疲劳短裂纹萌生与扩展
疲劳裂纹萌生机理
疲劳裂纹萌生机理疲劳裂纹萌生机理是材料疲劳性能研究中的重要内容。
材料在连续循环荷载下，会出现疲劳损伤，包括裂纹的萌生和扩展。
疲劳裂纹萌生是疲劳寿命的起始阶段，对材料的疲劳性能和工程设计有着重要影响。
疲劳裂纹萌生机理主要涉及材料微结构、应力场、裂纹极限尺寸、断口形态等因素。
下面将从这些方面逐一阐述。
1. 材料的微结构材料的微观结构对疲劳裂纹萌生影响较大。
材料中包括晶格等多个组成部分，这些组成部分对于疲劳裂纹的萌生和扩展起着一定的作用。
这是由于材料中的缺陷和组织结构是疲劳裂纹萌生的重要因素，缺陷包括金属脆性材料中的气孔、夹杂、析出物等，以及铸造、锻造、热处理等工艺引起的缺陷。
另外，材料的组织结构也将对材料的疲劳裂纹萌生产生影响。
组织结构包括晶格、晶界、非金属夹杂物、晶粒尺寸等。
2. 应力场分析应力场分析是揭示材料疲劳裂纹萌生机理的主要方法之一。
在应力场分析中，通过对载荷情况和应力场的定量分析，研究疲劳裂纹的萌生机制。
应力场分析的优点是能够给出车件中裂纹萌生位置和方向。
在断口形态上也能够给予算法定量计算依据，方便后续疲劳状态的有效预测。
3. 裂纹极限尺寸裂纹极限尺寸是疲劳裂纹萌生的重要参数之一。
通常认为裂纹极限尺寸是指能够被载荷识别的缺陷大小。
如果裂纹大小小到无法被载荷识别（尤其是高速载荷下）则会变成制造缺陷而不是真正的裂纹。
4. 断口形态断口形态也为疲劳裂纹萌生提供了重要参考依据，诸如沙漏断口、铁芯断口、穿肠断口等，这些不同的断口形态指向了不同的疲劳裂纹萌生机制。
总之，疲劳裂纹萌生机理十分复杂，不仅涉及材料的微结构、应力场等多个因素，还需要综合考量裂纹极限尺寸和断口形态等多方面因素，才能够真正理解裂纹萌生的机制。
只有深入研究裂纹萌生机理，才能够更好地掌握材料的疲劳损伤机制，从而为提高材料的疲劳性能和减少材料的失效风险提供实用的工程技术方案。
断裂力学 疲劳裂纹的扩展
5.2 疲劳裂纹的扩展速率
a
疲劳裂纹扩展的定量表示用 N
或 da
dN
， N 是交变应力循环
次数增量， a 是相应的裂纹长度的增量。
疲劳裂纹扩展速率:
a N
（或
da dN
），表示交变应力每循环
一次裂纹长度的平均增量（mm/次），它是裂纹长度a、应
KK1m axK1m in
其中 K1max、K1min 分别是交变应力最大值和最小值所计算的应 力强度因子。
Paris公式为最基本的公式，许多学者提出了对其的修正方案。主 要有Donahue、Priddle、Walker等。
Paris应力强度因子理论与实验结果符合较好的一种 理论.
第 I 阶段 KI Kth 门槛值
（疲劳裂纹扩展寿命）
其中 Kf(a)为应力强度因子幅度，f ( a ) 是裂纹长
度的函数，c、m为常数。
三. 影响疲劳裂纹扩展速率的因素
虽然Paris公式中只有几个参数，但实际还有其它的影响因素：
1）平均应力 m 的影响：平均应力升高，da/dN升高， 故常在表面做喷丸处理，产生压应力，减小 m 。 2）超载的影响：大载荷时能产生塑性区，然后相当 于卸载，但塑性变形不能恢复，而弹性必须要恢复， 产生压应力，相当于减小 m ，故降低 da/ dN。 3）加载频率的影响。 4）其他因素的影响
dN
式中： 为裂纹尖端张开位移幅度。
2.J积分表达式
da C(J )r dN
C与r是材料常数，J积分写成： J2Y2 de
其中Y为裂纹的几何形状因子。
扩展速率为 1 0 3 mm/每循环.
4）断裂阶段 扩展到 a c 时，失稳导致快速断裂。
金属材料疲劳裂纹萌生机理研究
金属材料疲劳裂纹萌生机理研究在工业生产、机械应用和航空航天等领域，金属材料的疲劳破坏问题一直是关注的焦点。
疲劳是金属材料长期承受载荷应力反复变化导致的一种损伤形式，容易引起裂纹的生成和扩展，最终导致材料破坏。
因此，疲劳裂纹萌生机理是疲劳破坏研究中的重要问题。
疲劳裂纹萌生机理的研究涉及金属材料的微观结构、材料表面状态、加载方式、化学成分等多种因素。
疲劳裂纹萌生的过程一般可以分为三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的扩展和裂纹的失稳。
其中，裂纹的萌生阶段是疲劳破坏的重要阶段，也是研究疲劳裂纹萌生机理的重要内容。
金属材料的疲劳破坏是一种复杂的过程，裂纹的萌生不是单纯的机械疲劳作用，而是多种因素共同作用的结果。
在金属内部，微观缺陷、晶界、夹杂物等是裂纹萌生的主要因素之一。
由于金属自身的结构不稳定性，存在着种种内在缺陷，一旦承受高应力的作用，这些内在缺陷就会扩大，导致裂纹的萌生。
此外，金属材料的化学成分也会对裂纹萌生产生影响。
特定的化学成分可以导致材料晶格的抑制和加强，从而影响裂纹的萌生。
金属材料的表面状态也是疲劳裂纹萌生的影响因素之一。
表面缺陷、氧化、腐蚀等可以通过减弱表面材料的强度和韧性，加速裂纹的萌生和扩展。
因此，在金属材料的加工过程中，对表面进行充分的打磨、喷砂等处理，可以有效地减少表面缺陷的存在。
最后，裂纹的萌生和扩展还与加载方式相关。
分别采用周期性载荷和阶段性载荷可以模拟金属材料在不同应力状态下的疲劳破坏过程。
大多数材料的疲劳寿命都可以用SN曲线表示，它是一组先定义好的实验数据标识了材料的应力极限，根据材料的特性（例如应力浓度，显微组织等）而不同。
综上所述，疲劳裂纹萌生机理的研究是金属材料疲劳破坏研究的重要方面。
裂纹的萌生涉及多个方面的因素，包括材料的微观结构、表面状态、成分等。
通过有效地预测和控制裂纹萌生机理，可以提高金属材料的疲劳寿命和性能，进而确保工业生产和应用的安全可靠。
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。
材料失效分析(第五章-疲劳)
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
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金属表面形成的挤出脊与挤入沟
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2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
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20
锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
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锯齿形断口
棘轮花样
22
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
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第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
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4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
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二、疲劳裂纹扩展模型
材料断口分析第6章-疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
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§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
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锯齿形断口
棘轮花样
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3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
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瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
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二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
47
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
疲劳裂纹萌生机理
疲劳裂纹萌生机理
疲劳裂纹萌生是材料疲劳破坏的主要形式之一，其萌生机理是材料科学研究的重要领域之一。
研究表明，疲劳裂纹萌生具有明显的循环性，即材料在循环荷载下发生微小的变形和位移，导致材料表面出现微小的裂纹，随着循环次数的增加，这些微小裂纹会逐渐扩展并最终导致材料疲劳破坏。
疲劳裂纹萌生的机理涉及多种因素，包括材料的力学性能、应力水平、循环次数、温度、湿度等因素。
其中，应力集中是裂纹萌生的主要原因之一，因为应力集中会导致材料局部应力过大或者过小，从而导致材料出现微小裂纹。
此外，材料的组织结构和缺陷也会影响裂纹萌生，比如材料中存在的夹杂物、气孔和晶界等缺陷会加速裂纹的萌生和扩展。
为了有效地预测和控制材料的疲劳寿命，研究人员需要深入了解疲劳裂纹萌生的机理和规律，并采取相应的措施来减少应力集中、提高材料的强度和延展性、改善材料的组织结构等。
只有通过综合的措施来减少疲劳裂纹的萌生和扩展，才能延长材料的使用寿命，提高材料的安全性和可靠性。
- 1 -。
疲劳短裂纹萌生与扩展
织相互作用而产生的曲折效应和闭合效应导致了短裂纹初始扩展的裂纹
减速特征。
7
扩展寿命预测
4
8
参考文献
5
[1]
郭万林，傅祥炯 .论疲劳短裂纹.航空学报，1990.
[2]
王璐，王正，宋希庚，王 魁，赵子豪.疲劳短裂纹理论及寿命
预测方法新进展. Journal of Mechanical Strength，2012.
其扩展速率不遵循Paris公式，这种裂纹称为短裂纹。
据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90%的疲
劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于
损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了
解其在短裂纹阶段的行为。
3
萌生机理
2
短裂纹的形成有三种解释：
一是在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学
性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高
且饱和值大；而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和
值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开
裂而产生短裂纹。
二是认为疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定循环载
疲劳短裂纹萌生与扩展
1
Content
疲劳短裂纹提出
1
萌生机理2Biblioteka 短裂纹扩展34
扩展寿命预测
2
疲劳短裂纹提出
1
早期科学家建立起线弹性断裂力学（LEFM），并且Paris提出了一
个著名的经验公式，用来描述疲劳裂纹扩展速率：/=∆^，他
T1-6Al-4V燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究
c a l E n g i n e e r i n g,2011,47(14):62‐69.[22] D o n g G J,Z h a o C C,C a o M Y.F l e x i b l e‐d i eF o r m i n g P r o c e s s w i t hS o l i dG r a n u l e M e d i u m o nS h e e tM e t a l[J].T r a n s a c t i o n s o fN o n f e r r o u sM e t-a l sS o c i e t y o fC h i n a,2013,23:2666‐2677.(编辑 袁兴玲)作者简介:赵长财,男,1964年生㊂燕山大学机械工程学院教授㊁博士研究生导师㊂主要研究方向为现代液压机设计理论㊁管板材成形新工艺㊂贾向东,男,1987年生㊂燕山大学机械工程学院博士研究生㊂杨盛福(通信作者),男,1962年生㊂燕山大学机械工程学院副教授㊂邱高松,男,1980年生㊂北京动力机械研究所工程师㊂T i‐6A l‐4V 燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究俞树荣 王洁璐 李淑欣 宋 伟兰州理工大学,兰州,730050摘要:针对T i‐6A l‐4V钛合金燕尾榫连接结构在不同载荷下的微动疲劳现象,采用榫形微动疲劳试验进行研究,并对裂纹萌生扩展㊁微动磨损及断口进行分析㊂结果表明,微动疲劳使构件疲劳寿命显著降低约70%;疲劳载荷对微动裂纹扩展的影响比对裂纹萌生的影响更大;微动疲劳裂纹起始于接触面边缘,与接触表面约成45°角,裂纹扩展到60~150μm后转向与接触表面垂直;微动疲劳断口形貌表面在微动磨损区具有多个裂纹源点,但只有一个主裂纹形成㊂关键词:T i‐6A l‐4V钛合金;燕尾榫;微动疲劳;微动磨损中图分类号:T G115.5 D O I:10.3969/j.i s s n.1004‐132X.2015.24.021S t u d y o n t h e I n i t i a t i o na n dP r o p a g a t i o no f F r e t t i n g F a t i g u eC r a c ko n t h eT i‐6A l‐4VA l l o y D o v e t a i l J o i n tY uS h u r o n g W a n g J i e l u L i S h u x i n S o n g W e iL a n z h o uU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,L a n z h o u,730050A b s t r a c t:F r e t t i n g f a t i g u e t e s t sw e r e c o n d u c t e d o n t h eT i‐6A l‐4V T i a l l o y d o v e t a i l j o i n t t o i n v e s t i-g a t e f r e t t i n g c r a c k s a n dw e a r u n d e r v a r i o u s l o a d l e v e l s.T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e f a t i g u e l i f e i s s i g-n i f i c a n t l y r e d u c e dd u e t o f r e t t i n g o f t h e d o v e t a i l j o i n t.T h e f a t i g u e l o a d i n g h a sm o r e i n f l u e n c e o n c r a c k p r o p a g a t i o n t h a n o n c r a c k i n i t i a t i o n.T h e f r e t t i n g c r a c k s o r i g i n a t e a t t h e e d g e o f t h e c o n t a c t s u r f a c e a n d o r i e n t a t e a t45°a n ds t a y e df o r60~150μm,t h e n p r o p a g a t en e a r l yp e r p e n d i c u l a r t ot h es u r f a c eu n t i l f r a c t u r e.T h e f r a c t u r e s u r f a c e s h o w s t h a tm u l t i p l e c r a c k i n g a t c o n t a c t s u r f a c e b u t o n l y o n em a i n c r a c k d o m i n a t e d.K e y w o r d s:T i‐6A l‐4Va l l o y;d o v e t a i l j o i n t;f r e t t i n g f a t i g u e;f r e t t i n g w e a r0 引言叶片是汽轮机㊁发动机的关键部件,微动疲劳是叶片和转子间榫连接结构的主要失效方式㊂当转子振动和气流振动传至叶片后,叶片根部与其接触的轮缘面之间发生周期性分离与接触,即受载接触表面的微幅运动和承受交变应力,产生微动疲劳[1]㊂微动疲劳现象会加速零部件的疲劳裂纹萌生与扩展,降低疲劳寿命㊂有研究表明,20%的航空发动机故障是由榫连接处的失效造成的,收稿日期:20150215基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275225);甘肃省高等学校基本科研经费资助项目(2013.116);兰州理工大学红柳杰出青年计划资助项目(J201302)而微动损伤能使构件的疲劳寿命降低20%~ 80%,甚至更低[2‐6]㊂T i‐6A l‐4V(T C4)钛合金由于具有密度小㊁硬度高等优良特性,逐渐成为航空发动机等常用的叶片材料㊂但其耐磨性较差,对微动十分敏感,因此钛合金叶片榫头和榫槽接触面间极易发生微动疲劳损伤[7‐8],所以对T C4钛合金燕尾榫结构的微动疲劳性能研究具有重要意义㊂针对榫头的微动疲劳试验主要有两个方面,即轴向微动疲劳试验和榫形微动疲劳试验[9]㊂榫形微动疲劳试验是在轴向微动疲劳试验的基础上发展起来的㊁针对叶片榫头微动疲劳的研究方法㊂试样按照榫头形状加工,直接反映叶片轴向微动疲劳情况,更接近榫头服役的实际工况㊂试验过㊃6833㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.程没有可执行的标准,对此类试验的研究报道也相对较少㊂榫形微动疲劳试验较多地与有限元模拟相结合,分析榫头处受力情况㊁裂纹萌生位置及裂纹扩展规律等㊂目前关于钛合金燕尾榫结构的微动疲劳研究主要集中在使用有限元软件进行榫头微动疲劳寿命预测和采用轴向微动疲劳试验研究材料微动损伤机理等方面㊂卫中山等[10‐11]试验研究了T C4钛合金在柱面平面接触下的微动疲劳行为,分析了其微动疲劳损伤机理,对微动区磨损形貌及断裂特征进行了分析㊂石炜[12]试验研究了T C11等三种材料的微动疲劳性能,对裂纹及断口进行了分析,引入了微动综合损伤参量估算了裂纹萌生方向㊁位置㊁寿命,并与试验结果进行了对比㊂G o l d e n等[13‐14]试验研究了榫头角度对T C4钛合金榫头微动疲劳寿命的影响,并结合有限元软件进行了微动疲劳寿命预测㊂R a j a s e k-a r a n等[15]对榫头微动疲劳进行了试验研究,并结合有限元模型提出了分析表面力和内力场的半解析方法㊂古远兴等[16‐17]试验研究了高低周复合载荷下T C11合金燕尾榫结构的微动疲劳寿命,并结合A N S Y S软件分析了裂纹萌生寿命,改进了微动疲劳寿命预测模型㊂目前,针对榫形试件微动疲劳裂纹萌生及扩展过程的分析研究较为少见,因此,本文对T C4合金榫形试样在应力比R =0.1,不同载荷条件下进行微动疲劳试验,研究微动疲劳裂纹萌生及扩展行为,为该材料的工程应用提供数据支持㊂1 试验材料与试验方法本文采用榫形试件进行微动疲劳试验㊂试验材料为宝鸡市三立有色金属有限责任公司生产的T C4钛合金板材,其室温抗拉强度为905M P a,屈服强度σ0.2为845M P a,延伸率为15%㊂材料化学成分如表1所示,材料微观组织形貌如图1所示,其组织形貌为α+β组织㊂表1 材料化学成分(质量分数)%成分T i‐6A l‐4V中的含量A l6.5V4.3F e0.06C0.01N0.01O0.08T i B a l a n c e微动疲劳试样尺寸见图2,其表面和侧面均经过打磨抛光,榫头表面经过腐蚀以显示微观组织形貌㊂所用微动块材质与试样相同㊂夹头材料为9镍钢(牌号06N i9D R),厚度为10mm㊂微动图1 T i‐6A l‐4V显微组织形貌疲劳试验在MT S810型电液伺服疲劳试验机上进行㊂裂纹萌生及扩展情况㊁微动区磨损情况使用O L YM P U S G X51型金相显微镜及Q u a n t a F E C450扫描电子显微镜观察㊂最大循环载荷(载荷峰值)F分别为12kN㊁11k N㊁10k N,应力比R=0.1,试验频率为25H z㊂图2 燕尾榫结构微动疲劳试样尺寸图(mm)2 试验结果及分析2.1 应力寿命曲线图3所示为T i‐6A l‐4V微动疲劳寿命曲线㊂与常规疲劳寿命曲线[18]相比,微动疲劳寿命缩短了约70%㊂微动疲劳寿命曲线陡峭,说明载荷对寿命的影响不是很显著㊂常规疲劳试验中,当载图3 T i‐6A l‐4V微动疲劳与常规疲劳应力寿命曲线的对比荷增大30M P a时,循环周次减少2.8×106,而微动疲劳循环周次只减少1.5×106㊂在无微动条件下,高载荷的寿命由裂纹扩展寿命决定,低载荷的寿命则主要由裂纹萌生主导㊂在微动磨损情况下,微动疲劳裂纹的萌生取决于接触部位的应力㊃7833㊃T i‐6A l‐4V燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究 俞树荣 王洁璐 李淑欣等Copyright©博看网. All Rights Reserved.状态和磨损情况,高载荷致使作用于接触面的剪应力和正应力增大,对应于较大的磨损,但由于接触部位有多条小裂纹的不断萌生和止裂,主裂纹的形成有较大的随机性,因此增大载荷虽然会导致试样断裂寿命明显缩短,但并不意味着裂纹萌生寿命一定短㊂载荷的变化主要在疲劳宏观裂纹形成后对其扩展速率产生影响㊂2.2 裂纹萌生和扩展过程分析图4a 所示为微动疲劳裂纹扩展的宏观形貌,裂纹沿45°方向启裂后垂直于表面扩展,该现象在所测试的试样上均出现㊂图4b 是所测量的裂纹长度寿命曲线(a ‐N 曲线)㊂从图4中可以看出,载荷的增大对疲劳裂纹的扩展寿命影响较为显著,对疲劳裂纹的萌生寿命在一定范围内的影响较小㊂载荷F 为11k N 和12k N 时的裂纹萌生寿命相差不大,而载荷为10k N 时的裂纹萌生寿命较长㊂(a)微动疲劳裂纹扩展宏观形貌(b)不同载荷下的裂纹长度寿命曲线图4 微动疲劳裂纹形貌及扩展规律图5所示为裂纹扩展至10mm 时的裂纹形貌S E M 照片㊂如图5所示,在切向力和法向正压力的作用下,早期裂纹首先与接触表面成一定角度(θ),扩展至一定深度后,扩展方向发生突变并与接触表面基本垂直㊂斜向扩展过程受剪切型(Ⅱ型)应力强度因子控制,取决于剪应力;垂直于表面方向的扩展受张开型(Ⅰ型)应力强度因子控制,取决于正应力㊂N a m j o s h i 等[18]对T i ‐6A l ‐4V微动疲劳多轴载荷下的裂纹萌生进行了研究,认为作用在临界面上的剪应力大小决定着裂纹的萌生,正应力和剪应力共同作用于裂纹扩展㊂如图5c 所示,裂尖附近可观察到二次裂纹㊂裂纹附近晶粒取向发生改变,晶粒沿载荷方向重新排布,可观察到少量与裂纹方向成45°角的滑移线㊂微裂纹从相界开始聚集形成裂纹,最终穿过晶粒并扩展㊂(a)扩展中的裂纹(b)起裂点显微形貌(c)裂尖区域显微形貌图5 裂纹形貌(F =12k N ,N f =7.87×105)2.3 接触点磨损形貌微动疲劳裂纹源形成于磨损表层,磨损表面发生氧化且颜色较暗㊂试验观察到大量黑色的颗粒状磨屑从磨损表面脱落㊂图6a 和图6b 为不同应力下接触点磨痕形貌(清洗后)的S E M 照片,从照片中可以清楚地观察到部分滑移区A (黏着区)㊁混合区B 与滑移区C 三个区域,呈现典型的微动疲劳磨损形貌[19‐20]㊂部分滑移区A 为轻微损伤区,由于微动副始终保持接触,所以其损伤特征与边缘处明显不同㊂该区域表面磨损轻微,可观察到沿微动方向的塑性流变和犁沟,且表面有金属块掉落并出现腐蚀坑㊂损伤区呈现层状及山丘状的塑性变形,是磨粒磨损和接触疲劳的特征㊂对比图6a 和图6b 可知,随着微动疲劳载荷的增大,混合区B 及滑移区C 面积增大,试验中可观察到随着循环次数的增大,磨屑脱落速度明显加快㊂混合区B 为裂纹区,该区域摩擦力㊁表面塑性变化较大,且缺少氧化磨屑的调节,是裂纹萌生㊁扩展的危险区域㊂如图6c 和图6d 所示,在循环应力和摩擦力的共同作用下,微动表面产生大量微裂纹,微裂纹方向垂直于微动方向㊂随着微动的不断进行,微裂纹不断增加㊁积聚并向深处扩展,最后形成断裂长裂纹,对试件的疲劳寿命产生影响㊂接触表面的磨屑脱落和严重磨损主要集中在滑移区C ,C 表面㊃8833㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a)接触点磨损形貌 (F =10k N ,N f =2.5×106)(b)接触点磨损形貌(F =11k N ,N f =1.5×106)(c)微裂纹带微观形貌 (F =10k N ,N f =2.5×106)(d)微裂纹微观形貌(F =11k N ,N f =1.5×106)图6 不同载荷下接触点磨损微观形貌有大量的剥落坑,较为粗糙,是剥层磨损的特征㊂表面颗粒快速地磨损㊁剥落,可以消除接触表面可能形成的微裂纹,且极大地降低了裂纹成核的可能性㊂2.4 断口形貌试样断口宏观形貌见图7㊂图7a 所示为微动疲劳载荷下的断口宏观形貌,可以看出,断口呈现出明显的四个区:裂纹源a 区㊁裂纹扩展第一区b 区㊁裂纹稳定扩展第二区c 区和过载断裂区d 区㊂裂纹源a 区较其他区粗糙㊂放射纹收敛处为由接触点微动磨损造成的裂纹源,该区因氧化而颜色较暗㊂裂纹沿断口横截面扩展㊂与常规裂纹源区不同,微动疲劳由于承受多轴疲劳载荷,裂纹源a 区并未呈现出常规疲劳中明显的单个表面缺陷起裂的特征,而是在接触磨损区的一个区域开裂,该区的尺寸约为60~150μm ,如图7b 所示㊂文献[21]证明该小范围内的裂纹与接触表面成大约45°角,除了主裂纹外还有小裂纹存在,但这些小裂纹在几个晶粒范围内止裂㊂裂纹发生偏转发展成扩展裂纹,在断口上形成平整的稳定扩展区b,在该区内发现大量的疲劳辉纹以及垂直于断面的二次裂纹,如图7c 所示㊂当裂纹进入塑性失稳区后,断面为撕裂状,可观察到大量韧窝,靠近裂纹扩展区的韧窝形状为拉伸形成的等轴韧窝,远离裂纹扩展区的韧窝形状为撕裂形成的拉长韧窝,属于塑性材料的快速断裂特征㊂(a)微动疲劳断口宏观形貌(b)裂纹源区微观形貌(c)裂纹稳定扩展区的疲劳辉纹(d)瞬间断裂区微观形貌图7 试样断口宏观形貌(F =10k N ,N f =2.5×106)3 结论(1)微动的影响使得T i ‐6A l ‐4V 榫结构的疲劳寿命降低约70%㊂由于接触区复杂应力场和磨损的影响,微动疲劳寿命曲线较常规疲劳曲线陡峭,载荷对其寿命的影响小于常规疲劳对其寿命的影响㊂(2)微动疲劳裂纹起裂于接触面的边缘部位,方向与接触面约成45°角,斜向扩展一定深度(约为60~150μm )后转向与接触表面垂直方向扩展直至断裂㊂微动疲劳断口上呈现出多个线状疲劳源点,微裂纹在几个晶粒范围内止裂㊂随着疲劳载荷的增大,磨损区中混合区及滑移区面积增大㊂参考文献:[1] 孔润祥,周祥英.汽轮机叶片根部的微动失效[J ].热力透平,1993(2):45‐49.K o n g R u n x i a n g ,Z h o uX i a n g y i n g .F r e t t i n g F a i l u r e o f T u r b i n eB l a d eR o o t [J ].T h e r m a lT u r b i n e ,1993(2):45‐49.[2] 何明鉴.机械构件的微动疲劳[M ].北京:国防工业出版社,1994.㊃9833㊃T i ‐6A l ‐4V 燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究俞树荣 王洁璐 李淑欣等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.[3] 沈明学,彭金方,郑健峰,等.微动疲劳研究进展[J].材料工程,2010(12):86‐91.S h e n M i n g x u e,P e n g J i n f a n g,Z h e n g J i a n f e n g,e ta l.S t u d y a n d D e v e l o p m e n to f F r e t t i n g F a t i g u e[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n g,2010(12):86‐91.[4] 周仲荣,V i n c e n tL.微动磨损[M].北京:科学出版社,2002.[5] W a t e r h o u s eR B.F r e t t i n g F a t i g u e[M].L o n d o n:A p p l i e dS c i e n c eP u b l i s h e r sL t d.,1981.[6] N o w e l lD,D i n iD,H i l l s D A.R e c e n tD e v e l o p-m e n t si nt h e U n d e r s t a n d i n g o f F r e t t i n g F a t i g u e[J].E n g i n e e r i n g F r a c t u r e M e c h a n i c s,2006,73(2):207‐222.[7] 刘道新,何家文.微动疲劳影响因素及钛合金微动疲劳行为[J].航空学报,2001,22(5):454‐457.L i uD a o x i n,H e J i a w e n.R e v i e wo fF a c t o r s t h a t I n-f l u e n c eF r e t t i ng F a t i g u e(F F)a n dI n v e s t i g a t i o no nF FB e h a v i o ro fT i‐A l l o y[J].A c t a A e r o n a u t i c aE tA s t r o n a u t i c aS i n i c a,2001,22(5):454‐457.[8] L e eB W,S u hJ,L e e H,e ta l.I n v e s t i g a t i o n so nF r e t t i n g F a t i g u e i n A i r c r a f t E n g i n e C o m p r e s s o rB l a d e[J].E n g i n e e r i n g F a i l u r e A n a l y s i s,2011,18(7):1900‐1908.[9] 李康,付雪松,周文龙.钛合金榫头微动疲劳试验研究现状与发展[J].钛工业进展,2014,31(4):1‐5.L i K a n g,F uX u e s o n g,Z h o uW e n l o n g.P r e s e n t S i t u-a t i o na n d D e v e l o p m e n to fT i t a n i u m A l l o y D o v e t a i lF r e t t i n g F a t i g u eT e s t[J].T i t a n i u m I n d u s t r y P r o-g r e s s,2014,31(4):1‐5.[10] 卫中山,王珉,李亮,等.T C4合金微动疲劳损伤研究[J].机械工程材料,2006,30(1):30‐32.W e i Z h o n g s h a n,W a n g M i n,L i L i a n g,e t a l.F r e t-t i n g F a t i g u eD a m a g eB e h a v i o ro fT C4A l l o y[J].M a t e r i a l s f o r M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2006,30(1):30‐32.[11] 卫中山,王珉,张明,等.T C4钛合金的微动疲劳行为研究[J].稀有金属材料与工程,2006,35(7):1050‐1052.W e i Z h o n g s h a n,W a n g M i n,Z h a n g M i n g,e ta l.S t u d y o nF r e t t i n g F a t i g u eB e h a v i o r o fT C4T i t a n i-u m A l l o y[J].R a r eM e t a lM a t e r i a l s a n dE n g i n e e r-i n g,2006,35(7):1050‐1052.[12] 石炜.航空发动机榫连接结构微动疲劳寿命研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.[13] G o l d e nPJ,N i c h o l a sT.T h eE f f e c to fA n g l eo nD o v e t a i lF r e t t i n gE x p e r i m e n t s i nT i‐6A l‐4V[J].F a t i g u e&F r a c t u r eo fE n g i n e e r i n g M a t e r i a l s&S t r u c t u r e s,2005,28:1169‐1175. 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疲劳磨损
的控制参量。 三、疲劳磨损影响因素： 1、材料性能的影响 钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性， 在循环应力作用下与基体材料脱离形成 空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。 通常增加材料硬度可以提高抗疲劳磨损能力，但硬度过高，材料脆性增加，反而会降低 接触疲劳寿命。 2、表面粗糙度的影响 粗糙度值越大，疲劳寿命越短。 因为实际加工表面的微凸体接触，使椭圆分布的应力场变成了很多分散的微观应力 场，从而引发了很多微观点蚀。微观点蚀的出现往往构成了宏观点蚀裂纹的起源，因此，提 高表面光洁度有利于延长疲劳磨损寿命。 3、润滑与润滑剂的影响 实验表明： 增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力。 下面是粘度影响疲劳磨损机理的不同 观点：
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
第8章 疲劳裂纹扩展.
lg da/dN K=(1-R)Kmax
=(1- R) K c
10 -9
-5 ~-6 微孔聚合为主
10
条纹为主
微解理为主
1 2 3
高速率区: 有上限Kmax=Kc， 扩展快，寿命可不计。
中速率区: 有对数线性关系。 可表达为： da/dN=C(K)m
Kth
lg( K)
C、m和Kth，是 描述疲劳裂纹扩 展性能的基本参 数。
三种破坏形式:
微解理型 低速率
lg da/dN
微孔聚合为主
10 -9 -5 ~-6
10
条纹为主 微解理为主
条纹型 稳定扩展
1
2
3
Kth
lg( K)
微孔聚合型 高速率
2、裂纹扩展速率公式
Paris公式：
da/dN=C(K)m
第八章 疲劳裂纹扩展
第一节 疲劳裂纹的萌生与扩展机制
一、萌生机制
Cottrell-Hull 疲劳裂纹萌生机制
二、疲劳断口形貌分析
三个典型区域：
疲劳源区 疲劳扩展区 瞬时断裂区
疲劳海滩标记： 宏观、肉眼可见
疲劳条纹： 微观、显微放大以后可见
实际材料的疲劳条纹： 铝合金断面上的疲 劳条纹×12000倍
疲劳 裂纹 扩展 研究 需求 理论基础：线弹性断裂力学(1957) 计算手段：计算机迅速发展； 实验手段：高倍电镜、电液伺服 疲劳机，电火花切割机等 研 究 可 能
讨论张开型 (I型) 裂纹。 a＞＞rp，LEFM力学可用。
一、a N曲线
a (mm)
CCT CT
疲劳裂纹萌生分析
5.沿着晶界开裂，但相对于与粒子有关的裂纹萌生而言，沿 着晶界萌生裂纹似乎比较少(见图4用；绝大部
分裂纹都是在粗大粒子上或粒子、基体界面上萌生。
参考文献
【1】 郑子樵，陈圆圆等，2524−T34合金疲劳裂纹的萌生和扩展行为 【2】 刘晓燕, 何晓梅, 董洁，2Cr13钢的疲劳裂纹萌生与扩展行为 【3】 王仁智等，疲劳裂纹萌生的微细观过程与内部疲劳极限理论
裂纹萌生
金属材料在循环载荷作用下其内部结构将发生变化,宏 观上表现为试样强度或硬度的升高或降低,即循环硬化或软 化。一般表现为高强度材料软化,低强度材料硬化。形变产 生滑移，少数滑移线形成宽而集中的粗滑移带,这种滑移带 在试样表面侵入较深,称为驻留滑移带(PSB)。它们导致循环 变形的局部化,促使在驻留滑移带、晶界和表面夹杂物处萌 生疲劳裂纹。
疲劳试验在MTS−810 材料试验机上进行，应力比 R=−0.1，频率为15 Hz，环境温度为25 ℃，相对湿度为15%。 在疲劳试验过程中周期性地中止试验以便观察裂纹萌生和 扩展行为，用光学显微镜观察合金的初始金相组织，用SEM 和EDS 观察疲劳断裂表面和分析合金中第二相粒子化学成 分。采用光学显微镜和扫描电镜观察分析裂纹萌生和扩展 行为。
THANKS!
试验结果：
由图（a）可见，疲劳初期在一个样品上，可同时观察 到多个微小裂纹，这些裂纹在不同位置萌生。
主要的裂纹萌生位置如下：
1.含Fe、Mn 的Al7Cu2(Fe，Mn)杂质相开裂，见图（c）；
2.未溶解的过剩相(可能是θ(Al2Cu)相和S(Al2CuMg)相)开裂， 见图（d）；
3.第二相粒子与基体的界面开裂，见图（e），说明这些粒子 本身不容易开裂；
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。
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 growth1 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。
基于短裂纹的LDIOCZ铝合金腐蚀预疲劳裂纹扩展
劳载荷作用下材料裂用 Ｓ Ｓ ５ ５ ０ 型扫 描 电子显微镜 和液
图 １ 试件外形尺寸
压伺 服疲 劳试验 机联合 完成微 小尺 度原位 观测与加
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ ． ０ ７ ． ２ ０ ； 修回 日期 ：２ ０ １ ２ － １ ２ － ０ ３
２ 扫描 电子显微镜原位加载疲劳试验
为研究腐 蚀对 于疲 劳裂纹 萌生 和扩展 行为 的影
响， 采 用带有液压伺 服疲劳加载设备 的扫描 电子显 微 镜原位观测研究方 法（ Ｓ Ｅ Ｍ ｉ ｎ ． ｓ ｉ ｔ ｕ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ） ， 对预腐蚀 试
件边 进行 疲劳加 载边进 行局 部小 尺度缺 陷演化过 程 的实 时观测 。本方法克服 了传统研究手段无 法实时 追踪疲 劳短裂纹 的萌生 与扩展行为 ， 难 以揭示 预腐 蚀 条件下试样 疲劳失效机制 的弊端 ， 能够实时 观察 到疲
表１ Ｌ Ｄ１ ０ Ｃ Ｚ铝合金成分
４ ４ Ｏ
及疲 劳寿命 的预测方法 。
基 于该 环境 谱 ， 加速 腐 蚀试 验 过 程 中保持 Ｚ Ｊ Ｆ 一
４ ５ Ｇ内空间恒温 ： （ ４ ０ ±２ 】 ℃。Ｚ Ｊ Ｆ 一 ４ ５ Ｇ试 验箱溶液为 Ｈ ： ｓ Ｏ ４ 与３ ． ５ ％（ ｗ ｔ ． ％） Ｎ ａ Ｃ Ｉ 混 合溶 液 ， ｐ Ｈ＝ （ ４ ． ０ ± ０ ． ２ ） 。
２ ０ ０ ５ （ （ 金 属和合 金 的腐蚀 盐 溶液周 浸试验 》 ， 可 以模
拟 大气 腐蚀 环境 条件 下的腐 蚀试验 。为了建 立起试 验 室加 速腐 蚀与某 型 飞机外 场实 际条件 下腐 蚀损伤 腐 蚀 当量 等效 关 系 ， 基 于 电化学等 效原则 ， 建 立 了我
疲劳裂纹萌生的三种方式
疲劳裂纹萌生的三种方式
疲劳裂纹是指在材料长时间受到交变或周期性加载作用下，由于材料的疲劳强度较低，导致裂纹的形成和扩展。
疲劳裂纹的萌生方式有三种，分别是表面裂纹萌生、内部裂纹萌生和拥有微小裂纹的裂纹萌生。
第一种方式是表面裂纹萌生。
当材料表面受到交变或周期性加载时，由于应力集中的存在，表面上可能会出现微小的裂纹。
这些裂纹通常发生在材料的表面缺陷处，如划痕、腐蚀等。
由于这些缺陷处的强度较低，使得裂纹在此处容易发生。
一旦裂纹发生，随着加载的重复，裂纹会逐渐扩展，最终导致材料的破坏。
第二种方式是内部裂纹萌生。
内部裂纹是指裂纹从材料内部开始萌生，并逐渐向表面扩展的裂纹。
这种裂纹萌生的原因是材料内部存在的缺陷或不均匀性。
在材料的制造过程中，可能会存在一些缺陷，如夹杂物、气孔等。
这些缺陷会导致材料内部应力集中，从而促使裂纹的萌生和扩展。
第三种方式是拥有微小裂纹的裂纹萌生。
在材料受到加载时，如果材料表面存在一些微小的裂纹，则这些裂纹可能会成为新的裂纹的起点。
这种裂纹萌生的方式与表面裂纹萌生类似，但是起点是已存在的微小裂纹。
这些微小裂纹可能是由于材料的制造过程中产生的，也可能是由于材料的使用过程中受到的一些损伤引起的。
疲劳裂纹的萌生方式有三种，包括表面裂纹萌生、内部裂纹萌生和拥有微小裂纹的裂纹萌生。
这些裂纹的萌生和扩展会导致材料的破坏，因此在材料的设计和使用过程中，需要注意防止裂纹的萌生和扩展，以提高材料的使用寿命和安全性。
短裂纹扩展规律及分析方法整理
一、材料疲劳裂纹扩展研究现状许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求，以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关系到可靠性和寿命的一项非常重要的性能指标。
工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效的重要因素之一。
据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90% 的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。
二、短裂纹的定义短裂纹的定义有两种其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力学( linear elasticfracture mechanics LEFM) 有效性条件的裂纹统称为短裂纹;其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一数量级的裂纹。
疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观结构特征相当的微观组织短裂纹( microstructure shortcrack，MSC) 行为和脱离微观结构束缚的物理短裂纹( physical short crack，PSC) 行为。
主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短裂纹行为模拟三方面内容。
三、短裂纹萌生机理关于短裂纹的形成有三种解释：第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大; 而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。
当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。
第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。
金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。
第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
疲劳与断裂力学 第8章 疲劳裂纹扩展
da + a 2 da + a L da )/ =( (a ) a 1 (a ) a 2 (a ) a0
a1
a (a) =1
0
a L da
此即Miner理论。若不计加载次序影响，Miner理论也可 用于裂纹扩展阶段。 若a0=0.5, aL=30mm， 每年载荷谱如表。 先 算 各 Si 下 的 裂 纹 扩 展 寿 命 Ni ， 再 算 ni/Ni。
应力强度因子：
中心裂纹宽板 f=1； 单边裂纹宽板 f=1.12
K f a
临界裂纹尺寸aC：有线弹性断裂判据：
K max f max aC K C
疲劳裂纹扩展公式： 得到裂纹扩展方程：
或
aC
1
(
KC f max
)2
da (K , R) ( f , , a, R,) dN
max
2、检查期间的循环次数: N=0.1×3600×1000=3.6×105 次
3、尺寸ai的裂纹, 在下一检查期内不应扩展至ac。 本题 m=4, 由裂纹扩展方程有：
NC
1
m
C ( f ) (0.5m - 1) a
[
1
0.5 m -1 0
a
1
0 .5 m -1 C
]
注意 =max-min=180Mpa，
Si(MPa) ni(103) Ni(103) ni/Ni
150 200 250 300 30 20 10 5 426.6 180.0 92.1 53.3 0.0703 0.1111 0.1086 0.0938
设寿命为年，则有： n/N=1， =1/n/N=2.6年
例2 中心裂纹宽板，作用应力max=200MPa, min=20MPa。Kc=104MPa, 工作频率0.1Hz。 为保证安全，每1000小时进行一次无损检验。 试确定检查时所能允许的最大裂纹尺寸ai。 [ da/dN=4×10-14(K)4 m/c] 解：1、计算临界裂纹尺寸ac： 对于中心裂纹宽板 f=1.0, 有： 1 Kc 2 ( ) =0.086 m ac=
铁路货车车轴疲劳裂纹产生原因分析和预防措施
铁路货车车轴疲劳裂纹产生原因分析和预防措施摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。
铁路货车车轴是车辆行走部分最终要的部件，承受着车辆的自重和荷重，在长期使用过程中因受各种载荷作用易产生疲劳裂纹，如不及时发现和消除，就有发生冷切断轴事故的危险。
本文就铁路货车车轴疲劳裂纹产生原因分析和预防措施展开探讨。
关键词：车轴疲劳缺陷；原因分析；对策引言裂纹基本上都是缺陷疲劳的演变，当存在快速扩展的条件时，裂纹就会演变成断裂。
车轴受力区域在交变载荷的作用下，疲劳累积损伤达到一定程度后，诱发疲劳裂纹，进而裂纹扩展，最后导致断裂。
1车轴疲劳缺陷车轴疲劳缺陷是指在车轴运用过程中在拉伸、压缩、扭曲、剪应力、微动摩擦、腐蚀等作用下，车轴表面萌生的疲劳损伤。
车轴缺陷包括内部缺陷以及外表缺陷，在列车运行过程中无论是内部缺陷或者外表缺陷，车轴均可能以此为疲劳源产生疲劳裂纹。
2车轴疲劳裂纹产生原因2.1轮轴组装时的压入应力影响轮轴压装过程中，轮座表面产生残余拉伸应力，压装后在轮座的内外侧会产生应力集中。
运用过程中，由于车辆重载导致的车轴弯曲在轮座内外侧引起摩擦、腐蚀、疲劳等，进而诱发裂纹。
2.2车轴内部缺陷车轴内部缺陷主要包括材料成份偏差、夹杂物、组织异常、级别超标、疏松、残余缩孔等，主要是由于轴胚冶炼或车轴热处理控制失误造成的。
在车轴运行中，疲劳裂纹从中部缺陷处产生，然后逐步扩大，最终导致疲劳裂断。
2.3几何形状的影响装配部件及蚀坑会使车轴局部的几何形状发生变化，产生应力集中，加大应力集中系数，导致微裂纹的产生。
不同截面的微裂纹扩展成大裂纹，并各自形成裂纹源，这些裂纹继续扩展与主裂纹交汇，而次裂纹扩展受阻，主裂纹在交变载荷作用下继续扩展，直至断裂。
2.4轴径裂纹轴径裂纹主要发生在车轴轴径与轴承配合部内侧边缘。
其产生的原因是由于车轴与轴承组装不当，或轴承装配中压有异物，在其配合部位边缘产生高应力集中，导致裂纹产生。
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3
萌生机理
2
短裂纹的形成有三种解释： 一是在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学 性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高 且饱和值大；而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和 值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开 裂而产生短裂纹。 二是认为疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定循环载 荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的 铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面 形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。 三是认为疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶 界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又 会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
短裂纹生长受到晶粒取向的影响
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短裂纹扩展
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3.3 闭合效应 疲劳裂纹扩展往往伴随发生裂纹的闭合效应。如图所示，闭合效应 可以由局部塑性区,腐蚀产物,或裂纹的粗糙面等因素产生。一般地,闭合 效应的作用随裂纹长度的延伸而增强。研究指出，短裂纹与材料细观组 织相互作用而产生的曲折效应和闭合效应导致了短裂纹初始扩展的裂纹 减速特征。
疲劳短裂纹萌生与扩展
1
பைடு நூலகம்
Content
1 疲劳短裂纹提出
2
萌生机理
3
短裂纹扩展
4
扩展寿命预测
2
疲劳短裂纹提出
1
早期科学家建立起线弹性断裂力学（LEFM），并且Paris提出了一 个著名的经验公式，用来描述疲劳裂纹扩展速率：������������/������������=������∆������^������，他 取得了成功，该公式得到了广泛的应用。然而对于长度很小的短裂纹， 其扩展速率不遵循Paris公式，这种裂纹称为短裂纹。 据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90%的疲 劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于 损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了 解其在短裂纹阶段的行为。
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Thanks！
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扩展寿命预测
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参考文献
5
[1] [2] 郭万林，傅祥炯 .论疲劳短裂纹.航空学报，1990. 王璐，王正，宋希庚，王 魁，赵子豪.疲劳短裂纹理论及寿命 预测方法新进展. Journal of Mechanical Strength，2012.
[3]
洪友士，方尴.疲劳短裂纹萌生及发展的细观过程和理论.1993.
4
短裂纹扩展
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短裂纹扩展
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3.2 曲折效应 晶粒尺度对短裂纹行为的影响 往往体现在晶界对裂纹扩展的障碍 作用。而相邻晶粒具有不同的晶体 取向也使得裂纹在晶粒内的走向具 有相应的晶体学特征。如图所示， 由于晶粒Y与晶粒X的滑移系统取向 不同，因此裂纹由晶粒X传播到晶 粒Y将发生曲折。若晶粒X的滑移系 统的施密特因子较大，相应地将获 得较大的临界分切应力；而Y晶粒 里的滑移系统可能具有较小的分切 应力。这样裂纹由X到Y将发生偏转 ，其传播速率将受到明显的影响， 裂纹的这种行为往往被称为“曲折 效应”。