疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制

第八章疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制為了建立能精確地估算零件疲勞壽命的模型和提出經(jīng)濟(jì)而有效的延壽技術(shù)，因而對(duì)疲勞失效過(guò)程及各階段的機(jī)制要有清楚的認(rèn)識(shí)。疲勞失效過(guò)程可以分為三個(gè)主要階段：疲勞裂紋形成、裂紋擴(kuò)展、當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸時(shí)，發(fā)生最終的斷裂。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8．1疲勞裂紋形成的過(guò)程和機(jī)制宏觀尺度的疲勞裂紋形成一般包括這樣三個(gè)階段：微裂紋的形成，微裂紋的長(zhǎng)大和微裂紋的聯(lián)接。疲勞裂紋通常形成于試件或零件的表面。在某些情況下，例如接觸疲勞，表面硬化鋼，疲勞裂紋也會(huì)在表面層下一定的深度處形成。疲勞微裂紋的形成可能有三種方式：1）表面滑移帶開(kāi)裂。2）夾雜物與基體相界面的分離或夾雜物本身斷裂。3）晶界或亞晶界開(kāi)裂。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制循環(huán)滑移帶在循環(huán)載荷作用下,即使循環(huán)應(yīng)力不超過(guò)屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試件表面形成滑移帶,稱(chēng)為循環(huán)滑移帶。拉伸時(shí)形成的滑移帶分布較均勻，而循環(huán)滑移帶則集中于某些局部區(qū)域，如圖所示。而且在循環(huán)滑移帶中會(huì)出現(xiàn)擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制單向拉伸時(shí)形成的滑移帶疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞時(shí)形成的滑移帶疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制持久滑移帶(PersistSlipBand)循環(huán)滑移帶的又一個(gè)特征是它的持久性。在疲勞試驗(yàn)的初期，就能觀察到滑移帶。隨著加載循環(huán)數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶的數(shù)目和滑移強(qiáng)度均增加。對(duì)試件進(jìn)行電解拋光，多數(shù)滑移帶更為明顯；若除去滑移帶，對(duì)試件重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再現(xiàn)。這種滑移帶稱(chēng)為持久滑移帶(PersistSlipBand)。疲勞裂紋在持久滑移帶中出現(xiàn)。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制Cu合金PSB(PersistSlipBand)疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制2024-T4鋁合金中的滑移帶裂紋疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制已形成的微裂紋在循環(huán)加載時(shí)將繼續(xù)長(zhǎng)大。當(dāng)微裂紋頂端接近晶界時(shí)，其長(zhǎng)大速率減小甚至停止長(zhǎng)大。這必然是因?yàn)橄噜従Я?nèi)滑移系的取向不同。微裂紋只有穿過(guò)晶界，才能與相鄰晶粒內(nèi)的微裂紋聯(lián)接，或向相鄰晶粒內(nèi)擴(kuò)展，以形成宏觀尺度的疲勞裂紋。因?yàn)榫Ы缬凶璧K微裂紋長(zhǎng)大和聯(lián)接的作用，因而晶粒細(xì)化有利于延長(zhǎng)疲勞裂紋形成壽命和疲勞壽命。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制晶界或亞晶界開(kāi)裂鎳基超合金在室溫下疲勞裂紋沿滑移面形成（左）鎳基超合金在800℃下循環(huán)加載時(shí)由晶界上的微孔聯(lián)接而形成的沿晶疲勞裂紋（右）疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制夾雜物與基體相界開(kāi)裂疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制環(huán)境作用疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8．2疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程和機(jī)制對(duì)光滑試件，疲勞裂紋擴(kuò)展可分為I、II兩個(gè)階段。第I階段，裂紋沿著與拉應(yīng)力成45o

的方向，即在切應(yīng)力最大的滑移面內(nèi)擴(kuò)展，如圖所示。第I階段裂紋擴(kuò)展的距離一般都很小，約為1-2個(gè)晶粒，并且隨著名義應(yīng)力范圍的升高而減?。辉谇锌谠嚰?，可能不出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的第I階段。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制鋁合合光滑試件中疲勞裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)階段疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制裂紋擴(kuò)展進(jìn)入第II階段，其擴(kuò)展方向與拉應(yīng)力垂直(見(jiàn)上圖)。在裂紋擴(kuò)展的第II階段中，疲勞斷口在電子顯微鏡下可顯示出疲勞條帶，如圖所示，圖的右上角為循環(huán)加載程序。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制塑性鈍化模型疲勞條帶的形成通常引用塑性鈍化模型予以說(shuō)明?？梢?jiàn)，每加載一次，裂紋向前擴(kuò)展一段距離，這就是裂紋擴(kuò)展速率da/dN，同時(shí)在斷口上留下一疲勞條帶，而且裂紋擴(kuò)展是在拉伸加載時(shí)進(jìn)行的。在這些方面，裂紋擴(kuò)展的塑性鈍化模型與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果相符。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞條帶只在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的鋁合金、奧氏體不銹鋼等的疲勞斷口上清晰地觀察到。在一些低塑性材料中，如粗片狀珠光體鋼，疲勞裂紋以微區(qū)解理(Microcleavage)或沿晶分離的方式擴(kuò)展，因而在這類(lèi)材料的疲勞斷口上不能觀察到疲勞條帶。能否觀察到疲勞條帶還取決于實(shí)驗(yàn)條件。當(dāng)裂紋擴(kuò)展速率da/dN＝10-7m/cycle的量級(jí)時(shí)，疲勞條帶最為明顯。而當(dāng)da/dN＜10-9m／cycle時(shí)，很難甚至不可能觀察到疲勞條帶；此時(shí)，疲勞斷口上可能出現(xiàn)解理小平面或沿晶的特征。不可將疲勞條帶與宏觀疲勞斷口上的貝殼狀條紋相混淆。若在電子顯微鏡下觀察貝殼狀條紋，可以看出它是由很多疲勞條帶組成的。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制典型的疲勞斷口疲勞裂紋形成于零件的表面，然后在各個(gè)方向上以近似相等的速度擴(kuò)展，同時(shí)形成輻射狀的疲勞溝。沿著疲勞溝可畫(huà)出輻射線，輻射線的交點(diǎn)即為裂紋形成的位置——疲勞源。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8、3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門(mén)檻值

裂紋由初始尺寸擴(kuò)展到臨界尺寸所經(jīng)歷的加載循環(huán)數(shù)，即為裂紋擴(kuò)展壽命Np。為了能精確地估算裂紋擴(kuò)展壽命及延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命，需要研究疲勞裂紋擴(kuò)展的一般規(guī)律和影響因素，以及疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8、3．1疲勞裂紋擴(kuò)展速率的測(cè)定測(cè)定裂紋擴(kuò)展速率采用緊湊拉伸(CT)試件、中心裂紋(CCT)試件或三點(diǎn)彎曲試件，在固定的載荷△P和應(yīng)力比R下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)每隔一定的加載循環(huán)數(shù)，測(cè)定裂紋長(zhǎng)度a，作出a-N關(guān)系曲線。對(duì)a-N曲線求導(dǎo)，即得裂紋擴(kuò)展速率，da/dN，也就是每循環(huán)一次裂紋擴(kuò)展的距離，單位為m/cycle。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8、3．2疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線將相應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度a和△P，代入應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式計(jì)算出△K。最后，繪制出da/dN-△K關(guān)系曲線，即疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，如圖所示。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制裂紋擴(kuò)展速率曲線的分區(qū)一條完整的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線可以分為三個(gè)區(qū)：Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū):Ⅰ區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率隨著△K的降低而迅速降低，以至da/dN→0。與此相對(duì)應(yīng)的△K值稱(chēng)為疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，記為△Kth。實(shí)驗(yàn)測(cè)定的裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值常定義為：da/dN＝1~3×10-10m/cycle時(shí)的△K值。又將Ⅰ區(qū)稱(chēng)為近門(mén)檻區(qū)。Ⅱ區(qū)，為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，對(duì)應(yīng)于da/dN

＝10-8-10-6m／cycle。在Ⅱ區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率在logda/dN-log△K

雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上呈一直線。Ⅲ區(qū)，為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，da/dN

＞10-6-10-5m／cycle,并隨著△K的增大而迅速升高。當(dāng)Kmax＝△K/(1-R)=KIC時(shí)，試件或零件斷裂。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制應(yīng)力比對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響實(shí)驗(yàn)研究表明，在Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率受到材料的顯微組織、應(yīng)力比和環(huán)境等內(nèi)外因素的很大影響；而在Ⅱ區(qū)，上述因素的影響相對(duì)地較小。圖表示應(yīng)力比對(duì)Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率影響很大，而對(duì)Ⅱ區(qū)的影響則較小。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8、3．3疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式為了精確地估算零件的裂紋擴(kuò)展壽命，需要研究裂紋擴(kuò)展模型和表達(dá)式。最著名、應(yīng)用最廣的是Paris提出的裂紋擴(kuò)展速率公式：da/dN＝C△Km

式中C，m為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的常數(shù)。Paris公式僅適用于Ⅱ區(qū)。Paris的主要貢獻(xiàn)是將應(yīng)力強(qiáng)度因子引入疲勞裂紋擴(kuò)展的研究，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的研究起了巨大的推動(dòng)作用。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制適用于Ⅰ、Ⅱ兩區(qū)的裂紋擴(kuò)展公式：da/dN=B(△K–△Kth)2對(duì)于疲勞裂紋以條帶機(jī)制擴(kuò)展的合金，B＝15.9／E2

對(duì)其他的裂紋擴(kuò)展機(jī)制，B＝1/(2πEσfεf)適用于三個(gè)區(qū)的裂紋擴(kuò)展公式：疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8、3．4降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率的途徑近門(mén)檻區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率主要決定于裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值ΔKth之值；相同的ΔK下，提高ΔKth之值，使裂紋擴(kuò)展速率大大降低。粗化晶粒將提高材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值ΔKth之值，見(jiàn)圖，因而降低材料在近門(mén)檻區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率。在Ⅱ區(qū),裂紋擴(kuò)展速率主要取決于裂紋擴(kuò)展系數(shù)B。而B(niǎo)之值取決于材料的性能和裂紋在Ⅱ區(qū)的擴(kuò)展機(jī)制，疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8、3．5疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算*零件的裂紋擴(kuò)展壽命Np，可按下式估算，式中(da/dN)代表疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式。按上式計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命，要選擇合適的裂紋擴(kuò)展速率公式，確定初始裂紋尺寸ai和臨界裂紋尺寸ac，即積分的上、下限。目前，很多工程師仍采用Paris公式或作修正后的Parjs公式，計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8．4延壽技術(shù)在很多構(gòu)件中，尤其是高強(qiáng)度材料制成的構(gòu)件中，裂紋形成壽命在疲勞總壽命占主要部分。因此，在本節(jié)中將要討論各種組織和工藝因素對(duì)裂紋形成壽命的影響，以及相應(yīng)的延壽技術(shù)措施。應(yīng)當(dāng)注意，延長(zhǎng)裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)展壽命的技術(shù)措施，有時(shí)是互相矛盾的。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)根據(jù)構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)思想對(duì)材料提出的要求，確定最佳的延壽技術(shù)方案。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制細(xì)化晶粒

隨著晶粒尺寸的減小，合金的裂紋形成壽命和疲勞總壽命延長(zhǎng)；晶粒細(xì)化可以提高金屬的微量塑性抗力，使塑性變形均勻分布，因而會(huì)延緩疲勞微裂紋的形成；晶界有阻礙微裂紋長(zhǎng)大和聯(lián)接作用。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制減少和細(xì)化合金中的夾雜物

細(xì)化合金中的夾雜物顆粒，可以延長(zhǎng)疲勞壽命。合金表面上和近表面層(Subsurface)的夾雜物尺寸對(duì)疲勞壽命的影響如圖所示。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制微量合金化

微量合金化是改善低碳鋼綜合力學(xué)性能的經(jīng)濟(jì)而有效的方法。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制改善切口根部的表面狀態(tài)

切削加工會(huì)引起零件表面層的幾何、物理和化學(xué)的變化。這些變化包括：表面光潔度、表面層殘余應(yīng)力和金屬的加工硬化。常將這三者合稱(chēng)表面完整性。在化學(xué)和電化學(xué)加工中，表層金屬可能吸氫而變脆。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制切削加工在切口根部表面造成的殘余壓應(yīng)力和應(yīng)變硬化，提高裂紋形成壽命；退火消除表面殘余壓應(yīng)力和應(yīng)變硬化，因而降低裂紋形成壽命(見(jiàn)圖)。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制切口根部表面光潔度愈高，裂紋形成壽命愈長(zhǎng)；在低的循環(huán)應(yīng)力下，提高切口根部表面光潔度．延長(zhǎng)裂紋形成壽命的效果更為顯著，如圖所示。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制表面強(qiáng)化

表面強(qiáng)化是既能延長(zhǎng)裂紋形成壽命，又能延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命的有效方法。最近的研究工作表明，帶中心孔的鋁合金試件孔壁經(jīng)擠壓強(qiáng)化后，裂紋形成壽命大為提高，如圖所示。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制減少高強(qiáng)度鋼中的殘余奧氏體

將高強(qiáng)度馬氏體綱中的殘余奧氏體由12％減少到5％，可使30CrMnSiNi2A鋼的屈服強(qiáng)度由970MPa提高到1320MPa，裂紋形成壽命在短壽命范圍內(nèi)延長(zhǎng)約30％。盡管殘余奧氏體能延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命，但高強(qiáng)度鋼零件的裂紋形成壽命在疲勞總壽命中占主要部分，因而降低殘余奧氏體含量以提高屈服強(qiáng)度和延長(zhǎng)裂紋形成壽命，對(duì)靜強(qiáng)度和疲勞總壽命將更有利。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制8．5研究裂紋萌生和擴(kuò)展的試驗(yàn)方法疲勞失效過(guò)程的分析表明，疲勞壽命由裂紋形成壽命Ni（FatigueCrackInitiationLife）和裂紋擴(kuò)展壽命Np（CrackPropagationLife）兩部分所組成。因此，結(jié)構(gòu)件的壽命估算大多采用兩階段模型，首先分別計(jì)算裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)展壽命，然后求和，即得總壽命Nf。在含裂紋式缺陷（crack-likedefect）的焊接件中，疲勞壽命由裂紋擴(kuò)展壽命一部分所組成。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制盡管零件所受的名義應(yīng)力低于σ0.2

，但由于應(yīng)力集中，零件切口根部材料屈服，在切口根部形成塑性區(qū)（見(jiàn)圖）。因此，零件受到循環(huán)應(yīng)力的作用，而切口根部材料則受到循環(huán)塑性應(yīng)變的作用，故疲勞裂紋總是在切口根部形成。疲勞失效的微觀過(guò)程和機(jī)制第一類(lèi)模擬疲勞試驗(yàn)若零件及其切口根部塑性區(qū)足夠大，則可將塑性區(qū)內(nèi)的材料取出做成疲勞試件(見(jiàn)上圖)，再按塑性區(qū)內(nèi)材料所受的應(yīng)變