第三章 模具疲勞失效

1、第三章 模具的疲勞失效目次: 1 靜載斷裂與疲勞斷裂 2 疲勞斷裂及特征 3 疲勞斷口特征 4 疲勞斷裂微觀規(guī)律 一 裂紋萌生 二 裂紋擴展 5 疲勞裂紋擴展的宏觀規(guī)律 6 熱疲勞 1 靜載斷裂與疲勞斷裂 金屬在外加載荷作用下，漸漸發(fā)生變形，直至最后斷裂，通常以長度變化來表征應(yīng)變量。 （一種）工程應(yīng)變 （另一種）真應(yīng)變 當應(yīng)變量在20%以內(nèi)時，值近似等于，但大于20%,它們之間差別逐漸增大。 000lllll)ln(00llldlll 工程應(yīng)變與真應(yīng)變有如下關(guān)系： =ln（1+） 金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變之間在不同應(yīng)變范圍內(nèi)存在著不同關(guān)系，如下圖所示。在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈線性關(guān)系，遵循虎克

2、定律： =E 當材料應(yīng)變量超過彈應(yīng)變范圍后，產(chǎn)生永久變形，晶體發(fā)生塑性流動,其所對應(yīng)的應(yīng)力表示為（ ）。工程上還規(guī)定產(chǎn)生0.2%的永久變形（塑性變形）所對應(yīng)的應(yīng)力值為材料的屈服強度（ ）。s2 . 0 當材料進入塑性變形后，應(yīng)力和應(yīng)變之間不再呈線性關(guān)系，對于冪硬化材料，他們呈指數(shù)關(guān)系： (指出材料達 ， 發(fā)生塑性失穩(wěn)， 但還不是斷裂， 斷裂指其時載 荷除以斷口處 的頸縮后小截 面，才是斷裂 ) nkbf 彈變、塑變、塑變失穩(wěn)這即是塑性材料在靜載荷條件下發(fā)生斷裂的主要過程特征。若在交變（循環(huán)）載荷（應(yīng)力）作用下引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。材料的破裂力 大大低于靜載時的 。疲勞損壞占90%，已有2

3、00年歷史了。 它不是用拉伸曲線表征，而是用SN（應(yīng)力斷裂循環(huán)數(shù)）曲線表示材料的疲勞斷裂行為。材料承受交變應(yīng)力越高，則發(fā)生斷裂循環(huán)次數(shù)就越少，反之，斷裂循環(huán)次數(shù)就越多。 須指出，靜載斷與疲勞斷是兩種不同的斷裂機制。ff 疲勞斷裂類型有：高周疲勞斷裂、低周疲勞斷裂、接觸疲勞斷裂、腐蝕疲勞斷裂、熱疲勞斷裂。 2 疲勞斷裂方式及一般特征 1、脆性斷裂方式 零件或試樣在整個疲勞過程中，不發(fā)生肉眼可見的宏觀塑變，若是應(yīng)力疲勞（高循環(huán)疲勞）疲斷后，也不見宏觀塑性變形。多數(shù)情況下，零件疲斷是突然發(fā)生的。對于應(yīng)力疲勞（即高周疲勞）甚至發(fā)生疲勞斷裂之后，整個零件或試樣也不呈現(xiàn)宏觀的塑性變形。所以可以把“疲斷”歸

4、之為“脆斷”。 （如發(fā)動機連桿破損件） 2、斷裂形貌 由裂紋源區(qū) 裂紋擴展區(qū) 瞬時斷裂區(qū) 3 、表征疲勞性能的S-N曲線 疲斷壽命（即斷裂循環(huán)次數(shù)）隨交變應(yīng)力值降低而增高。對低碳鋼，S-N曲線在低應(yīng)力區(qū)逐漸趨于水平，而低于該水平線的交變應(yīng)力，不會再使低碳鋼引起疲勞斷裂。通常稱該水平線上交變應(yīng)力為“疲勞強度極限”，簡稱“疲勞極限”。 除低碳鋼外，合金鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金等材料它們的S-N曲線不存在水平段，對這類材料，常以或次循環(huán)不斷裂所對應(yīng)的交變應(yīng)力值定義為“條件疲勞強度極限”。 4 、疲勞強度的分 散性 S-N曲線具有一定 分散度。如圖所示。 5 、缺口效應(yīng) 由無數(shù)試驗得知：塑性材料在

5、靜載條件下，缺口試樣的 常高于光滑試樣；但在交變載荷條件下，缺口試樣的 (疲勞極限)通常低于光滑試樣的 。 bee 材料的塑性越低，具缺口和無缺口兩種 疲勞強度的差距就越大。疲勞對缺口敏感 性 6 、表面粗糙度影響 表面粗糙度對于靜強度幾乎沒有什么影響，但對疲勞卻有非常明顯影響。 隨著表面粗糙度值的降低而增高。（和缺口效應(yīng)一致） 7 、環(huán)境因素影響 腐蝕環(huán)境能顯著降低材料的 。 （中強合金結(jié)構(gòu)鋼-腐蝕環(huán)境-使 下降1/31/2）eee8 、表面滑移帶形式 交變載荷下形成的滑帶比單調(diào)加載時更為密集，部分也更高。9 、疲勞裂紋擴展的門檻值 S-N曲線上有個應(yīng)力的極限值，而疲勞裂紋擴展也存在一個極限

6、值，常稱之為裂紋擴展門檻值（ ） 斷裂力學(xué)指標：對長裂紋（0.5mm） ， ，裂紋開始擴展，反之當 時，裂紋不再擴展。 ，不發(fā)生斷裂，即 ，脆斷thKthK1K1KthKIKICKICKaC3 疲勞斷口特征 一、疲勞源區(qū)斷口形貌 在表面沒有任何類裂紋和殘余應(yīng)力條件下，絕大多數(shù)疲勞裂紋萌生于表面，對于易產(chǎn)生疲勞裂紋的地方，疲勞裂紋往往在角隅或圓角根部萌生。源區(qū)在斷口上多呈半圓形或半橢圓形。裂紋在源區(qū)內(nèi)擴展速度緩慢，所以其斷口較其它兩個區(qū)更為平坦，有時呈反光面。與其它兩區(qū)比較，源區(qū)所占面積最小。 當表面層存在有足夠高的殘余應(yīng)力時，裂紋源向次表面層面內(nèi)移動，從而形成所謂“魚眼”狀疲勞斷口。 應(yīng)力集中

7、系數(shù)越高，或交變應(yīng)力水平越高，則疲勞源數(shù)目也越多。對表層存在有裂紋的件，其疲勞斷口往往不存在疲勞源區(qū)，而只有裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。 二、疲勞裂紋擴展區(qū)斷口形貌 位于源區(qū)和瞬斷區(qū)之間，不如源區(qū)平坦。呈海灘花樣，并有間距不等的休止弧線和以源為中心的放射線。它是不同斷裂面相交而形成臺階，這些臺階在斷口上構(gòu)成了放射狀線。 擴展區(qū)面積最大。也是不斷變化著。 三、瞬斷區(qū)的斷口形貌 對于塑性材料，當疲勞裂紋擴展至凈斷面的應(yīng)力達到材料的斷裂應(yīng)力時，便發(fā)生瞬時斷裂。 對于脆性材料，當疲勞裂紋擴展至材料的臨界裂紋長度（ ）時，便發(fā)生瞬時脆斷。 瞬時斷裂是一種靜載斷裂，故具有靜載斷裂的斷口形貌。靠近零件表面的瞬斷

8、區(qū)往往是斜斷口，處于中部的瞬斷區(qū)往往是平坦區(qū)，與其它兩區(qū)相比，不平坦的粗糙表面是其明顯的特征。（加畫J、A、柯林斯P184圖7-3 ）ca4 疲勞斷裂微觀規(guī)律 一、疲勞裂紋的萌生（產(chǎn)生、成核） 一般地，試樣和零件的疲勞裂紋大都萌生于外表面，但其萌生方式（機制）各有不同。實際零件上，各種加工工藝帶來的各種形式類裂紋往往是導(dǎo)致零件疲勞失效的“先天”疲勞源。 下面我們討論經(jīng)過精細拋光的光滑表面上萌生疲勞裂紋（疲勞源）的一些主要機制。 綜觀之，疲勞裂紋可能在表面滑移帶上，晶界上或?qū)\晶界上，第二相與基體相界面等處萌生，而其機制又各有特點。 1.滑移帶 與軸向單調(diào)加載一樣，循環(huán)加載也使金屬表面產(chǎn)生滑移帶，

9、不過，它們分布及形態(tài)不盡同。如多晶體銅在單調(diào)拉伸和循環(huán)加載條件的表面滑移帶形態(tài)，由實驗可知，由圖可看出：單調(diào)加載所現(xiàn)滑移帶分布均勻、密集，而循環(huán)加載下的滑移帶分布不均勻且粗大。 駐留滑移帶機理。純鎳多晶體表面滑移線在疲勞中變化：經(jīng)N=10循環(huán)后,僅在個別晶粒內(nèi)出現(xiàn)滑移線，且分布又極不均勻。 隨cycle次數(shù)增多，已出現(xiàn)的某些滑移帶不 斷加寬，同時出現(xiàn)一些新滑移線。已出現(xiàn)的滑移線在循環(huán)中又不斷加寬，并形成較粗大的滑移帶。經(jīng)化學(xué)浸蝕或電拋光法除去表面層，其中一部分滑移線消失，而另一部分粗大的滑移帶則不消失，這些粗大的滑移帶并在隨后cycle中又逐漸加寬，這就是疲勞條件下獨有的“駐留滑移帶”。繼續(xù)c

10、ycle下去，駐留滑移帶本身仍不斷加寬，而新生的滑移線則逐漸布滿各個晶粒。大量觀察指出，疲勞裂紋往往就萌生于這些駐留滑移帶上。 擠出擠入機理。晶體滑移導(dǎo)致的另一 種現(xiàn)象，是在滑移帶上形成“擠出”和“擠入”。 銅的表面擠出物高達10m，寬度達幾個m。那是由于滑移隨載荷周期性變化，達某種程度后，材料滑移抗力下降，可能從滑移帶中擠出金屬，形成“峰”和“谷”。擠出部分隨著循環(huán)而進一步增高。而擠入部分則深入滑移帶內(nèi)部，首先形成一個晶體學(xué)切口，并逐漸發(fā)展成為一個宏觀可見的疲勞裂紋。 在Cu、Al和Fe中均可觀察到“擠出”和“擠入”現(xiàn)象，它是疲勞萌生裂紋的一種機制。 滑移成核是疲勞裂紋萌生的一種最基本機制。

11、 制件發(fā)生疲勞失效原因眾多，選材不當可能是其原因之一。屈服極限低的材料在疲勞過程中可以過早地出現(xiàn)滑移帶，并在滑移帶上“擠出”或“擠入”，萌生疲勞裂紋。 2.孿晶界與晶界 存有共格孿晶界時，駐留滑移帶通常優(yōu)先在此出現(xiàn)，導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。在Zr、Sb、Cd、Cu、Au、Ni和-黃Cu中均觀察到這一現(xiàn)象。有人認為，這與滑移帶和孿晶界相交處的“擠出-擠入”有關(guān)。 多晶體金屬晶 界處也是裂紋裂紋 容易萌生的區(qū)域。 -Fe晶界上顯示說 明，萌生于晶界上 的疲裂紋是晶體發(fā) 生大量滑移的結(jié)果。 滑移面上領(lǐng)先位錯 首先在晶界上受阻， 形成位錯塞積，于是造成應(yīng)力集中，此應(yīng)力達臨界 值時便引起晶體開裂。 晶粒細化則

12、高周疲勞強度越高。 與溫度有關(guān)：純鋁在300晶界易開裂，25-73大減少，在-180不再出現(xiàn)開裂。一些高溫鎳基合金，在大于600疲裂紋萌生于晶界，在低溫下，則萌生于晶內(nèi)。 3.相界面 金屬材料中存在多種非金屬夾雜物。如鋼中硅酸鹽、硫化物、氫化物、氮化物等等。為了強化金材，往往使材料中形成第二相（彌散狀或大顆粒狀的強化相）。這些強化相與夾雜物和基體相交的界面也是疲勞裂紋優(yōu)先萌生部位。 硬度高的基體夾雜物，對材料的疲勞性能是有害的，尤其高強鋼是如此，冷作模具鋼是這樣。模具鋼常在高強度低塑性下服役，因此，在模具的微觀疲勞斷口上，很 難觀察到典型的疲勞帶，其宏觀斷口往往呈現(xiàn)出海灘狀形貌。對于高碳合金鋼

13、，其疲勞斷口往往出現(xiàn)粗糙的木紋狀條紋。 冷作模具在高硬度狀態(tài)下股役，這時，模具鋼具有很高屈服強度和很低的斷裂韌性。高的屈服強度有利于推遲疲勞裂紋的萌生，但低的斷裂韌性使疲勞裂紋的擴展速率加快和臨界長度減小，使疲勞裂紋擴展循環(huán)次數(shù)劇烈縮小。 對冷作模具，其疲勞壽命主要取決于疲勞裂紋的萌生時間。 熱作模具一般在中等或較低硬度狀態(tài)下服役，模具鋼的斷裂韌性比冷作模具高得多。因此，在熱作模具中，疲勞裂紋的擴展速率低于冷作模具，臨界長度也大于冷作模具。 熱作模具疲勞裂紋的亞臨界擴展，周期較冷作模具長的多，但熱作模具表面經(jīng)受急冷急熱，容易產(chǎn)生冷熱疲勞裂紋。熱作模具的疲勞裂紋萌生時間，要比冷作模具短的多。因而

14、， 熱作模具的疲勞斷裂壽命主要決定于疲勞裂紋的擴展時間。 二、疲勞裂紋的發(fā)展 （一）第一階段-微觀裂紋擴展 除了在相界面上的裂紋成核之外，在光滑表面的駐留滑移帶、擠入槽、孿晶界、晶界、相界面等處的疲勞裂紋一旦萌生，在隨后的交變載荷作用下，微裂紋沿與應(yīng)力軸成45度角的最大切應(yīng)力方向縱深擴展。對于多晶體金屬，有時還有由許多個滑移帶裂紋聯(lián)結(jié)組合形成微裂紋而向縱深發(fā)展。第一階段擴展速率da/dN310 。7 第一階段斷口形貌復(fù)雜，決定于微裂紋的擴展機制可以有“類脆性解理”，沿晶、韌窩、滑移線、疲勞條帶或者混合形式斷口形貌。 例：K鎳基合金，先在45度方向出現(xiàn)滑移線，然后在駐留滑移帶上萌生裂紋并沿45度

15、方向擴展。 一般認為，第一階段裂紋擴展長度大約局限于幾個晶粒尺寸范圍內(nèi)，對鋼鐵材料，第一階段擴展深度為數(shù)百微米。 （二）裂紋擴展的第二階段 第二階段裂紋生長不是由局部切應(yīng)力而是由裂紋頂端周圍的最大主應(yīng)力決定的。這樣，裂紋頂端就受到主正應(yīng)力的作用而偏離其滑移路線，沿著大致與最大正應(yīng)力方向垂直的方向擴展。 當裂紋走向由45度角轉(zhuǎn)向與拉力軸正交時（參閱前圖）便可認為裂紋進入第二階段的擴展。即疲勞裂紋沿著垂直于拉力軸的方向擴展。 此階段有多種擴展機制，下面所示為塑性鈍化機制示意圖。 本階段裂紋擴展速率： da/dN=310 10 mm/cycle72 本階段斷口形貌各種各樣： 解理、沿晶、韌窩、疲勞帶

16、等。上述幾種，疲勞帶是獨有的。 斷口上的疲勞帶是標志疲勞斷裂所特有的典型特征，有如下特點： （1）斷口上疲勞帶是一族大體上彼此平行的紋路。條帶的法線方向基本上與該局部地區(qū)的裂紋擴展方向一致。 （2）由于晶粒取向不同，晶界和第二相質(zhì)點存在，會使裂紋的擴展由一個平面轉(zhuǎn)移至另一個平面，所以不同區(qū)域的疲勞帶有時 分布在不同的高度的平面上，而各個小平面上的條帶法線方向通常有一定的位向差。 （3）每一條疲勞帶對應(yīng)一次應(yīng)力循環(huán)。疲勞條帶的間距a與裂紋應(yīng)力強度因子K成正比：K值越高，a值也越大。 根據(jù)條帶與載荷循環(huán)相對應(yīng)這一特征，可以計算疲勞裂紋擴展速率，并進而估算制件的疲勞斷裂壽命。 須指出的是： （da/

17、dN）S ，作兩級試驗， 先S 后S ，則 1 實驗資料表明，由于先后次序的不同，通常的邁納數(shù)在1/44之間。 若循環(huán)應(yīng)力按隨機方式組合，則對應(yīng)邁111222NnNn 納數(shù)約為：0.61.6之間。 其原因為： 先施加大應(yīng)力，如S ，產(chǎn)生一殘余應(yīng)力場，后作用較低水平的應(yīng)力S ，故比沒有產(chǎn)生殘余應(yīng)力的情況損傷要小些。122 累積損傷理論 若按Palmgren-Miner線性損傷理論，將D作為循環(huán)次數(shù)比的函數(shù)繪成曲線，結(jié)果約定為直線，如線2所示。 可是根據(jù)對實驗結(jié)果所作研究，疲勞損傷積累常常是非線性的，如圖中1和3所示。 此外，由圖中所畫的操作曲線還是應(yīng)力幅水平的函數(shù)，較下面的曲線與較低的應(yīng)力水平相

18、適應(yīng)。圖中1比2對應(yīng)的應(yīng)力水平高，2又比3對應(yīng)的應(yīng)力水平高。 為說明曲線1和3的含義，可看到，在 =0.4時，由邁納假說所預(yù)測的損傷率為0.4，而同一個循環(huán)次數(shù)比在曲線1條件下得到的損傷率為0.78，在曲線3條件下得到的損傷率為0.08。Nn 一、馬可-斯塔基累積損傷理論 假設(shè)： 1、正弦形對稱應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力幅中某一水平，其損傷曲線由下式定： D=（ ） m :應(yīng)力水平的函數(shù) 2、當D值達到1時，受到任意順序的正弦對稱循環(huán)應(yīng)力的試件將失效。 Nnimi 3、當 達某個臨界值時，將出現(xiàn)失效，即100%的損傷率。這個臨界值可用下面式子來近似表達 式中，N1 N2 Ni：在對稱循環(huán)應(yīng)力S1 S2Si

19、作用下產(chǎn)生失效時的循環(huán)次數(shù)。下標1，2，I為應(yīng)力水平的作用次數(shù)。 NnNn1022212222113121)1(.)1(1).1 (rrDrNNrrDrNNdDNiNNNNNi 使用公式非常麻煩的，需要許多試驗數(shù)據(jù)。但定性地用這個理論，只要看圖8-2就行了。 如現(xiàn)考慮 和 兩種順序： 1.先作用 ， =0.5,然后作用，直至D=1.0 失效 2.先作用 ， =0.5，隨后在應(yīng)力水平 下工作，直至失效為止。 對于1,路線為O-M-N-F代表其過程。11133NnNn 失效時，循環(huán)次數(shù)比可由曲線的下列方程算出： = ( ) + ( ) 即 =0.5+（1-0.98） 即=0.52 NnNnNn13

20、NnNn 對于（2），路線O-A-B-F代表其過程，失效時循環(huán)次數(shù)比可由曲線的下列方程算出： = ( ) + ( ) 即 =0.5+(1-0.03) 即 =1.47 NnNnNn31NnNn 已知， ，則可看出：當主應(yīng)力先作用時，由此分析所得循環(huán)次數(shù)比的總和要小于1，而當?shù)蛻?yīng)力先作用時，所得循環(huán)次數(shù)比總和要大于1，這與實驗室結(jié)果一致。 將這個理論的概念概括起來，我們就可以估算出與失效相對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)比。13 二、亨利(Henry)累積損傷理論。 亨利的損傷理論以這樣的概念為基礎(chǔ)，即，當疲勞損傷積累時，S-N曲線將移動，而疲勞損傷可以定義為疲勞極限的減少量與沒有用過的材料的初始疲勞極限之比。即：

21、 D = D ：損傷率； E ：材料初始疲勞極限； E ：損傷后的疲勞極限 。EEE 00 亨利理論在推導(dǎo)中，還假定：S-N曲線可用一個等邊雙曲線方程來表示。該雙曲線以應(yīng)力軸線為基準軸線，并以通過E與循環(huán)次數(shù)軸線平行直線作為漸近線。這樣S-N曲線用方程就有如下形式： N= N ：在應(yīng)力幅作用下失效的循環(huán)次數(shù)； S ：作用的對稱循環(huán)應(yīng)力幅； k ：材料常數(shù)； E ：材料初始疲勞極限；00Esk00 該導(dǎo)出過程意味著，在低于疲勞極限的循環(huán)應(yīng)力水平下運轉(zhuǎn)不會出現(xiàn)損傷。 亨利還進一步假設(shè)，損傷后的S-N曲線也可用一條等邊雙曲線來表示，因此， N = N ：在應(yīng)力幅S作用下失效的剩余循環(huán)次數(shù)； S ：作用的對稱循環(huán)應(yīng)力幅； K ：材料常數(shù)； E ：損傷后的疲勞極限；ESkrr 根據(jù)實驗研究，亨利認為以下式子是成立的： = 據(jù)如上假定，亨利損傷公式可導(dǎo)出如下： 在試件上作用就力幅S，運轉(zhuǎn)幾個循環(huán)次數(shù)，則在該應(yīng)力幅下的剩余壽命N 可由下式給出： N = N - n 式中，N是原有材料在承受應(yīng)力幅S時產(chǎn)生的失效所需要的總循環(huán)次數(shù)。0kk0EErr 解和聯(lián)立，求得： N-n = 兩邊同除以N 得 1- = ( ) 將公式中的N值用公式代入，得： 1- = ( ) ESkrNnN1ESkNn00k