课疲劳失效的微观过程和机制
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章 疲劳失效的微观过程和机制
? 为了建立能精确地估算零件疲劳寿命的模型和提出经 济而有效的延寿技术，因而对疲劳失效过程及各阶段 的机制要有清楚的认识。
? 疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成 、裂纹扩展、当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终 的断裂。
8．1 疲劳裂纹形成的过程和机制
宏观尺度的疲劳裂纹形成一般包括这样三个阶段：微裂 纹的形成，微裂纹的长大和微裂纹的联接。
裂纹由初始尺寸扩展到临界尺寸所经历的加载循环数，即为裂纹 扩展寿命 Np 。为了能精确地估算裂纹扩展寿命及延长裂纹扩展寿 命，需要研究疲劳裂纹扩展的一般规律和影响因素，以及疲劳裂 纹扩展速率表达式。
8、3．1 疲劳裂纹速率的测定
测定裂纹扩展速率采用紧凑拉伸 (CT)试件、中心裂纹 (CCT)试件或三点弯曲试件，在固定的载荷△ P和应 力比R下进行。
铝合合光滑试件中疲劳裂纹扩展的两个阶段
裂纹扩展进入第II阶 段，其扩展方向与拉 应力垂直(见上图)。
在裂纹扩展的第II阶 段中，疲劳断口在电 子显微镜下可显示出 疲劳条带，如图所示 ，图的右上角为循环 加载程序。
塑性钝化模型
疲劳条带的形成通常引用塑性钝化模型予 以说明。可见，每加载一次，裂纹向前扩展一 段距离，这就是裂纹扩展速率da/dN，同时在 断口上留下一疲劳条带，而且裂纹扩展是在拉 伸加载时进行的。在这些方面，裂纹扩展的塑 性钝化模型与实验观测结果相符。
若除去滑移带，对试件重新循环加载，滑移带又在原处 再现。这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band) 。
疲劳裂纹在持久滑移带中出现。
Cu合金PSB (Persist Slip Band)
2024-T4铝合金中的滑移带裂纹
已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。
当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大 。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。
应力比对裂纹扩展速率的影响
实验研究表明，在 Ⅰ区和Ⅲ区 ，裂纹扩展速率受到材料的显 微组织、应力比和环境等内外 因素的很大影响；而在 Ⅱ区， 上述因素的影响相对地较小。
疲劳裂纹通常形成于试件或零件的表面。在某些情况下 ，例如接触疲劳，表面硬化钢，疲劳裂纹也会在表面 层下一定的深度处形成。
疲劳微裂纹的形成可能有三种方式：
?1）表面滑移带开裂。 ?2）夹杂物与基体相界面的分离或夹杂物本身断裂。 ?3）晶界或亚晶界开裂。
循环滑移带:
在循环载荷作用下, 即使循环应力不超过屈服 强度，也会在试件表面形成滑移带, 称为循环 滑移带。
拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移 带则集中于某些局部区域，如图所示。而且在 循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件 表面形成微观切口。
单向拉伸时形成的滑移带
旋转弯曲疲劳时形成的滑移带
wenku.baidu.com
持久滑移带(Persist Slip Band)
循环滑移带的又一个特征是它的持久性。在疲劳试验的 初期，就能观察到滑移带。随着加载循环数的增加， 循环滑移带的数目和滑移强度均增加。对试件进行电 解抛光，多数滑移带更为明显；
为近门槛区。
Ⅱ区，为中部区或稳态扩展区，对应于 da/dN ＝10-8-10-6 m／cycle 。 在Ⅱ 区， 裂纹扩展速率在 log d a/dN - log △K 双对数坐标上呈一直线。
Ⅲ区，为裂纹快速扩展区， da/dN ＞10-6 - 10-5 m／cycle, 并随着△ K的增 大而迅速升高。当 Kmax ＝KI C 时，试件或零件断裂 .
裂纹扩展速率曲线的分区:
一条完整的疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区：
Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ 区:
Ⅰ区，裂纹扩展速率随着△ K的降低而迅速降低，以至 da/dN→0。与此相对
应的△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△ K 门槛值常定义为： da/dN＝1~3×10-10 m/cycle
t时h 。的实△验K值测。定又的将裂纹Ⅰ扩区展称
不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳状条纹相混淆。若在电 子显微镜下观察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组 成的。
典型的疲劳断口
疲劳裂纹形成于零件的表面，然后在各个方向上 以近似相等的速度扩展，同时形成辐射状的疲 劳沟。
沿着疲劳沟可画出辐射线，辐射线的交点即为裂 纹形成的位置——疲劳源。
8、3疲劳裂纹扩展速率及门槛值
实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度 a，作出 a-N关系曲线。
对a-N 曲线求导，即得裂纹扩展速率，da/dN ，也就是 每循环一次裂纹扩展的距离，单位为 m/cycle 。
8、3．2 疲劳裂纹 扩展速率曲线
将相应的裂纹长度 a和△P，代入应力 强度因子表达式计 算出△ K 。最后， 绘制出 da/dN -△K 关系曲线，即疲劳 裂纹扩展速率曲线 ，如图所示。
夹杂物与基体相界开裂
环境作用
8．2 疲劳裂纹扩展过程和机制
对光滑试件，疲劳裂纹扩展可分为 I、II两个阶段。 第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o 的方向，即在切应力
最大的滑移面内扩展，如图所示。 第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为 1~2个晶粒，
并且随着名义应力范围的升高而减小； 在切口试件中，可能不出现裂纹扩展的第 I阶段。
疲劳条带只在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的铝合金 、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。
在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微区解理 (Microcleavage) 或沿晶分离的方式扩展，因而在这类材料的 疲劳断口上不能观察到疲劳条带。
能否观察到疲劳条带还取决于实验条件。当裂纹扩展速率 da/dN ＝10-7 m/cycle 的量级时，疲劳条带最为明显。而当 da/dN ＜ 10-9 m ／cycle 时，很难甚至不可能观察到疲劳条带；此时， 疲劳断口上可能出现解理小平面或沿晶的特征。
微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接， 或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。
因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而晶粒细化 有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。
镍基超 合金在 室温下 疲劳裂 纹沿滑 移面形 成（左）
晶界或亚晶界开裂
镍基超合 金在 800℃下
循环加载 时由晶界 上的微孔 联接而形 成的沿晶 疲劳裂纹 （右）
? 为了建立能精确地估算零件疲劳寿命的模型和提出经 济而有效的延寿技术，因而对疲劳失效过程及各阶段 的机制要有清楚的认识。
? 疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成 、裂纹扩展、当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终 的断裂。
8．1 疲劳裂纹形成的过程和机制
宏观尺度的疲劳裂纹形成一般包括这样三个阶段：微裂 纹的形成，微裂纹的长大和微裂纹的联接。
裂纹由初始尺寸扩展到临界尺寸所经历的加载循环数，即为裂纹 扩展寿命 Np 。为了能精确地估算裂纹扩展寿命及延长裂纹扩展寿 命，需要研究疲劳裂纹扩展的一般规律和影响因素，以及疲劳裂 纹扩展速率表达式。
8、3．1 疲劳裂纹速率的测定
测定裂纹扩展速率采用紧凑拉伸 (CT)试件、中心裂纹 (CCT)试件或三点弯曲试件，在固定的载荷△ P和应 力比R下进行。
铝合合光滑试件中疲劳裂纹扩展的两个阶段
裂纹扩展进入第II阶 段，其扩展方向与拉 应力垂直(见上图)。
在裂纹扩展的第II阶 段中，疲劳断口在电 子显微镜下可显示出 疲劳条带，如图所示 ，图的右上角为循环 加载程序。
塑性钝化模型
疲劳条带的形成通常引用塑性钝化模型予 以说明。可见，每加载一次，裂纹向前扩展一 段距离，这就是裂纹扩展速率da/dN，同时在 断口上留下一疲劳条带，而且裂纹扩展是在拉 伸加载时进行的。在这些方面，裂纹扩展的塑 性钝化模型与实验观测结果相符。
若除去滑移带，对试件重新循环加载，滑移带又在原处 再现。这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band) 。
疲劳裂纹在持久滑移带中出现。
Cu合金PSB (Persist Slip Band)
2024-T4铝合金中的滑移带裂纹
已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。
当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大 。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。
应力比对裂纹扩展速率的影响
实验研究表明，在 Ⅰ区和Ⅲ区 ，裂纹扩展速率受到材料的显 微组织、应力比和环境等内外 因素的很大影响；而在 Ⅱ区， 上述因素的影响相对地较小。
疲劳裂纹通常形成于试件或零件的表面。在某些情况下 ，例如接触疲劳，表面硬化钢，疲劳裂纹也会在表面 层下一定的深度处形成。
疲劳微裂纹的形成可能有三种方式：
?1）表面滑移带开裂。 ?2）夹杂物与基体相界面的分离或夹杂物本身断裂。 ?3）晶界或亚晶界开裂。
循环滑移带:
在循环载荷作用下, 即使循环应力不超过屈服 强度，也会在试件表面形成滑移带, 称为循环 滑移带。
拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移 带则集中于某些局部区域，如图所示。而且在 循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件 表面形成微观切口。
单向拉伸时形成的滑移带
旋转弯曲疲劳时形成的滑移带
wenku.baidu.com
持久滑移带(Persist Slip Band)
循环滑移带的又一个特征是它的持久性。在疲劳试验的 初期，就能观察到滑移带。随着加载循环数的增加， 循环滑移带的数目和滑移强度均增加。对试件进行电 解抛光，多数滑移带更为明显；
为近门槛区。
Ⅱ区，为中部区或稳态扩展区，对应于 da/dN ＝10-8-10-6 m／cycle 。 在Ⅱ 区， 裂纹扩展速率在 log d a/dN - log △K 双对数坐标上呈一直线。
Ⅲ区，为裂纹快速扩展区， da/dN ＞10-6 - 10-5 m／cycle, 并随着△ K的增 大而迅速升高。当 Kmax ＝KI C 时，试件或零件断裂 .
裂纹扩展速率曲线的分区:
一条完整的疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区：
Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ 区:
Ⅰ区，裂纹扩展速率随着△ K的降低而迅速降低，以至 da/dN→0。与此相对
应的△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为△ K 门槛值常定义为： da/dN＝1~3×10-10 m/cycle
t时h 。的实△验K值测。定又的将裂纹Ⅰ扩区展称
不可将疲劳条带与宏观疲劳断口上的贝壳状条纹相混淆。若在电 子显微镜下观察贝壳状条纹，可以看出它是由很多疲劳条带组 成的。
典型的疲劳断口
疲劳裂纹形成于零件的表面，然后在各个方向上 以近似相等的速度扩展，同时形成辐射状的疲 劳沟。
沿着疲劳沟可画出辐射线，辐射线的交点即为裂 纹形成的位置——疲劳源。
8、3疲劳裂纹扩展速率及门槛值
实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹长度 a，作出 a-N关系曲线。
对a-N 曲线求导，即得裂纹扩展速率，da/dN ，也就是 每循环一次裂纹扩展的距离，单位为 m/cycle 。
8、3．2 疲劳裂纹 扩展速率曲线
将相应的裂纹长度 a和△P，代入应力 强度因子表达式计 算出△ K 。最后， 绘制出 da/dN -△K 关系曲线，即疲劳 裂纹扩展速率曲线 ，如图所示。
夹杂物与基体相界开裂
环境作用
8．2 疲劳裂纹扩展过程和机制
对光滑试件，疲劳裂纹扩展可分为 I、II两个阶段。 第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o 的方向，即在切应力
最大的滑移面内扩展，如图所示。 第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为 1~2个晶粒，
并且随着名义应力范围的升高而减小； 在切口试件中，可能不出现裂纹扩展的第 I阶段。
疲劳条带只在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的铝合金 、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。
在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微区解理 (Microcleavage) 或沿晶分离的方式扩展，因而在这类材料的 疲劳断口上不能观察到疲劳条带。
能否观察到疲劳条带还取决于实验条件。当裂纹扩展速率 da/dN ＝10-7 m/cycle 的量级时，疲劳条带最为明显。而当 da/dN ＜ 10-9 m ／cycle 时，很难甚至不可能观察到疲劳条带；此时， 疲劳断口上可能出现解理小平面或沿晶的特征。
微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接， 或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。
因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而晶粒细化 有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。
镍基超 合金在 室温下 疲劳裂 纹沿滑 移面形 成（左）
晶界或亚晶界开裂
镍基超合 金在 800℃下
循环加载 时由晶界 上的微孔 联接而形 成的沿晶 疲劳裂纹 （右）