疲劳裂纹扩展的微观阶段
疲劳裂纹扩展.
第五章疲劳裂纹扩展§5.1 概述前面介绍的内容为静载荷作用下的断裂准则。
构件在交变应力作用下产生的破坏为疲劳破坏，疲劳破坏的应力远比静载应力低。
一、疲劳破坏的过程1）裂纹成核阶段交变应力→滑移→金属的挤出和挤入→形成微裂纹的核（一般出现于零件表面）。
2）微观裂纹扩展阶段微裂纹沿滑移面扩展，这个面是与正应力轴成45°的剪应力作用面，是许沿滑移带的裂纹，此阶段裂纹的扩展速率是缓慢的，一般为10-5mm每循环,裂纹尺寸＜0.05mm。
3）宏观裂纹扩展阶段裂纹扩展方向与拉应力垂直，为单一裂纹扩展，裂纹尺寸从0.05mm扩展至临a，扩展速率为10-3mm每循环。
界尺寸c4）断裂阶段a时，产生失稳而很快断裂。
当裂纹扩展至临界尺寸c工程上一般规定：①0.1mm～0.2mm裂纹为宏观裂纹；②0.2mm～0.5mm，深0.15mm表面裂纹为宏观裂纹。
N）宏观裂纹扩展阶段对应的循环因数——裂纹扩展寿命。
（pN）以前阶段对应的循环因数——裂纹形成寿命。
（i二、高周疲劳和低周疲劳高周疲劳：当构件所受的应力较低，疲劳裂纹在弹性区内扩展，裂纹的疲劳寿命较长。
（应力疲劳）低周疲劳：当构件所受的局部应力已超过屈服极限，形成较大的塑性区，裂纹在塑性区中扩展，裂纹的疲劳寿命较小。
（应变疲劳）工程中一般规定N≤105为低周疲劳。
f三、构件的疲劳设计1、总寿命法测定S－N曲线（S为交变应力，N为应力循环周次）。
经典的疲劳设计方法是循环应力范围（S－N）曲线法或塑性总应变法来描述导致疲劳破坏的总寿命。
在这些方法中通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹的实验室试样产生疲劳破坏所需的应力循环数和应变循环数。
N=Ni +Np(Ni萌生寿命，Np扩展寿命)2、损伤容限法（疲劳设计的断裂力学方法）容许构件在使用期内出现裂纹，但必须具有足够的裂纹亚临界扩展寿命，以保证在使用期内裂纹不会失稳扩展而导致构件破坏。
疲劳寿命定义为从某一裂纹尺寸扩展至临界尺寸的裂纹循环数。
金属材料疲劳裂纹萌生机理与扩展规律概述
金属材料疲劳裂纹萌生机理与扩展规律概述摘要：在飞行器结构中，如机翼与机身连接、发动机和发动机吊架连接等重要连接区的连接结构往往会因为受到严苛的循环载荷而萌生疲劳裂纹，随着疲劳裂纹逐渐扩展，最终导致结构发生断裂失效。
本文根据部分文献和相关书籍，对金属材料的疲劳裂纹萌生机理和扩展规律进行了梳理，结论表明影响裂纹萌生与裂纹扩展的主要参量、裂纹扩展不同阶段的扩展方向均有不同。
关键词：循环滑移；裂纹萌生；裂纹扩展；对于飞行器结构，疲劳裂纹是导致结构失效最主要且最危险的损伤形式之一[1]。
疲劳裂纹作为一种常见的机械损伤失效模式，约占总失效的50%~90%[2]。
在交变载荷、腐蚀环境等作用下，尽管结构的最大工作应力低于材料强度，但是经过一定的服役时间后，结构仍然会萌生疲劳裂纹并逐步扩展。
出现在大梁减轻孔、机身蒙皮、机翼机身接头等关键部位的疲劳裂纹会严重削弱结构的承载能力，其失稳破坏甚至会导致灾难性事故的发生。
因此研究飞行器结构的疲劳裂纹损伤萌生及扩展机理，准确地预测结构的疲劳寿命具有十分重要的工程意义。
1疲劳裂纹的萌生和扩展规律[3]金属结构材料在循环载荷作用下的疲劳损伤演化过程可以分为两个阶段：宏观裂纹萌生阶段和宏观裂纹扩展阶段，两个阶段的区别在于影响疲劳行为的因素，而控不同。
在宏观裂纹萌生阶段，控制裂纹萌生的重要参量是应力集中系数K1制宏观裂纹扩展的参量则是应力强度因子K。
从图1中可以看出，宏观裂纹萌生阶段可以细分为两个子阶段：一是微裂纹形核阶段；二是微裂纹扩展阶段，即微裂纹因扩展或相互作用而聚集合并，形成“主导”宏观裂纹的过程。
微裂纹扩展阶段和宏观裂纹扩展阶段的交点通常认为是裂纹萌生与扩展的分界线，但实际上这个临界点的精确定义是无法定量描述，一般定性地认为：当微裂纹扩展不在依赖于自由表面状况时，裂纹萌生阶段结束。
图1 疲劳损伤演化[4]1.1 疲劳裂纹的萌生在很多情况下，裂纹萌生寿命占到疲劳寿命相当大的一部分，例如在高周疲劳中裂纹萌生寿命占总寿命的80%~90%，在超高周疲劳中裂纹萌生寿命可占到总寿命的99%，因此裂纹萌生阶段在整个金属材料疲劳过程中占有极为重要的地位。
疲劳断裂的基本特征
疲劳断裂的基本特征疲劳断裂是一种金属和材料在长时间的应力作用下逐渐产生裂纹并最终失效的现象。
它是一种破坏行为，常见于机械结构和工程材料中。
疲劳断裂的基本特征包括裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏。
疲劳断裂的形成通常经历三个阶段。
首先是应力集中，也就是在材料表面或内部出现应力集中的区域。
这种应力集中可以由缺陷、凹槽、划痕等引起。
其次是裂纹的形成，应力集中区域的材料开始发生微小的裂纹，这些裂纹通常是微观的，难以察觉。
最后是裂纹的扩展，随着应力的作用，裂纹逐渐扩展，最终导致材料的失效。
疲劳断裂的特点是裂纹的扩展是一个渐进性的过程。
在应力作用下，裂纹从微小到逐渐扩展，直到达到材料的强度极限。
这个过程被称为裂纹的扩展阶段。
裂纹扩展的速度受到多个因素的影响，包括应力水平、应力周期、材料的力学性能等。
一般来说，应力水平越高、应力周期越大、材料的力学性能越差，裂纹扩展的速度越快。
疲劳断裂的失效破坏通常是突然发生的。
在裂纹扩展到一定程度后，材料的强度将急剧下降，裂纹会迅速扩展并导致材料的失效。
这种失效破坏是突然发生的，没有明显的预警信号。
因此，对于承受疲劳载荷的结构和材料，必须进行定期的检测和维护，以防止疲劳断裂的发生，确保结构的安全性。
为了预防和控制疲劳断裂，人们采取了许多措施。
首先是改善材料的力学性能，提高材料的韧性和强度，减少裂纹扩展的速度。
其次是设计合理的结构，避免应力集中的出现，减少裂纹的形成。
此外，还可以采用表面处理、应力涂层、热处理等方法来提高材料的抗疲劳性能。
在使用过程中，要注意控制应力水平和应力周期，避免过大的应力作用。
疲劳断裂是一种常见的材料失效形式，它具有裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏等基本特征。
了解疲劳断裂的特点，对于改善材料的抗疲劳性能、设计合理的结构以及确保结构的安全性具有重要意义。
通过采取合适的预防和控制措施，可以有效地避免疲劳断裂的发生，延长材料和结构的使用寿命。
橡胶疲劳断裂形态
橡胶疲劳断裂形态橡胶是一种具有优异机械性能和耐磨耐腐蚀特性的弹性材料，广泛应用于各个领域。
然而，在长期使用过程中，橡胶材料可能会出现疲劳断裂现象。
疲劳断裂是指材料在受到重复加载作用下，由于应力集中和损伤累积，最终导致断裂失效。
橡胶疲劳断裂形态多种多样，常见的有裂纹扩展型、剪切型和磨损型。
下面将详细介绍这些形态。
裂纹扩展型是指在橡胶材料中出现裂纹，并随着加载次数的增加逐渐扩展。
这种疲劳断裂形态常见于高应力和高应变下的橡胶材料，如橡胶密封件和橡胶弹簧等。
裂纹扩展型的疲劳断裂通常呈现出断裂口较为平整和光滑的特点，裂纹呈尖锐形状，断裂面较为干净。
裂纹扩展型的疲劳断裂是由于材料内部的微观缺陷和损伤导致的，随着裂纹的扩展，材料的强度逐渐降低，最终导致断裂失效。
剪切型是指在橡胶材料中出现剪切变形，并伴随着裂纹的形成和扩展。
剪切型的疲劳断裂常见于橡胶材料在剪切应力作用下的情况，如橡胶管道和橡胶密封圈等。
剪切型疲劳断裂通常表现为断裂面上有明显的剪切纹路，呈现出类似撕裂的特征。
剪切型疲劳断裂的形成是由于橡胶材料在受到剪切应力作用下，发生内部断裂和相对滑移，造成裂纹的形成和扩展。
磨损型是指橡胶材料在长期使用过程中，由于摩擦和磨损作用，最终导致断裂失效。
磨损型的疲劳断裂常见于橡胶轮胎和橡胶密封件等应用场景。
磨损型疲劳断裂通常表现为断裂面上有明显的磨损痕迹和划痕，呈现出类似磨损的特征。
磨损型疲劳断裂的形成是由于橡胶材料在受到摩擦和磨损作用下，表面逐渐磨损，最终导致断裂失效。
总结起来，橡胶疲劳断裂形态包括裂纹扩展型、剪切型和磨损型。
裂纹扩展型的疲劳断裂主要是由于材料内部的微观缺陷和损伤导致的，呈现出断裂口平整光滑的特点。
剪切型的疲劳断裂主要是由于橡胶材料在受到剪切应力作用下发生内部断裂和相对滑移，呈现出撕裂的特征。
磨损型的疲劳断裂主要是由于橡胶材料在长期使用过程中受到摩擦和磨损作用，表面逐渐磨损，呈现出磨损的特征。
了解橡胶疲劳断裂形态对于预防和控制疲劳断裂失效具有重要意义。
疲劳破坏机理
疲劳破坏机理1、定义材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。
材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。
这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。
疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段:裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展问。
2、疲劳裂纹萌生机理金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。
通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。
如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。
因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响;同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。
构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。
随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。
这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。
在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。
从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。
随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。
3、疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。
在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45度方向。
在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。
其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。
此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面(最大拉应力面)内扩展。
构件发生疲劳断裂时微观形貌特征
构件发生疲劳断裂时微观形貌特征一、引言疲劳断裂是材料科学和工程领域中一个重要的问题，它导致许多实际工程中的失效事故。
研究材料在疲劳载荷下的断裂行为及其微观形貌特征对于预防疲劳断裂具有重要的意义。
本文将探讨构件在疲劳断裂发生时的微观形貌特征。
二、疲劳断裂的基本特征1. 疲劳断裂是指在交变应力作用下，材料在较短时间内经历多次应力循环后出现断裂的现象。
2. 疲劳断裂的形貌特征包括疲劳裂纹的形态和扩展方向等。
三、微观形貌特征的分析1. 晶粒形貌特征在疲劳断裂过程中，晶粒会逐渐失去规则的排列状态，形成疲劳裂纹。
晶粒在断裂前后的形态变化对于断裂的过程和机制具有重要的意义。
2. 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展路径是材料疲劳断裂行为中的重要特征之一。
疲劳裂纹往往呈现出交错、分叉等形态，揭示了材料在疲劳断裂过程中的特殊应力状态及其对裂纹形成的影响。
3. 微观结构的变化材料在疲劳断裂过程中，其微观结构会发生变化，如晶粒尺寸的变化、位错堆积等。
这些变化对材料的强度和断裂性能都有重要影响，因此对微观结构的研究可以揭示材料疲劳断裂的机制。
四、疲劳断裂的机制1. 晶界滑移与扩展在疲劳断裂过程中，晶界的滑移与扩展是一个重要的机制。
晶界滑移的不规则扩展对材料的疲劳性能有重要影响。
2. 前驱裂纹的形成疲劳断裂过程中，前驱裂纹的形成是一个重要的环节。
微观形貌特征的分析可以帮助揭示前驱裂纹形成的机制。
3. 微观缺陷的影响材料在制备和应力加载过程中存在着各种微观缺陷，这些缺陷对疲劳断裂的形貌特征有重要的影响。
研究微观缺陷对疲劳断裂的影响，可以为材料设计和工程应用提供重要参考。
五、研究方法1. 金相显微镜观察金相显微镜是研究材料微观形貌特征的重要工具之一，通过观察材料的金相组织和晶粒形貌特征，可以揭示材料疲劳断裂的微观机理。
2. 电镜观察电镜是研究材料微观结构和形貌特征的重要手段，其高分辨率的观察能力可以揭示材料微观形貌特征的细节。
3. 数值模拟数值模拟是研究材料断裂行为和微观形貌特征的重要方法，通过模拟材料在疲劳载荷下的行为，可以揭示材料的疲劳断裂机制和微观形貌特征。
疲劳裂纹萌生及扩展
疲劳条纹(striation) 不同于海滩条带(beach mark) Cr12Ni2WMoV钢疲劳条纹:(金属学报,85)
透射电镜：1-3万倍
S
谱块
t
循环
条纹
条带
疲劳裂纹扩展的微观机理 1976 Crooker
Cr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片:(金学报,85)三种破坏形式:
微解理型 microcleavage
3)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。 4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显 的塑性变形。 5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。
疲劳断口观察工具与观察内容的关系:
观察 工具 放大 倍数 观察 对象 肉眼，放大镜
1-10×
金相显微镜
10-1000×
电子显微镜
1000×以上
宏观断口， 海滩条带；
裂纹源，滑移， 条纹，微解理 夹杂，缺陷； 微孔聚合
4. 由疲劳断口进行初步失效分析
断口宏观形貌: 是否疲劳破坏? 裂纹临界尺寸? 是否正常破坏？
破坏载荷？
金相或低倍观察： 裂纹源？是否有材料缺陷？缺陷的类型和大小？
高倍电镜微观观察： “海滩条带”+“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速率。 疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进 疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。 因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。
疲劳裂纹萌生与扩展
1.2 疲劳断裂破坏的严重性
1982年，美国众议院科学技术委员会委托商业 部国家标准局(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影 响。 提交综合报告 “美国断裂破坏的经济影响” SP647-1 最终报告 “数据资料和经济分析方法” 断裂使美国一年损失1190亿美元 SP647-2
经典金属疲劳裂纹扩展至断裂机理讲解（专业级）
经典金属疲劳裂纹扩展至断裂机理讲解（专业级）经典金属疲劳裂纹扩展至断裂机理讲解（专业级）通常，疲劳裂纹扩展可以分为三个阶段：第I阶段（裂纹萌生，shot cracks），第II阶段（裂纹扩展，long cracks），第III阶段（瞬时断裂，final fracture）Fig. 1— Stages I and II of fatigue crack propagation.第I阶段：一旦裂纹萌生以后，就会沿着最大剪切应力平面(约45o)扩展，如图1所示。
这一阶段被认为是第I阶段或者短裂纹萌生和扩展阶段。
裂纹一直扩展直到遇到障碍物，如晶界、夹杂物或珠光体区。
它无法容纳初始裂纹的扩展方向。
因此，晶粒细化是可以提升材料疲劳强度的利用了引入大量微观障碍物的原理。
晶界，在裂纹扩展的第I阶段需要克服晶粒的阻碍并越过晶界。
表面机械处理，例如喷丸和表面滚压也会引入一些微观的障碍物，因为它们使晶界被压扁了。
Fig. 2 — Fatigue striations in (a) interstitial free steel and (b)aluminum alloy AA2024-T42. Figure (c) shows the fatigue fracture surface of a cast aluminum alloy, where a fatigue crack was nucleated from a casting defect, presenting solidification dendrites on the surface; fatigue striations are indicated by the arrow, on the top right side.第II阶段：由于裂纹扩展，实际载荷的上升，应力强度因子K不断增加，在裂纹尖端附近的不同平面上开始发生滑移，于是就进入了第II阶段。
低周疲劳断裂的断口特征
低周疲劳断裂的断口特征
低周疲劳断裂的断口特征包括：
1. 裂纹萌生区：这是疲劳裂纹开始形成的区域。
在宏观上，这个区域可能看起来相对平滑，但在微观尺度上，这里可能会有一些细微的腐蚀坑或缺口。
2. 裂纹扩展区：这是疲劳裂纹开始扩展的区域。
这个区域的断口通常会有明显的台阶状或凹凸不平的形态。
这种形态是由于疲劳裂纹在每一次循环载荷作用下扩展一点所形成的。
3. 瞬断区：这是疲劳断裂的最后阶段。
在这个区域，裂纹扩展得太快，以至于没有足够的时间在断口上留下痕迹。
这个区域的断口通常比较平坦，有时甚至会有剪切唇的特征。
这些特征可以用来识别低周疲劳断裂，并帮助理解材料的疲劳性能和行为。
基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究
基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究一、引言裂纹扩展是材料疲劳破坏的重要表现形式之一，对于材料的寿命预测和安全性评估具有重要意义。
基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究，能够更加全面地理解裂纹扩展的过程和规律，为材料的设计和选择提供科学依据。
二、微观和细观原位疲劳试验的意义1.微观和细观原位疲劳试验的概念和方法微观和细观原位疲劳试验是通过对材料微观组织、晶粒结构和裂纹扩展过程的实时观测和记录，来揭示材料疲劳破坏的细节和规律。
这种试验方法可以直接观察和分析裂纹扩展路径、应力场分布等细节，为裂纹扩展机理的研究提供了重要的数据支持和直观的观测手段。
2.微观和细观原位疲劳试验的意义通过微观和细观原位疲劳试验，可以深入了解材料在疲劳载荷下内部组织的变化和裂纹扩展行为，揭示出裂纹扩展机理的微观本质。
还可以为材料的寿命预测和性能设计提供可靠的依据，对提高材料的抗疲劳性能具有重要意义。
三、裂纹扩展机理的研究进展1.基于微观和细观原位疲劳试验的研究方法目前，基于微观和细观原位疲劳试验的研究方法主要包括电镜技术、同步辐射技术、原位拉伸试验等多种手段，能够在微观和细观尺度上实现裂纹扩展过程的直接观测和记录，为裂纹扩展机理的研究提供了强有力的工具支持。
2.裂纹扩展机理的理论模型基于微观和细观原位疲劳试验的研究成果，对裂纹扩展机理提出了多种理论模型，包括晶粒界对裂纹扩展的影响、位错与裂纹扩展的相互作用等，为解释实验现象和预测裂纹扩展行为提供了理论基础。
四、裂纹扩展机理研究的重要意义1.为材料寿命预测提供可靠依据基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究，能够为材料寿命预测提供更加可靠的依据，使人们能够更加准确地评估材料在实际工程中的使用寿命。
2.促进新材料的设计与研发对裂纹扩展机理的深入研究，能够为新材料的设计与研发提供重要的指导意见，有助于提高材料的抗疲劳性能和安全性能。
混凝土结构疲劳机理分析
混凝土结构疲劳机理分析一、引言混凝土作为建筑材料，广泛应用于各种建筑结构中。
在长期使用过程中，混凝土结构很容易发生疲劳损伤，从而产生裂缝、变形等问题，降低了结构的使用寿命和可靠性。
因此，深入研究混凝土结构的疲劳机理，对于提高混凝土结构的使用寿命和可靠性具有重要意义。
二、混凝土结构的疲劳现象1. 疲劳现象的定义疲劳是指在反复应力作用下，材料在无限接近静载荷下的状态下会发生的破坏。
当应力作用下，材料内部的微观组织会发生变化，从而导致宏观上的裂缝和变形。
在混凝土结构中，疲劳现象表现为结构的裂缝、变形和失稳。
2. 疲劳现象的原因混凝土结构的疲劳现象是由多种因素引起的。
其中包括材料的性质、结构的几何形状、载荷的强度和频率等因素。
在混凝土结构中，疲劳现象通常是由外界的载荷作用引起的，如交通车辆、风、水压力等。
3. 疲劳现象的特点混凝土结构的疲劳现象具有以下特点：（1）疲劳寿命与载荷幅值有关。
载荷幅值越大，疲劳寿命越短。
（2）疲劳寿命与载荷频率有关。
载荷频率越高，疲劳寿命越短。
（3）疲劳寿命与平均载荷有关。
平均载荷越高，疲劳寿命越短。
（4）疲劳寿命与材料的强度和韧性有关。
材料的强度和韧性越高，疲劳寿命越长。
三、混凝土结构的疲劳机理1. 疲劳机理的概述混凝土结构的疲劳损伤是由多个因素共同作用引起的。
在外界载荷的作用下，混凝土结构内部的微观组织会发生变化，包括裂纹的扩展、微观损伤的积累等。
这些变化会导致混凝土结构宏观上的裂缝、变形和失稳。
2. 疲劳机理的具体过程混凝土结构的疲劳机理可以分为以下几个阶段：（1）初期损伤阶段：在载荷的作用下，混凝土结构内部会出现微观裂纹，这些裂纹通常很小，不会对结构的整体性能产生影响。
（2）稳定增长阶段：随着载荷的继续作用，混凝土结构内部的微观裂纹会逐渐扩展，这个过程是一个稳定的增长过程。
（3）快速增长阶段：当裂纹扩展到一定程度时，裂纹的扩展速度会急剧增加。
这个阶段是疲劳损伤的关键阶段。
GH4169合金在650℃下疲劳小裂纹萌生和扩展行为
GH4169合金在650℃下疲劳小裂纹萌生和扩展行为吴楠;张显程;王正东;涂善东【摘要】研究了GH4169高温合金在高温条件下小裂纹的萌生和扩展行为.选用单边缺口试样,在650℃下进行应力比R为0.1,频率为0.5Hz的高温低频疲劳试验,采用覆膜法记录裂纹长度.结果表明,在试样缺口根部只存在一条主裂纹,且萌生于夹杂物附近,疲劳小裂纹扩展阶段占全寿命一半以上.利用SEM对断口进行断面微观分析,发现疲劳小裂纹倾向于以半椭圆形向试样内部扩展.同裂纹扩展速率曲线相对比,发现在断裂模式转变处裂纹扩展发生停滞现象,且在裂纹扩展完全由穿晶扩展转变为沿晶扩展之后,裂纹快速长大,导致试样断裂.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2015(035)006【总页数】6页(P71-76)【关键词】高温合金;小裂纹;高温疲劳;断裂模式【作者】吴楠;张显程;王正东;涂善东【作者单位】华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】TG146.1+5为了提高航空发动机工作的温度和应力水平，镍基合金是最早被引进用做航空发动机涡轮盘材料的合金，且通常在复杂工况下工作［1］。
经过不断的改进，已经实现了较高的推重比和燃料利用率。
由于在高温下具有良好的抗疲劳性能、抗蠕变性能、组织稳定性和断裂韧性，GH4169(Inconel 718)是目前航空发动机中使用最多的一种金属材料，主要用于涡轮盘等断裂关键构件的制造［2～4］。
对于该合金的研究，早期集中于微观组织、加载参数、温度、环境对长裂纹扩展行为的影响［5～9］;然而美国空军发动机结构完整性大纲规定，发动机断裂关键件要按损伤容限进行设计［10］。
损伤容限寿命法要求关于裂纹萌生和扩展的精确信息，应力水平较高的情况下，断裂前长裂纹扩展所占的寿命比例很小，小裂纹的萌生和扩展占据其寿命的主要部分。
疲劳裂纹扩展的基本规律及其主要的影响因素
疲劳裂纹扩展的基本规律及其主要的影响因素疲劳是指在交变应力作用下发生在材料或结构某点局部、永久性的损伤递增过程。
疲劳在自然界和工程上比较普遍。
在金属结构的失效形式里，疲劳断裂是一种主要形式，约占失效结构的90%，而疲劳断裂是由于金属结构在循环载荷的作用下，由于各种原因(如应力集中等)，引起疲劳强度降低而产生裂纹，最终由裂纹的扩展而导致结构失效。
疲劳裂纹扩展的规律疲劳裂纹在扩展过程中一般可分为三个阶段：近门槛值阶段、高速扩展阶段(Paris区)和最终断裂阶段。
在近门槛扩展阶段，疲劳裂纹的扩展速率很小，疲劳裂纹扩展速率随着应力强度因子范围△K的降低而迅速下降，直至da/dN→0，与此对应的△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△K；在Paris区，疲劳裂纹扩展速率可以用Paris公式来定量地进行描述。
其中，C和m是试验确定的常数。
在高速扩展区，随着△K的提高，裂纹扩展速率升高，当疲劳循环的最大应力强度因子Kmax接近材料的Kic时，裂纹扩展速率急剧增加，最终导致构件断裂。
疲劳裂纹扩展一般由疲劳裂纹扩展速率da/dN表征，即在疲劳载荷作用下，裂纹长度a随循环次数N的变化率，反映裂纹扩展的快慢。
疲劳裂纹扩展速率da/dN的控制参量是应力强度因子幅度△K，表示材料的疲劳性能。
研究疲劳裂纹的扩展规律一般通过两种途径：一是过实验室观察，根据实验结果直接总结出裂纹扩展规律的经验公式；二是结合微观实验研究提出裂纹扩展机理的假设模型，推导出裂纹扩展规律的理论公式。
疲劳裂纹扩展规律的研究，主要是寻求裂纹扩展速率da/dN与各有关参量之间的关系。
疲劳裂纹扩展影响因素1. 残余应力对疲劳裂纹扩展的影响(1) 残余应力模型认为，在加载过程中裂纹张开，裂纹尖端附近形成一个塑性区，载荷峰值越大，则塑性区尺寸就越大：卸载后，由于塑性区周围的弹性区材料要恢复原来的尺寸，为了保持变形协调，已产生了永久变形的塑性区内的材料就要受到周围弹性区的压缩而产生残余压应力。
疲劳断口宏观分析
.1 疲劳断口的形貌特征疲劳断口是指金属材料或零构件在疲劳断裂过程中形成的一种匹配的表面，称断裂面或断口。
分析它的目的在于确定零构件是否属于疲劳破坏?其破坏的原因是什么?从而提出防止事故的措施和方法，为今后的设计、选材以及加工等问题提出改进意见。
对断口的形貌进行分析包括两个方面，即宏观断口分析和微观断口分析。
所谓宏观分析是指用肉眼或20—30倍以下放大镜观察断口的形貌特征。
微观分析是指用光学显微镜或电子显微镜对断口进行分析。
宏观分析不要求专门设备，被观察断口尺寸不受限制，可以观察断件和断口全貌，了解各个方面变化情况，所以说宏观分析是断口分析的基础。
微观分析是用高倍的光学显微镜、c透射电镜，扫描电镜对断口进行分析，能观察断口的精细结构及裂纹形态。
1.1 疲劳断口宏观特征由于零构件经常承受拉、压、弯、扭或复合应力的作用，因载荷类型不同，在宏观断口上表现出的形貌特征也不相同。
（1）弯曲应力作用下的疲劳断口图1-2是在弯曲疲劳载荷作用下的断口示意图。
零件在弯曲疲劳载荷作用下，其表面应力最大，中心应力最小，疲劳源首先在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直方向扩展，到最后瞬断。
图中（a）是单向弯曲疲劳断口，它的疲劳源首先在受拉应力一侧表面形成，瞬断区在疲劳源相对侧，其面积大小由材料抗拉强度和外加载荷的大小来决定。
图中（b）是双向弯曲疲劳断口，由于双向弯曲，试件上下两侧交替承受拉应力作用，故疲劳源在相对两侧面形成，瞬断区在中间。
.页脚...图1-3是轴在旋转弯曲应力作用下的疲劳断口示意图，由于旋转弯曲应力也是表面最大，中心最小，疲劳源也开始于表面，且疲劳源两侧裂纹发展速度较中心快，故贝纹线比较扁平。
最终瞬断区虽然也在疲劳源对面，但总是相对于轴的旋转方向逆偏转一个角度，此种现象称为偏转现象。
因此，从疲劳源与瞬断区的相对位置便能推知轴的旋转方向。
轴上有无应力集中及应力集小，其最终瞬断区的位置是不同的。
若应力集中若应力集中最终瞬断区在疲劳源相对应的一侧。
疲劳断口的宏观形态和微观形态(四川大学,工程材料)
特征：1）疲劳载荷是交变负荷，载荷随时间而交变（应力波形、应力大小、应力大小），形式多样，有三种基本形式：反向载荷、单向载荷和单向导前载荷；2）构件疲劳断裂是在负荷经多次(如几十次或几百万次)循环以后才发生的，有低周疲劳和高周疲劳之分；3）疲劳起源点往往出现在最大拉应力处，疲劳破坏只可能在有使材料分离扯开的交变拉伸(或挤压)和交变剪切应力的情况下出现，交变的纯压缩载荷不会出现疲劳破坏，压应力使裂纹闭合而不会使裂纹扩展；4）疲劳断裂与其它一次载荷断裂不同，是一种累进式的断裂，与其它形式断裂过程一样，经历裂纹萌生、疲劳裂纹稳定扩展和快速断裂三个过程。
5）疲劳断裂在断口附件没有宏观的塑性变形，微观认识上，高周疲劳应力标称是弹性的，构件在破坏之前仅发生极小的总变形，而低周疲劳应力往往大到足以使每个循环周期产生可观的塑性变形。
判据：常根据微观形态的疲劳辉纹和轮胎压痕进行判断，即在未知断口上，如能观察到这两种微观特征形貌的任一种，就可判断该断口为疲劳断口。
根据疲劳断口的宏观形态和微观形态进行判断。
宏观形态：三个明显特征区：1）疲劳源区：一般较平整和光滑，源区越多，反映外加应力越高，应力集中位置越多或应力集中系数越大，多源断口的源区存在台阶，比较粗糙；2）裂纹扩展区：常形成海滩花样或贝壳花样，出现疲劳弧线，疲劳源位于疲劳弧线凹的一方；3）快速断裂区：视材料塑性显示韧性断裂斜断口或脆性断裂平断口。
疲劳断口微观形态：1）疲劳辉纹：一系列相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状，并与裂纹扩展方向相垂直，每一条辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿在前进过程中瞬时微观位置，辉纹的数目与载荷循环次数相等。
断裂三阶段的疲劳辉纹略有差异，从疲劳源区到终断区依次是弱波浪条纹、细条纹和深条纹。
2）轮胎压痕：。
金属加工过程中的金属疲劳分析考核试卷
5.金属材料在高温下的疲劳强度一般会__________。
6.疲劳试验中，应力水平低于材料的疲劳极限时，材料可以承受__________的循环应力而不发生疲劳破坏。
7.金属疲劳裂纹扩展的微观机制中，裂纹尖端的__________是导致裂纹扩展的主要原因。
8. ×
9. ×
10. √
五、主观题（参考）
1.萌生阶段：在材料表面或缺陷处形成微小裂纹；扩展阶段：裂纹逐渐增大，速率受应力强度因子影响；断裂阶段：裂纹扩展至临界尺寸导致材料断裂。三者关系：裂纹萌生是前提，扩展是疲劳破坏的主要过程，断裂是最终结果。
2.微观机制包括裂纹尖端塑性变形、裂纹尖端氧化腐蚀等。影响裂纹扩展速率的因素有应力强度因子、环境介质、温度等。
B.内部
C.晶界
D.孔隙
14.下列哪种方法可以用于检测金属疲劳裂纹？（）
A.光学显微镜
B.电子显微镜
C.超声波检测
D.磁粉检测
15.金属疲劳裂纹扩展的微观机制主要包括下列哪些过程？（）
A.裂纹尖端塑性变形
B.裂纹尖端氧化
C.裂纹尖端腐蚀
D. A、B和C
16.下列哪种因素会影响金属材料的疲劳极限？（）
B.外部环境
C.加工工艺
D. A和B
11.下列哪种金属材料的疲劳强度最高？（）
A.铁素体不锈钢
B.马氏体不锈钢
C.奥氏体不锈钢
D.铜合金
12.金属疲劳裂纹扩展速率与下列哪一项成正比？（）
A.应力强度因子
B.疲劳寿命
C.材料的疲劳极限
D.晶粒尺寸
13.金属疲劳裂纹的萌生主要发生在下列哪个位置？（）
金属材料的疲劳性能
金属材料的疲劳性能金属材料是工程领域中广泛应用的材料之一，其疲劳性能是评价材料耐久性和可靠性的重要指标之一。
疲劳性能是指金属材料在受到交变应力作用下，在一定应力水平下发生疲劳破坏的能力。
本文将从金属材料疲劳破坏的基本概念、疲劳破坏的机理、影响疲劳性能的因素以及提高金属材料疲劳性能的方法等方面展开探讨。
一、基本概念疲劳是指材料在受到交变应力作用下，经过一定次数的应力循环后发生破坏的现象。
疲劳破坏是一种隐蔽性的破坏形式，通常不会在材料表面留下明显的痕迹，但会导致材料的突然失效。
疲劳破坏是由于应力循环引起的微观裂纹扩展最终导致材料失效。
二、疲劳破坏的机理1. 裂纹萌生阶段：在金属材料受到交变应力作用下，材料内部会产生微小的裂纹，这些裂纹通常位于晶界、夹杂物或位错等缺陷处。
2. 裂纹扩展阶段：随着应力循环次数的增加，裂纹会逐渐扩展并蔓延至材料的整个截面，最终导致材料疲劳破坏。
3. 最终破坏阶段：当裂纹扩展至一定长度时，材料的强度将无法承受应力，导致材料突然破裂。
三、影响疲劳性能的因素1. 材料的组织结构：晶粒的尺寸、晶界的性质、夹杂物的分布等都会影响材料的疲劳性能。
2. 表面质量：表面粗糙度、表面处理等会影响裂纹的萌生和扩展速度。
3. 工作温度：高温环境下金属材料的疲劳性能通常会下降。
4. 应力水平：应力水平越高，材料的疲劳寿命越短。
5. 加工工艺：不同的加工工艺会对材料的晶粒结构和性能产生影响。
四、提高金属材料疲劳性能的方法1. 优化材料设计：合理选择材料的成分和热处理工艺，以提高材料的疲劳寿命。
2. 表面处理：采用喷丸、化学处理等方法，提高材料表面的质量，减缓裂纹的扩展速度。
3. 减小应力集中：通过设计合理的结构和减小零件的应力集中部位，降低材料的疲劳破坏风险。
4. 加强材料的表面保护：采用涂层、镀层等方式，提高材料的抗腐蚀性能，延长材料的使用寿命。
综上所述，金属材料的疲劳性能是一个综合性能指标，受到多种因素的影响。
疲劳破坏机理
疲劳破坏机理1、定义材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。
材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。
这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。
疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展问。
2、疲劳裂纹萌生机理金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。
通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。
如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。
因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响;同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。
构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。
随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。
这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。
在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。
从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。
随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。
3、疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。
在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45度方向。
在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。
其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。
此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面（最大拉应力面）内扩展。
工程类疲劳的名词解释
工程类疲劳的名词解释引言：疲劳在日常生活中是一种常见的现象，无论是个人还是物体，都会在长期的使用或受力后出现一定的疲劳状况。
而在工程领域中，疲劳也是一个重要的概念。
本文将对工程类疲劳进行详细解释。
1. 工程类疲劳的定义与背景：工程类疲劳可定义为材料在重复受力作用下，高于其静态强度下的加载条件下会发生裂纹生长与损伤累积的现象。
在工程领域中，许多结构都是反复受力的，例如桥梁、飞机机翼等，因此了解和掌握疲劳的特性对于确保结构的安全性和可靠性非常重要。
2. 疲劳破坏机理：疲劳破坏是一种逐渐发展的过程。
当材料受到重复载荷时，原本微小的裂纹会逐渐扩展，最终导致疲劳破坏。
这个过程可以分为三个阶段：裂纹起始阶段、裂纹扩展阶段和破坏阶段。
2.1 裂纹起始阶段：在材料受到重复载荷时，可能会在表面或内部形成微裂纹。
这些微小的裂纹通常在应力的最大值点处出现，并且在载荷周期内会逐渐扩展。
这个过程是一个微观的机械变形和损伤的过程。
2.2 裂纹扩展阶段：一旦裂纹开始形成和扩展，它们会从载荷作用的表面逐渐蔓延到更深层次。
这个阶段的特点是裂纹的扩张速度逐渐增加，且材料的强度开始逐渐下降。
2.3 破坏阶段：当裂纹达到一定尺寸时，材料的强度会降低到一个临界值以下，从而导致结构破坏。
破坏通常发生在裂纹的扩展末端。
3. 疲劳寿命：疲劳寿命是指材料在特定应力水平下承受重复载荷所能经历的循环次数。
不同材料有不同的疲劳寿命，而且寿命与应力水平密切相关。
通常情况下，材料在高应力水平下的疲劳寿命会更短。
4. 影响疲劳的因素：疲劳损伤的发生与多方面因素有关，以下是一些主要的影响因素：4.1 应力水平：应力水平是影响疲劳寿命的关键因素之一。
高应力水平会导致较短的疲劳寿命，而适当的应力水平可以延长材料的使用寿命。
4.2 材料的强度和韧性：材料的强度和韧性对于疲劳寿命起着重要的作用。
强度高且韧性好的材料能够更好地抵御疲劳损伤。
4.3 环境条件：环境条件，例如温度、湿度和腐蚀性物质的存在，也会对疲劳寿命产生影响。
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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。
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。
机械系统的故障诊断
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。
第Ⅱ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。
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