疲劳失效的微观过程和机制

第八章疲劳失效的微观过程和机制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。疲劳失效的微观过程和机制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。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。疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制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。疲劳失效的微观过程和机制单向拉伸时形成的滑移带疲劳失效的微观过程和机制旋转弯曲疲劳时形成的滑移带疲劳失效的微观过程和机制持久滑移带(PersistSlipBand)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；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(PersistSlipBand)。疲劳裂纹在持久滑移带中出现。疲劳失效的微观过程和机制Cu合金PSB(PersistSlipBand)疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制2024-T4铝合金中的滑移带裂纹疲劳失效的微观过程和机制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。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。疲劳失效的微观过程和机制晶界或亚晶界开裂镍基超合金在室温下疲劳裂纹沿滑移面形成（左）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）疲劳失效的微观过程和机制夹杂物与基体相界开裂疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制环境作用疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制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。疲劳失效的微观过程和机制铝合合光滑试件中疲劳裂纹扩展的两个阶段疲劳失效的微观过程和机制裂纹扩展进入第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。疲劳失效的微观过程和机制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。疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制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＝10-7m/cycle的量级时，疲劳条带最为明显。而当da/dN＜10-9m／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。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。疲劳失效的微观过程和机制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。疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制8、3疲劳裂纹扩展速率及门槛值

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。疲劳失效的微观过程和机制8、3．1疲劳裂纹扩展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。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。疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制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。疲劳失效的微观过程和机制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△Kth。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为：da/dN＝1~3×10-10m/cycle时的△K值。又将Ⅰ区称为近门槛区。Ⅱ区，为中部区或稳态扩展区，对应于da/dN

＝10-8-10-6m／cycle。在Ⅱ区，裂纹扩展速率在logda/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

＞10-6-10-5m／cycle,并随着△K的增大而迅速升高。当Kmax＝△K/(1-R)=KIC时，试件或零件断裂。疲劳失效的微观过程和机制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。图表示应力比对Ⅰ区和Ⅲ区的裂纹扩展速率影响很大，而对Ⅱ区的影响则较小。疲劳失效的微观过程和机制8、3．3疲劳裂纹扩展速率表达式为了精确地估算零件的裂纹扩展寿命，需要研究裂纹扩展模型和表达式。最著名、应用最广的是Paris提出的裂纹扩展速率公式：da/dN＝C△Km

式中C，m为实验测定的常数。Paris公式仅适用于Ⅱ区。Paris的主要贡献是将应力强度因子引入疲劳裂纹扩展的研究，对疲劳裂纹扩展的研究起了巨大的推动作用。疲劳失效的微观过程和机制适用于Ⅰ、Ⅱ两区的裂纹扩展公式：da/dN=B(△K–△Kth)2对于疲劳裂纹以条带机制扩展的合金，B＝15.9／E2

对其他的裂纹扩展机制，B＝1/(2πEσfεf)适用于三个区的裂纹扩展公式：疲劳失效的微观过程和机制8、3．4降低疲劳裂纹扩展速率的途径近门槛区的裂纹扩展速率主要决定于裂纹扩展门槛值ΔKth之值；相同的ΔK下，提高ΔKth之值，使裂纹扩展速率大大降低。粗化晶粒将提高材料的疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth之值，见图，因而降低材料在近门槛区的裂纹扩展速率。在Ⅱ区,裂纹扩展速率主要取决于裂纹扩展系数B。而B之值取决于材料的性能和裂纹在Ⅱ区的扩展机制，疲劳失效的微观过程和机制疲劳失效的微观过程和机制8、3．5疲劳裂纹扩展寿命估算*零件的裂纹扩展寿命Np，可按下式估算，式中(da/dN)代表疲劳裂纹扩展速率表达式。按上式计算裂纹扩展寿命，要选择合适的裂纹扩展速率公式，确定初始裂纹尺寸ai和临界裂纹尺寸ac，即积分的上、下限。目前，很多工程师仍采用Paris公式或作修正后的Parjs公式，计算裂纹扩展寿命。疲劳失效的微观过程和机制8．4延寿技术在很多构件中，尤其是高强度材料制成的构件中，裂纹形成寿命在疲劳总寿命占主要部分。因此，在本节中将要讨论各种组织和工艺因素对裂纹形成寿命的影响，以及相应的延寿技术措施。应当注意，延长裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命的技术措施，有时是互相矛盾的。在这种情况下，应当根据构件的疲劳设计思想对材料提出的要求，确定最佳的延寿技术方案。疲劳失效的微观过程和机制细化晶粒

随着晶粒尺寸的减小，合金的裂纹形成寿命和疲劳总寿命延长；晶粒细化可以提高金属的微量塑性抗力，使塑性变形均匀分布，因而会延缓疲劳微裂纹的形成；晶界有阻碍微裂纹长大和联接作用。疲劳失效的微观过程和机制减少和细化合金中的夹杂物

细化合金中的夹杂物颗粒，可以延长疲劳寿命。合金表面上和近表面层(Subsurface)的夹杂物尺寸对疲劳寿命的影响如图所示。疲劳失效的微观过程和机制微量合金化

微量合金化是改善低碳钢综合力学性能的经济而有效的方法。疲劳失效的微观过程和机制改善切口根部的表面状态

切削加工会引起零件表面层的几何、物理和化学的变化。这些变化包括：表面光洁度、表面层残余应力和金属的加工硬化。常将这三者合称表面完整性。在化学和电化学加工中，表层金属可能吸氢而变脆。疲劳失效的微观过程和机制切削加工在切口根部表面造成的残余压应力和应变硬化，提高裂纹形成寿命；退火消除表面残余压应力和应变硬化，因而降低裂纹形成寿命(见图)。疲劳失效的微观过程和机制切口根部表面光洁度愈高，裂纹形成寿命愈长；在低的循环应力下，提高切口根部表面光洁度．延长裂纹形成寿命的效果更为显著，如图所示。疲劳失效的微观过程和机制表面强化

表面强化是既能延长裂纹形成寿命，又能延长裂纹扩展寿命的有效方法。最近的研究工作表明，带中心孔的铝合金试件孔壁经挤压强化后，裂纹形成寿命大为提高，如图所示。疲劳失效的微观过程和机制减少高强度钢中的残余奥氏体

将高强度马氏体纲中的残余奥氏体由12％减少到5％，可使30CrMnSiNi2A钢的屈服强度由970MPa提高到1320MPa，裂纹形成寿命在短寿命范围内延长约30％。尽管残余奥氏体能延长裂纹扩展寿命，但高强度钢零件的裂纹形成寿命在疲劳总寿命中占主要部分，因而降低残余奥氏体含量以提高屈服强度和延长裂纹形成寿命，对静强度和疲劳总寿命将更有利。疲劳失效的微观过程和机制8．5研究裂纹萌生和扩展的试验方法疲劳失效过程的分析表明，疲劳寿命由裂纹形成寿命Ni（FatigueCrackInitiationLife）和裂纹扩展寿命Np（CrackPropagationLife）两部分所组成。因此，结构件的寿命估算大多采用两阶段模型，首先分别计算裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命，然后求和，即得总寿命Nf。在含裂纹式缺陷（crack-likedefect）的焊接件中，疲劳寿命由裂纹扩展寿命一部分所组成。疲劳失效的微观过程和机制尽管零件所受的名义应力低于σ0.2

，但由于应力集中，零件切口根部材料屈服，在切口根部形成塑性区（见图）。因此，零件受到循环应力的作用，而切口根部材料则受到循环塑性应变的作用，故疲劳裂纹总是在切口根部形成。疲劳失效的微观过程和机制第一类模拟疲劳试验若零件及其切口根部塑性区足够大，则可将塑性区内的材料取出做成疲劳试件(见上图)，再按塑性区内材料所受的应变