疲劳裂纹扩展的微观阶段

第Fra Baidu bibliotek阶段裂纹扩展
当Δ K 值较大时， 裂纹顶端塑性区跨越 多个晶粒 ，此时裂纹 扩展沿两个滑移系统 同时或交替进行， Forsyth 将 这 种 双 滑 移 机制定义为裂纹的第 Ⅱ阶段扩展，左图为 第Ⅱ阶段裂纹扩展的 理想模型。
图2为铜单晶的第Ⅱ 阶段裂纹扩展实例， 可以看到两组滑移面。 单晶从第阶段扩展转 变为第阶段扩展时， 形成位错胞结构，同 时裂纹顶端的 PSB 消 失。许多工程合金在 该阶段产生疲劳辉纹。
右图为镍基超 合金单晶第Ⅰ阶段 裂纹扩展实例(观察 面与拉伸轴方向垂 直)。Forsyh (1962) 把这种导致“Z字型” 裂纹路径的纯滑移 机制定义为第Ⅰ阶 段裂纹扩展。 在许多铁合金，铝合金及钛合金中观察到裂纹的第Ⅰ阶 段扩展。在这些材料中，即使裂纹长度比晶粒尺寸大得多， 只要在近顶端塑性区的尺寸比晶粒尺寸小(即应力强度因子范 围ΔK值很小)，就会出现这种扩展。该阶段疲劳断口为锯齿形， 或呈现解理小平面(断裂面分离时所沿晶面)。
疲劳辉纹的形成与 第Ⅱ阶段裂纹扩展 可用Laird(1967)的裂 纹顶端钝化锐化模 型解释。
在拉伸应力作用下，裂纹顶端由于双滑移而发生塑性钝 化，该钝化过程可使裂纹向前扩展一段距离；如果远场应力 变为压应力，则裂纹顶端会重新锐化。由于压缩时的裂纹闭 合不能完全消除拉伸应力造成的钝化，裂纹会在随后的拉应 力下继续向前扩展一段距离，疲劳辉纹正是因为一个疲劳循 环中的裂纹净扩展导致的。
参考文献
S.Suresh著.王中光等译.《材料的疲劳》/国防工
业出版社 陈建桥著.《材料强度学》/华中科技大学出版 社
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疲劳裂纹扩展的微观阶段
疲劳裂纹扩展的微观阶段
材料的滑移特性和显微组织特征尺度、应力 水平及近顶端塑性区尺寸对疲劳裂纹扩展的微观 模式有强烈影响。根据其微观模式的不同，将疲 劳裂纹扩展分为两个阶段（第Ⅰ阶段裂纹扩展和 第Ⅱ阶段裂纹扩展）。
第Ⅰ阶段裂纹扩展
循环载荷对延性固体引起的裂纹扩展可以看作在裂纹顶 端近旁的滑移带内发生的急剧局部变形过程，该过程可通过 剪切脱粘而形成新裂纹面。当裂纹和裂纹顶端塑性变形区局 限在几个晶粒直径的范围时，裂纹主要沿主滑移系方向以纯 剪切方式扩展，下图为第Ⅰ阶段裂纹扩展的示意图。
疲劳辉纹及其形成模型
疲劳辉纹是位于断口上的一些波纹。如果在疲劳裂 纹扩展的Paris区中外加循环载荷保持恒定，则辉纹间距与 试验测出的裂纹在每个循环中的平均扩展距离(平均扩展 速率)有对应关系。辉纹形成的可能性与ΔK值、应力状态、 环境条件以及合金成分有强烈的关系。并不是所有工程 材料在疲劳裂纹的第Ⅱ阶段扩展时都产生疲劳辉纹。辉 纹在纯金属和许多延性合金、工程聚合物中可以清晰看 到，而钢和冷加工合金中很少出现。