经典金属疲劳裂纹扩展至断裂机理讲解（专业级）

2017-11-21 12:04:03 作者：本网整理来源：金属材料科学与技术分享至：

通常，疲劳裂纹扩展可以分为三个阶段：第I阶段（裂纹萌生，shot cracks），第II阶段（裂纹扩展，long cracks），第III阶段（瞬时断裂，final fracture）

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

第I阶段：一旦裂纹萌生以后，就会沿着最大剪切应力平面（约45?）扩展，如图1所示。这一阶段被认为是第I阶段或者短裂纹萌生和扩展阶段。裂纹一直扩展直到遇到障碍物，如晶界、夹杂物或珠光体区。它无法容纳初始裂纹的扩展方向。因此，晶粒细化是可以提升材料疲劳强度的利用了引入大量微观障碍物的原理。晶界，在裂纹扩展的第I阶段需要克服晶粒的阻碍并越过晶界。表面机械处理，例如喷丸和表面滚压也会引入一些微观的障碍物，因为它们使晶界被压扁了。

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阶段：由于裂纹扩展，实际载荷的上升，应力强度因子K不断增加，在裂纹尖端附近的不同平面上开始发生滑移，于是就进入了第II阶段。相比之下第I阶段裂纹扩展方向与载荷方向成45度角，进入第II阶段，裂纹扩展方向与载荷方向垂直，成90度角，如图1所示。第II阶段一个非常重要的特征就是断口表面出现波纹，专业术语称为疲劳辉纹（Striations），它需要在扫描电镜的帮助下才能看清楚。并不是所有工程材料在发生疲劳时，进入第II阶段都会产生疲劳辉纹。疲劳辉纹在纯金属和一些韧性较好的合金中出现，例如铸态的铝合金。在钢铁里面，常常在冷作硬化的钢中发现这种特征。图2给出了一种在无间隙原子的钢中和铝合金中的例子。在韧性金属断口上产生的疲劳辉的机理是：裂纹尖端连续钝化和再锐化图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阶段：最终，当裂纹尖端应力强度因子超过了临界应力强度因子，那么裂纹失稳，发生快速扩展。在这一阶段，裂纹的扩展由失效的静态模式控制，对微观组织结构、载荷比以及应力状态（平面应力加载或平面应变加载）非常敏感。

宏观上看，疲劳断口可以分为两个主要区域，如图4所示。第一个区域与疲劳裂纹稳定扩展相对应并且呈现出平滑的一面，因为对偶断裂面会发生相互摩擦。有时候，在断口表面上能看到“海滩标记”，它是载荷变化的结果，或因为临时停止加载，或因为过载在裂纹尖端引入了压缩残余应力。

最终断裂：断口上其它的部分就对应着最终断裂区，呈现出纤维状和不规则特征。在这个区域里，断口既可以是延性的，也可以是脆性的。它取决于材料的力学性能，构件的几何尺寸或加载条件。

每一个区域的准确比例取决于实际载荷水平。载荷越高，稳定扩展区域比例越小，如图4所示。在另一方面，如果加载的载荷较小，那裂纹扩展较长距离以后才能超过临界应力强度因子，达到材料的断裂韧度值，导致瞬时断裂区较小，如图4（b）所示。

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

棘轮花样：棘轮花样是在疲劳断口表面可以观察到的另外一种宏观特征。这些特征通常出现在多源开裂的情形中，裂纹萌生于不同的位置时，当它们相互汇合时，就会在断口上出现台阶。因此，棘轮花样的数量是裂纹起始点数量的一个很好的指标。图5给出了疲劳断口上机轮花样的细节信息。

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

扩展速率：相似于起始阶段，很多因素会影响长疲劳裂纹的扩展速率。其中，最应该关注的就是载荷比和残余应力的影响。增加载荷比从趋势上会增加长裂纹扩展速率，如图6所示。通常增加载荷比对Paris体系的影响比临近门槛值和近失效区的影响小。接近门槛值应力强度因子，比例R可归因于裂纹闭合效应。

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.

几种不同的机制导致裂纹闭合，可塑性诱导闭合如图7所示。随着裂纹的长大，已在塑料区内预先永久变形的材料现在在裂纹尖端的塑性区形成包络线。这导致垂直于裂纹表面的位移约束被解除。当裂纹张开的时候这并没有问题，然而，当载荷下降以后，在最小载荷来临之前裂纹表面接触，遮挡了裂纹。这种过早的接触，也还有一些其它情况，如图7所示。