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
摘要发表于 Int. J. of Fracture, Vol23, No.3, 1983 译文见 力学进展， Vol15，No2，1985
疲劳裂纹扩展机理
“塑性钝化模型” C. Laird(1967)
S c b 0 a e d t
(a) (b) (c)
a. 开始时的裂尖形状； b. 应力增加，裂纹张开， 裂尖材料沿tmax方向滑移；
(d)
塑性钝化过程
(e)
c. 充分张开，裂尖钝化， 开创新表面； d. 卸载,裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失; e. 裂纹锐化，但已扩展了一个Da。 裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环， 将在裂纹面上留下一条痕迹（striation）。
延性金属中的滑移
约0.1m
材料表面 材料表面
a) 粗滑移
b) 细滑移
4 N=104应力集中 N=2.7 105 扰动载荷 10 滑移带 驻留滑移带 N=5 微裂纹、扩展 宏观裂纹、扩展 （多晶体镍恒幅应力循环）
裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。
循环 载荷 作用
持久 滑移 带 几条 微裂 纹 一条 主裂 纹
DS
沿最大剪应力面，第一阶段扩展
沿垂直于载荷作用线的最大拉应 力面扩展，第二阶段
材 料 表 面
阶段1
DS
阶段2
DS
疲劳裂纹扩展二阶段
从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸 主要取决于材料和作用应力水平，一般只有几个 晶粒的尺寸 (~0.05mm) 。 第1阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献 却很大，对于高强材料，尤其如此。
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断 裂问题。
1.4 疲劳破坏机理与断口特征
一、断口宏观特征
典型疲劳断口，特征明显： 1)有裂纹源、裂纹扩展区和 最后断裂区三个部分。 2)裂纹扩展区断面较光滑， 通常可见 “海滩条带”, 还可能有腐蚀痕迹。
裂纹扩展区 海滩条带
最后断裂区
裂纹源
孔边角裂纹 断口 飞机轮毂疲劳断口
低应力、脆性材料
条纹型 striation 条纹间距=da/dN?
微孔聚合型 microvoid coalescence
高应力、韧材料
断裂(包括疲劳、腐蚀引起的断裂)
使美国一年损失1190亿美元,
为其1982年国家总产值的4%。
损失最严重的是： 车辆业 (125亿/年)， 建筑业 (100亿/年)， 航空 (67亿/年)， 金属结构及制品 (55亿/年).
疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织 (ICAO)发表的 “涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡 重大事故，平均每年100次。(不包括中、苏) Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 1984 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破 坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。