疲劳断裂发展的四个阶段：裂纹成核、微裂纹、宏观裂纹、断裂

2021-02-24 13:21:47 作者：张安哥、朱成九、陈梦成来源：疲劳、断裂与损伤分享至：

对于一个含有初始裂纹a0 的构件，在承受静载荷时，只要工作应力σ 小于临界应力σc，则构件在静应力水平下工作就是安全可靠的，只有当σ=σc 或K1=K1c时，才会发生脆性破坏。

但如果构件承受的是一个σ<σc 的交变应力，那么这个初始裂纹a0 会在交变应力作用下发生缓慢扩展，当扩展到a=ac 时，构件发生失稳破坏。从初始值a0 到临界值ac 这一段扩展过程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展，也称为宏观裂纹a0 的剩余寿命阶段，如图1所示。

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图1

材料总的疲劳寿命N 由两部分组成，即形成寿命Ni （initiation）及裂纹扩展直至断裂的寿命Np （propagation）：

疲劳断裂过程受许多因素的影响，比较复杂，但按裂纹发展过程大致可分为四个阶段：

1裂纹成核阶段

在交变载荷作用下，构件如果没有裂纹或是无缺陷的光滑的零部件，虽然名义应力小于材料的屈服极限，但因为材料不均匀，在构件的表面局部区域仍然能产生滑移。用力学原理来解释，由于构件表面是平面应力状态，容易产生滑移，但看不到塑性变形特征。由于多次反复的循环滑移过程，便产生金属挤出和挤入的滑移带，由此形成微裂纹的核。

2微裂纹扩展阶段

裂纹极形成后，微裂纹沿与主应力轴承45°的滑移面扩展。此阶段扩展深入表面很浅，大约十几微米，而且是有许多沿滑移带的裂纹，如图2所示。这个过程是裂纹扩展的第一阶段。

图2

3宏观裂纹扩展阶段

这一阶段是从微观裂纹逐渐过渡过来的宏观阶段，裂纹扩展速率增加，扩展方向与拉应力垂直，且是单一裂纹扩展。一般认为裂纹长度a 在0.01mm~ac 范围内的扩展为宏观裂纹扩展阶段，又称为裂纹扩展的第二阶段。

4最后断裂阶段

当裂纹扩展到足够大即达到临界尺寸ac 时，便会产生失稳扩展而很快断裂。

以上是无初始裂纹的光滑表面构件的典型疲劳断裂过程。对于高强度材料，因为屈服强度高，缺口敏感性大，以及内部夹杂和硬颗粒多，往往直接在宏观的应力集中处裂纹形成核，并且沿夹杂与基本界面首先裂开，由此开始宏观裂纹稳定扩展阶段，而没有倾斜的微观裂纹扩展阶段。用断裂力学的观点来分析疲劳，最重要的是宏观裂纹扩展阶段。

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