材料裂纹的产生及扩展的原因分析

材料疲劳裂纹的产生及影响裂纹扩展的因素

摘要：文中通过对疲劳裂纹的研究，全面分析了疲劳裂纹的产生，交变应力，表

面状态，载荷形式，化学成分，夹杂物等对疲劳产生的影响；分析了影响疲劳裂纹扩展的因素，载荷，腐蚀环境，热疲劳，温度对疲劳裂纹扩展的影响机理，论述了其影响效果，对进一步研究分析裂纹的产生，防止裂纹进一步扩展，提高材料的寿命有一定的帮助。

关键词：疲劳裂纹 ; 疲劳裂纹扩展

Abstract: In this paper, through the study of fatigue crack, and making a comprehensive analysis of the fatigue crack produces, alternating stress, the surface, and the load form, chemical composition, inclusion has effect on the fatigue; Analyzing the effect of fatigue crack growth’s factors. and the load, corrosive environment, thermal fatigue, temperature have influence on the fatigue crack propagation, It is a great help to study further the fatigue, prevent crack further expanding, and improve the life of the materials .

Keyword：fatigue crack ; fatigue crack growth

1 引言

机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。由于各种原因导致疲劳裂纹的产生和扩展，最终导致材料的断裂而引发事故，因而有必要对材料裂纹的产生与扩展进行综合分析，下面是对金属疲劳产生的影响因素及裂纹的扩展影响因素进行的研究分析。

2 材料疲劳裂纹的产生

当材料受到小于屈服强度的交变应力时，会产生疲劳问题，即在疲劳源附近，发生裂纹的萌生和扩展，随着裂纹的扩大，结构最后发生断裂。裂纹的产生和扩展是由局部的应力集中产生的。防止方法，对于表面裂纹，可以尽量磨光表面，减少初始疲劳源，也可以采用表面预压的方法，如喷丸。对于内部的，则应该注重材料的性能，减少夹杂、松孔，如把空气中铸造的改成真空铸造，精细铸造，或换成锻造，精锻。也可以利用一些热处理，减小材料内部的残余应力或不均匀力等，或改变局部的硬度。

由于疲劳裂纹经常从零构件的表面开始，所以金属零构件的表面状态对疲劳强度会有显著的影响。这里所指的表面就是表面加工光洁度、表面层的组织结构及应力状态等。大量的试验研究结果表明，表面光洁度对疲劳强度有较大的影响，因为零构件经表面加工后所引起的表面缺陷是应力集中的因素。特别是对高强度材料，表面稍有缺陷，就常成为极危险的尖锐缺口，这是疲劳源的所在地。

载荷形式( 弯曲、轴向或扭转) 对疲劳强度有一定影响。大量的实验结果表明，在应力幅度相同时，弯曲疲劳的寿命大于轴向疲劳寿命;在给定的疲劳寿命时，轴向疲劳应力幅度小于弯曲疲劳的应力幅度，这种现象在高应力低周疲劳中更加明显。出现这种矛盾的原因是存在应变梯度、体积效应、循环应变硬化和软

化，以及表面裂纹萌生后裂纹扩展的不同。由此可推想到旋转弯曲疲劳寿命也应当小于反复弯曲疲劳寿命。旋转弯曲试样表面的所有材料，在不同的时间内，均能受到最大应力作用;而反复弯曲试样只有上部和下部的最外层能承受到最大应力，相比之下，旋弯试样出现裂纹的几率大，寿命短。

在对称循环载荷下，得到的S—N 曲线是基本S—N 曲线，然而在构件设计中，载荷往往并非对称循环，即平均应力不一定等于零。因此，要考虑到平均应力对于材料疲劳性能的影响。一般说来，在应力幅相同的情况下，拉伸平均应力使疲劳强度和寿命降低，而压缩平均应力产生的影响则比较有利。

图1 平均应力对疲劳寿命的影响

化学成分也直接影响材料的疲劳特性，因为原子间的化学结合力的性质及强度决定材料的强度及韧度的可能变动范围。一切金属及合金都受疲劳的支配。对于所有金属，疲劳强度指数及疲劳韧度指数的可能范围大致都是相同的。但是，疲劳强度系数及疲劳韧度系数的可能范围却视金属的不同而有很大变化。化学成分由于变更结构或影响某一硬化程序的有效性，因而也间接地影响疲劳特性。

夹杂物和缺陷对疲劳强度的影响是多年来许多学者悉心研究的重要课题，特别是中、高强钢或高硬度钢，夹杂物和缺陷对疲劳强度的影响更加显著。钢材中总是存在有各种各样的缺陷和夹杂物，它们周围应力分布的不均匀对疲劳裂纹萌生和早期扩展有重要作用，也是引起应力集中的原因之一，对疲劳强度影响很大。

3 影响疲劳裂纹扩展的因素

3.1 载荷对疲劳裂纹扩展的影响

3.1.1 残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

残余应力模型中，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。残余应力对结构的实有应力分布有很大的影响，残余压应力使疲劳裂纹的扩展减缓。残余应力对疲劳裂纹扩展的影响：(1)残余压应力使裂纹的两个面压紧，从而使裂纹闭合；(2)降低了裂纹的最大应力强度因子，使裂纹扩展驱动力降低。

3．1 .2超载对疲劳裂纹扩展的影响

在裂纹尖端残余应力的基础上，过载使裂纹尖端形成大塑性区，而塑性区阻碍裂纹增长，使裂纹产生停滞效应。施加过载时，裂纹尖端产生较大的残余拉应变，过载后，在随后的恒定△K作用下逐渐卸载过程中，因裂尖已形成残余拉应变，使裂纹尖端过早闭合，会产生裂纹的闭合效应，从而裂纹尖端实际的应力强度因子比实际外加值△K小，所以延缓裂纹扩展速率。有机玻璃中，超载导致裂