第六章 裂纹扩展

传统的疲劳试验：
① ② ③
根据试验曲线可进行疲劳应力下的零件寿命估 计。 缺点与不足： 无法弄清萌生期和扩展阶段 未考虑构件尺寸对疲劳寿命的影响 当应力小于疲劳极限时，并不能保证寿命为无 限（材料夹杂、工件缺陷等）
6.4 疲劳裂纹萌生与扩展机理
此机理仍属探讨阶段. 缺陷(分材料缺陷和制造缺陷)存在。 缺陷引起应力集中。 应力集中引起局部高应力。 疲劳载荷下，较高应力引起滑移。
6.
裂纹扩展
6.1 动能与裂纹扩展阻力 6.2 失稳断裂的裂纹扩展率 6.3 疲劳破坏 6.4 疲劳裂纹萌生与扩展机理 6.5 疲劳裂纹扩展率 6.6 应力腐蚀开裂与环境促进裂纹扩展 6.7 氢脆
6.裂纹扩展 裂纹扩展
裂纹扩展：失稳扩展和亚临界裂纹扩展 亚临界裂纹扩展：蠕变裂纹扩展、机械疲劳裂 纹扩展、应力腐蚀裂纹扩展和腐蚀疲劳裂纹扩 展。
Nf = ∫
af
ai
da f3 ( ∆K, Kmax )
∆ 对于恒定载荷， K 和 K max 都是a的函数。 a N f = ∫ f ( a )da a
f i
——初始裂纹长度 a f ——断裂时裂纹长度 对于Griffith裂纹
Nf = 2 C ( n − 2 ) ∆σ π
ai
(
)
f
n
⋅ ai
n−2 − 2
铝合金的电镜图象时能找到这种凸出纹和 凹入纹。→滑移模型（疲劳破坏） 疲劳裂纹扩展机理：
6.5疲劳裂纹扩展率 疲劳裂纹扩展率
设
∆K=Y( ∆σ) πa =Kmax −Kmin R = Kmin Kmax =σmin σmax
Y ——几何因子或形状因子
da n = C ( ∆K ) Pairs 建议：dN da = f1 ( ∆K , R ) 或 f2 ( Kmax , R) 或 f3 ( ∆K, Kmax ) dN
载荷 环境 惰性 活性 静载 蠕变 应力腐蚀 动载 机械疲劳 腐蚀疲劳
6.1 动能与裂纹扩展阻力
KE = ∫ ( G − R) da
a a0
G ——能量释放率 R ——裂纹扩展阻力。R = GIc KE > 0 ，裂纹扩展不可终止。
6.2 失稳断裂的裂纹扩展率
& a=
E
2π
E a0 ⋅ ⋅ 1 − α ρ a
1 − ai a f

n− n− 2 n
Biblioteka 时，对 N 起作用的主要在于ai ，应 尽可能小。
ai << af
6.6应力腐蚀开裂与环境促进裂纹 应力腐蚀开裂与环境促进裂纹 扩展
应力腐蚀开裂（stress corrosion cracking） 一般属低应力下的破坏，脆性断裂前没有征 兆，寿命比化学腐蚀情况下短得多。 发生条件： 活性介质：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢+氯 化物水溶液 碳钢+硝酸、碱溶液 应力：拉伸应力、焊接或热处理的残余应力 敏感性微结构
ρ
& a=
是声速
2π
υs
，材料纵向波的速度。
α
= 0.38
a & = 0.38υs 1− 0 a a
6.3疲劳破坏 疲劳破坏
构件寿命=裂纹萌生期+亚临界裂纹扩展阶段 机械疲劳（纯疲劳）fatigue 疲劳破坏/整个机械零件的失效=70%~90% 什么是疲劳？ 条件：循环或交变应力 裂纹萌生，扩展至临界尺寸，断裂 这种因循环或交变应力而使材料抵抗裂纹扩展 和断裂能力减弱的现象称为疲劳。
①
② ③
材料对应力腐蚀的敏感性随组织结构和介 质而变，一般随机械强度的增加而增加
萌生期：化学腐蚀产生凹坑；应力集中产 生屈服滑移，产生微裂纹。 随屈服强度的增大而降低。
6.7氢脆 氢脆
部 脆 内 氢 氢脆—— 氢损伤 境 脆 环 氢
内部氢脆
焊接 酸洗 电镀 热处理
吸收进了大量氢
环境氢脆——构件在含氢环境中使用时吸收了 氢所造成的脆化。 第一类氢脆——不可逆氢脆。在承受载荷之前， 已存在着氢脆断裂源，有白点、氢腐蚀、氢化 物致脆等。 第二类氢脆——应力与含氢介质作用下引起的 脆性断裂。承受载荷之前，其内部并不存在氢 脆断裂源，加载后由于氢与应力的相互作用才 形成断裂源，此后裂纹逐渐扩展直至脆断。这 类氢脆通常是可逆的——材料经低速形变而脆 化后，如果卸载并停留一段时间再进行正常速 度形变，原已脆化的材料的塑性与韧性可以得 到恢复。通常中、高强度钢的环境氢脆及低含 氢量状况下的内部氢脆均属于这一类。