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疲勞斷裂發(fā)展的四個階段：裂紋成核、微裂紋、宏觀裂紋、斷裂

2021-02-24 13:21:47 作者：張安哥、朱成九、陳夢成來源：疲勞、斷裂與損傷分享至：

對于一個含有初始裂紋a0 的構(gòu)件，在承受靜載荷時，只要工作應(yīng)力σ 小于臨界應(yīng)力σc，則構(gòu)件在靜應(yīng)力水平下工作就是安全可靠的，只有當(dāng)σ=σc 或K1=K1c時，才會發(fā)生脆性破壞。

但如果構(gòu)件承受的是一個σ<σc 的交變應(yīng)力，那么這個初始裂紋a0 會在交變應(yīng)力作用下發(fā)生緩慢擴展，當(dāng)擴展到a=ac 時，構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)破壞。從初始值a0 到臨界值ac 這一段擴展過程，稱為疲勞裂紋的亞臨界擴展，也稱為宏觀裂紋a0 的剩余壽命階段，如圖1所示。

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圖1

材料總的疲勞壽命N 由兩部分組成，即形成壽命Ni （initiation）及裂紋擴展直至斷裂的壽命Np （propagation）：

疲勞斷裂過程受許多因素的影響，比較復(fù)雜，但按裂紋發(fā)展過程大致可分為四個階段：

1裂紋成核階段

在交變載荷作用下，構(gòu)件如果沒有裂紋或是無缺陷的光滑的零部件，雖然名義應(yīng)力小于材料的屈服極限，但因為材料不均勻，在構(gòu)件的表面局部區(qū)域仍然能產(chǎn)生滑移。用力學(xué)原理來解釋，由于構(gòu)件表面是平面應(yīng)力狀態(tài)，容易產(chǎn)生滑移，但看不到塑性變形特征。由于多次反復(fù)的循環(huán)滑移過程，便產(chǎn)生金屬擠出和擠入的滑移帶，由此形成微裂紋的核。

2微裂紋擴展階段

裂紋極形成后，微裂紋沿與主應(yīng)力軸承45°的滑移面擴展。此階段擴展深入表面很淺，大約十幾微米，而且是有許多沿滑移帶的裂紋，如圖2所示。這個過程是裂紋擴展的第一階段。

圖2

3宏觀裂紋擴展階段

這一階段是從微觀裂紋逐漸過渡過來的宏觀階段，裂紋擴展速率增加，擴展方向與拉應(yīng)力垂直，且是單一裂紋擴展。一般認(rèn)為裂紋長度a 在0.01mm~ac 范圍內(nèi)的擴展為宏觀裂紋擴展階段，又稱為裂紋擴展的第二階段。

4最后斷裂階段

當(dāng)裂紋擴展到足夠大即達(dá)到臨界尺寸ac 時，便會產(chǎn)生失穩(wěn)擴展而很快斷裂。

以上是無初始裂紋的光滑表面構(gòu)件的典型疲勞斷裂過程。對于高強度材料，因為屈服強度高，缺口敏感性大，以及內(nèi)部夾雜和硬顆粒多，往往直接在宏觀的應(yīng)力集中處裂紋形成核，并且沿夾雜與基本界面首先裂開，由此開始宏觀裂紋穩(wěn)定擴展階段，而沒有傾斜的微觀裂紋擴展階段。用斷裂力學(xué)的觀點來分析疲勞，最重要的是宏觀裂紋擴展階段。

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