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經(jīng)典金屬疲勞裂紋擴(kuò)展至斷裂機(jī)理講解（專業(yè)級(jí)）

2017-11-21 12:04:03 作者：本網(wǎng)整理來源：金屬材料科學(xué)與技術(shù) 分享至：

通常，疲勞裂紋擴(kuò)展可以分為三個(gè)階段：第I階段（裂紋萌生，shot cracks），第II階段（裂紋擴(kuò)展，long cracks），第III階段（瞬時(shí)斷裂，final fracture）

Fig. 1— Stages I and II of fatigue crack propagation.

第I階段：一旦裂紋萌生以后，就會(huì)沿著最大剪切應(yīng)力平面（約45?）擴(kuò)展，如圖1所示。這一階段被認(rèn)為是第I階段或者短裂紋萌生和擴(kuò)展階段。裂紋一直擴(kuò)展直到遇到障礙物，如晶界、夾雜物或珠光體區(qū)。它無法容納初始裂紋的擴(kuò)展方向。因此，晶粒細(xì)化是可以提升材料疲勞強(qiáng)度的利用了引入大量微觀障礙物的原理。晶界，在裂紋擴(kuò)展的第I階段需要克服晶粒的阻礙并越過晶界。表面機(jī)械處理，例如噴丸和表面滾壓也會(huì)引入一些微觀的障礙物，因?yàn)樗鼈兪咕Ы绫粔罕饬恕?/span>

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階段：由于裂紋擴(kuò)展，實(shí)際載荷的上升，應(yīng)力強(qiáng)度因子K不斷增加，在裂紋尖端附近的不同平面上開始發(fā)生滑移，于是就進(jìn)入了第II階段。相比之下第I階段裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向成45度角，進(jìn)入第II階段，裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向垂直，成90度角，如圖1所示。第II階段一個(gè)非常重要的特征就是斷口表面出現(xiàn)波紋，專業(yè)術(shù)語稱為疲勞輝紋（Striations），它需要在掃描電鏡的幫助下才能看清楚。并不是所有工程材料在發(fā)生疲勞時(shí)，進(jìn)入第II階段都會(huì)產(chǎn)生疲勞輝紋。疲勞輝紋在純金屬和一些韌性較好的合金中出現(xiàn)，例如鑄態(tài)的鋁合金。在鋼鐵里面，常常在冷作硬化的鋼中發(fā)現(xiàn)這種特征。圖2給出了一種在無間隙原子的鋼中和鋁合金中的例子。在韌性金屬斷口上產(chǎn)生的疲勞輝的機(jī)理是：裂紋尖端連續(xù)鈍化和再銳化圖3所示。

Fig. 3 — Laird′s proposed mechanisms of striation formation in the stage II of propagation: （a） no load; （b） tensile load; （c） maximum tensile load; （d） load reversion and （e） compressive load.

第III階段：最終，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子超過了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，那么裂紋失穩(wěn)，發(fā)生快速擴(kuò)展。在這一階段，裂紋的擴(kuò)展由失效的靜態(tài)模式控制，對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)、載荷比以及應(yīng)力狀態(tài)（平面應(yīng)力加載或平面應(yīng)變加載）非常敏感。

宏觀上看，疲勞斷口可以分為兩個(gè)主要區(qū)域，如圖4所示。第一個(gè)區(qū)域與疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)并且呈現(xiàn)出平滑的一面，因?yàn)閷?duì)偶斷裂面會(huì)發(fā)生相互摩擦。有時(shí)候，在斷口表面上能看到“海灘標(biāo)記”，它是載荷變化的結(jié)果，或因?yàn)榕R時(shí)停止加載，或因?yàn)檫^載在裂紋尖端引入了壓縮殘余應(yīng)力。

最終斷裂：斷口上其它的部分就對(duì)應(yīng)著最終斷裂區(qū)，呈現(xiàn)出纖維狀和不規(guī)則特征。在這個(gè)區(qū)域里，斷口既可以是延性的，也可以是脆性的。它取決于材料的力學(xué)性能，構(gòu)件的幾何尺寸或加載條件。

每一個(gè)區(qū)域的準(zhǔn)確比例取決于實(shí)際載荷水平。載荷越高，穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域比例越小，如圖4所示。在另一方面，如果加載的載荷較小，那裂紋擴(kuò)展較長(zhǎng)距離以后才能超過臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，達(dá)到材料的斷裂韌度值，導(dǎo)致瞬時(shí)斷裂區(qū)較小，如圖4（b）所示。

Fig. 4 — Fatigue fracture surface: （a） high applied load; （b） low applied load.

棘輪花樣：棘輪花樣是在疲勞斷口表面可以觀察到的另外一種宏觀特征。這些特征通常出現(xiàn)在多源開裂的情形中，裂紋萌生于不同的位置時(shí)，當(dāng)它們相互匯合時(shí)，就會(huì)在斷口上出現(xiàn)臺(tái)階。因此，棘輪花樣的數(shù)量是裂紋起始點(diǎn)數(shù)量的一個(gè)很好的指標(biāo)。圖5給出了疲勞斷口上機(jī)輪花樣的細(xì)節(jié)信息。

Fig. 5 — Ratcheting marks, indicated by the arrows, in a SAE 1045 shaft fractured by fatigue.

擴(kuò)展速率：相似于起始階段，很多因素會(huì)影響長(zhǎng)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。其中，最應(yīng)該關(guān)注的就是載荷比和殘余應(yīng)力的影響。增加載荷比從趨勢(shì)上會(huì)增加長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展速率，如圖6所示。通常增加載荷比對(duì)Paris體系的影響比臨近門檻值和近失效區(qū)的影響小。接近門檻值應(yīng)力強(qiáng)度因子，比例R可歸因于裂紋閉合效應(yīng)。

Fig. 6 — Schematic representation of the R ratio effect on fatigue crack growth curves. The near threshold, Paris regime, and final failure regions are also indicated on the curves.

幾種不同的機(jī)制導(dǎo)致裂紋閉合，可塑性誘導(dǎo)閉合如圖7所示。隨著裂紋的長(zhǎng)大，已在塑料區(qū)內(nèi)預(yù)先永久變形的材料現(xiàn)在在裂紋尖端的塑性區(qū)形成包絡(luò)線。這導(dǎo)致垂直于裂紋表面的位移約束被解除。當(dāng)裂紋張開的時(shí)候這并沒有問題，然而，當(dāng)載荷下降以后，在最小載荷來臨之前裂紋表面接觸，遮擋了裂紋。這種過早的接觸，也還有一些其它情況，如圖7所示。

Fig. 7 — Crack closure mechanisms induced by: （a） plasticity, （b） roughness （c） oxide.

對(duì)于大多數(shù)材料，Paris體系被認(rèn)為“無閉合和不依賴于最大應(yīng)力強(qiáng)度因子”。并且裂紋擴(kuò)展速率通常與不同R比率條件下的測(cè)試相似。接近最終失效，當(dāng)Kmax接近KIC時(shí)，R比率的影響與高的單調(diào)斷裂分量有關(guān)。