疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀階段

1、疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀階段機(jī)械系統(tǒng)的故障診斷疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀階段 材料的滑移特性和顯微組織特征尺度、應(yīng)力水平及近頂端塑性區(qū)尺寸對疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀模式有強(qiáng)烈影響。根據(jù)其微觀模式的不同，將疲勞裂紋擴(kuò)展分為兩個階段（第階段裂紋擴(kuò)展和第階段裂紋擴(kuò)展）。第階段裂紋擴(kuò)展 循環(huán)載荷對延性固體引起的裂紋擴(kuò)展可以看作在裂紋頂端近旁的滑移帶內(nèi)發(fā)生的急劇局部變形過程，該過程可通過剪切脫粘而形成新裂紋面。當(dāng)裂紋和裂紋頂端塑性變形區(qū)局限在幾個晶粒直徑的范圍時，裂紋主要沿主滑移系方向以純剪切方式擴(kuò)展，下圖為第階段裂紋擴(kuò)展的示意圖。 右圖為鎳基超合金單晶第階段裂紋擴(kuò)展實(shí)例(觀察面與拉伸軸方向垂直)。Forsyh (1962

2、)把這種導(dǎo)致“Z字型”裂紋路徑的純滑移機(jī)制定義為第階段裂紋擴(kuò)展。 在許多鐵合金，鋁合金及鈦合金中觀察到裂紋的第階段擴(kuò)展。在這些材料中，即使裂紋長度比晶粒尺寸大得多，只要在近頂端塑性區(qū)的尺寸比晶粒尺寸小(即應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍K值很小)，就會出現(xiàn)這種擴(kuò)展。該階段疲勞斷口為鋸齒形，或呈現(xiàn)解理小平面(斷裂面分離時所沿晶面)。第階段裂紋擴(kuò)展 當(dāng)K值較大時，裂紋頂端塑性區(qū)跨越多個晶粒，此時裂紋擴(kuò)展沿兩個滑移系統(tǒng)同 時 或 交 替 進(jìn) 行 ，F(xiàn)orsyth將這種雙滑移機(jī)制定義為裂紋的第階段擴(kuò)展，左圖為第階段裂紋擴(kuò)展的理想模型。圖2為銅單晶的第階段裂紋擴(kuò)展實(shí)例，可以看到兩組滑移面。單晶從第階段擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)榈陔A段擴(kuò)

3、展時，形成位錯胞結(jié)構(gòu)，同時裂紋頂端的PSB消失。許多工程合金在該階段產(chǎn)生疲勞輝紋。疲勞輝紋及其形成模型 疲勞輝紋是位于斷口上的一些波紋。如果在疲勞裂紋擴(kuò)展的Paris區(qū)中外加循環(huán)載荷保持恒定，則輝紋間距與試驗(yàn)測出的裂紋在每個循環(huán)中的平均擴(kuò)展距離(平均擴(kuò)展速率)有對應(yīng)關(guān)系。輝紋形成的可能性與K值、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境條件以及合金成分有強(qiáng)烈的關(guān)系。并不是所有工程材料在疲勞裂紋的第階段擴(kuò)展時都產(chǎn)生疲勞輝紋。輝紋在純金屬和許多延性合金、工程聚合物中可以清晰看到，而鋼和冷加工合金中很少出現(xiàn)。疲勞輝紋的形成與第階段裂紋擴(kuò)展可用Laird(1967)的裂紋頂端鈍化銳化模型解釋。 在拉伸應(yīng)力作用下，裂紋頂端由于雙滑移而發(fā)生塑性鈍化，該鈍化過程可使裂紋向前擴(kuò)展一段距離；如果遠(yuǎn)場應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，則裂紋頂端會重新銳化。由于壓縮時的裂紋閉合不能完全消除拉伸應(yīng)力造成的鈍化，裂紋會在隨后的拉應(yīng)力下繼續(xù)向前擴(kuò)展一段距離，疲勞輝紋正是因?yàn)橐粋€疲勞循環(huán)中的裂紋凈擴(kuò)展導(dǎo)致的。參考文