12.1疲劳与断裂-疲劳

nullnull第十二章 疲劳与断裂 null 在特定外界条件下工作的构件，虽然所受应力低于材料屈服强度，但服役一定时间后，也可能发生突然脆断。这种与时间有关的低应力脆断称为延滞断裂。 外界条件可以是应力，如交变应力；也可以是环境介质，如腐蚀介质、氢气氛或热作用等。 由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂； 而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做静载延迟断裂，或称静疲劳； 疲劳与断裂是材料、构件和机械最常见的失效方式，约占构件全部失效的50％~90％。 null12.1 疲劳 12.2 低温断裂与疲劳 12.3 高温蠕变与疲劳 12.4 环境断裂——氢脆 12.1 疲 劳 12.1 疲 劳 一、疲劳概念 1、疲劳 2、疲劳失效的特点 二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程 2、几种物理模型 3、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征 一、疲劳概念 一、疲劳概念 1、疲劳 材料或构件在交变应力(应变)作用下发生的破坏称为疲劳破坏或疲劳失效。 影响构件疲劳行为的因素很多，可以分为四类：材料、外载荷、环境条件和构件的形状和尺寸。 按外载荷的大小，疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。对于金属材料，通常把疲劳失效周次Nf＞104~105的疲劳称为高周疲劳，反之称为低周疲劳；null 若每个周期内的载荷参量不随时间而变化，称为恒幅疲劳，否则则为变幅疲劳； 由变动的外载荷与腐蚀介质共同作用的疲劳为腐蚀疲劳； 温度高于再结晶温度或高于(0.5~0.6)Tm时的疲劳，属于高温疲劳，Tm为金属的熔点； 由于温度的变化形成的变动热应力引起的疲劳，称为热疲劳； 低温影响材料的疲劳行为，还没有关于低温疲劳的确切定义； 应变速率大于102/s的疲劳问题属于冲击疲劳。 null2、疲劳失效的特点 (1) 疲劳断裂表现为低应力下的破坏断裂 疲劳失效在远低于材料的静载极限强度甚至远低于材料屈服强度下发生。 (2) 疲劳破坏宏观上无塑性变形 与静载荷作用下材料的破坏相比，具有更大的危险性 。 (3) 疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性 疲劳失效过程是累积损伤的过程。由交变应力(应变)作用引起的损伤是随着载荷次数逐次增加的，如图12.3所示 :null 图12.3 碳钢的疲劳积累损伤曲线null(4) 与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组织和缺陷更加敏感 这是因为疲劳有极大的选择性，几乎总是在构件材料表面的缺陷处发生。 (5)疲劳失效受载荷历程的影响 过载损伤会导致疲劳强度的下降(如图12.3所示) null 图12.4为钢的拉伸应力应变曲线，加载到A点卸载再重新加载，其抗拉强度b与末卸载的相同，即未受到载荷史的影响。 图12.4 工程应力应变曲线 null 一定的过载也可能延缓疲劳裂纹的扩展，延长疲劳寿命，如图12.5所示。 图12.5 过载引起疲劳裂纹扩展延滞效应 二、疲劳裂纹扩展的物理模型 二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程 疲劳裂纹的扩展，一般可分为三个阶段，如图12.6所示。 图12.6 da/dN~K曲线及其微观机制示意图 Kth——疲劳门槛值； Kc——最终断裂强度因子； K——应力强度因子幅值。 null 整个扩展过程可以近似地以“s”形曲线来描述： A段为第一阶段，K小，扩展速率低，da/dN＜l0-6mm/次，为非连续区，呈现一种结晶学形态的断口； B段为第二阶段，da/dN＞10-5mm/次，为连续扩展区，断口形态以疲劳条纹为主； C段为第三阶段，da/dN＞10-3mm/次，为失稳扩展区，断口形态以“韧窝”(dimple)、晶间断裂或纤维状为主。 null2、几种物理模型 根据疲劳断口表面与应力轴的相对位向，裂纹扩展可分为切应变型(第一阶段扩展)和正应变型(第二阶段扩展)两种。 根据裂纹扩展的微观机制，裂纹扩展模型又可以分为三类：滑移型、钝化型和再生核型，见表12.1： null3、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征 （1）疲劳极限与疲劳门槛值 (Endurance Limit and Fatigue Thresholds) 疲劳极限是疲劳曲线水平部分所对应的应力，它表示材料经受无限多次应力循环而不断裂的最大应力。 疲劳门槛值是疲劳裂纹不扩展的K最大值。 null 图12.8 缺口试件中的应力/应变场和疲劳裂纹萌生与扩展区示意图 a 缺口试件中应力/应变场简图 b 光滑、缺口疲劳极限N与门槛值Kth的相互关系 图中：max为最大应力； 0与N为光滑与缺口疲劳极限； Kth为疲劳门槛值；Kt为应力集中系数。 nullLukas导出缺口与光滑试件疲劳极限N与0的关系： 式中：Kt为应力集中系数； Katb为基本门槛值，等于 ； 为缺口半径； c为临界应力。 null 疲劳极限与疲劳门槛值分别反映了交变载荷作用下材料对裂纹萌生和裂纹扩展的抵抗力。因为裂纹的萌生与扩展的机制不同，对于现有的金属材料，在使疲劳极限提高的同时往往降低了疲劳门槛值，反之亦然。 null（2）小疲劳裂纹的扩展行为 在与长裂纹相同的名义驱动力下，小裂纹扩展较快；在长裂纹的门槛值之下，小裂纹仍以较高的速率扩展，见图12.9。 图12.9 典型的小裂纹与长裂纹扩展行为示意 null 小裂纹现象主要出现在下述三种情况： ①裂纹长度与材料的特征微观尺寸相比不够大； ②裂纹长度与裂纹尖端前方的塑性区尺寸相比不够大； ③裂纹长度小于某一值。 null（3）裂纹闭合行为 裂纹闭合现象是指疲劳裂纹在外加拉应力作用下，裂纹张开位移仍为零的状态。 一般认为裂纹闭合的机制有三种： 塑性诱发(Plasticity-Induced)闭合 氧化物诱发(Oxide-Induced)闭合 粗糙度诱发(Roughness-Induced)闭合 （图12.7） null 图12.7 裂纹闭合的三种形式null Elber根据实验观察到的裂纹闭合现象提出了有效应力强度因子的概念，定义为 ： 式中： ——最大应力强度因子； ——裂纹完全张开时对应的应力强度因子； ——有效应力强度因子。 即裂纹扩展的有效驱动力。通过 可以解释应力比R对裂纹扩展速率的影响。如图12.10所示。 null 图12.10 a裂纹闭合应力强度因子 / 与 的变化 b 裂纹扩展速率与 和 的关系 null（4）变幅载荷下的裂纹扩展 ①超载下的延缓效应(Retardation effect) 图12.11 不同形式的超载对裂纹扩展及寿命的影响 null 可以看出:单个拉应力超载和压-拉超载对疲劳裂纹扩展具有最大的延缓效应；而拉-压超载较前二者的延缓效应为小；单个压缩超载对裂纹扩展速率影响不大。 超载后产生裂纹扩展延缓效应的主要因素有三个： a、裂纹尖端前方超载塑性区内的残余压应力阻止裂纹的延伸； b、裂纹尖端后方的闭合效应阻止裂纹张开； c、裂纹尖端前方超载塑性区内晶体缺陷密度的增加进一步阻止裂纹的延伸。 null 1989年McEvily等对100％超载下的铝合金延缓效应作了定量分析，发现延缓周次与超载塑性区尺寸和试样厚度的比值呈U形变化关系，见图12.12。 图12.12 延缓周次（Nd）随超载（OL）塑性区尺寸与试样厚度比值的变化null 导出的延缓周次关系式为 ： 式中： A 为试验常数； 为屈服强度； 为超载应力强度因子； E .C.为“过度闭合”(Excess Closure)，可用下式表示： null②变幅载荷下裂纹扩展特征 在变幅加载下的裂纹扩展速率和恒幅加载下的扩展速率不同。除上述超载延缓效应外，裂纹扩展还会出现停滞或加速。