應(yīng)力；由于形變?cè)诰Ы缣幊霈F(xiàn)凹槽；由于形變?cè)诰Ы缣幊霈F(xiàn)凹槽；晶界有雜質(zhì)偏析或弱化晶界有雜質(zhì)偏析或弱化鋁、銅、黃銅和低碳鋼在大振幅疲勞條件下，鋁、銅、黃銅和低碳鋼在大振幅疲勞條件下，疲勞裂紋大都是由晶界開始的。疲勞裂紋大都是由晶界開始的。 三、相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物附近萌生的疲勞裂紋三、相質(zhì)點(diǎn)或夾雜物附近萌生的疲勞裂紋原因：原因：夾雜物與機(jī)體的分離；夾雜物與機(jī)體的分離；夾雜物破裂夾雜物破裂 四、其它各類非連續(xù)性冶金缺陷和工藝缺陷四、其它各類非連續(xù)性冶金缺陷和工藝缺陷 零件表面的刀痕過(guò)深，截面變化過(guò)渡太陡（因零件表面的刀痕過(guò)深，截面變化過(guò)渡太陡（因弧半徑過(guò)小），拉痕、腐蝕痕、工藝

9、裂紋、表面碰弧半徑過(guò)小），拉痕、腐蝕痕、工藝裂紋、表面碰傷，均是誘發(fā)疲勞裂紋之處。內(nèi)部的夾渣、縮孔、傷，均是誘發(fā)疲勞裂紋之處。內(nèi)部的夾渣、縮孔、疏松也可以成為疲勞裂紋萌生地，其基本原理都在疏松也可以成為疲勞裂紋萌生地，其基本原理都在于導(dǎo)致應(yīng)力集中、發(fā)生集中滑移。于導(dǎo)致應(yīng)力集中、發(fā)生集中滑移。 五、微動(dòng)（五、微動(dòng)（FrettingFretting）疲勞起裂）疲勞起裂 在交變載荷作用下，零件接觸處的微動(dòng)摩在交變載荷作用下，零件接觸處的微動(dòng)摩擦就會(huì)通過(guò)促使裂紋的萌生和提高裂紋的早期擦就會(huì)通過(guò)促使裂紋的萌生和提高裂紋的早期擴(kuò)展速率而大大降低零件的使用壽命，這就叫擴(kuò)展速率而大大降低零件的使用壽命，這就叫

10、做微動(dòng)疲勞或微振疲勞。做微動(dòng)疲勞或微振疲勞。 第四節(jié)第四節(jié) 疲勞裂紋的擴(kuò)展及斷口形貌疲勞裂紋的擴(kuò)展及斷口形貌 疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的分界點(diǎn)：工程上（如疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的分界點(diǎn)：工程上（如作斷裂力學(xué)測(cè)試中的啟裂）常以作斷裂力學(xué)測(cè)試中的啟裂）常以0.05mm0.05mm左右作左右作為萌生和擴(kuò)展的分界點(diǎn)。為萌生和擴(kuò)展的分界點(diǎn)。 大量的事實(shí)表明，一個(gè)疲勞斷裂的斷口，包大量的事實(shí)表明，一個(gè)疲勞斷裂的斷口，包括圖括圖6 61818所示的幾個(gè)區(qū)段：所示的幾個(gè)區(qū)段： a) a) 與主應(yīng)力方向大體成與主應(yīng)力方向大體成4545傾斜的疲勞擴(kuò)展第傾斜的疲勞擴(kuò)展第I I階段。階段。b) b) 與主應(yīng)力垂直的疲勞擴(kuò)展第與

11、主應(yīng)力垂直的疲勞擴(kuò)展第II II階段。階段。c) c) 瞬斷區(qū)。瞬斷區(qū)。 一、疲勞裂紋擴(kuò)展的第一、疲勞裂紋擴(kuò)展的第I I階段階段 本階段一般僅一兩個(gè)晶粒深，但所占疲勞壽本階段一般僅一兩個(gè)晶粒深，但所占疲勞壽命的比例卻不低。由于裂紋擴(kuò)展和速率很低，命的比例卻不低。由于裂紋擴(kuò)展和速率很低，有時(shí)僅為循環(huán)有時(shí)僅為循環(huán)n n10101 1nmnm，故在這部分?jǐn)嗫谏希试谶@部分?jǐn)嗫谏弦话愣伎床怀鋈魏螖U(kuò)展的特征形貌。一般都看不出任何擴(kuò)展的特征形貌。 第第I I階段的擴(kuò)展機(jī)理，主要是與滑移有關(guān)，裂階段的擴(kuò)展機(jī)理，主要是與滑移有關(guān)，裂紋的轉(zhuǎn)向是損傷機(jī)理和斷裂機(jī)理變化之表現(xiàn)。在紋的轉(zhuǎn)向是損傷機(jī)理和斷裂機(jī)理變化之表

12、現(xiàn)。在擴(kuò)展的第擴(kuò)展的第I I階段，駐留滑移機(jī)理在滑移面上積累損階段，駐留滑移機(jī)理在滑移面上積累損傷而促成剪切斷裂。當(dāng)裂紋深入后，裂尖的塑性傷而促成剪切斷裂。當(dāng)裂紋深入后，裂尖的塑性區(qū)中，易發(fā)生形變的方向的分布性滑移起保護(hù)作區(qū)中，易發(fā)生形變的方向的分布性滑移起保護(hù)作用，而斷裂就發(fā)生在正應(yīng)力最大而不利于滑移的用，而斷裂就發(fā)生在正應(yīng)力最大而不利于滑移的面上，故轉(zhuǎn)向正斷。面上，故轉(zhuǎn)向正斷。 二、裂紋擴(kuò)展的第二、裂紋擴(kuò)展的第II II階段及斷口微觀形貌階段及斷口微觀形貌 裂紋轉(zhuǎn)向同正應(yīng)力垂直起，進(jìn)入第裂紋轉(zhuǎn)向同正應(yīng)力垂直起，進(jìn)入第II II階段。在此階段。在此階段中每經(jīng)一個(gè)載荷循環(huán)，裂紋就向前擴(kuò)展一步。

13、階段中每經(jīng)一個(gè)載荷循環(huán)，裂紋就向前擴(kuò)展一步。于是往往在此口上留下一系列的條帶（輝紋）。疲于是往往在此口上留下一系列的條帶（輝紋）。疲勞輝紋是疲勞斷口的特征形貌。由于金屬塑性良好勞輝紋是疲勞斷口的特征形貌。由于金屬塑性良好而均勻，輝紋顯得很明顯而有規(guī)則，如圖而均勻，輝紋顯得很明顯而有規(guī)則，如圖6 62323所所示，疲勞輝紋是顯微尺度的條紋，宏觀不可見的。示，疲勞輝紋是顯微尺度的條紋，宏觀不可見的。 疲勞輝紋的機(jī)理疲勞輝紋的機(jī)理可用塑性鈍化模型可用塑性鈍化模型來(lái)描述（圖來(lái)描述（圖6 62222）。）。在疲勞循環(huán)的前半在疲勞循環(huán)的前半周的過(guò)程中，裂紋周的過(guò)程中，裂紋將張開，形成將張開，形成CODCO

14、D，裂尖發(fā)生鈍化，如裂尖發(fā)生鈍化，如圖圖6 62222中中abcabc所示。所示。 后半周由拉轉(zhuǎn)向壓，則后半周由拉轉(zhuǎn)向壓，則如圖如圖cdecde所示，裂所示，裂紋閉合，在尖部留下折紋閉合，在尖部留下折痕，當(dāng)再次拉伸時(shí)，此痕，當(dāng)再次拉伸時(shí)，此折痕保留，裂紋往前伸折痕保留，裂紋往前伸展一條，在此口上就留展一條，在此口上就留下一條輝紋，可見輝紋下一條輝紋，可見輝紋是裂紋擴(kuò)展的瞬時(shí)前沿，是裂紋擴(kuò)展的瞬時(shí)前沿，條紋推移的方向（垂直條紋推移的方向（垂直于條紋）即為裂紋擴(kuò)展于條紋）即為裂紋擴(kuò)展方向。這就是疲勞裂紋方向。這就是疲勞裂紋擴(kuò)展的塑性鈍化模型。擴(kuò)展的塑性鈍化模型。 然而在多晶體材料中，這種有輝紋的穿

15、晶擴(kuò)展斷然而在多晶體材料中，這種有輝紋的穿晶擴(kuò)展斷口，并不是處在一個(gè)完整的平坦面上。而是如圖口，并不是處在一個(gè)完整的平坦面上。而是如圖6 62424所示，在不同高度的臺(tái)面上擴(kuò)展。臺(tái)面與臺(tái)所示，在不同高度的臺(tái)面上擴(kuò)展。臺(tái)面與臺(tái)面之間的臺(tái)階連接。這臺(tái)階是大體順著裂紋擴(kuò)展方面之間的臺(tái)階連接。這臺(tái)階是大體順著裂紋擴(kuò)展方向的。這一片一片的臺(tái)面，叫做疲勞班片。圖中示向的。這一片一片的臺(tái)面，叫做疲勞班片。圖中示出了與疲勞輝紋平行的二次裂紋。出了與疲勞輝紋平行的二次裂紋。 解理疲勞斷口的典型特征是解理疲勞輝紋及解理疲勞斷口的典型特征是解理疲勞輝紋及與之相垂直的解理河流共存，如圖與之相垂直的解理河流共存，如圖6

16、-346-34。 三、瞬斷區(qū)三、瞬斷區(qū) 此時(shí)，由于有效截面很小，加上裂紋很深而應(yīng)此時(shí)，由于有效截面很小，加上裂紋很深而應(yīng)力集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到很高水平，其斷裂過(guò)力集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到很高水平，其斷裂過(guò)程同單調(diào)加載的情形相似。程同單調(diào)加載的情形相似。 第五節(jié)第五節(jié) 疲勞斷口宏觀分析疲勞斷口宏觀分析 疲勞斷口分析的目的在于：疲勞斷口分析的目的在于：判定其是否屬于判定其是否屬于疲勞斷裂；疲勞斷裂；找出疲勞啟裂源，然后可進(jìn)一步分找出疲勞啟裂源，然后可進(jìn)一步分析啟裂與材料成份、組織、性能、冶金缺陷、零析啟裂與材料成份、組織、性能、冶金缺陷、零件形狀及表面狀態(tài)、應(yīng)力集中、工藝缺陷、載荷件形狀及表面狀態(tài)

17、、應(yīng)力集中、工藝缺陷、載荷水平等的關(guān)系；水平等的關(guān)系；判斷導(dǎo)致斷裂的載荷性質(zhì)及水判斷導(dǎo)致斷裂的載荷性質(zhì)及水平；平；估計(jì)其疲勞裂紋擴(kuò)展速率，估計(jì)壽命。然估計(jì)其疲勞裂紋擴(kuò)展速率，估計(jì)壽命。然后可進(jìn)一步推論其應(yīng)力主要來(lái)源；后可進(jìn)一步推論其應(yīng)力主要來(lái)源；介質(zhì)在擴(kuò)展介質(zhì)在擴(kuò)展中的作用。中的作用。 上節(jié)提到疲勞斷口包括斜斷口的第上節(jié)提到疲勞斷口包括斜斷口的第I I階段，正斷階段，正斷口第口第II II階段及瞬斷區(qū)。由于第階段及瞬斷區(qū)。由于第I I階段斷口很?。ㄒ?、階段斷口很?。ㄒ弧⒍€(gè)晶粒深）；第二個(gè)晶粒深）；第II II階段的初期階段的初期K K很小，裂紋擴(kuò)很小，裂紋擴(kuò)展很慢，斷口表面往往被壓縮磨擦成光

18、滑的一片，展很慢，斷口表面往往被壓縮磨擦成光滑的一片，所以，實(shí)踐中常將此兩區(qū)合標(biāo)為疲勞源區(qū)或叫核所以，實(shí)踐中常將此兩區(qū)合標(biāo)為疲勞源區(qū)或叫核心區(qū)，隨后是擴(kuò)展區(qū)，實(shí)為第心區(qū)，隨后是擴(kuò)展區(qū)，實(shí)為第II II階段擴(kuò)展期中具有階段擴(kuò)展期中具有明顯擴(kuò)展特征的區(qū)域，最后為一次斷裂性質(zhì)的瞬明顯擴(kuò)展特征的區(qū)域，最后為一次斷裂性質(zhì)的瞬斷區(qū)。疲勞源和擴(kuò)展區(qū)均為宏觀脆性，看不出塑斷區(qū)。疲勞源和擴(kuò)展區(qū)均為宏觀脆性，看不出塑性變形。瞬斷區(qū)的塑性表現(xiàn)視材料性質(zhì)而定，與性變形。瞬斷區(qū)的塑性表現(xiàn)視材料性質(zhì)而定，與尖裂紋的一次加載斷裂相同。尖裂紋的一次加載斷裂相同。 擴(kuò)展區(qū)中的貝紋線（或擴(kuò)展區(qū)中的貝紋線（或叫海灘花樣）是疲勞斷叫

19、海灘花樣）是疲勞斷口，尤其是工況下高周口，尤其是工況下高周次疲勞斷口中最本質(zhì)的次疲勞斷口中最本質(zhì)的宏觀特征，圖宏觀特征，圖6 64141為為4040鋼長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷鋼長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口。其中的貝紋線（?？?。其中的貝紋線（海灘花樣）十分清楚。灘花樣）十分清楚。 不要將貝紋線與疲勞輝紋混為一體，后者是不要將貝紋線與疲勞輝紋混為一體，后者是每一載荷循環(huán)引起的裂紋擴(kuò)展一步所留下的微每一載荷循環(huán)引起的裂紋擴(kuò)展一步所留下的微觀條帶，而前者是宏觀的，貝紋形成的原因是觀條帶，而前者是宏觀的，貝紋形成的原因是疲勞載荷譜的階段性變化，例如各個(gè)時(shí)期應(yīng)力疲勞載荷譜的階段性變化，例如各個(gè)時(shí)期應(yīng)力幅不同，工作與休息

20、（開、停車）的交替，環(huán)幅不同，工作與休息（開、停車）的交替，環(huán)境介質(zhì)和溫度的較大變化等。因而在單一載荷境介質(zhì)和溫度的較大變化等。因而在單一載荷譜連續(xù)疲勞試驗(yàn)斷口上不會(huì)有貝紋線。譜連續(xù)疲勞試驗(yàn)斷口上不會(huì)有貝紋線。 顯然，貝紋線也反映瞬時(shí)顯然，貝紋線也反映瞬時(shí)的裂紋前沿和裂紋擴(kuò)展的的裂紋前沿和裂紋擴(kuò)展的方向，因而也就間接地反方向，因而也就間接地反映出裂紋源的位置，載荷映出裂紋源的位置，載荷性質(zhì)（拉、扭、彎）應(yīng)力性質(zhì)（拉、扭、彎）應(yīng)力水平、應(yīng)力集中的情況。水平、應(yīng)力集中的情況。圖圖6 64242顯示由六個(gè)疲勞顯示由六個(gè)疲勞源出發(fā)的貝紋。多疲勞源源出發(fā)的貝紋。多疲勞源往往是因?yàn)榱慵螤钤斐赏且驗(yàn)榱?/p>

21、件形狀造成多個(gè)應(yīng)力集中或由于應(yīng)力多個(gè)應(yīng)力集中或由于應(yīng)力水平高所致。水平高所致。 第六章第六章 疲勞斷裂失效分析思路疲勞斷裂失效分析思路 第七節(jié)第七節(jié) 疲勞壽命及其影響因素疲勞壽命及其影響因素 一、勞壽命的構(gòu)成一、勞壽命的構(gòu)成根據(jù)上面討論，可把疲勞損傷及斷裂的發(fā)展根據(jù)上面討論，可把疲勞損傷及斷裂的發(fā)展進(jìn)程列于表進(jìn)程列于表3 31 1。分期微觀斷口范圍及其特征宏 觀 斷 口分區(qū)壽命構(gòu)成裂紋萌生0.1um核心區(qū)No擴(kuò)展第I階段斜斷口，12個(gè)晶位深擴(kuò) 展 第 I I階段正斷口光亮區(qū)，無(wú)特征有貝紋或輝紋或其它晶體學(xué)特征擴(kuò)展區(qū)Ns瞬斷一次單調(diào)加載斷口形貌瞬斷區(qū)N1 疲勞壽命以周次計(jì)，疲勞壽命以周次計(jì)，NN

22、f fNNo oNNs s，NNo o/N/Nf f或或NNs s/N/Nf f受各種因素的影響，并無(wú)很精確的比例關(guān)受各種因素的影響，并無(wú)很精確的比例關(guān)系，但大體上說(shuō)來(lái)：系，但大體上說(shuō)來(lái)：高周次疲勞的高周次疲勞的NNo o/N/Nf f比低比低周疲勞時(shí)為大。周疲勞時(shí)為大。純金屬比合金的純金屬比合金的No/Nf小。這小。這似乎可以說(shuō)明似乎可以說(shuō)明p p是促成啟裂的重要因素。是促成啟裂的重要因素。 二、速率公式和擴(kuò)展速率曲線二、速率公式和擴(kuò)展速率曲線關(guān)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率與力學(xué)參量的關(guān)系，曾提關(guān)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率與力學(xué)參量的關(guān)系，曾提出過(guò)許多的經(jīng)驗(yàn)式，其中廣為人們接受和利用的出過(guò)許多的經(jīng)驗(yàn)式，其中廣

23、為人們接受和利用的是是ParisParis公式。該公式具有簡(jiǎn)單、實(shí)用的特點(diǎn)。公式。該公式具有簡(jiǎn)單、實(shí)用的特點(diǎn)。mkcdNda 這里，這里， 為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，c c和和mm為材料常數(shù)為材料常數(shù)（實(shí)測(cè)得出）。（實(shí)測(cè)得出）。K K為線彈性斷裂力學(xué)參數(shù)為線彈性斷裂力學(xué)參數(shù)K K的變化的變化幅度，幅度，K K（K KmaxmaxK Kminmin），對(duì)于），對(duì)于I I型裂紋，為型裂紋，為K KI I的的變化量。在外載（名義應(yīng)力變化量。在外載（名義應(yīng)力）一定的條件下，）一定的條件下，K KI I與裂紋深度和長(zhǎng)度有關(guān)。例如某些簡(jiǎn)單的情況下，與裂紋深度和長(zhǎng)度有關(guān)。例如某些簡(jiǎn)單的情況下，

24、可表達(dá)為可表達(dá)為這里的這里的是由零件或試樣形狀、裂紋形態(tài)及位置是由零件或試樣形狀、裂紋形態(tài)及位置（穿透型、表面型或埋藏型等）決定的參數(shù)。（穿透型、表面型或埋藏型等）決定的參數(shù)。dNdaaKI 實(shí)際上實(shí)際上ParisParis公式是公式是 f f（k k）擴(kuò)展速率曲線的中段）擴(kuò)展速率曲線的中段的近似描述，然而是很有用的一段。的近似描述，然而是很有用的一段。 f f（k k）的）的關(guān)系曲線是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出來(lái)的，如圖關(guān)系曲線是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出來(lái)的，如圖6 65858所示。所示。由圖可知疲勞擴(kuò)展情況可以分為幾個(gè)區(qū)段。由圖可知疲勞擴(kuò)展情況可以分為幾個(gè)區(qū)段。dNdadNda 當(dāng)當(dāng)k kk kthth時(shí)，

25、時(shí)， 00，k kthth叫做叫做疲勞裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)疲勞裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子幅門檻值。一度因子幅門檻值。一般工程上實(shí)測(cè)，是按般工程上實(shí)測(cè)，是按 1010-7-7mm/mm/次時(shí)確次時(shí)確定定k kthth。 dNdadNda 曲線的曲線的A A段，段， 1010-5-5mm/mm/次。此時(shí)是由于名義次。此時(shí)是由于名義應(yīng)力幅應(yīng)力幅小或由于裂紋淺而小或由于裂紋淺而k k較小。這種擴(kuò)展速較小。這種擴(kuò)展速率形成的輝紋需在率形成的輝紋需在2000020000倍以上，才能分辨出來(lái)。在倍以上，才能分辨出來(lái)。在外載荷譜不變的情況下，疲勞裂紋由淺到深的發(fā)展外載荷譜不變的情況下，疲勞裂紋由淺到深的發(fā)展過(guò)程中，到這一

26、階段完成前，累計(jì)壽命就大體相當(dāng)過(guò)程中，到這一階段完成前，累計(jì)壽命就大體相當(dāng)于前面的于前面的NNOO。 門坎值門坎值k kthth之大小及近之大小及近k kthth區(qū)的擴(kuò)展速率，受區(qū)的擴(kuò)展速率，受K K平均值（或應(yīng)力比平均值（或應(yīng)力比R R）、顯微組織、晶粒大小影響）、顯微組織、晶粒大小影響較明顯，尤其是環(huán)境的影響十分顯著。較明顯，尤其是環(huán)境的影響十分顯著。 dNda 曲線的曲線的B B段，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上為直線，段，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上為直線，ParisParis公式公式是近似描述這一段的情形。這相當(dāng)于疲勞擴(kuò)展第是近似描述這一段的情形。這相當(dāng)于疲勞擴(kuò)展第II II階段中出現(xiàn)疲勞輝紋的一段，產(chǎn)生的斷口屬

27、擴(kuò)展區(qū)，階段中出現(xiàn)疲勞輝紋的一段，產(chǎn)生的斷口屬擴(kuò)展區(qū)，這一段研究得較多，以疲勞輝紋為特征。對(duì)數(shù)坐標(biāo)這一段研究得較多，以疲勞輝紋為特征。對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線的斜率曲線的斜率mm受金屬顯微組織、平均應(yīng)力和介質(zhì)的受金屬顯微組織、平均應(yīng)力和介質(zhì)的影響均不明顯，即影響均不明顯，即 式中的式中的mm大體不變，大體不變，例如對(duì)鐵素體或鐵素體十珠光體鋼例如對(duì)鐵素體或鐵素體十珠光體鋼mm4 4。 mkcdNda 曲線的曲線的C C段，此時(shí)段，此時(shí) 隨隨K K增大，且增長(zhǎng)的速增大，且增長(zhǎng)的速率愈來(lái)愈大，到率愈來(lái)愈大，到K KmaxmaxK Kc c時(shí)就發(fā)生瞬時(shí)斷裂。時(shí)就發(fā)生瞬時(shí)斷裂。因此，這一段相當(dāng)于由擴(kuò)展區(qū)向瞬斷區(qū)的過(guò)

28、渡因此，這一段相當(dāng)于由擴(kuò)展區(qū)向瞬斷區(qū)的過(guò)渡階段。由于時(shí)間短，介質(zhì)的影響較少，而組織階段。由于時(shí)間短，介質(zhì)的影響較少，而組織和平均應(yīng)力及應(yīng)力狀態(tài)的影響較大。和平均應(yīng)力及應(yīng)力狀態(tài)的影響較大。 dNda ParisParis公式一般用于公式一般用于 1010-2-2mm/mm/次或次或NNf f10104 4時(shí)較為符合實(shí)際。若推廣到曲線時(shí)較為符合實(shí)際。若推廣到曲線A A，則得到，則得到偏于保守的結(jié)果，即估計(jì)的偏于保守的結(jié)果，即估計(jì)的 大于實(shí)際值。大于實(shí)際值。反之，推廣到反之，推廣到C C區(qū)，則是冒險(xiǎn)的。區(qū)，則是冒險(xiǎn)的。 dNdadNda 三、疲勞壽命估計(jì)法三、疲勞壽命估計(jì)法 含有裂紋構(gòu)件的壽命，是由疲勞裂紋擴(kuò)展速含有裂紋構(gòu)件的壽命，是由疲勞裂紋擴(kuò)展速率決定的，這個(gè)壽命可以通過(guò)斷裂力學(xué)方法進(jìn)行率決定的，這個(gè)壽命可以通過(guò)斷裂力學(xué)方法進(jìn)行估算。首先通過(guò)無(wú)損探傷技術(shù)，確定初始裂紋的估算。首先通過(guò)無(wú)損探傷技術(shù)，確定初始裂紋的尺寸、形狀、位置和取向。再根據(jù)材料的斷裂韌尺寸、形狀、位置和取