課件武漢理工大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)課件12 1

1、第十二章疲勞與斷裂在特定外界條件下工作的構(gòu)件，雖然所受應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，但服役一定時(shí)間后，也可能發(fā)生突然脆斷。這種 與時(shí)間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷稱為延滯斷裂。外界條件可以是應(yīng)力，如交變應(yīng)力；也可以是環(huán)境介質(zhì)， 如腐蝕介質(zhì)、氫氣氛或熱作用等。由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂；而在靜載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下引起的延滯斷裂，叫做靜 載延遲斷裂，或稱靜疲勞；疲勞與斷裂是材料、構(gòu)件和機(jī)械最常見的失效方式，約占構(gòu)件全部失效的5090。12.1疲勞12.2低溫?cái)嗔雅c疲勞12.3高溫蠕變與疲勞12.4環(huán)境斷裂氫脆12.1一、疲勞概念1、疲勞2、疲勞失效的特點(diǎn)二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型1、疲勞失效過程2、幾種物

2、理模型3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征疲勞一、疲勞概念1、疲勞材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞或疲勞失效。影響構(gòu)件疲勞行為的因素很多，可以分為四類：材料、外載荷、環(huán)境條件和構(gòu)件的形狀和尺寸。按外載荷的大小，疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞。對(duì)于金屬材料，通常把疲勞失效周次Nf104105的疲勞稱為高周疲勞，反之稱為低周疲勞；若每個(gè)周期內(nèi)的載荷參量不隨時(shí)間而變化，稱為恒幅疲勞，否則則為變幅疲勞；由變動(dòng)的外載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用的疲勞為腐蝕疲勞；溫度高于再結(jié)晶溫度或高于(0.50.6)Tm時(shí)的疲勞，屬于高溫疲勞，Tm為金屬的熔點(diǎn)；由于溫度的變化形成的變動(dòng)熱應(yīng)力引起的疲勞，稱為熱

3、疲勞；低溫影響材料的疲勞行為，還沒有關(guān)于低溫疲勞的確切定義；應(yīng)變速率大于102/s的疲勞問題屬于沖擊疲勞。2、疲勞失效的特點(diǎn)(1) 疲勞斷裂表現(xiàn)為低應(yīng)力下的破壞斷裂疲勞失效在遠(yuǎn)低于材料的靜載極限強(qiáng)度甚至遠(yuǎn)低于材 料屈服強(qiáng)度下發(fā)生。(2) 疲勞破壞宏觀上無塑性變形與靜載荷作用下材料的破壞相比，具有更大的危險(xiǎn)性 。(3) 疲勞是與時(shí)間有關(guān)的一種失效方式，具有多階段性疲勞失效過程是累積損傷的過程。由交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用引起的損傷是隨著載荷次數(shù)逐次增加的，如圖12.3所示 :圖12.3 碳鋼的疲勞積累損傷曲線(4) 與單向靜載斷裂相比，疲勞失效對(duì)材料的微觀組織和缺陷更加敏感這是因?yàn)槠谟袠O大的選擇性，

4、幾乎總是在構(gòu) 件材料表面的缺陷處發(fā)生。(5)疲勞失效受載荷歷程的影響過載損傷會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降(如圖12.3所示)圖12.4為鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，加載到A點(diǎn)卸載再重新加載， 其抗拉強(qiáng)度sb與末卸載的相同，即未受到載荷史的影響。圖12.4 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線一定的過載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展， 延長疲勞壽命，如圖12.5所示。圖12.5 過載引起疲勞裂紋擴(kuò)展延滯效應(yīng)二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型1、疲勞失效過程疲勞裂紋的擴(kuò)展，一般可分為三個(gè)階段，如圖12.6 所示。圖12.6da/dNDK曲線及其微觀機(jī)制示意圖DKth疲勞門檻值；DKc最終斷裂強(qiáng)度因子；DK應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。整個(gè)擴(kuò)展過程可以近似地

5、以“s”形曲線來描述：A段為第一階段，DK小，擴(kuò)展速率低，da/dNl0-6mm/次，為非連續(xù)區(qū)，呈現(xiàn)一種結(jié)晶學(xué)形態(tài)的斷口；B段為第二階段，da/dN10-5mm/次，為連續(xù)擴(kuò)展區(qū)， 斷口形態(tài)以疲勞條紋為主；C段為第三階段，da/dN10-3mm/次，為失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)， 斷口形態(tài)以“韌窩”(dimple)、晶間斷裂或纖維狀為主。2、幾種物理模型根據(jù)疲勞斷口表面與應(yīng)力軸的相對(duì)位向，裂紋擴(kuò)展可分為切應(yīng)變型(第一階段擴(kuò)展)和正應(yīng)變型(第二階段擴(kuò)展)兩種。根據(jù)裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制，裂紋擴(kuò)展模型又可以分為三 類：滑移型、鈍化型和再生核型，見表12.1：3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征（1）疲勞極限與疲勞門檻值

6、(Endurance Limit and Fatigue Thresholds)疲勞極限是疲勞曲線水平部分所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力， 它表示材料經(jīng)受無限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。疲勞門檻值是疲勞裂紋不擴(kuò)展的DK最大值。圖12.8缺口試件中的應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)和疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展區(qū)示意圖a 缺口試件中應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)簡(jiǎn)圖b 光滑、缺口疲勞極限sN與門檻值DKth的相互關(guān)系圖中：smax為最大應(yīng)力； s0與sN為光滑與缺口疲勞極限；DKth為疲勞門檻值；Kt為應(yīng)力集中系數(shù)。Lukas導(dǎo)出缺口與光滑試件疲勞極限sN與s0的關(guān)系：1 2s1.14 Ko N= atb 0 1+rs cKt式中：Kt為應(yīng)力集中系數(shù)；1K

7、atb為基本門檻值，等于K2th；r 為缺口半徑；sc為臨界應(yīng)力。疲勞極限與疲勞門檻值分別反映了交變載荷作用下材料對(duì)裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的抵抗力。因?yàn)榱鸭y的萌生與擴(kuò)展的機(jī)制不同， 對(duì)于現(xiàn)有的金屬材料，在使疲勞極限提高的同時(shí)往往降低了疲勞門檻值，反之亦然。（2）小疲勞裂紋的擴(kuò)展行為在與長裂紋相同的名義驅(qū)動(dòng)力下，小裂紋擴(kuò)展較快；在長裂紋的門檻值之下，小裂紋仍以較高的速率擴(kuò)展，見圖12.9。圖12.9典型的小裂紋與長裂紋擴(kuò)展行為示意小裂紋現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下述三種情況：裂紋長度與材料的特征微觀尺寸相比不夠大；裂紋長度與裂紋尖端前方的塑性區(qū)尺寸相比不夠大；裂紋長度小于某一值。（3）裂紋閉合行為裂紋閉合現(xiàn)象是

8、指疲勞裂紋在外加拉應(yīng)力作用下，裂紋張開位移仍為零的狀態(tài)。一般認(rèn)為裂紋閉合的機(jī)制有三種： 塑性誘發(fā)(Plasticity-Induced)閉合氧化物誘發(fā)(Oxide-Induced)閉合粗糙度誘發(fā)(Roughness-Induced)閉合（圖12.7）圖12.7裂紋閉合的三種形式Elber根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的裂紋閉合現(xiàn)象提出了有效應(yīng)力 強(qiáng)度因子的概念，定義為 ：DKeff= Kmax- Kop式中：KmaxKopDKeffDKeff最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；裂紋完全張開時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子；有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。即裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動(dòng)力。通過 DKeff可以解釋應(yīng)力比R對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響。如圖12.10所示。與

9、 DK的變化圖12.10a裂紋閉合應(yīng)力強(qiáng)度因子Kcl / Kmaxb 裂紋擴(kuò)展速率與DK和 DKeff的關(guān)系（4）變幅載荷下的裂紋擴(kuò)展超載下的延緩效應(yīng)(Retardation effect)圖12.11 不同形式的超載對(duì)裂紋擴(kuò)展及壽命的影響可以看出:單個(gè)拉應(yīng)力超載和壓-拉超載對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展具有最大的延緩效應(yīng)；而拉-壓超載較前二 者的延緩效應(yīng)為??；單個(gè)壓縮超載對(duì)裂紋擴(kuò)展速率影響不大。超載后產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展延緩效應(yīng)的主要因素有三個(gè)：a、裂紋尖端前方超載塑性區(qū)內(nèi)的殘余壓應(yīng)力阻止裂紋的延伸；b、裂紋尖端后方的閉合效應(yīng)阻止裂紋張開； c、裂紋尖端前方超載塑性區(qū)內(nèi)晶體缺陷密度的增加進(jìn)一步阻止裂紋的延伸。周次（Nd）隨超載（OL）塑性區(qū)尺寸與試1989年McEvily等對(duì)100超載下的鋁合金延緩效應(yīng)作了定量分析，發(fā)現(xiàn)延緩周次與超載塑性區(qū)尺寸和試樣厚度的比值呈U形變化關(guān)系，見圖12.12圖12.12 延緩樣厚度比值的變化導(dǎo)出的延緩周次關(guān)系式為 ：K 211N= OL +dpsA(DK - E.C. - K(DK - DK)2)2ythth式中： A 為試驗(yàn)常數(shù)；o yKOL為屈