疲劳失效机理概述

疲劳失效机理概述

时间:2008-1-24

金属材料的疲劳断裂过程，一般有以下几个阶段：滑移，成核，微观裂纹扩展，宏观裂纹扩展，瞬时断裂。

金属材料产生疲劳裂纹的方式很多。有的产生在金属晶体表面、晶界或金属内部非金属夹杂物与基体交界处；有的产生在金属的“先天”缺陷处，如表面的机械划伤、焊接裂纹、腐蚀小坑、锻造缺陷、脱碳等；有的是因零件的结构形状造成应力集中而成为疲劳裂纹源，如零件上的内、外圆角、键槽、缺口等处。后两种容易产生疲劳裂纹的原因是明显的，因此，以下着重讨论第一种无宏观疵病的光滑表面上，疲劳裂纹形成的机理。

图1 纯铝第一、二阶S疲劳裂纹扩展示意图

1．变应力作用下金属的滑移及疲劳裂纹成核表面无缺陷的试件，在变应力的作用下金属产生了滑移，造成了晶格的扭曲、晶粒的破裂，若变应力继续作用，上述现象将不断出现，直至金属材料表面某处失去塑性变形的能力而形成疲劳裂纹源，即疲劳裂纹成核。金属表面开始滑移直到疲劳裂纹成核，这是疲劳过程的第一阶段(图1)。裂纹生长到一定的长度以后，逐渐改变方向，最后沿着与拉伸应力成垂直的方向生长，这是裂纹扩展阶段即疲劳过程的第二阶段。

关于疲劳裂纹成核的定义，始终还是一个有争论而难以统一的问题，从工程的实际出发，一般规定裂纹长度为0．05～0．08mm，即利用一般显微放大镜可以看到的裂纹，称为成核。

多晶体金属的界面，也是疲劳裂纹成核地区。金属中的非金属夹杂物与基体的交界处，往往是疲劳裂纹优先成核地区。

2．疲劳裂纹的扩展及材料的断裂金属在表面的滑移带、晶界、相界、切口等处一旦形成了疲劳裂纹核以后，如果继续承受变应力，则裂纹继续扩展。裂纹d小于0．05mm，即成核以前的阶段，称为微观裂纹扩展阶段，也就是疲劳过程的第一阶段。此

时疲劳裂纹的扩展速率是缓慢的，／周，为裂纹长度，N为循环次

数，称为裂纹扩展速率。裂纹大于0．05mm，进入到宏观裂纹扩展阶段即疲劳过程

的第二阶段时，扩展速率增加，一般在mm／周范围以内。

随着疲劳裂纹的扩展，当净截面的应力达到材料的拉伸强度时(对高韧性材料)、或是疲劳裂纹的长度达到材料的临界裂纹长度时，便发生最终的瞬时断裂。在断口上往往留下清晰的疲劳条带，称为前沿线，这是因为裂纹尖端向前扩展时造成的。典型的疲劳破坏断面见图2。

图2 金属的疲劳破坏断面

图3为压缩螺旋弹簧受切应力时，疲劳失效的典型断面图。从断面可以看出，疲劳破坏是由于表面裂纹(图中箭头所指)形成的疲劳源而造成的。